摘 要:近年來(lái),無(wú)人機(jī)遙感已成為低空遙感領(lǐng)域的熱門(mén)和前沿,在新疆農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展趨勢(shì)中扮演著重要角色。為了適應(yīng)這一特點(diǎn),新疆高校新設(shè)的智慧農(nóng)業(yè)專(zhuān)業(yè)需要不斷探索融入無(wú)人機(jī)教學(xué)的課程建設(shè)新模式。本文以智慧農(nóng)業(yè)暑假實(shí)踐課的教學(xué)改革為例,提出樹(shù)立以解決產(chǎn)業(yè)實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)目標(biāo),通過(guò)深入分析和研判產(chǎn)業(yè)問(wèn)題背后的技術(shù)需求,來(lái)設(shè)計(jì)“無(wú)人機(jī)+”的理論和技術(shù)解決方案,并據(jù)此來(lái)指導(dǎo)課堂教學(xué)和野外實(shí)踐的教學(xué)內(nèi)容,探索培養(yǎng)具備理論和應(yīng)用專(zhuān)業(yè)技能的復(fù)合農(nóng)業(yè)技術(shù)人才。
關(guān)鍵詞:智慧農(nóng)業(yè);暑假實(shí)踐課;教學(xué)改革;無(wú)人機(jī)遙感
1 概述
近年來(lái),從自動(dòng)駕駛播種、無(wú)人機(jī)巡田,到智能灌溉與病蟲(chóng)害預(yù)警系統(tǒng),一系列新技術(shù)賦能作物生產(chǎn),新疆糧棉產(chǎn)業(yè)機(jī)械化、數(shù)字化、智能化應(yīng)用日趨廣泛,催生出集高效、綠色、可持續(xù)為一體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,農(nóng)業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力正在助力新疆糧棉量穩(wěn)質(zhì)升。通過(guò)搭載各類(lèi)傳感器,無(wú)人機(jī)能夠在低空飛行,實(shí)時(shí)獲取大范圍超高分辨率的地物影像數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)以其負(fù)載、靈活機(jī)動(dòng)性和低成本的特點(diǎn),成為近年來(lái)低空遙感技術(shù)的熱點(diǎn)之一[1]。其中,大疆DJI在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域已成為全球領(lǐng)先品牌,以“無(wú)人機(jī)+”的理念不斷革新、開(kāi)放技術(shù),與合作伙伴、開(kāi)發(fā)者共同將無(wú)人機(jī)應(yīng)用引入工作流中,助力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)生態(tài)智能化升級(jí)。
21世紀(jì)是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代,科技日新月異。為了適應(yīng)這一時(shí)代特點(diǎn),147所“雙一流”建設(shè)高校中的37所開(kāi)始設(shè)置智慧農(nóng)業(yè)學(xué)院/專(zhuān)業(yè)。其中,中東部“雙一流”高校的智慧農(nóng)業(yè)專(zhuān)業(yè)數(shù)量占比超過(guò)50%,西北地區(qū)“雙一流”高校僅有新疆大學(xué)和石河子大學(xué)開(kāi)設(shè)智慧農(nóng)業(yè)專(zhuān)業(yè)。石河子大學(xué)智慧農(nóng)學(xué)系和新疆大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)學(xué)院分別成立于2022年和2023年,在教師隊(duì)伍、學(xué)科設(shè)置、人才培養(yǎng)等環(huán)節(jié)正處于起步和快速發(fā)展階段。大學(xué)生不僅是新質(zhì)生產(chǎn)力教育的主要受眾群體,還是推動(dòng)生產(chǎn)力不斷革新的關(guān)鍵力量,對(duì)其無(wú)人機(jī)遙感原理和應(yīng)用的培養(yǎng)關(guān)系到新疆智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。如何通過(guò)教學(xué)實(shí)踐,將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,培養(yǎng)解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的能力,是新疆高校智慧農(nóng)業(yè)學(xué)科需要不斷探索和思考的重要問(wèn)題。
2 樹(shù)立以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)理念
