李欣璐，凌燦權

（惠州工程職業(yè)學院，廣東 惠州 516000）

0 引言

農情遙感監(jiān)測技術是以衛(wèi)星或者無人機為技術載體，采用遙感技術對農業(yè)生產過程進行實時監(jiān)測分析，達到對農作物產量的預估、病蟲害的防治和精準農業(yè)噴灑的目的。將遙感技術與無人機技術相融合，運用在我國農業(yè)生產過程中，對農業(yè)現(xiàn)代化產生積極的作用。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設備有著作業(yè)范圍小、實時監(jiān)測難、衛(wèi)星遙感搭建成本高、對天氣狀況要求極高等問題，無人機技術與遙感技術相融合能有效地解決上述問題，對農作物進行定量、定性、定位的監(jiān)測分析。農田管理者通過監(jiān)測分析獲得農作物數(shù)據(jù)實現(xiàn)變量投入、精準農業(yè)、減少農藥化肥的使用[1-2]。

1 無人機遙感技術在國外農情監(jiān)測中的應用

國外無人機應用技術發(fā)展比較早，從世界范圍看，美國、日本、加拿大等國家的農業(yè)航空發(fā)展規(guī)模和技術都較為完善。無人機遙感技術在美國、日本、加拿大等國家是農田信息監(jiān)測的中堅力量，隨著無人機遙感監(jiān)測技術的不斷發(fā)展，加速推動了世界各國的精準農業(yè)和農業(yè)信息化的發(fā)展。無人機遙感技術在監(jiān)測農田作物生產數(shù)據(jù)和土壤分析規(guī)劃中取得了良好的應用。

1.1 農田作物生長數(shù)據(jù)監(jiān)測

美國Kauai 咖啡公司使用Pathfinder-Plus 太陽能無人機飛行器在1 500 hm2種植區(qū)進行監(jiān)測，通過搭載超高分辨率彩色光譜成像儀拍攝圖像，進行實時傳輸?shù)接嬎銠C進行分析得出數(shù)據(jù)，以監(jiān)測雜草爆發(fā)、施肥異常和灌溉暴露等情況[3]。無人機飛行器能有效節(jié)約人力勞動，兼具時效性好、成本低、安全性高等優(yōu)點迅速在農業(yè)領域取得應用發(fā)展，提高了農作物產量的同時節(jié)約生產成本。

無人機監(jiān)測技術在西班牙同樣廣泛應用在農業(yè)領域，無人機搭載光譜分析設備在監(jiān)測胡蘿卜素含量上作用效果顯著[4]。光譜分析設備主要監(jiān)測400～800 nm 光譜區(qū)內葉片的胡蘿卜素的含量，農田管理者能實時掌握農作物的胡蘿卜素的含量，有效提高了作物收成。JOSE MANUEL PEN 將無人機搭載近紅外多光譜相機，對玉米田地雜草覆蓋率進行拍照對比分析[5]。拍照的圖像會自動生成1 張雜草網(wǎng)絡結構圖，同時傳輸?shù)接嬎銠C進行分析比對，農田管理者會針對分析結果制定除草劑合理使用方案，達到精準噴灑，有效的節(jié)約了生產成本。

日本將無人機監(jiān)測技術應用在計算葉面積指數(shù)，主要功能是對農作物的單面綠葉面積進行總量計算，針對光合作用的農作物，通過無人機搭載光譜設備進行數(shù)據(jù)計算，能最大化的利用有限土地達到最大的收成[6]。

1.2 農田土壤分析及規(guī)劃

隨著人口的不斷增加,各國的土地使用情況日益緊張，耕地面積更為嚴峻，所以土壤的監(jiān)測分析尤為重要，通過監(jiān)測土壤的成分和分析其養(yǎng)分，合理規(guī)劃農作物的選種和種植，能有效提高農作物的產量，同時使得農田土地的使用率提高。法國學者AMELIE QUIQUEREZ 通過無人機遙感技術監(jiān)測土壤表面的特征對環(huán)境侵蝕的影響，針對圖像分析找到當?shù)氐纳狡滤亮魇У脑?，并提出了合理化的建議，實現(xiàn)了保護植被的良好效果[7]。圖1 為無人機遙感技術在農田土壤表面特征的應用。

圖1 農田土壤表面特征

日本農民戶均耕地面積較小，地形多山[8]，無人機監(jiān)測技術可以有效解決土地種植分配問題，以無人機監(jiān)測技術作為技術載體，對土壤信息進行分析，分配合適的種植作物，合理規(guī)劃使用有限的耕地面積，針對性的種植對應作物，從而增加收成量。

