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        一種適用于精細(xì)化農(nóng)情監(jiān)測的無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)

        2019-09-02 03:23:54彭一爽
        無人機(jī) 2019年7期
        關(guān)鍵詞:農(nóng)情低空航拍

        張 帥 ,彭一爽

        1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047

        2.中國建設(shè)銀行股份有限公司鄭州金水支行,河南 鄭州 450000

        導(dǎo)讀:簡述了農(nóng)情遙感監(jiān)測概況,分析了無人機(jī)低空遙感在農(nóng)田信息采集中的優(yōu)勢,并構(gòu)建出一種適用于精細(xì)化農(nóng)情監(jiān)測的無人機(jī)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(dá)到3mm,麥穗清晰可見,實現(xiàn)了對小麥農(nóng)田的精細(xì)化監(jiān)測。

        農(nóng)情信息是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)管理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,為科學(xué)決策和指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)依據(jù),為促進(jìn)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(wù)是對主要作物生長過程進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測,近年來利用現(xiàn)代通訊技術(shù)和計算機(jī)技術(shù),進(jìn)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(zāi)害評估等采用遙感科學(xué)與技術(shù)(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(jī)技術(shù),取得了一定進(jìn)展。

        農(nóng)情遙感監(jiān)測是利用以遙感技術(shù)為主的空間信息技術(shù)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行的動態(tài)監(jiān)測,其范圍大、時效高和客觀準(zhǔn)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(shù)的發(fā)展,農(nóng)情遙感監(jiān)測從技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用深度均進(jìn)入了一個全新時期,同時也成為信息農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)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(jié)構(gòu)調(diào)整的信息需求,但是由于我國國土遼闊、地形復(fù)雜、種植結(jié)構(gòu)多樣、農(nóng)戶規(guī)模小,以及遙感技術(shù)發(fā)展的局限性,農(nóng)情遙感在某些關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用運行方面仍需要加強(qiáng)研究。

        無人機(jī)遙感優(yōu)勢

        無人機(jī)遙感,綜合利用了無人駕駛飛行器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、無線通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感傳感器技術(shù)等技術(shù),能夠快速、高效的獲取地表空間遙感信息。無人機(jī)低空遙感在農(nóng)情監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的優(yōu)勢和廣闊的前景,無人機(jī)影像能很方便地應(yīng)用于統(tǒng)計某一地區(qū)作物的種植結(jié)構(gòu)、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(jī)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(jī)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(jī)體積小巧,拆卸組裝便捷,易于攜帶,機(jī)動性強(qiáng);

        (2) 受天氣影響小。無人機(jī)的飛行高度方便調(diào)節(jié),不受云層厚度的影響,對成像的影響比較小;

        (3) 實時獲取。目前,我國無人機(jī)發(fā)展空前活躍,各種規(guī)格、各種續(xù)航能力的無人機(jī)比比皆是,使用門檻非常低。只需配置云臺、相機(jī)和任務(wù)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(zhǔn)確。無人機(jī)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(zhǔn)確記錄農(nóng)田的經(jīng)緯度信息;

        (5) 周期性強(qiáng)。相比衛(wèi)星遙感具有更高的時間分辨率,無人機(jī)技術(shù)可以與GIS或遙感應(yīng)用系統(tǒng),進(jìn)行集成處理,測繪測量應(yīng)用,也能夠很便捷快速的進(jìn)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(fù)雜的種植國情,而無人機(jī)價格相對便宜,運行維護(hù)成本低,適用于民用和科研的各個領(lǐng)域的應(yīng)用拓展;

        (7) 分辨率高。采集圖像空間分辨率可以達(dá)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(xì)紋理等額外的遙感信息,能夠很好地應(yīng)用于精細(xì)化農(nóng)情監(jiān)測;

        (8) 無損、準(zhǔn)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(jī)航拍只需在地頭放飛無人機(jī),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(zhǔn)確的農(nóng)情信息。

        系統(tǒng)實現(xiàn)方案

        無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)由無人機(jī)平臺、無人機(jī)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(jī)平臺

        無人機(jī)平臺是整個低空遙感系統(tǒng)的載體。多旋翼無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單,操作方便、機(jī)動性好、視野廣、作業(yè)選擇性強(qiáng)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(jī)平臺選擇飛行性能強(qiáng)勁、支持高清圖傳的四旋翼無人機(jī)——大疆“悟”(Inspire) 2。

