小型無人機遙感技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

靳富剛

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

隨著遙感技術(shù)被大量應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對作物的監(jiān)測只需要利用無人機收集整片農(nóng)田的近紅外圖像，就能精準地獲取作物的光譜特征數(shù)據(jù)，通過結(jié)合這些數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對作物具體生產(chǎn)狀態(tài)的判斷。作為空中檢測技術(shù)，農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)主要以作物和土壤為對象，借助可見光-近紅外光譜的反射特性，從作物色素、細胞結(jié)構(gòu)、含水率等方面對作物長勢、作物品質(zhì)、作物病害蟲等方面進行檢測。精準農(nóng)業(yè)是指結(jié)合各大農(nóng)作物生長的土壤，對作物的投入加以調(diào)節(jié)，在明確田塊當(dāng)中土壤以及生產(chǎn)力空間變異情況的基礎(chǔ)上，確定好農(nóng)作物主要的生產(chǎn)目標(biāo)，以最低的投入獲取更高的收益。因此，為了更好地滿足精準農(nóng)業(yè)的基本需求，就要在內(nèi)部引入小型無人機遙感技術(shù)，充分發(fā)揮其機動性以及經(jīng)濟性，為精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

1 小型無人機遙感技術(shù)與精準農(nóng)業(yè)概述

1.1 小型無人機遙感技術(shù)概述

對小型無人機遙感系統(tǒng)進行全面分析可知，其涉及的構(gòu)成單位相對較為復(fù)雜，不僅涉及傳感器以及自動化飛行平臺等內(nèi)容，還囊括地對空控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)以及無人機影像傳輸系統(tǒng)等內(nèi)容。通常情況下，在小型無人機所搭載的設(shè)備當(dāng)中，質(zhì)量都需要穩(wěn)定控制在15 kg以內(nèi)，并且無人機飛行高度也不能超過3 000 m。在實際飛行過程中，最大速度也要結(jié)合實際情況進行穩(wěn)定控制[1]，而如果應(yīng)用場景與應(yīng)用需求方面出現(xiàn)變化，就應(yīng)當(dāng)選擇好不同類型的傳感器，確保對應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)信息能夠被及時獲取。另外，通過對小型無人機進行分析可以看出，無人機也會受到部分客觀因素的約束，特別是在荷載能力方面，必須滿足遙感傳感器的基本需求，比如質(zhì)量較輕以及功耗較小等。而在目前的發(fā)展進程中，應(yīng)用更為廣泛的無人機遙感傳感器主要為激光雷達，其在數(shù)據(jù)信息傳輸系統(tǒng)以及處理系統(tǒng)的輔助作用下，形成對應(yīng)的遙感影像、光譜指數(shù)以及相關(guān)模型，這部分都屬于遙感的產(chǎn)出結(jié)果，其結(jié)果能夠應(yīng)用在后續(xù)的農(nóng)作物調(diào)查以及產(chǎn)量評估等工作當(dāng)中。在具體的工作流程方面，應(yīng)用小型無人機遙感技術(shù)獲取目標(biāo)信息，可分為3個不同階段：一是前期準備階段。在此階段應(yīng)當(dāng)有效完成飛行空域申請以及條件判定等工作，在無人機正式起飛之前，要對區(qū)域內(nèi)部的各類信息進行更加廣泛的收集，主要是地區(qū)的地形以及地區(qū)的具體環(huán)境等，還應(yīng)當(dāng)針對飛行任務(wù)的具體著落點進行事前調(diào)查，從而確定好對應(yīng)的降落點。此外，在正式飛行前工作人員也要對無人機設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整優(yōu)化。二是數(shù)據(jù)信息的獲取階段。在此階段中主要就是無人機的操作人員應(yīng)結(jié)合確定好的參數(shù)來執(zhí)行飛行任務(wù)，通過實時監(jiān)控數(shù)據(jù)來加以調(diào)整。三是數(shù)據(jù)信息處理階段。此階段中的主要任務(wù)是對采集到的圖像用計算機設(shè)備加以處理，從而形成更加完整的產(chǎn)品[2-3]。

1.2 精準農(nóng)業(yè)概述

精準農(nóng)業(yè)屬于目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要趨勢，通過信息化技術(shù)的應(yīng)用來輔助精準農(nóng)業(yè)的運轉(zhuǎn)，在實際工作過程中其涉及定位與定量工作，需要用空間變異的方式對其進行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)。從實際情況看，精準農(nóng)業(yè)就是以各類農(nóng)作物的生長土壤為基礎(chǔ)內(nèi)容，以此對農(nóng)作物耕種過程中存在的各種人為因素進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)