智慧農(nóng)業(yè)致力于培養(yǎng)服務(wù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略需求,能將信息技術(shù)、生物技術(shù)、現(xiàn)代工程裝備技術(shù)、現(xiàn)代經(jīng)營(yíng)管理知識(shí)與農(nóng)學(xué)有機(jī)融合的高素質(zhì)創(chuàng)新型復(fù)合人才[2]。這一特點(diǎn)就決定了智慧農(nóng)業(yè)學(xué)科的暑期實(shí)踐教學(xué)應(yīng)不同于傳統(tǒng)農(nóng)學(xué)、生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)的暑期實(shí)踐,其需要樹(shù)立以應(yīng)用為導(dǎo)向、以需求為牽引的多學(xué)科交叉理念。
智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)問(wèn)題可由屬地企業(yè)、農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心和家庭農(nóng)場(chǎng)提出,大學(xué)教師通過(guò)走訪調(diào)研、采集匯總并按照六大產(chǎn)業(yè)屬性對(duì)產(chǎn)業(yè)問(wèn)題進(jìn)行分類(lèi),明確技術(shù)性產(chǎn)業(yè)問(wèn)題背后的共性和特性技術(shù)需求。本文列舉一些新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中遇到的問(wèn)題以及相應(yīng)的無(wú)人機(jī)技術(shù)需求:新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以膜下滴灌技術(shù)為主,在實(shí)際生產(chǎn)中由于滴灌帶連接不當(dāng)和閥門(mén)連接不緊、管道堵塞、出水口損壞、滴灌帶老化等造成跑水現(xiàn)象,存在如何利用DJI無(wú)人機(jī)熱紅外遙感監(jiān)測(cè)大農(nóng)田滴灌帶跑水點(diǎn)和面;北疆和南疆局部地區(qū)每年3~5月份大風(fēng)揚(yáng)沙天氣頻繁,嚴(yán)重侵蝕農(nóng)用地膜并導(dǎo)致地表裸露和幼苗建植率低,存在如何利用無(wú)人機(jī)熱紅外遙感快速監(jiān)測(cè)風(fēng)蝕地膜破損程度;其他技術(shù)需求還有利用DJI無(wú)人機(jī)多光譜遙感預(yù)報(bào)糧棉產(chǎn)量、無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)作物立體成像和長(zhǎng)勢(shì)分析以及病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)等。
3 基于具體技術(shù)需求來(lái)設(shè)計(jì)課程目標(biāo)和內(nèi)容
暑假實(shí)踐課的課程背景、課程目標(biāo)和課程內(nèi)容圍繞上述產(chǎn)業(yè)技術(shù)需求依次展開(kāi)。本文以“無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在家庭農(nóng)場(chǎng)棉花生產(chǎn)中的應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)”為例,探索DJI無(wú)人機(jī)在智慧農(nóng)業(yè)暑假實(shí)踐教學(xué)改革中的應(yīng)用。
3.1 課程背景
課程不僅要強(qiáng)調(diào)無(wú)人機(jī)技術(shù)作為新質(zhì)生產(chǎn)力在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用重要性,還需要明確課程需要做什么樣的工作及其目的與意義是什么。針對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在家庭農(nóng)場(chǎng)棉花生產(chǎn)中的應(yīng)用及效果評(píng)價(jià),課程背景可以設(shè)置如下:由于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的低空遙感新技術(shù)具有快速、無(wú)損、高效、靈活、全面等優(yōu)勢(shì),在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中得以廣泛推廣應(yīng)用,通過(guò)點(diǎn)—面結(jié)合的方式對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、大面積準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和評(píng)估,以便因地、因時(shí)、因苗來(lái)制定最合適的生產(chǎn)管理措施。
3.2 課程目標(biāo)
