張 帥 ,彭一爽
1.中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047
2.中國建設銀行股份有限公司鄭州金水支行,河南 鄭州 450000
導讀:簡述了農(nóng)情遙感監(jiān)測概況,分析了無人機低空遙感在農(nóng)田信息采集中的優(yōu)勢,并構建出一種適用于精細化農(nóng)情監(jiān)測的無人機低空遙感系統(tǒng),介紹了外業(yè)航拍作業(yè)流程以及內(nèi)業(yè)影像高精度快速拼接處理流程。經(jīng)實測數(shù)據(jù)驗證,采集的遙感圖像空間分辨率達到3mm,麥穗清晰可見,實現(xiàn)了對小麥農(nóng)田的精細化監(jiān)測。
農(nóng)情信息是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導管理的基礎和關鍵,為科學決策和指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了基礎依據(jù),為促進增產(chǎn)增收發(fā)揮了重要作用。農(nóng)情信息監(jiān)測則是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)測,其任務是對主要作物生長過程進行系統(tǒng)監(jiān)測,近年來利用現(xiàn)代通訊技術和計算機技術,進行農(nóng)情信息收集、綜合分析和反饋,對作物長勢監(jiān)測、種植面積與產(chǎn)量估計、災害評估等采用遙感科學與技術(Remote Sensing,簡稱RS) 、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,簡稱GIS) 、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,簡稱GNSS) 和計算機技術,取得了一定進展。
農(nóng)情遙感監(jiān)測是利用以遙感技術為主的空間信息技術對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進行的動態(tài)監(jiān)測,其范圍大、時效高和客觀準確的優(yōu)勢是常規(guī)監(jiān)測手段無法企及的。隨著遙感等空間技術的發(fā)展,農(nóng)情遙感監(jiān)測從技術發(fā)展和應用深度均進入了一個全新時期,同時也成為信息農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)和數(shù)字農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。我國農(nóng)情遙感監(jiān)測已有三十余年的研究歷史,目前能在一定程度上滿足國家糧食安全和農(nóng)業(yè)結構調(diào)整的信息需求,但是由于我國國土遼闊、地形復雜、種植結構多樣、農(nóng)戶規(guī)模小,以及遙感技術發(fā)展的局限性,農(nóng)情遙感在某些關鍵技術和應用運行方面仍需要加強研究。
無人機遙感,綜合利用了無人駕駛飛行器技術、遙測遙控技術、無線通訊技術、GPS差分定位技術和遙感傳感器技術等技術,能夠快速、高效的獲取地表空間遙感信息。無人機低空遙感在農(nóng)情監(jiān)測領域的應用具有巨大的優(yōu)勢和廣闊的前景,無人機影像能很方便地應用于統(tǒng)計某一地區(qū)作物的種植結構、作物長勢等信息,為大范圍農(nóng)作物種植及長勢、產(chǎn)量等信息的評估提供依據(jù);它還能提供地面農(nóng)作物樣方數(shù)據(jù),克服傳統(tǒng)GPS地面樣方調(diào)查效率低、范圍小、容易破壞農(nóng)田的缺點,并為缺失衛(wèi)星影像區(qū)域的作物信息空間抽樣提供信息。
遙感是在不同的電磁譜段內(nèi)周期性地收集地表信息,研究、識別地球和環(huán)境的重要方法。無人機作為一種有效的空中遙感平臺,其快速靈活的特點,使得無人機遙感在農(nóng)情信息采集中具有獨特的優(yōu)勢:
