無人機在精量灌溉中的應(yīng)用研究

王巧玲

(甘肅省疏勒河流域水資源利用中心,甘肅 玉門 735211)

0 引 言

要想實現(xiàn)精量灌溉的目標(biāo),必須有效對缺水狀況實施精準(zhǔn)診斷,并通過科學(xué)分析,在滿足缺水狀態(tài)下即可執(zhí)行灌溉指令。例如,針對土壤-植物-大氣連續(xù)體系統(tǒng),想要判斷作物是否缺水,就需要依靠對應(yīng)的定量指標(biāo)來做出評判:①需要結(jié)合當(dāng)前土壤水分情況,明確灌溉的時間及用水量,并充分考慮影響水分的因素,科學(xué)設(shè)定土壤水分平衡條件;②從作物在水分缺失狀態(tài)下的生理反應(yīng)特征出發(fā),觀察其是否要實施灌溉任務(wù);③基于作物生長的環(huán)境特征,考慮對應(yīng)因素的變化情況,進而判斷出作物需水量,隨后從蒸騰蒸發(fā)量角度出發(fā),判斷是否達(dá)到需要灌溉的界限。當(dāng)前,無人機技術(shù)在諸多方面都得到了有效應(yīng)用,它可以借助機載多光譜熱紅外、高光譜等相機,實現(xiàn)對定量指標(biāo)信息的獲取,為實現(xiàn)動態(tài)化監(jiān)測、準(zhǔn)確監(jiān)測提供支持[1]。

1 無人機技術(shù)的應(yīng)用特征

1.1 安全性與可靠性

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中,無人機遙感技術(shù)開始發(fā)揮出其優(yōu)勢,現(xiàn)階段,已將無人機應(yīng)用到多個項目的研究中。在實踐期間,主要利用遙感來實現(xiàn)對無人機的控制,并且依托計算機技術(shù)、圖像攝影技術(shù)等完成測量工作,在這種模式下,可展現(xiàn)出無人機技術(shù)的安全性和可靠性。

1.2 降低投資成本

相對而言,使用無人機要比航拍飛機節(jié)省更多的資金,無人機控制系統(tǒng)相對簡單,在使用過程中具備價格優(yōu)勢。操作者可借助搖感系統(tǒng)實現(xiàn)對無人機的操控,并且無人機的后續(xù)養(yǎng)護與維修相對便利,這些都為無人機的廣泛應(yīng)用提供了支持,也展現(xiàn)出無人機利用的優(yōu)點。

1.3 可開展低空作業(yè)和獲取高分辨率的影像

無人機作業(yè)過程中可保持低空飛行的狀態(tài),它能夠精準(zhǔn)拍攝目標(biāo)范圍內(nèi)的相關(guān)事物,從而獲得高分辨率的影像信息。在低空狀態(tài)下,可有效避免云層的干擾,進一步拉進和地面的距離,有助于獲取更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。通常情況下,即使無人機是在距離地面超過50m以上的條件下飛行,它也能夠測繪出足夠精確的數(shù)據(jù),在技術(shù)達(dá)到相應(yīng)需求時,誤差范圍可<0.5m[2]。

2 無人機實現(xiàn)精量灌溉下的數(shù)據(jù)指標(biāo)支持

在執(zhí)行灌溉期間,作物屬于有效分析的對象,伴隨著天氣的變化和其它因素的影響,土壤中的水分也在持續(xù)變化。因此,在執(zhí)行灌溉時,要依據(jù)對應(yīng)作物的生長情況來決定。如果含水量較為充足,則無需執(zhí)行灌溉操作,若含水量相對較低,則可以下達(dá)精量灌溉的指令。

2.1 作物水分信息和無人機遙感監(jiān)測技術(shù)的聯(lián)系

在判斷是否執(zhí)行灌溉時,觀察作物自身生理變化尤為關(guān)鍵,通過采用有效的方式可獲得相關(guān)指標(biāo)。例如,在運行階段,作物的參數(shù)指標(biāo)可包含徑流、莖水勢、葉水勢、氣孔導(dǎo)度等,作物自身的水分情況會從上述指標(biāo)中得以體現(xiàn)。當(dāng)然,在獲取信息時上述指標(biāo)不能來自特定個體,而是要盡可能選擇平均值,在滿足條件時還需要結(jié)合作物的空間分布特征、實現(xiàn)對樣本的校正等[3]。當(dāng)前,伴隨著精量灌溉理念的提出,更應(yīng)當(dāng)精確分析作物空間的變化特點,按照實際應(yīng)用需求,可借助冠層溫度、植被參數(shù)等數(shù)據(jù)指標(biāo)展開分析。