優(yōu)化。而在正式進行農(nóng)作物耕種之前，則要針對土壤內(nèi)部各類微量元素的含量以及生產(chǎn)力進行準確調(diào)查，這部分調(diào)查工作也要在土壤產(chǎn)生變異之前完成，確保調(diào)查結(jié)果具備更高的真實性與有效性。還要進一步明確農(nóng)作物的具體產(chǎn)量目標(biāo)，以此為基礎(chǔ)來實現(xiàn)更為系統(tǒng)化的診斷與科學(xué)化的管理控制，保證土壤內(nèi)部的生產(chǎn)力可以滿足目標(biāo)需求，以更低的投入獲取更高的收益。此外，其對環(huán)境也起到了一定程度的改善優(yōu)化作用，通過高效應(yīng)用各類農(nóng)業(yè)資源，可以及時獲得相關(guān)的環(huán)境效益以及經(jīng)濟效益[4-5]。

2 小型無人機遙感技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.1 農(nóng)作物的精準識別

從實際情況看，農(nóng)作物識別是后續(xù)針對作物面積進行測算的關(guān)鍵所在，可以為精準農(nóng)業(yè)的順利開展提供主要的參考依據(jù)。相對于以往的地面調(diào)查模式來說，小型無人機遙感技術(shù)有著較為顯著的高效性，而相對于微型遙感識別技術(shù)來說，無人機在抗干擾性方面能力相對較強，這種技術(shù)在實際應(yīng)用過程中可以提供較為準確的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息以及紋理信息，這也使得其在地物分類數(shù)據(jù)信息的收集過程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。而在目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展進程中，以小型無人機遙感技術(shù)為獲取各類影像信息的基礎(chǔ)，確保高效提取農(nóng)作物種植信息，已經(jīng)成為當(dāng)前的主要發(fā)展目標(biāo)。從遙感類型看，可以將其劃分為兩種不同類型：一種是基于像元的方法，另一種是基于面向?qū)ο蟮姆椒ā５谝环N方式主要通過搭載冠層相機的無人機平臺，實現(xiàn)對于那些分辨率較高的遙感影像的全面收集，以此為基礎(chǔ)來對農(nóng)作物自身所具備的波譜特征變化情況進行深入分析；而第二種方式則是要通過無人機航拍影像所具備的光譜特征以及幾何特征，針對各類農(nóng)作物進行科學(xué)合理的分類，利用無人機設(shè)備所收集到的數(shù)字模型等內(nèi)容，實現(xiàn)對梯田的自動化識別[6]。

2.2 病蟲害的監(jiān)測

如果在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)階段中出現(xiàn)了范圍較大的病蟲害現(xiàn)象，就會對后續(xù)的作物產(chǎn)量產(chǎn)生嚴重影響，導(dǎo)致農(nóng)作物的葉片色素與冠層結(jié)構(gòu)之間出現(xiàn)較為顯著的變化。而通過小型無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用，就可以對各大波段光譜特征進行動態(tài)化的監(jiān)測，從而判斷病蟲害的危害程度，為后續(xù)精準化農(nóng)業(yè)管理工作的順利開展提供科學(xué)合理的指導(dǎo)，在逐步降低生產(chǎn)損失的基礎(chǔ)上，減少各類農(nóng)藥的使用量，使得環(huán)境效益可以實現(xiàn)最優(yōu)化轉(zhuǎn)變。而在利用無人機遙感技術(shù)對病蟲害加以檢測的實際過程中，應(yīng)當(dāng)將病蟲害的識別以及后續(xù)的時空檢測作為主要研究目標(biāo)。首先，通過無人機的航空圖像，對農(nóng)田病蟲害進行全面監(jiān)測，通過敏感波段光譜的反射率以及病情指數(shù)的回歸模型，可以監(jiān)測病蟲害的具體發(fā)生情況，并準確判斷出病蟲害的主要影響范圍。其次，通過多光譜航空影像數(shù)據(jù)信息，可以實現(xiàn)對病蟲害的準確定位。最后，采用多源化的數(shù)據(jù)信息逐步提取植被指數(shù)，并完成對葉綠素具體含量的反演，從而為遙感參數(shù)的診斷與應(yīng)用提供與之對應(yīng)的參考對象[7]。