        “悟”(Inspire) 2動力系統(tǒng)強(qiáng)勁,0~80km/h所需加速時間僅為5s,最大飛行速度可達(dá)94km/h,最大下降速度可達(dá)9m/s;自加熱雙電池系統(tǒng)可提供最長31min續(xù)航時間(無負(fù)載) ,并輕松應(yīng)對低溫的挑戰(zhàn);最新FlightAutonomy系統(tǒng),提供了關(guān)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(jī)互聯(lián)技術(shù)、廣播應(yīng)用等一系列升級配置,使“悟” 2 變得超乎想象的強(qiáng)大。

        無人機(jī)控制系統(tǒng)

        控制系統(tǒng)主要完成無人機(jī)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(shè)定無人機(jī)的飛行路線,規(guī)劃飛行任務(wù)。本文無人機(jī)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(dǎo)入等多種方式創(chuàng)建任務(wù),使無人機(jī)按照規(guī)劃航線自主飛行。

        圖1 無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)組成

        圖2 影像處理系統(tǒng)

        圖3 無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)處理流程

        遙感系統(tǒng)平臺

        遙感系統(tǒng)平臺是無人機(jī)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(shè)計的大疆禪思X5S,其相機(jī)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(biāo)準(zhǔn),共有8款經(jīng)過大疆認(rèn)證的M4/3鏡頭可供選擇,標(biāo)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)

        影像處理系統(tǒng)主要實現(xiàn)對無人機(jī)航拍影像的預(yù)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(xì)色彩紋理的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,簡稱DEM) 。

        信息采集與處理

        無人機(jī)低空遙感小麥農(nóng)田信息采集與處理,一般包括:無人機(jī)準(zhǔn)備、飛行方案制定、無人機(jī)航拍、影像預(yù)處理和提取分析等步驟。

        無人機(jī)準(zhǔn)備

        檢查無人機(jī)完好狀態(tài),電池電量(包括無人機(jī)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。

        飛行方案制定

        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(shè)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(shè)置航向重疊度75%,旁向重疊度60%;設(shè)置拍照模式為等時間間隔拍照。

        圖4 提取分析

        無人機(jī)航拍

        無人機(jī)航拍前,需要事先根據(jù)航高距離對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定;在航拍過程中,需時刻注意無人機(jī)電池余量,通訊鏈路連接情況,并注意遠(yuǎn)離人群,以保證飛行安全。

        影像預(yù)處理

        為了實時對無人機(jī)低空遙感外業(yè)采集數(shù)據(jù)的可用性進(jìn)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(yù)處理。無人機(jī)拍攝獲取以影像為中心的投影,要進(jìn)行的應(yīng)用必須對影像進(jìn)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(jìn)行初期分析判讀。處理流程包括高精度相機(jī)標(biāo)定、影像預(yù)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。

        提取分析

        本文采用基于HSV顏色空間與形態(tài)學(xué)的小麥麥穗目標(biāo)分割算法。首先, 通過影像預(yù)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(gòu)建顏色空間的改進(jìn)模型,進(jìn)行分量均衡化處理,達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的;然后根據(jù)顏色空間分量關(guān)系,對色度和飽和度進(jìn)行線性運算,達(dá)到準(zhǔn)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(xué)顆粒分析,根據(jù)結(jié)構(gòu)元素大小逼近目標(biāo)大小的原則,實現(xiàn)目標(biāo)特征提取,并完成麥穗目標(biāo)準(zhǔn)確分割,進(jìn)而達(dá)到計算機(jī)自動化數(shù)穗,如圖4所示。準(zhǔn)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。

        總結(jié)與展望

        無人機(jī)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(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用,有效地彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和載人航空遙感的缺陷。通過無人機(jī)低空遙感采集小麥農(nóng)情信息實驗,可以得到以下結(jié)論:

        將用于精細(xì)化農(nóng)情監(jiān)測的無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)進(jìn)行小麥農(nóng)田信息采集與處理,在技術(shù)上是可行的,在實踐中是有效的。

        通過長焦距、低航高的低空無人機(jī)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(hù)我國糧食安全具有深遠(yuǎn)意義。

        采集方法簡單易行,便于推廣應(yīng)用。

        通過多旋翼無人機(jī)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(xué)有效的指導(dǎo)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(yīng)用。

        無人機(jī)低空遙感載荷最好增加紅邊波段。

        無人機(jī)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(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域具有十分重要的作用?!?/p>

        (參考文獻(xiàn):略。如有需要請聯(lián)系編輯部。)

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