2 無人機遙感技術在國內農情監(jiān)測中的應用

我國的無人機發(fā)展雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，目前我國無人機技術在世界處于領先地位。隨著科技的發(fā)展我國無人機技術廣泛應用在各個領域，特別是在農業(yè)領域，在農情監(jiān)測中的土壤濕度監(jiān)測、植被覆蓋率監(jiān)控、病蟲害防治監(jiān)測、農業(yè)保險賠付等方面，無人機遙感技術具有非常明顯的優(yōu)勢。為完善我國農業(yè)領域內對農田監(jiān)測的不足[9]，我國正重點發(fā)展低空無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)，主要應用在土壤濕度監(jiān)測應用、植被覆蓋監(jiān)測、病蟲害監(jiān)測、精準施肥等方面中并取得良好的效果。

2.1 無人機遙感技術在土壤濕度監(jiān)測中的應用

大多數(shù)農作物對氣候、土壤溫濕度等因素具有一定的要求,農田土壤的濕度直接影響農作物的光合作用、呼吸作用、生長等生命活動，適宜的濕度可以使得農作物產量提高。土壤的濕度過低，會嚴重導致土壤干旱缺水，從而影響農作物的光合作用，降低農作物的產量和品質，嚴重干旱缺水直接導致植物的調零和死亡[10]。土壤過于濕潤，導致土壤的通透性變差，使得土壤中的微生物無法正常的進行呼吸作用，無法正常分解養(yǎng)分供給植物生長，更嚴重的情況是令農作物的根部呼吸、生長等生命活動受到阻礙，導致作物根部缺氧窒息凋亡。

無人機遙感技術采用4K 高清攝像機低空拍攝土壤的照片，通過建立數(shù)據(jù)模型將獲得的圖像信息進行比對，進而得出土壤的濕度情況，從而實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測。農田管理者根據(jù)土壤的濕度信息，合理對農田土壤灌溉，并且可以實時掌握農作物的長勢。傳統(tǒng)的土壤監(jiān)測濕度技術無法實現(xiàn)大面積的監(jiān)測，不能滿足其在農業(yè)信息化的發(fā)展和應用。低空飛行無人機搭載可見光近紅外高清攝像頭拍攝照片進行各種空間分析，獲得土壤的濕度等相關信息，圖2 為搭載紅外成像儀無人機正在監(jiān)測灌溉渠道水分滲漏情況。農田管理者通過收集的數(shù)據(jù)進行對農田土壤濕度的控制[11]。無人機監(jiān)測技術具有低成本、高時效性、輕便、起飛方式靈活等優(yōu)點，輕松解決我國土地遼闊、地形復雜導致的監(jiān)測難等問題。

圖2 搭載紅外成像儀無人機監(jiān)測灌溉渠道水分滲漏情況

2.2 無人機遙感技術在植被覆蓋監(jiān)測中的應用

植被覆蓋率是地表植被分布的重要參數(shù)指標，是一個區(qū)域內生態(tài)環(huán)境評價的重要指標，它能精準預測農作物產量。近幾年，我國精準農業(yè)發(fā)展迅猛，但傳統(tǒng)的農作物遙感監(jiān)測技術無法滿足現(xiàn)實需求，衛(wèi)星光學遙感監(jiān)測成本高且容易受到云層遮擋，人工地面采集數(shù)字圖像技術無法滿足空間和時間分辨率要求，而且人工花費成本大、耗時耗力、效率低[12]。

低空無人機遙感技術的發(fā)展彌補了這些問題，不僅能解決衛(wèi)星監(jiān)測成本高、受云層阻擋的問題，還大大釋放勞動力。低空無人機移動輕便快捷，對環(huán)境有很強的適應性，可以更好的代替人工在特殊環(huán)境下進行監(jiān)測工作，提高了工作效率。我國已經(jīng)將小型低空無人機監(jiān)測技術運用在冬小麥覆蓋率的研究方面，獲得數(shù)據(jù)可分析冬小麥覆蓋率的變化，農田管理者根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結果進行更好的區(qū)域管理[13]。

