農(nóng)業(yè)無人機低空遙感應用研究進展

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摘要：快速獲取并解析農(nóng)田作物信息是精準農(nóng)業(yè)能夠持續(xù)發(fā)展的前提基礎。近年來，隨著低空無人機產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，無人機農(nóng)業(yè)遙感技術在現(xiàn)代精準農(nóng)業(yè)領域中得到了廣泛應用。文章介紹了低空無人機遙感的相關概念，總結了其在農(nóng)業(yè)應用中的優(yōu)勢。結合國內(nèi)外無人機低空遙感技術在農(nóng)業(yè)應用方面的最新進展，進一步分析該技術現(xiàn)存的不足之處，并展望未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：低空遙感；農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)；無人機；農(nóng)情解析

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是人類賴以生存的傳統(tǒng)性社會生產(chǎn)活動，但由于其具有生產(chǎn)分散性、地域復雜性、災害突發(fā)性等特點，人們難以及時掌握農(nóng)業(yè)資源信息來推動生產(chǎn)發(fā)展。1970年代開始，隨著民用資源衛(wèi)星的出現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域最先開始利用遙感技術進行農(nóng)作物面積監(jiān)測和估產(chǎn)且效果顯著。近年來，無人機遙感技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用發(fā)展迅速，憑借其靈活機動、操作簡單、成本低、獲取影像速度快且光譜分辨率更高等高空遙感無法比擬的優(yōu)勢，推動了精準農(nóng)業(yè)的調(diào)查、評價、監(jiān)測和管理。由于無人機遙感技術可對農(nóng)作物進行快速高效的動態(tài)實時監(jiān)測，它已經(jīng)成為當下農(nóng)業(yè)遙感領域的研究熱點。

1無人機遙感概述

1.1無人機發(fā)展歷程

1916年9月，無人機正式步入人們視線開始發(fā)展，2010年開始進入全民應用階段。目前無人機的應用已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面，成為促進社會經(jīng)濟發(fā)展的重要增長點。無人機以其操作方便、靈活機動、實時精準等特點受到了越來越多的關注和得到了應用發(fā)展。我國的無人機發(fā)展雖起步較晚，近年來也獲得了一定的成果，開展了一系列卓有成效的應用研究，影像數(shù)據(jù)的監(jiān)測和獲取精度有了極大的提高。

1.2無人機低空遙感系統(tǒng)組成

具體的無人機低空遙感系統(tǒng)的組成部分有：無人機飛行平臺、微型傳感器負載、地面控制臺、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和影像處理系統(tǒng)等。在農(nóng)業(yè)資源領域，無人機的形狀大小、可載負荷量、飛行性能和航線規(guī)劃算法都對農(nóng)田資源的監(jiān)測獲取精度有著很大的影響。近年來隨著多種無人機平臺———如固定翼、單旋翼和多旋翼等無人機機型的出現(xiàn)，各種問題和缺陷也逐漸顯露出來，農(nóng)業(yè)遙感技術的發(fā)展面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。

2無人機農(nóng)業(yè)應用中的優(yōu)勢

相比于衛(wèi)星遙感，無人機有著獨特優(yōu)勢。（1）無人機作業(yè)自主化。農(nóng)業(yè)無人機由動力驅(qū)動，操作靈活，可以根據(jù)要求自主規(guī)劃最佳航行路線和拍攝角度，極大地彌補了傳統(tǒng)作業(yè)需要大量人力且效率低的缺點。（2）無人機獲取數(shù)據(jù)精準。低空無人機遙感技術可以憑無人機的近地攝影測量優(yōu)勢獲取更高精度的光譜影像，覆蓋范圍更廣，受到天氣和空間的影響更小，與“精細化農(nóng)業(yè)”的目標更加貼合。（3）無人機獲取數(shù)據(jù)實時、快速、成本低?？梢詣討B(tài)連續(xù)監(jiān)測，利用所得影像的高光譜信息進行作物營養(yǎng)診斷、農(nóng)田系統(tǒng)檢測和種類細分、作物長勢動態(tài)信息獲取等技術操作。