按照無(wú)人機(jī)型號(hào),DJI智能化飛行平臺(tái)包含兩種主要類(lèi)型,即經(jīng)緯系列和Mavic 3系列(表1)。除了經(jīng)緯RTK之外,其他機(jī)型能夠搭載的云臺(tái)相機(jī)較為固定。實(shí)踐課所用機(jī)型取決于課程目標(biāo)和內(nèi)容。在本文“無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在家庭農(nóng)場(chǎng)棉花生產(chǎn)中的應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)”中,課程目標(biāo)可以設(shè)置為:以無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)場(chǎng)大田棉花生產(chǎn)的管理過(guò)程為切入點(diǎn),通過(guò)用無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)和多光譜相機(jī)的遙感技術(shù),對(duì)農(nóng)場(chǎng)棉花生產(chǎn)過(guò)程中的日常巡田檢查、作物生育期長(zhǎng)勢(shì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行分析和試驗(yàn),讓學(xué)生掌握農(nóng)學(xué)和無(wú)人機(jī)遙感的基本概念和原理,提高學(xué)生的無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用技能,培養(yǎng)學(xué)生的三農(nóng)情懷和價(jià)值觀。
具體來(lái)說(shuō),知識(shí)目標(biāo)包括掌握無(wú)人機(jī)遙感的概念、無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的組成、攝影成像和方式、植被指數(shù)、棉花生活史等基本知識(shí)和概念。技能目標(biāo):(1)掌握無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光和多光譜相機(jī)圖像獲取與處理技能;(2)掌握無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光云臺(tái)的面巡、鳥(niǎo)瞰巡和點(diǎn)巡等三種巡田方式,掌握無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光云臺(tái)觀察棉田雜草發(fā)生情況的技能;(3)掌握植被指數(shù)反演棉花長(zhǎng)勢(shì)的方法。情感態(tài)度價(jià)值觀目標(biāo)包括:(1)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的興趣和熱情;(2)培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和創(chuàng)新思維;(3)培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作和溝通能力的意識(shí)。
3.3 課程內(nèi)容
3.3.1 課堂教學(xué)模塊
課堂教學(xué)模塊目的是讓學(xué)生掌握無(wú)人機(jī)遙感概念和應(yīng)用的重難點(diǎn)知識(shí),學(xué)會(huì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、圖像獲取與處理的技能知識(shí),為順利開(kāi)展野外實(shí)踐模塊做好理論基礎(chǔ),這一系列知識(shí)內(nèi)容需要約5課時(shí)(表2)。課堂教學(xué)模塊擬安排2個(gè)課時(shí)開(kāi)展無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)、無(wú)人機(jī)遙感傳感器和無(wú)人機(jī)遙感在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)展等三個(gè)方面內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)方面,重點(diǎn)講解無(wú)人機(jī)定義、多旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)及其優(yōu)缺點(diǎn)。在無(wú)人機(jī)遙感傳感器方面,了解傳感器的主要類(lèi)型:數(shù)碼相機(jī)、多光譜相機(jī)、高光譜成像儀、熱紅外成像儀、激光雷達(dá)等,重點(diǎn)講解數(shù)碼相機(jī)和多光譜相機(jī)的工作原理、成像特點(diǎn)等。在課堂講授過(guò)程中,通過(guò)引入一些實(shí)際應(yīng)用案例,來(lái)詳述數(shù)碼相機(jī)和多光譜相機(jī)在農(nóng)田面積測(cè)繪、農(nóng)田地塊區(qū)劃、農(nóng)作物識(shí)別、雜草識(shí)別、倒伏狀況、作物長(zhǎng)勢(shì)分析、病蟲(chóng)害脅迫分析和葉面積指數(shù)估算等方面的應(yīng)用進(jìn)展。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)的課堂教學(xué)擬安排1個(gè)課時(shí),講解試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原則和注意事項(xiàng)。