2.3 無人機遙感監(jiān)測技術在病蟲災害防治中的應用

農作物的病蟲防治工作是農業(yè)領域中重要的組成部分，也是決定農作物收成的重要因素，因此對農作物進行病蟲災害監(jiān)測工作尤為重要，監(jiān)測質量的好壞主要取決于監(jiān)測設備的質量和信息分析處理方式。無人機遙感技術是新興科技技術，通過搭載高清攝像頭完成對大面積農作物的拍攝作業(yè)，通過分析圖像信息獲取土壤信息和作物的環(huán)境信息[14]。此外，結合農作物的光譜信息、農產品的色彩和紋理特征圖像分析，獲得農作物的病蟲災害情況和受災面積分布信息，農田管理者根據(jù)分析的資料信息可以全面快速了解受災情況，及時作出防災救災措施。無人機靈活便捷、反應迅速等特點在災害預防控制方面，可以快速采集信息，傳輸至計算機分析數(shù)據(jù)，幫助農田管理者掌握病蟲災害情況并開展防治工作。圖3 為無人機通過高光譜和多源光譜遙感技術對松林線蟲病染病樹木進行監(jiān)測[15]。

圖3 光譜分析圖

無人機遙感監(jiān)測技術通過搭載信息傳感器，對農作物進行拍攝，將圖像進行對比分析，或者是根據(jù)作物在不同生長狀態(tài)下能反射不同波長電磁波的原理，進行實時監(jiān)測作物狀態(tài)。黃耀歡等[14-15]應用小型低空無人機遙感技術，分析了受到不同類型災害的森林樹木反射光譜特性，研究發(fā)現(xiàn)受到災害類型不同的樹木在特征波長反射上存在差異。同樣無人機監(jiān)測技術可運用于小麥條銹病的監(jiān)測，通過無人機搭載的傳感器監(jiān)測影像波段信息，進行實時監(jiān)測生長情況[16]。

2.4 無人機遙感技術在精準施肥中的應用

目前我國的農業(yè)還處于粗放型農業(yè)階段，主要采用統(tǒng)一施撒的傳統(tǒng)播種方式，單純憑借農田管理者的經(jīng)驗之談，不考慮土壤條件、農作物的生長狀態(tài)等情況，從而導致一些肥料浪費和各種偏差。通過無人機技術可以實現(xiàn)更加精細化的施肥，達到精準農業(yè)的目標，通過無人機遙感技術，把需要施肥的農田通過無人機掛載的多光譜相機采集影像，然后將影像通過Pix4Dfields 軟件全自動處理后，生成NDVI（歸一化植被指數(shù)），從而分析出當前農作物的長勢和目前土壤條件，最后創(chuàng)建處方圖，得到最佳的施肥方案，減少不必要的浪費，降低化學肥料對環(huán)境的不利影響，最終達到精準農業(yè)的目的。

2.5 無人機遙感監(jiān)測技術在農業(yè)其他領域中的應用

眾所周知，農業(yè)保險理賠中最棘手的問題就是難勘察和難定損，將無人機遙感技術應用于農業(yè)保險理賠中，能有效解決上述問題。無人機配備高清攝影頭，不受地形環(huán)境的限制起飛降落，飛行軌跡靈活便利，具有高時效性，提高理賠勘測的工作效率，節(jié)約成本，并且高清攝像頭拍攝能保障農田賠付的準確性。圖4 為農險業(yè)務勘測。

圖4 農險業(yè)務勘測

耕地面積減少，人口不斷增長，全球糧食問題日益嚴峻，農田管理規(guī)劃是生產勞作的重要部分。目前存在的農田管理系統(tǒng)主要分為2 種方式，一是有線傳輸傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，二是無線傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。這2 種方式都存在各自的優(yōu)缺點，有線傳輸范圍受限，搭建成本較高，但能持續(xù)穩(wěn)定工作；無線傳輸范圍廣，對設備要求高，但容易受到干擾。低空無人機技術配置高清4 k 相機、近紅外設備與地面控制基站監(jiān)測系統(tǒng)，能全方位的監(jiān)測農田區(qū)域，成本低、監(jiān)測面積廣闊，能夠實時監(jiān)測，農田管理者可以更加直觀觀察到農田信息，使得管理更加人性化、立體化且更具經(jīng)濟效益[17]。

我國農業(yè)發(fā)展已經(jīng)走上信息化、機械化生產之路，隨著無人機技術等高新科技的不斷融入，我國農業(yè)的發(fā)展將邁上新的臺階，我國的精準農業(yè)進程發(fā)展將更上一層樓。