首先,在含水率充足條件下,若是環(huán)境溫度上升,就會增大氣孔導(dǎo)度,進一步提升蒸騰速率提,在此條件下得到的冠層溫度較為穩(wěn)定。其次,如果含水率呈現(xiàn)出不足狀態(tài),那么作物的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均會降低,此時的蒸騰降溫能力逐漸削弱,就會出現(xiàn)冠曾溫度升高的情況[4]。為了合理應(yīng)用這種水分脅迫的情況,在表現(xiàn)出蒸騰速率降低、氣孔開度減小、冠層溫度升高的情況外,還會出現(xiàn)葉子卷曲、葉面積減少的現(xiàn)象。當(dāng)然,為了實現(xiàn)對機體組織的保護,作物還會降低光的吸收,可通過影響葉綠素濃度、葉黃素循環(huán)等來加以調(diào)節(jié)。在水分脅迫出現(xiàn)期間,作物的冠層溫度、結(jié)構(gòu)、葉片色素含量會發(fā)生一定的變化,這也也無人機遙感技術(shù)探測指引了方向,在有效利用其空間變異性的特征基礎(chǔ)上,可實現(xiàn)對信息的感知,并且在應(yīng)用期間可發(fā)揮出變異迅速、細(xì)致感知的優(yōu)點。結(jié)合無人機遙感技術(shù)的應(yīng)用,在對作物水分脅迫進行診斷期間,要充分結(jié)合作物對水分脅迫的響應(yīng),主要將其劃分成基于紅外測溫技術(shù)與基于冠層反射光譜兩種類型。

2.2 作物水分信息無人機遙感監(jiān)測技術(shù)體系的搭建

以精量灌溉為目標(biāo),在分析作物水分脅迫信息感知的基礎(chǔ)上,可展現(xiàn)出無人機遙感監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用潛力。通過建立無人機遙感技術(shù)的作物水分信息感知技術(shù)體系,可為后續(xù)應(yīng)用實踐奠定基礎(chǔ)。

在作物水分信息無人機遙感監(jiān)測技術(shù)體系中,應(yīng)包含對圖像信息的采集,明確預(yù)處理過程,并從溫度指數(shù)、植被指數(shù)方面出發(fā)實現(xiàn)對水分脅迫的有效感知。在圖像采集、處理模塊中,需要對無人機的飛行參數(shù)進行設(shè)計,實現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的采集,并完成地理信息匹配工作,保證圖像拼接良好,并通過有效的校正處理來確保圖像信息的質(zhì)量。從溫度指數(shù)層面出發(fā),在分析水分脅迫感知的條件下,則通常需要關(guān)注溫度校正冠層溫度提取和脅迫指數(shù)的聯(lián)系,合理搭建兩者的關(guān)系,并依據(jù)分布圖為后續(xù)灌溉操作提供支撐。

2.3 基于植被指數(shù)的作物水分信息無人機技術(shù)應(yīng)用實踐

通過結(jié)合紅外測溫技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對作物冠層溫度的監(jiān)測,從而對作物水分脅迫狀況實施分析。從作物生理特性角度出發(fā),結(jié)合空間變異性的感知手段,有效測量出水分脅迫的分布信息圖。結(jié)合具體實踐應(yīng)用過程,可將水分脅迫敏感的指數(shù)劃分成葉黃素、葉綠素以及與冠層結(jié)構(gòu)的相關(guān)指數(shù)。

2.3.1 葉黃素指數(shù)

葉黃素指數(shù)能夠成為作物水分脅迫指標(biāo),可通過對其分析了解到當(dāng)前作物的含水量特征。不過,相對而言,葉黃素指數(shù)會受到冠層結(jié)構(gòu)、色素含量、時間尺度等因素的影響。此外,如果在借助地面遙感、無人機遙感技術(shù)的背景下,受到多種因素的影響,最終獲得的水分脅迫監(jiān)測能力會存在欠缺,可能暴露出測量結(jié)果不準(zhǔn)、不夠穩(wěn)定的問題。例如,在使用地面遙感技術(shù)對春天小麥的葉黃素指數(shù)水分脅迫進行監(jiān)測期間,要合理評估其性能,了解到葉黃素指數(shù)會受到季節(jié)變化、葉面積指數(shù)變化的影響,為了盡可能消除影響,就應(yīng)當(dāng)對其進行校正。此外,在追求結(jié)果精確的條件下,還應(yīng)該借助更加精細(xì)的時間對其實施評估與測量。在研究期間,從航空尺度層面出發(fā)對葉黃素指數(shù)進行評估,通過對其水分脅迫信息進行監(jiān)測,了解到會受到多種因素干擾,倡導(dǎo)構(gòu)建起葉黃素指數(shù)體系來進行分析。