一個(gè)完整的試驗(yàn)設(shè)計(jì),就是有目的地去解決科學(xué)問(wèn)題的過(guò)程,根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰ピO(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的具體方法、步驟。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要遵循以下原則:科學(xué)可行性原則、對(duì)照與均衡性原則、隨機(jī)性原則、可重復(fù)性原則。具體到本文的應(yīng)用案例,需要明確研究區(qū)域、試驗(yàn)時(shí)間、棉花品種、種植管理方式。其中,研究區(qū)域指的是擬選定用來(lái)開(kāi)展無(wú)人機(jī)作業(yè)和地面采樣的農(nóng)田。試驗(yàn)時(shí)間指的是無(wú)人機(jī)作業(yè)的月份,需要結(jié)合大田生產(chǎn)安排來(lái)進(jìn)行。種植管理方式涉及棉花的行間距、施肥、灌溉、種植密度等農(nóng)事信息。日常巡田檢查照片獲取根據(jù)棉花生育期和大田實(shí)際生產(chǎn)需要,每周拍攝一次,同時(shí)結(jié)合重點(diǎn)時(shí)期、特殊情況等隨機(jī)獲取,然后按需求對(duì)棉田雜草發(fā)生、生產(chǎn)措施執(zhí)行檢查等照片進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。多光譜影像的獲取與巡田檢查同時(shí)段進(jìn)行,對(duì)相同管理措施下的不同條田進(jìn)行多光譜數(shù)據(jù)的采集。無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)采集的最佳時(shí)間應(yīng)選在太陽(yáng)光照輻射強(qiáng)度穩(wěn)定、天空無(wú)云的時(shí)段,以提高影像清晰度和數(shù)據(jù)質(zhì)量,一般選擇在北京時(shí)間上午12點(diǎn)到下午4點(diǎn)之間進(jìn)行。
圖像獲取與處理的課堂教學(xué)擬安排2個(gè)課時(shí),講解巡田圖像獲取和多光譜圖像獲取以及處理。巡田圖像獲取使用多光譜無(wú)人機(jī),巡田方式根據(jù)需要采用面巡、鳥(niǎo)瞰巡、點(diǎn)巡三種方式相結(jié)合,圖像采集時(shí)間每周進(jìn)行一次,同時(shí)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)管理采用不定時(shí)拍攝,然后選取適用于本研究?jī)?nèi)容的數(shù)碼圖像進(jìn)行分析。多光譜圖像使用多光譜無(wú)人機(jī)獲取,制定具體拍攝時(shí)間,采用手動(dòng)拍攝方式,拍攝高度約為50m。選擇處于花鈴期的10個(gè)條田分別進(jìn)行多光譜影像獲取,每個(gè)條田分別拍攝藍(lán)光、綠光、紅光、紅邊和近紅外五個(gè)波段的多光譜照片5張,共計(jì)拍攝多光譜照片60~70張。
無(wú)人機(jī)巡田檢查,主要依托無(wú)人機(jī)配備的可見(jiàn)光/數(shù)碼相機(jī),拍攝采集農(nóng)田高清圖像,隨后導(dǎo)入電腦,管理人員運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)對(duì)拍攝所得的田間圖像進(jìn)行細(xì)致觀察與分析,以準(zhǔn)確掌握農(nóng)田雜草分布和生長(zhǎng)的實(shí)際狀況。在這一過(guò)程中,無(wú)須進(jìn)行額外的圖像處理工作。對(duì)多光譜影像的處理流程包括各波段影像拼接、裁剪以及反射率數(shù)據(jù)提取,為了確保無(wú)人機(jī)影像的準(zhǔn)確拼接,選用大疆智慧農(nóng)業(yè)平臺(tái)(大疆智圖軟件)進(jìn)行操作。在拼接過(guò)程中嚴(yán)格遵守操作步驟和規(guī)范,確保每一幅影像都能準(zhǔn)確地融合在一起,從而形成各波段完整連續(xù)的研究區(qū)影像。拼接后的影像往往包含超出研究區(qū)的部分,為了確保研究區(qū)準(zhǔn)確性,需要進(jìn)一步進(jìn)行影像裁剪。在完成影像拼接和裁剪后,進(jìn)一步利用ENVI軟件提取反射率并計(jì)算植被指數(shù),最后生成植被指數(shù)空間分布影像圖。
