雷 劍

(三和數(shù)碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000)

引言

精準農(nóng)業(yè)是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是在現(xiàn)代信息技術、生物技術、工程技術等一系列高新技術最新成就的基礎上發(fā)展起來的一種重要的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形式，其核心技術是地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術和計算機自動控制技術。精準農(nóng)業(yè)是將遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計算機技術、通訊和網(wǎng)絡技術、自動化技術等高新技術與地理學、農(nóng)學、生態(tài)學、植物生理學、土壤學等基礎學科有機地結合起來，實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中對農(nóng)作物、土壤從宏觀到微觀的實時監(jiān)測，生成動態(tài)空間信息系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)象進行模擬，達到合理利用農(nóng)業(yè)資源，改善生態(tài)環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)品和質(zhì)量的目的。實施精準農(nóng)業(yè)是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，必將對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。本文將輕小型無人機遙感技術引入其中，使該技術的作用在相關方面中充分體現(xiàn)，并從以下方面進行詳細闡述。

1 精準農(nóng)業(yè)簡述

精準農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)發(fā)展新趨勢，需要借助信息技術對其進行輔助運行，工作期間的定位與定量工作則需要空間變異來引導。實際上，精準農(nóng)業(yè)是以農(nóng)作物生長的土壤為基礎，對農(nóng)作物進行耕種作業(yè)期間的人為因素進行調(diào)節(jié)。在進行耕種前，需要對土壤中原本微量元素含量與生產(chǎn)力進行調(diào)查，這類調(diào)查需要在土壤發(fā)生變異前完成，并且保證結果真實有效。需要對農(nóng)作物目標產(chǎn)量進行明確，以目標為基礎，對定位實施系統(tǒng)診斷與科學化管控，促使土壤生產(chǎn)力調(diào)節(jié)到能夠滿足目標需求狀態(tài)，利用最小的投入來獲取更大的收益。除此之外，可以對環(huán)境起到一定的改善作用，并對各類農(nóng)業(yè)資源全面高效應用，有效獲取相關的經(jīng)濟效益或環(huán)境效益[1]。

由于環(huán)境污染現(xiàn)象的加劇以及農(nóng)業(yè)資源出現(xiàn)明顯匱乏，使得農(nóng)業(yè)開始向精準農(nóng)業(yè)方向不斷轉變，這樣不僅可以使農(nóng)業(yè)現(xiàn)實生產(chǎn)力明顯提升，還可以使優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)且環(huán)保的持續(xù)化發(fā)展農(nóng)業(yè)能夠有效實現(xiàn)。

2 輕小型無人機遙感系統(tǒng)概述

2.1 構成單元

全面分析輕小型無人機的遙感系統(tǒng)可知，其構成單元相對繁雜，不僅將相關的傳感器和自動化飛行平臺等囊括其中，還包括了必要的地對空控制操縱系統(tǒng)以及無人機影像傳輸處理系統(tǒng)等。一般情況下，可以將無人駕駛飛行器劃分成不同類型，如多旋翼無人機。一般來講，小型無人機通常搭載的設備需要控制在15kg以內(nèi)，并且飛行高度要低于3000m，同時飛行過程中的最大速度需要控制在33m·s-1范圍內(nèi)。當應有情景和需求發(fā)生改變時，要對不同類型的傳感器進行選擇，從而使相關遙感數(shù)據(jù)得到有效的獲取。除此之外，分析輕小型無人機可知，該無人機會受到一定的約束，尤其在荷載能力等方面，使得遙感傳感器對相應的需求也要有效滿足，如質(zhì)量相對較輕、功耗相對較小等[2]。當前，得到普遍應用的無人遙感傳感器以激光雷達等為主。在數(shù)據(jù)傳輸和處理系統(tǒng)的輔助下，可以形成相應遙感影像，同時也可以使相關模型以及光譜指數(shù)等有效形成。這些都屬于遙感產(chǎn)出結果，并且這些結果能夠在農(nóng)作物調(diào)查以及產(chǎn)量評估等方面有效應用。

