崔永琪　張軍惺

【摘要】“綠色，高雅，健康，陽光”的高爾夫行業(yè)隨著經(jīng)濟的發(fā)展，在中國乃至全球范圍內(nèi)日趨壯大。高爾夫不僅僅是一種娛樂，一項運動，它更是成功的代表，潛能的文化。目前全國已有五百多座高爾夫場，并且有很多正在建設(shè)當中。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計，中國未來十年內(nèi)將會有一千家左右新建高爾夫球場投入使用，但據(jù)調(diào)查高爾夫草坪的系統(tǒng)管理領(lǐng)域還是一項空白，現(xiàn)在草坪各項數(shù)據(jù)的檢測僅僅依靠人工。人工水平的參差不齊，導(dǎo)致高爾夫草坪后期的保養(yǎng)和維護受到影響。開發(fā)出高爾夫草坪智能管理系統(tǒng)將極大提高草場維護效率，減少人工投入，降低企業(yè)成本。

【關(guān)鍵詞】高爾夫 草坪智能管理 無人機

一、選題意義

近年來傳感器技術(shù)和計算機圖形圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，使得影像數(shù)據(jù)采集的速度和質(zhì)量有了大幅提高，特別是無人機航測平臺的廣泛應(yīng)用，使得快速、廉價地獲取大范圍重疊影像數(shù)據(jù)成為可能，這直接加快了后續(xù)開發(fā)和行業(yè)應(yīng)用的速度。無人機是指由動力驅(qū)動，攜帶多種設(shè)備，執(zhí)行多項任務(wù)，可重復(fù)使用的無人駕駛航空機具。目前，國內(nèi)外小型無人機應(yīng)用主要集中在以下幾個方面： 災(zāi)情評估、災(zāi)后救援、洪澇防治、環(huán)境監(jiān)測與治理、城市管理、資源管理、評估土地動態(tài)變化等。無人機在農(nóng)業(yè)中有潛在的應(yīng)用價值，將無人機引入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能夠大幅提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，對于促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有長遠意義。無人機遙感具有影像分辨率高、機動靈活、成本低、實時等特點，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域能夠大幅度提高農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平， 對于促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。與現(xiàn)有的國土資源無人機遙感系統(tǒng)相比，低空無人機遙感具有諸多優(yōu)勢，例如應(yīng)急能力強、獲取速度快，處理效率高、運輸方便，因此在大面積農(nóng)作物覆蓋地的測量上有很好的應(yīng)用前景。無人機低空遙感是衛(wèi)星遙感的有益補充，充分利用無人機遙感的多種優(yōu)勢，監(jiān)測及定量繁衍作物生長的各項參數(shù)，擴大無人機遙感在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，可更好地服務(wù)和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

二、理論基礎(chǔ)

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)健康穩(wěn)定的發(fā)展，中國與世界的聯(lián)系日益密切，高爾夫運動在中國得以蓬勃發(fā)展。同時，由于人們生活水平的提高和運動認識及觀念的改變，高爾夫的平民化消費將逐步實現(xiàn)，高爾夫運動也將越來越得到普及。中國高爾夫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對于綠化國土、改善投資環(huán)境、吸引外來資金、擴大對外交流、活躍地區(qū)經(jīng)濟都起到了積極的推動作用。此外高爾夫球場的建設(shè)在改造生態(tài)、促進地方經(jīng)濟發(fā)展，尤其在改善我國傳統(tǒng)低效益農(nóng)業(yè)方面發(fā)揮著較大的作用。目前，由于無人機遙感可以提供多空間尺度、多時相的地面觀測數(shù)據(jù)，可以輔助目前的遙感數(shù)據(jù)與產(chǎn)品的真實性檢驗以及尺度效應(yīng)等研究。但是還沒有將無人機和遙感技術(shù)應(yīng)于高爾夫草坪質(zhì)量監(jiān)測的相關(guān)研究。然而，低空無人機遙感仍處于起步階段，尚存在一些需要改進的地方，如無人機機身穩(wěn)定性有待提高，影像的精度還需要配合地面控制點進行幾何糾正等。此外，將低空無人機數(shù)據(jù)運用于地表參數(shù)的定量提取時，還需要進一步完成相機的輻射定標和大氣糾正，在以后工作中對上述問題進行進一步研究。