3 無人機遙感技術應用于農情監(jiān)測中的優(yōu)勢

無人機通過搭載各類型的傳感器設備實現(xiàn)遙感監(jiān)測功能，在農情監(jiān)測方面，低空無人機優(yōu)勢顯著，因其靈活輕便，不受環(huán)境因素影響，對環(huán)境適應性強，可以在復雜、危險的種植環(huán)境下替代人工監(jiān)測作業(yè)，可極大避免農作物的損失和節(jié)約人力勞動成本。無人機體積輕巧，方便攜帶，尤其在高山、丘陵森林等復雜地形環(huán)境凸顯優(yōu)勢，不需要架設大型設備，也不需要搭建網(wǎng)絡設備，減少不必要的成本支出，可以方便快捷、準確地獲得所需數(shù)據(jù)資料。傳感器是無人機遙感技術的關鍵部件，不同的傳感器會影響無人機遙感的效果。表1 為無人機搭載的傳感器優(yōu)缺點總結[18]，伴隨著信息化的迅速發(fā)展，無人機遙感技術作為高新科技技術，在各行業(yè)都有廣泛應用，尤其在農業(yè)領域優(yōu)勢凸顯。

表1 無人機搭載的傳感器優(yōu)缺點

4 無人機遙感技術在農情監(jiān)測應用中存在的問題

4.1 飛行平臺穩(wěn)定性需進一步完善

無人機的飛行技術平臺在近幾年發(fā)展迅速，也有一定的成就，但是在低空無人機遙感監(jiān)測作業(yè)過程中，還是會受到飛行平穩(wěn)狀態(tài)和智能傳輸數(shù)據(jù)等方面的局限。無人機的承載能力、搭載的傳感器精度、自身動力電池續(xù)航等因素，都會影響無人機監(jiān)測的實用性[19]。無人機對作業(yè)環(huán)境也有一定的要求，不能在強風下雨天氣開展監(jiān)測工作，這將會導致其適用性降低。目前市面上大多數(shù)的無人機抗風能力在風力4 級以下，盡管在一般的天氣狀態(tài)下能起飛作業(yè)，但是因飛行過程中的機身抖動、飛行狀態(tài)不平穩(wěn)等因素，獲得的數(shù)據(jù)信息會有較多的噪點，后期圖像數(shù)據(jù)處理分析需要消耗大量的技術和人力成本，其信息的準確性也大打折扣，無法實現(xiàn)精準還原結果。這些都是影響監(jiān)測準確的因素，所以無人機監(jiān)測技術在農情監(jiān)測上有所局限。

4.2 無人機載荷能力有限，難以實現(xiàn)多源信息采集

無人機體積輕巧靈活，但其載荷能力有限，無法搭載太多的設備，因此無人機遙感系統(tǒng)配備單一的傳感器無法滿足全面、準確的反應農田和農作物的信息。低空無人機監(jiān)測技術需要解決各種遙感信息如何綜合呈現(xiàn)、如何提高精準度、拓展農作物和農田的監(jiān)測范圍等問題[20]。目前，專家學者研究多源數(shù)據(jù)進行同步監(jiān)測農田土地信息，如高林等[21]通過數(shù)碼影像與高光譜成像相結合方式進行綜合估算玉米生物產量。但目前多源數(shù)據(jù)分析農作物的研究信息不多，在更為復雜的農田土地環(huán)境，數(shù)據(jù)來源更是需要多方面的，不僅局限于2個傳感器。因此無人機的使用有一定的限制，需要更進一步的完善[22]。

無人機監(jiān)測農情信息中，只能進行單一時段的數(shù)據(jù)監(jiān)測，無法監(jiān)測農作物過程中不同時間段的生長發(fā)育情況。因為農作物在不同生長周期，其光譜和紋理不同，所以無人機很難獲取多個連續(xù)生長周期數(shù)據(jù)，其反演數(shù)據(jù)少、不具代表性，難以準確體現(xiàn)農作物的實際生長情況。因此需要建立動態(tài)模型進行監(jiān)測農作物生長連續(xù)過程。無人機通過低空獲取數(shù)據(jù)后對農作物進行反演、預測農作物產量等各種生長指標參數(shù)的模型只能通過以往的經(jīng)驗為主。所以無人機低空監(jiān)測存在一定不足，還需研發(fā)更高效的地物識別、信息獲取和分析模型，并且形成一定的標準。

5 結論

無人機遙感技術擁有輕便靈活、低空精準監(jiān)測等優(yōu)點，尤其在空間尺度和精度上有著明顯的優(yōu)勢，特別適用于中尺度的農田土地資源信息的快速獲取。在未來，隨著無人機遙感技術整體的加速發(fā)展，在飛行平臺、機載多源設備獲取信息技術、數(shù)據(jù)挖掘分析、建模技術等方面發(fā)展完善后，無人機低空遙測農情技術在相關領域將更為廣泛應用，我國的精準農業(yè)發(fā)展必將迎來新階段。