2.2 工作流程

輕小型無人機遙感在工作中獲取目標信息共計分為以下3個不同階段：前期準備階段。在該階段之中，需要對飛行空域申請、飛行條件判定等工作有效完成。同時無人機遙感在起飛之前對區(qū)域內(nèi)信息進行了廣泛收集，包括地區(qū)地形以及地區(qū)范圍內(nèi)的環(huán)境等，且還會對完成飛行任務后的著落點進行事先調(diào)查，以此確定相應的降落點。另外，飛行前工作人員還會對無人機設備系統(tǒng)參數(shù)進行適當調(diào)整，以滿足對于影像重疊度以及分辨率的需要；數(shù)據(jù)獲取階段，本階段需要無人機操縱者按照既定參數(shù)執(zhí)行飛行任務，依據(jù)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)及時進行調(diào)整；后期數(shù)據(jù)處理階段，該階段核心任務是將采集到的圖像運用計算機進行相應處理，最終形成完整產(chǎn)品[3]。

3 輕小型無人機遙感在精準農(nóng)業(yè)中的應用

3.1 在監(jiān)測農(nóng)田空間信息方面應用

在監(jiān)測農(nóng)田空間信息方面引入輕小型無人機遙感，不僅可以有效完成采集農(nóng)田地塊地理坐標信息工作，還可以使農(nóng)田中所種農(nóng)作物得到有效分類。當這2方面的數(shù)據(jù)有效融合，可以對農(nóng)作物實際種植面積有效計算，以此來使計算的精準度明顯提升。與此同時，在農(nóng)田空間信息監(jiān)測中，可以對無人機平臺攜帶的高清數(shù)碼相機等傳感設備有效應用，以此對農(nóng)田空間信息進行高效精準的識別和判斷[4]。除此之外，隨著無人機遙感技術的不斷發(fā)展和應用，使得農(nóng)田空間信息分辨率也隨之大幅度提升，從而使農(nóng)田空間監(jiān)測數(shù)據(jù)的精細化程度不斷提升。

3.2 農(nóng)作物識別和精細分類

開展精準農(nóng)業(yè)需要大量數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)，因此在前期需要對農(nóng)作物進行生物識別、選擇性提前、精細分類，此后才能順利開展農(nóng)作物種植面積計算以及作物分析工作。輕小型無人機在進行作業(yè)時，其遙感技術是人工調(diào)查方法難以比擬的，不僅工作效率高而且信息實時回傳快，能夠有效節(jié)約人力成本開支。雖然從一定角度來講使用衛(wèi)星遙感對農(nóng)田進行識別效率更高，但由于對農(nóng)作物細節(jié)信息收集能力較弱，并且太空與地面之間存在眾多干擾，實際應用效果與無人機存在較大差異，后者能夠更好地完成作物信息獲取任務。

3.3 在監(jiān)測農(nóng)作物生產(chǎn)狀態(tài)方面的應用

對農(nóng)作物表型參數(shù)信息全面監(jiān)測，監(jiān)測的重點以葉面積指數(shù)為主，即單位農(nóng)田地表之中單面綠葉面積的總和，以此來對農(nóng)作物光合作用的效果全面反映。輕小型無人機遙感能夠在多光譜數(shù)據(jù)采集技術的基礎上，對地表農(nóng)作物種植指數(shù)全面探測，同時對光譜參數(shù)相對應的數(shù)據(jù)有效提取，以此來使地表植被指數(shù)得到有效計算，從而使相關模型構建得以完成。近年來，該技術在空間構型方面的測量中有效應用；對農(nóng)作物生長構成中營養(yǎng)指標相關信息有效獲取，不同農(nóng)作物之間具有差異性光譜反射吸收特點，輕小型無人機遙感技術可以對該特點有效應用，以此診斷和判別不同類型農(nóng)作物中的相關信息指標，如氮素含量等，如葉綠素在藍紫光和紅光中能夠發(fā)揮較強的吸收性特點，可以通過對顏色信息全面分析，對農(nóng)作物營養(yǎng)情況開展全面探究，目前，相對成熟的研究成果是利用葉綠素含量作為指標來構建的預測模型[5]；監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)量，目前的絕大多數(shù)研究都是在多因素綜合分析基礎上，不斷向高預測精度的產(chǎn)量預估技術發(fā)展過渡。在對農(nóng)作物監(jiān)測數(shù)據(jù)信息采樣工作全面開展時，在不同空間尺度的基礎上，對高光譜信息數(shù)據(jù)全面獲取，并完成農(nóng)作物指數(shù)和產(chǎn)量模型的構建。該模型根據(jù)精度曲線變化規(guī)律完成相應預測，從而有效得出最適宜農(nóng)田空間尺度面積。