(1) 體積小、便攜。無人機體積小巧,拆卸組裝便捷,易于攜帶,機動性強;
(2) 受天氣影響小。無人機的飛行高度方便調(diào)節(jié),不受云層厚度的影響,對成像的影響比較??;
(3) 實時獲取。目前,我國無人機發(fā)展空前活躍,各種規(guī)格、各種續(xù)航能力的無人機比比皆是,使用門檻非常低。只需配置云臺、相機和任務規(guī)劃飛控軟件,在天氣良好的情況下,就可以順利完成農(nóng)情數(shù)據(jù)采集工作;
(4) 位置準確。無人機遙感平臺帶有位置信息、云臺姿態(tài)等信息采集傳感器,能夠準確記錄農(nóng)田的經(jīng)緯度信息;
(5) 周期性強。相比衛(wèi)星遙感具有更高的時間分辨率,無人機技術可以與GIS或遙感應用系統(tǒng),進行集成處理,測繪測量應用,也能夠很便捷快速的進行搭載,為測繪測量工作的綜合性和周期性,提供了良好的保障;
(6) 成本低廉。衛(wèi)星遙感的高精度影像價格昂貴,低精度影像像元較小,不利于中國復雜的種植國情,而無人機價格相對便宜,運行維護成本低,適用于民用和科研的各個領域的應用拓展;
(7) 分辨率高。采集圖像空間分辨率可以達到毫米級,對于識別各種農(nóng)作物及其狀態(tài)毫無障礙,并能帶來衛(wèi)星遙感所不具有的農(nóng)作物精細紋理等額外的遙感信息,能夠很好地應用于精細化農(nóng)情監(jiān)測;
(8) 無損、準確。相比于實地抽樣,避免不了踩踏農(nóng)作物的實地勘查法,無人機航拍只需在地頭放飛無人機,就可快速全面完成農(nóng)情信息數(shù)據(jù)采集工作,經(jīng)簡單處理后得到準確的農(nóng)情信息。
無人機低空遙感系統(tǒng)由無人機平臺、無人機控制系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)平臺和影像處理系統(tǒng)組成,如圖1所示。
無人機平臺是整個低空遙感系統(tǒng)的載體。多旋翼無人機具有結構簡單,操作方便、機動性好、視野廣、作業(yè)選擇性強等特點,能及時獲取低空高分辨率圖像和其他近地面信息,減少人力物力資源消耗,因此本文無人機平臺選擇飛行性能強勁、支持高清圖傳的四旋翼無人機——大疆“悟”(Inspire) 2。
“悟”(Inspire) 2動力系統(tǒng)強勁,0~80km/h所需加速時間僅為5s,最大飛行速度可達94km/h,最大下降速度可達9m/s;自加熱雙電池系統(tǒng)可提供最長31min續(xù)航時間(無負載) ,并輕松應對低溫的挑戰(zhàn);最新FlightAutonomy系統(tǒng),提供了關鍵傳感器冗余和視覺避障能力;Spotlight Pro、動態(tài)返航點等多種智能拍攝、智能飛行功能,極大地拓展了創(chuàng)作空間;加之雙頻雙通道圖像傳輸、FPV攝像頭、新一代多機互聯(lián)技術、廣播應用等一系列升級配置,使“悟” 2 變得超乎想象的強大。
控制系統(tǒng)主要完成無人機飛行控制和航線規(guī)劃,前者用于飛行時的實時控制和交互操作,后者用于設定無人機的飛行路線,規(guī)劃飛行任務。本文無人機控制系統(tǒng)選擇DJI GS Pro,以支持通過地圖選點、飛行器定點、文件導入等多種方式創(chuàng)建任務,使無人機按照規(guī)劃航線自主飛行。
圖1 無人機低空遙感系統(tǒng)組成
圖2 影像處理系統(tǒng)
圖3 無人機低空遙感數(shù)據(jù)處理流程
遙感系統(tǒng)平臺是無人機低空遙感系統(tǒng)的傳感器承載平臺。本文遙感系統(tǒng)平臺中的云臺選擇支持可交換鏡頭設計的大疆禪思X5S,其相機使用了一塊由索尼提供的M4/3畫幅(大小約為17mm*13mm) 傳感器,12.8檔寬容度,并采用MTF卡口標準,共有8款經(jīng)過大疆認證的M4/3鏡頭可供選擇,標配的鏡頭為跟松下合作的15mm/f1.7鏡頭,本文鏡頭選擇奧林巴斯45mm f 1.8,等效135畫幅焦距90mm,以獲取高分辨率、高畫質(zhì)影像數(shù)據(jù)。