2.3.2 葉綠素及冠層結(jié)構(gòu)相關(guān)指數(shù)

在實踐過程中,也可以利用葉綠素及冠層結(jié)構(gòu)相關(guān)指數(shù),對比其和葉黃素相關(guān)指數(shù)的差異,發(fā)現(xiàn)葉綠素及冠層結(jié)構(gòu)相關(guān)指數(shù)適用于窄波段多光譜植被。此外,可以通過監(jiān)測植被的生長信息來進行統(tǒng)計,例如葉綠素含量、葉面積指數(shù)等。在表現(xiàn)為持續(xù)水分脅迫的狀態(tài)下,會出現(xiàn)葉片卷曲及下垂的情況。如果葉綠素含量降低,也會導(dǎo)致作物的結(jié)構(gòu)及顏色發(fā)生變化,這也可成為作物水分脅迫的關(guān)鍵視覺指標(biāo)。在利用無人機遙感技術(shù)時,在葉片結(jié)構(gòu)、葉綠素含量發(fā)生變化的狀態(tài)下,會導(dǎo)致特定波段反射率發(fā)生減少或者增加的情況,從而可借助無人機窄帶多光譜指數(shù)來實現(xiàn)對作物水分變化的監(jiān)測。陳建福[5]在開展研究期間,就有效利用了無人機多光譜系統(tǒng),對植物水分狀況進行了評估,并通過觀察其空間變異性特征,明確了歸一化植被指數(shù)與轉(zhuǎn)化葉綠素吸收反射率、優(yōu)化土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)比值、氣孔導(dǎo)度、莖水勢的關(guān)系。在借助無人機技術(shù)時,通過建立植被指數(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)對作物水分脅迫情況的監(jiān)測,實踐過程中,需要排除其它無關(guān)因素的干擾,有效降低波動帶來的影響。徐洪剛[6]等在研究無人機熱紅外反演土壤含水率時,以不同生育期夏玉米為對象,借助無人機獲取試驗區(qū)的可見光和熱紅外圖像,隨后利用可見光圖像來對冠層掩膜并疊加在熱紅外圖像上有效提取玉米冠層溫度,從而分析冠層溫度的變化趨勢及與葉面積指數(shù)(LAI)的相關(guān)性。最后,利用冠氣溫差的相反數(shù)與葉面積指數(shù)構(gòu)建了一個新指標(biāo),對冠氣溫差、DTL指標(biāo)反演土壤含水率的準(zhǔn)確性。

2.4 無人機遙感綜合診斷實現(xiàn)“精量”要求

在借助無人機實施精量澆灌期間,需要考慮作業(yè)區(qū)域的地形、天氣等問題,從導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等方面出發(fā),對無人機遙感系統(tǒng)進行升級,確保其能夠?qū)崿F(xiàn)超低空自動跟蹤飛行及控制。在導(dǎo)航系統(tǒng)的加持下,加裝激光對地測距儀、差分GPS定位系統(tǒng)等,確保其能夠精確地實現(xiàn)相對高度與絕對高度的精準(zhǔn)測量,盡可能達(dá)到厘米級的定位精度[7]。從飛行控制系統(tǒng)方面出發(fā),則需要消除超低空狀態(tài)下的強地效影響,避免其受到紊亂氣流的過度干擾,確保能夠在線對逆動力學(xué)對地效影響、對氣流影響進行辨識,然后根據(jù)辨識結(jié)果計算獲得的前饋控制量,最終為實現(xiàn)特定高度下的穩(wěn)定控制奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

當(dāng)前,無人機遙感技術(shù)在諸多方面得到了廣泛應(yīng)用,在倡導(dǎo)“精量灌溉”的背景下,也可展現(xiàn)出無人機的優(yōu)勢。具體應(yīng)用實踐過程中,借助無人機遙感系統(tǒng)獲取不同區(qū)域的高分辨率圖像,通過對農(nóng)業(yè)氣象、土壤等數(shù)據(jù)的掌握,了解有關(guān)作物參數(shù)的空間變異特征。結(jié)合本次研究過程,通過對無人機在精量灌溉中應(yīng)用實踐的分析,可為后續(xù)實踐提供參考。