在高爾夫場上，利用無人機通過預(yù)先設(shè)定好的航拍路徑進行定點航拍，最后運用專業(yè)軟件進行合成，通過系統(tǒng)的分析色差比對，進行篩選比對發(fā)現(xiàn)雜物。通過近紅外光譜技術(shù)[1]對高爾夫草坪-土壤營養(yǎng)成分含量和水分含量進行檢測， 確定適宜的施肥時間和施肥量、灌溉時間和灌溉量， 草坪外觀質(zhì)量評價以及高爾夫球場中有害生物預(yù)測與防治等方面， 使用該技術(shù)可以及時獲取草坪草生長及環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，有效提高高爾夫草坪管理決策管理水平。

三、系統(tǒng)設(shè)計

觀測場地位于石家莊河北體育學(xué)院校區(qū)內(nèi)部，地處河北省石家莊市。球場為高爾夫球綜合練習(xí)場，占地面積150畝，場地內(nèi)擁有70個打位的雙層練習(xí)場，一個面積為300平米的高爾夫球綜合實驗室，內(nèi)部配有模擬器、揮桿動作分析系統(tǒng)Pro V1、推桿動作分析系統(tǒng)Samputter、擊球數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)X2等輔助設(shè)備。場地四周有300個打擊墊和200塊標準真草打擊區(qū)，綜合練習(xí)場內(nèi)有總桿數(shù)為28桿的迷你三桿洞9個。草坪草主要是草地早熟禾（Poa pretensis），只有果嶺草坪和發(fā)球臺草坪為匍匐翦股穎（Agrostis stolonifera），除草坪外，球場內(nèi)還有樹木、水域以及部分硬化道路。草坪質(zhì)量監(jiān)測管理的對象為高爾夫球場的果嶺、果嶺坪床、發(fā)球臺、球道，以及障礙區(qū)（沙坑、水域、高草區(qū)）。養(yǎng)護管理的手段主要為施肥、澆水、打藥、修剪、打孔、劃破草皮、覆沙，碾壓、扒沙等。養(yǎng)護的目的是為了草坪在遭到踐踏，低修剪，高溫，病蟲害等脅迫的情況下，能夠通過施肥，澆水、覆沙等養(yǎng)護手段來保持球場各區(qū)域的使用功能正常健康，從而達到一個較高水平的平衡。研究設(shè)計的高爾夫草坪質(zhì)量監(jiān)測無人機遙感系統(tǒng)以無人飛行平臺，機載數(shù)碼相機、數(shù)碼攝錄機等數(shù)字遙感設(shè)備進行拍攝和記錄，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行影像的分析處理，以實現(xiàn)對地面信息的實時調(diào)查與監(jiān)測。

要想成功施行高爾夫球場草坪智能管理，關(guān)鍵在于無人機技術(shù)和紅外光譜技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。先通過人工在高爾夫球場內(nèi)設(shè)置無人機飛行路徑點GPS坐標。進行定點定位拍攝圖片，通過軟件合成全景圖，再通過色差分析比對找出雜物、異物、球痕等有礙于高爾夫球場正常使用的因素，將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。再通過紅外光譜技術(shù)，分析土壤營養(yǎng)成分，含水量和有害生物。將數(shù)據(jù)匯總到平臺，平臺分析處理數(shù)據(jù)，將高爾夫草場按照所缺物質(zhì)劃分區(qū)域，再利用無人機系統(tǒng)進行噴灌。市面上的無人機設(shè)備已經(jīng)具備定點飛行的功能。需要進一步開發(fā)將無人機繪制的圖片轉(zhuǎn)換到合成軟件里的這個通道軟件和將色差比對結(jié)合，把數(shù)據(jù)實時反饋給各級維護人員這一部分。對于紅外光譜技術(shù)，只需解決把匯總收集到的數(shù)據(jù)，發(fā)送到無人機系統(tǒng)。搭載預(yù)先調(diào)配完成的藥物，進行噴灑。系統(tǒng)不單單精簡了高爾夫球場維護人員的數(shù)量，還進一步科學(xué)化了高爾夫草場的管理系統(tǒng)。