影像處理系統(tǒng)主要實現(xiàn)對無人機航拍影像的預處理操作,其流程包括航片篩選、航片對齊、生成密集點云、生成DSM格網(wǎng)和正射影像輸出等,如圖2所示。本文選擇Agisoft PhotoScan處理軟件,其支持在無控制點情況下,基于影像自動生成高分辨率數(shù)字正攝影像圖(Digital Orthophoto Map,簡稱DOM) 及帶精細色彩紋理的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,簡稱DEM) 。
無人機低空遙感小麥農(nóng)田信息采集與處理,一般包括:無人機準備、飛行方案制定、無人機航拍、影像預處理和提取分析等步驟。
檢查無人機完好狀態(tài),電池電量(包括無人機電池、遙控器電池及平板電腦電池) ,儲存卡可用空間,以及測區(qū)電子地圖下載等。
根據(jù)測定區(qū)域制定飛行方案,保證飛行區(qū)域完全覆蓋測定區(qū)域;根據(jù)圖像地面分辨率設定飛行航高,同時注意觀察測定區(qū)域內(nèi)及周邊是否有樹木、電力線、高大建筑,以及是否屬于禁飛區(qū)等;設置航向重疊度75%,旁向重疊度60%;設置拍照模式為等時間間隔拍照。
圖4 提取分析
無人機航拍前,需要事先根據(jù)航高距離對相機進行標定;在航拍過程中,需時刻注意無人機電池余量,通訊鏈路連接情況,并注意遠離人群,以保證飛行安全。
為了實時對無人機低空遙感外業(yè)采集數(shù)據(jù)的可用性進行定性、定量判定,必須在短時間內(nèi)完成測區(qū)影像的拼接以及前期數(shù)據(jù)預處理。無人機拍攝獲取以影像為中心的投影,要進行的應用必須對影像進行正射校正,并拼接成圖,獲得整個測區(qū)的正射影像圖,以便實時在外場進行初期分析判讀。處理流程包括高精度相機標定、影像預處理、空中三角測量、DSM/DEM自動提取、正射校正、影像鑲嵌、影像裁剪等步驟,如圖3所示。
本文采用基于HSV顏色空間與形態(tài)學的小麥麥穗目標分割算法。首先, 通過影像預處理流程處理后獲得的測區(qū)DOM,根據(jù)HSV空間內(nèi)的色度、飽和度特征,構建顏色空間的改進模型,進行分量均衡化處理,達到圖像增強的目的;然后根據(jù)顏色空間分量關系,對色度和飽和度進行線性運算,達到準確分割麥穗,得到包含麥穗在內(nèi)的二值圖像;最后,基于形態(tài)學顆粒分析,根據(jù)結構元素大小逼近目標大小的原則,實現(xiàn)目標特征提取,并完成麥穗目標準確分割,進而達到計算機自動化數(shù)穗,如圖4所示。準確高效的麥穗自動化計數(shù),對于大田小麥的產(chǎn)量的評估具有重要的意義。
無人機低空遙感作為一種新型的農(nóng)情信息監(jiān)測手段,在農(nóng)業(yè)領域得到越來越多的應用,有效地彌補了衛(wèi)星遙感和載人航空遙感的缺陷。通過無人機低空遙感采集小麥農(nóng)情信息實驗,可以得到以下結論:
通過長焦距、低航高的低空無人機遙感采集小麥農(nóng)田信息,能夠快速精確提取大尺度農(nóng)田中小麥的長勢信息,監(jiān)測小麥的生長狀況,并及時采取有效的管理措施,對選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的小麥品種,維護我國糧食安全具有深遠意義。
通過多旋翼無人機航拍采集農(nóng)情信息,方法簡單易行,成本低廉,并能夠在短時間內(nèi)獲得作物各個生長周期的數(shù)據(jù),從而科學有效的指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn),提高作物產(chǎn)量,保證區(qū)域和國家糧食安全,穩(wěn)定農(nóng)民收入,對保持社會穩(wěn)定有重要意義就,適用于大規(guī)模推廣應用。
無人機低空遙感載荷增加紅邊波段(波長690~730nm) ,能夠有效提升作物類型的識別能力,并可開展葉綠素含量等作物養(yǎng)分含量監(jiān)測,對玉米、水稻、大豆、棉花、花生等農(nóng)作物估產(chǎn)、農(nóng)業(yè)資源調(diào)查和農(nóng)業(yè)災害監(jiān)測等領域具有十分重要的作用?!?/p>
(參考文獻:略。如有需要請聯(lián)系編輯部。)