3.4 田塊尺度的估產(chǎn)

實行精準農(nóng)業(yè)的目的是提高農(nóng)作物產(chǎn)量，因此在進行種植期間需要對整體產(chǎn)量進行預估，必要時針對突發(fā)變化還需要對預估產(chǎn)值進行調(diào)整。農(nóng)作物自身不同部分向空中反射不同的光譜，輕小型無人機的遙感系統(tǒng)能夠?qū)ζ溆行нM行獲取，從而獲得作物生長信息，構建出生長信息與產(chǎn)量之間的數(shù)學模型，進而對產(chǎn)量進行科學預估。同時，利用輕小型無人遙感在農(nóng)作物生長期間對其生長情況進行動態(tài)化檢測，從而幫助種植人員全面掌握農(nóng)作物生長情況，利用所監(jiān)測的數(shù)據(jù)對農(nóng)作物產(chǎn)量進行預判，不但可以提高預判結果和預測模型的精準度，同時還可以幫助種植人員適當調(diào)整農(nóng)作物生長營養(yǎng)需求方案。

遙感技術通常以光譜反射率作為對農(nóng)田產(chǎn)量預估時的計算參數(shù)，有時也會采用植被指數(shù)。輕小型無人機通常進行低空作業(yè)，而在進行農(nóng)作物產(chǎn)量預算或生物總量估算時，可以對高空分辨率采集的影像進行獲取，從而完成相關作業(yè)。

3.5 在監(jiān)測影響農(nóng)作物生長因素方面的應用

在對影響農(nóng)作物生長的因素進行監(jiān)測時，需要利用到輕小型無人遙感，重點監(jiān)測內(nèi)容包括：在對農(nóng)田濕度進行監(jiān)測時，要對熱紅外監(jiān)測技術全面應用，當農(nóng)田中的農(nóng)作物密度處于較高水平時，農(nóng)作物就會將葉片氣孔調(diào)整到關閉狀態(tài)，使升騰作用產(chǎn)生的水土流失問題進行降到最低，這對于增加農(nóng)田內(nèi)地表熱通量有著重要作用，同時導致農(nóng)作物冠層溫度加速上漲，此時要不斷加強對裸露土壤的注意力，當前眾多工作人員在進行實際工作或研究中都將工作目標和重點放在裸土溫度和農(nóng)作物地表覆蓋度之上，這樣不僅能夠?qū)β阃烈蛩剡M行全面獲取，還能夠讓裸土因素在冠層監(jiān)測數(shù)據(jù)中所產(chǎn)生的影響更加明顯，進而有效完成農(nóng)田濕度監(jiān)測工作；監(jiān)測病蟲害，利用紅外光譜的發(fā)射效果，全面探測病蟲害和植物生長狀態(tài)之間的關系，對農(nóng)作物葉片處于紅外區(qū)域時，研究的重點以柵欄組織狀況為主，當病蟲害出現(xiàn)時，柵欄組織會呈現(xiàn)枯萎的態(tài)勢，這樣在成像過程中，就會有一定的缺失現(xiàn)象出現(xiàn)，使成像的完整性受到影響[6]；其它影響因素信息，監(jiān)測農(nóng)藥的使用效果，全面分析植被覆蓋指數(shù)，對農(nóng)作物成熟期葉片的老熟程度有效判斷，并在此基礎上合理化判斷施加的農(nóng)藥效果，從而使農(nóng)藥使用過量現(xiàn)象得到有效杜絕。