2.3 農(nóng)作物的監(jiān)測

可以利用小型無人機遙感技術(shù)自身所具備的監(jiān)測功能監(jiān)測農(nóng)田作物數(shù)據(jù)、農(nóng)田土壤、農(nóng)作物品質(zhì)等，連續(xù)性地、動態(tài)性地掌握農(nóng)田作物的長勢情況，實現(xiàn)對農(nóng)田農(nóng)作物定量、定性、定位的描述分析，從而達到精準作業(yè)的目的。在針對農(nóng)作物進行監(jiān)測的實際過程中，其囊括的內(nèi)容主要是農(nóng)作物在生產(chǎn)參數(shù)方面出現(xiàn)的變化以及農(nóng)作物內(nèi)部的具體元素含量?？梢酝ㄟ^無人機平臺來更好地獲取水稻冠層的特征信息，還能將這種方式應(yīng)用在水稻的養(yǎng)分診斷當(dāng)中。并且無人機平臺可以利用自身的紅外影像功能，實現(xiàn)對農(nóng)作物生長情況的準確監(jiān)測，并計算出各個區(qū)域當(dāng)中農(nóng)作物的具體生長參數(shù)。通過統(tǒng)一化指標(biāo)對作物的具體生長情況進行量化處理，以此為基礎(chǔ)來提出針對性的改進措施，保證農(nóng)作物可以達到預(yù)期的收益。除此之外，還要將植被以及土壤所具備的光譜特征當(dāng)作分析的主要內(nèi)容，并對農(nóng)作物的生育期進行深入的監(jiān)測與研究，利用多光譜遙感影像植被覆蓋度計算，實現(xiàn)對植被覆蓋程度的準確判斷[8]。

3 小型無人機遙感技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)的應(yīng)用趨勢3.1 遙感信息處理的智能化與自動化

在小型無人遙感技術(shù)的應(yīng)用過程中，針對部分指定物質(zhì)影像資料以及數(shù)據(jù)信息的獲取，都可以利用小型無人機遙感系統(tǒng)來進行全面獲取。通過對具體影像進行的深入分析可知，各大影像都存在傾角無法重疊以及幅寬比較小等問題，這樣就會加大后續(xù)工作的開展難度。因此，這就需要利用小型無人機遙感技術(shù)實現(xiàn)對各大影像的自動化處理，從根本上提高影像的獲取質(zhì)量。從實際情況看，針對這方面所進行的研究，主要是以簡單的遙感

獲取數(shù)據(jù)信息為主，重點內(nèi)容為光譜特征反演農(nóng)作物的參數(shù)等方面，還要對遙感信息與農(nóng)作物生長參數(shù)之間存在的關(guān)系加以明確。然而，由于模型自身的穩(wěn)定性相對有限，這使得遙感技術(shù)的具體應(yīng)用區(qū)域受到了較為顯著的限制。所以，在后續(xù)的研究階段中，就應(yīng)當(dāng)提高對遙感智能化與自動化的重視程度，比如如何對農(nóng)作物的生長信息展開快速解析等。如果信息獲取以及解析技術(shù)可以向著全面化的方向發(fā)展，就不僅能夠為精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供思路，也能為后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供重要的支撐[9]。

3.2 周期性的農(nóng)作物生長監(jiān)測

為了保證農(nóng)田監(jiān)測精準程度能夠穩(wěn)步提升，要在內(nèi)部更加高效地采用小型無人機遙感技術(shù)，但這種技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，很容易產(chǎn)生連續(xù)性以及周期性較差的問題。這種連續(xù)性與周期性是農(nóng)作物在生長階段中的主要特征。農(nóng)作物在不同的生長階段中，其內(nèi)部的參數(shù)指標(biāo)也有著較為顯著的差異。如果在構(gòu)建模型的過程中只采用單一化的參數(shù)，就會嚴重影響到模型自身的代表性以及全面性。如在棉花的種植過程中，其模型構(gòu)建階段就可以將參數(shù)設(shè)置為處在不同生育期時，要針對各階段的信息分別進行分析與處理。同時，在對農(nóng)作物的同一種生長參數(shù)進行監(jiān)測的過程中，由于在生長周期方面存在的差異，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)信息也并不相同。由此可以看出，農(nóng)作物的生長周期以及連續(xù)性的數(shù)據(jù)信息，已經(jīng)成為目前小型無人機遙感技術(shù)中的研究重點，可以采取周期性的監(jiān)測方式，以保證監(jiān)測的準確度在根本上得到提升[10]。

4 結(jié)論

綜上所述，通過小型無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用，可以更好地獲取精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理階段中所需的各類數(shù)據(jù)信息，助推傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐步向著精準農(nóng)業(yè)的方向轉(zhuǎn)變。無人機遙感技術(shù)在田間尺度、農(nóng)作物生長狀態(tài)的監(jiān)測方面，也起到了十分重要的作用，使得各方面的數(shù)據(jù)信息可以更好地融合在一起，為后續(xù)田間的精準作業(yè)提供必要的指導(dǎo)，為農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。