3無人機低空遙感技術的主要應用

3.1農(nóng)業(yè)資源預測評估

糧食作物是維系社會正常運行的基礎，種植面積與長勢的波動影響著國家的穩(wěn)定。衛(wèi)星遙感在精確即時數(shù)據(jù)獲取方面有著明顯缺陷，無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求。近年來，無人機遙感隨著技術的成熟，彌補了衛(wèi)星遙感的不足，其在農(nóng)作物長勢分析、養(yǎng)分和土壤水分分析等方面發(fā)揮著獨特優(yōu)勢。在不與農(nóng)作物直接接觸的情況下可以通過傳感器在低空獲取作物的電磁波信息并得到相關的指標數(shù)據(jù)，然后用相應的定量分析方法對耕地生產(chǎn)力進行評價，且最終獲得的數(shù)據(jù)的空間分辨率可達到厘米級。參照劉忠等[1]的研究，將農(nóng)作物長勢關鍵參數(shù)劃分為形態(tài)指標、生理生化指標、脅迫指標和產(chǎn)量指標等4類。有關長勢參數(shù)反演的相關研究近年來在國內(nèi)外都是研究熱點，反演方法有形態(tài)特征提取法、輻射傳輸模型法等眾多針對不同情形的方法，選擇時要盡量避開其短板。

3.2農(nóng)業(yè)蟲草害遙感監(jiān)測

全世界每年由病害和蟲害導致的糧食減產(chǎn)仍然十分嚴重，在總產(chǎn)量中的占比約達到了1/4。目前國內(nèi)外對利用無人機遙感進行數(shù)據(jù)反演的研究有很多，但是還未形成規(guī)?；晒M行推廣，大部分是針對特定作物的監(jiān)測研究。在農(nóng)業(yè)蟲草害中，作物與雜草的識別不可或缺，針對此問題Inkyu等[2]提出了新的改進辦法，即利用站式滑動窗口的方式開發(fā)一種新的識別分離模型。在各研究中，對于蟲草害等信息光譜特征專門提取并進行遙感反演定性，若可更深入研究并加以推廣，可做到對災害的及時發(fā)現(xiàn)和防治，將對農(nóng)業(yè)發(fā)展有巨大的推動作用。

3.3精準農(nóng)業(yè)管理

精準農(nóng)業(yè)管理是根據(jù)作物生長環(huán)境和自身特點的差異性進行精準的特定的管理，達到浪費少、成本低、收益高的目的。在李明等[3]的實驗研究中，對通過無人機遙感試驗得到的多幅有重疊區(qū)域的水稻地塊圖像，進行處理后建立的可識別二分類Logistic回歸模型準確率高，對各不同地塊的差異性比較具有參考價值。對無人機影像獲得的三種可見波段進行模型建立可達到高精度提取某種作物信息的效果。如綜合利用紅、綠、藍三個波段建立可見光差異植被指數(shù)模型，綠色健康植被信息的提取精度可達到90%。

4無人機農(nóng)業(yè)應用中的不足

由于無人機遙感技術仍是近年來的新興技術，若要大規(guī)模推廣利用仍有許多局限性。無人機自身攜帶的GPS精度、天氣狀況、續(xù)航時間、通信距離等因素都會影響無人機遙感技術的適用性和實用性。針對單一無人機的作業(yè)能力，國內(nèi)外研究者提出了眾多解決方案，但尚未得出一個全面的結論，例如若提高機載設備的監(jiān)測精度往往又會減低其單次飛行時間。同時，農(nóng)田間環(huán)境千差萬別，對無人機的運行也是極大的挑戰(zhàn)。在面對復雜天氣時，體積小質(zhì)量輕的優(yōu)點反而成了劣勢，若不能做到隨時監(jiān)測就會降低無人機遙感的可靠性，惡劣條件下通信信號變?nèi)跻矔绊懙降涂諢o人機的運行。國內(nèi)外無人機遙感研究模型試驗的農(nóng)田范圍尚小，缺乏代表性。

5結語和展望

我國遙感技術在農(nóng)業(yè)方面的應用效果顯著，低空無人機作為遙感產(chǎn)業(yè)的熱門研究領域已經(jīng)受到了廣泛關注，出現(xiàn)了多旋翼無人機等新型低空無人機，未來在農(nóng)情信息采集、農(nóng)田災害及時預測處理和精準農(nóng)業(yè)等方面具有極大潛力。當下國內(nèi)外低空無人機遙感在農(nóng)業(yè)方面應用的理論成果眾多，如光譜檢測技術在病蟲害防治領域有很大的應用空間，未來進一步改進并付諸實踐將會極大地推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。無人機遙感在農(nóng)業(yè)方面的應用不僅要致力于各種反演和解釋模型的建立，還要將大數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)植保、病理理論等知識緊密結合，綜合得出準確的指標參數(shù)，從而得出更可靠的農(nóng)田資源評估預測。

參考文獻：

[1]劉忠，萬煒，黃晉宇，等.基于無人機遙感的農(nóng)作物長勢關鍵參數(shù)反演研究進展［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34（24）：60-71.

[3]李明，黃愉淇，李緒孟，等.基于無人機遙感影像的水稻種植信息提取[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(4)：108－114.

作者：胡菲彤 單位：蘇州科技大學