本研究以多旋翼無人機為平臺，同步搭載Canon EOS 數(shù)碼相機、數(shù)碼攝錄機、傳感器元件等組成的無人機草坪質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)開展試驗， 分別獲取球場的果嶺、果嶺坪床、發(fā)球臺、球道，以及障礙區(qū)（沙坑、水域、高草區(qū)）的遙感影像，對河北體育學(xué)院高爾夫球場草坪質(zhì)量和影響草坪質(zhì)量的因子進行現(xiàn)場監(jiān)測，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)進行影像的分析處理，使用機器識別和大數(shù)據(jù)技術(shù)對采集到的數(shù)字圖像及其它數(shù)據(jù)進行處理分析，并對比專業(yè)草坪管理人員實驗室的化驗分析結(jié)果， 以實現(xiàn)對草坪質(zhì)量的實時調(diào)查與監(jiān)測，及時地對草坪養(yǎng)護管理中出現(xiàn)的問題進行糾正，對草坪的病蟲害進行科學(xué)的預(yù)防和防治，對草坪土壤情況進行定期的測定達到測土施肥的目的。最終使高爾夫球場草坪質(zhì)量既能夠滿足球手擊球的需要，又要盡量在較低的養(yǎng)護成本的條件下達到人們理想的狀態(tài)，對環(huán)境質(zhì)量的提高起到推進作用。

四、結(jié)論與展望

本研究設(shè)計了一個完整的高爾夫草坪質(zhì)量監(jiān)測無人機遙感系統(tǒng)，包括空中飛行與數(shù)據(jù)獲取模塊和地面監(jiān)控模塊。其中空中飛行與數(shù)據(jù)獲取模塊的主要功能是控制無人機系統(tǒng)按照既定航線平穩(wěn)飛行，并將飛行狀態(tài)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，主要包括無人機飛行系統(tǒng)、遙感器系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng);地面監(jiān)控模塊則是發(fā)送飛行狀態(tài)調(diào)整和數(shù)據(jù)獲取命令、接收數(shù)據(jù)并實時監(jiān)控。采集果嶺、果嶺坪床、發(fā)球臺、球道等不同區(qū)域的草坪數(shù)字圖像，使用MATLAB軟件對每個單幅影像進行圖像處理，取出不同質(zhì)量草坪的特征。利用無人機航攝影像制作高爾夫球場的數(shù)字正射影像圖，并針對制作過程中的航高航線設(shè)計、控制點選取布設(shè)、影像預(yù)處理、解析空中三角測量等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析研究。利用強力度數(shù)據(jù)處理軟件、影像處理軟件生成測繪成果圖，使復(fù)雜姿態(tài)下的全部影像可以聯(lián)合平差處理成等效無縫正射影像。使用提取到的草坪特征，結(jié)合機器識別、人工智能和大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等先進的計算機技術(shù)，分析處理高爾夫球場草坪無縫正射影像，得出草坪質(zhì)量監(jiān)測報告。

目前，市場上雖然有大量檢測設(shè)備但這些設(shè)備都是針對特定目標單次檢測，數(shù)據(jù)需要加工后才能反饋給維護人員，成本高，效率慢是其缺點。很少有針對高爾夫球場定時定點自動化檢測，自動分析處理數(shù)據(jù)反饋給客戶的高效率系統(tǒng)。高爾夫球場草坪智能管理領(lǐng)域幾乎處于空白階段，競爭壓力極低，這就需要我們抓住機會，率先進入這一行業(yè)。對于企業(yè)來說，實行智能管理一方面，可以節(jié)約人力成本，精簡管理維護人員，更易擴大企業(yè)規(guī)模。另一方面，可以更科學(xué)化的，提高草場的質(zhì)量，從而增加消費者在使用中的滿意度。對于消費者來說，高爾夫球場普及率的提高，使得普通民眾更容易接觸這項運動，也使得企業(yè)的利潤增加，獲得了繼續(xù)擴大規(guī)模的資本。良性循環(huán)，便形成了一種“全民高爾夫”的氛圍。此行業(yè)走在社會發(fā)展潮流的前沿，在不久的將來，還可以利用這個系統(tǒng)，針對湖泊和雪場開發(fā)相應(yīng)的配套軟件，發(fā)展前景廣闊。

參考文獻：

[1]李書英.近紅外光譜技術(shù)在高爾夫草坪管理中的應(yīng)用[A].光譜學(xué)與光譜分析[C].天津市：南開大學(xué)化學(xué)系，2008.1539-1543.

作者簡介：崔永琪（1999-），男，河北灤南人，河北體育學(xué)院。張軍惺（1980.1-），女，河北體育學(xué)院。

項目來源：2018年河北體育學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：201811236037）;2017年河北體育學(xué)院教改項目（項目編號：2017JYZHC14）。