4 輕小型無人機遙感在精準農(nóng)業(yè)中的應用發(fā)展趨勢

4.1 搭建高效便捷成本低廉的技術平臺

從無人機操作平臺的角度來講，想要使平臺穩(wěn)定性提升，先要提升平臺和傳感器之間的穩(wěn)定系數(shù)，以此來明顯提升相應的監(jiān)測水平。對目前的輕小型無人遙感來講，不良因素不僅包括成本較高且運行欠缺穩(wěn)定性，還因為操控平臺設計存在復雜性、對專業(yè)人員過度依賴等現(xiàn)象存在，從而使其在農(nóng)田監(jiān)測中的應用被限制。想要使這樣的現(xiàn)象得到改善，就要對高效便捷且成本低廉的無人機技術平臺全面構建，這也是未來的趨勢所在。

4.2 輕小型無人機遙感信息處理自動化和智能化

針對指定物質(zhì)的相關數(shù)據(jù)與影像資料，都可以使用輕小型無人機遙感系統(tǒng)進行獲取，通過對該影像進行分析時可知，影像之中通常會存在幅寬較小、傾角無法保持重疊等現(xiàn)象，這樣導致相關工作的難度系數(shù)明顯增大，如影像校正。因此，輕小型無人機遙感技術的主要環(huán)節(jié)以實現(xiàn)影像自動化預處理為主，以此來使獲取的影像質(zhì)量明顯提高。

當前，該方面的研究以簡單遙感獲取信息為主，并將重點都放在光譜特征反演農(nóng)作物參數(shù)之上，同時對遙感信息和農(nóng)作物生長參數(shù)之間的關系有效構建。但由于模型的準確性存在限制，從而使該遙感的使用區(qū)域受到限制。因此，在之后的研究中，要加強對該遙感的智能化和自動化的重視，如快速解析作物生長信息等。當該獲取和解析技術向全面化方向發(fā)展時，不僅為農(nóng)業(yè)轉型提供思路，還可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供重要的支撐。

4.3 實施周期性監(jiān)測農(nóng)作物生長情況

為了使農(nóng)田監(jiān)測精準性顯著提升，可以有效應用輕小型無人機遙感。但是在應用的過程中會出現(xiàn)周期性或連續(xù)性不足的問題。周期性以及連續(xù)性是農(nóng)作物生長過程中的主要特征之一，當農(nóng)作物處于不同階段時，相關參數(shù)指標也明顯不同，當在構建相關模型時只利用單一參數(shù)時，就會導致該模型的全面性以及代表性明顯不足。以棉花為例分析可知，在構建模型時將參數(shù)設定成不同生育期適應性時，要對各個階段的信息進行分開分析和處理。同時監(jiān)測農(nóng)作物的同一生長參數(shù)時，由于生長周期的差異，使得相關監(jiān)測數(shù)據(jù)也存在明顯的不同。由此可知，農(nóng)作物生長周期和連續(xù)性信息數(shù)據(jù)成為輕小型無人機遙感技術未來的研究重點，利用周期性監(jiān)測的方式，使監(jiān)測的準確度得到全面提升。

5 結束語

從本文的論述中可知，在精準農(nóng)業(yè)中應用輕小型無人機遙感具有十分重要的作用，可以對精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理所需的數(shù)據(jù)有效獲取，并使農(nóng)業(yè)不斷向精準農(nóng)業(yè)有效轉變。除此之外，無人機遙感可以在田間尺度估產(chǎn)、農(nóng)作物生長狀態(tài)監(jiān)測等方面有效應用，使得多方面數(shù)據(jù)能夠有效融合，并為田間精準作業(yè)提供一定的指導，從而為農(nóng)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展提供基礎保障。