植被指數(shù)(VI)是通過(guò)遙感技術(shù)獲取的衛(wèi)星或航空影像數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)特定的數(shù)學(xué)運(yùn)算得出的數(shù)值。植被指數(shù)能夠反映地物植被的生化特征、冠層大小、生長(zhǎng)速度等關(guān)鍵信息[3]。植被指數(shù)的種類(lèi)繁多,可以選取物理意義清晰、可信度較高且與作物葉面積指數(shù)、地上生物量相關(guān)的5~7種多光譜植被指數(shù)進(jìn)行研究,比如,歸一化植被指數(shù)NDVI、綠波段歸一化差值植被指數(shù)GNDVI、歸一化差異紅邊植被指數(shù)NDRE、優(yōu)化土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)OSAVI和增強(qiáng)植被指數(shù)EVI。為了分析棉花長(zhǎng)勢(shì)指標(biāo)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性,需要無(wú)人機(jī)影像與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。所以,在采集無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的同時(shí)也采集地面數(shù)據(jù)。葉面積測(cè)定點(diǎn)與遙感影像感興趣點(diǎn)(ROI)要相對(duì)應(yīng),采用收獲法測(cè)定地上生物量和葉面積指數(shù)[4]。
3.3.2 野外實(shí)踐模塊
野外實(shí)踐模塊包括活動(dòng)前期準(zhǔn)備、活動(dòng)實(shí)施、室內(nèi)樣品處理和分析等?;顒?dòng)前準(zhǔn)備先要確定實(shí)踐地點(diǎn),可以選擇教師所熟悉的區(qū)域或者距離院校近的地點(diǎn)。依據(jù)課堂教學(xué)制定的實(shí)踐內(nèi)容,制訂實(shí)踐活動(dòng)方案,包括實(shí)踐目標(biāo)、實(shí)踐內(nèi)容、分組安排和安全措施等。接下來(lái),準(zhǔn)備實(shí)踐物質(zhì),包括研究區(qū)的農(nóng)業(yè)區(qū)劃背景圖、筆記本、相機(jī)、記錄工具、無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)、剪刀、自封袋、記號(hào)筆、測(cè)量尺、電腦等。
活動(dòng)實(shí)施需要按照既定的活動(dòng)方案展開(kāi),組織學(xué)生按照小組形式進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛航和數(shù)據(jù)采集。在研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng),教師現(xiàn)場(chǎng)講解棉田雜草類(lèi)型和生長(zhǎng)特點(diǎn)、無(wú)人機(jī)航線設(shè)置和飛行參數(shù)配置,引導(dǎo)學(xué)生觀察、記錄、分析棉花長(zhǎng)勢(shì)和實(shí)時(shí)閱覽無(wú)人機(jī)圖像。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,設(shè)置地上生物量采樣點(diǎn),記錄經(jīng)緯度坐標(biāo),收獲棉花地上生物量和葉片。
室內(nèi)樣品處理和分析包括無(wú)人機(jī)遙感影像的拼接、裁剪和后續(xù)處理,以及棉花植株室內(nèi)烘干和葉片掃描等。各小組開(kāi)展數(shù)據(jù)處理和分析,討論交流,撰寫(xiě)試驗(yàn)報(bào)告。在分析植被指數(shù)與葉面積指數(shù)關(guān)系時(shí),采用線性回歸擬合方法量化二者的相關(guān)性。
結(jié)語(yǔ)
新疆高校應(yīng)依托地域特色,在暑期實(shí)踐課中引入無(wú)人機(jī)遙感技術(shù),創(chuàng)新智慧農(nóng)業(yè)教學(xué)模式。通過(guò)農(nóng)田航測(cè)、作物遙測(cè)等實(shí)操環(huán)節(jié),讓學(xué)生掌握三維空間數(shù)據(jù)采集與分析技能,深化對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的理解,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際農(nóng)業(yè)問(wèn)題的能力,為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化人才培養(yǎng)提供新路徑,推動(dòng)產(chǎn)教融合與教學(xué)改革,為服務(wù)區(qū)域農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展注入新動(dòng)能。
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基金項(xiàng)目:2024年度新疆大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃——綠洲農(nóng)田土壤質(zhì)量空間變化特征及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究(202410755115);新疆維吾爾自治區(qū)“天池英才”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃(51052401407)
作者簡(jiǎn)介:薛偉(1985— ),男,漢族,山東泰安人,理學(xué)博士,副教授,博士生導(dǎo)師,主要從事綠洲農(nóng)田生態(tài)學(xué)研究。