王巧玲

(甘肅省疏勒河流域水資源利用中心,甘肅 玉門 735211)

0 引 言

要想實(shí)現(xiàn)精量灌溉的目標(biāo),必須有效對(duì)缺水狀況實(shí)施精準(zhǔn)診斷,并通過(guò)科學(xué)分析,在滿足缺水狀態(tài)下即可執(zhí)行灌溉指令。例如,針對(duì)土壤-植物-大氣連續(xù)體系統(tǒng),想要判斷作物是否缺水,就需要依靠對(duì)應(yīng)的定量指標(biāo)來(lái)做出評(píng)判:①需要結(jié)合當(dāng)前土壤水分情況,明確灌溉的時(shí)間及用水量,并充分考慮影響水分的因素,科學(xué)設(shè)定土壤水分平衡條件;②從作物在水分缺失狀態(tài)下的生理反應(yīng)特征出發(fā),觀察其是否要實(shí)施灌溉任務(wù);③基于作物生長(zhǎng)的環(huán)境特征,考慮對(duì)應(yīng)因素的變化情況,進(jìn)而判斷出作物需水量,隨后從蒸騰蒸發(fā)量角度出發(fā),判斷是否達(dá)到需要灌溉的界限。當(dāng)前,無(wú)人機(jī)技術(shù)在諸多方面都得到了有效應(yīng)用,它可以借助機(jī)載多光譜熱紅外、高光譜等相機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)定量指標(biāo)信息的獲取,為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)提供支持[1]。

1 無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用特征

1.1 安全性與可靠性

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中,無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)開(kāi)始發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì),現(xiàn)階段,已將無(wú)人機(jī)應(yīng)用到多個(gè)項(xiàng)目的研究中。在實(shí)踐期間,主要利用遙感來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制,并且依托計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像攝影技術(shù)等完成測(cè)量工作,在這種模式下,可展現(xiàn)出無(wú)人機(jī)技術(shù)的安全性和可靠性。

1.2 降低投資成本

相對(duì)而言,使用無(wú)人機(jī)要比航拍飛機(jī)節(jié)省更多的資金,無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,在使用過(guò)程中具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)。操作者可借助搖感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的操控,并且無(wú)人機(jī)的后續(xù)養(yǎng)護(hù)與維修相對(duì)便利,這些都為無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用提供了支持,也展現(xiàn)出無(wú)人機(jī)利用的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 可開(kāi)展低空作業(yè)和獲取高分辨率的影像

無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中可保持低空飛行的狀態(tài),它能夠精準(zhǔn)拍攝目標(biāo)范圍內(nèi)的相關(guān)事物,從而獲得高分辨率的影像信息。在低空狀態(tài)下,可有效避免云層的干擾,進(jìn)一步拉進(jìn)和地面的距離,有助于獲取更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。通常情況下,即使無(wú)人機(jī)是在距離地面超過(guò)50m以上的條件下飛行,它也能夠測(cè)繪出足夠精確的數(shù)據(jù),在技術(shù)達(dá)到相應(yīng)需求時(shí),誤差范圍可<0.5m[2]。

2 無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)精量灌溉下的數(shù)據(jù)指標(biāo)支持

在執(zhí)行灌溉期間,作物屬于有效分析的對(duì)象,伴隨著天氣的變化和其它因素的影響,土壤中的水分也在持續(xù)變化。因此,在執(zhí)行灌溉時(shí),要依據(jù)對(duì)應(yīng)作物的生長(zhǎng)情況來(lái)決定。如果含水量較為充足,則無(wú)需執(zhí)行灌溉操作,若含水量相對(duì)較低,則可以下達(dá)精量灌溉的指令。

2.1 作物水分信息和無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的聯(lián)系

在判斷是否執(zhí)行灌溉時(shí),觀察作物自身生理變化尤為關(guān)鍵,通過(guò)采用有效的方式可獲得相關(guān)指標(biāo)。例如,在運(yùn)行階段,作物的參數(shù)指標(biāo)可包含徑流、莖水勢(shì)、葉水勢(shì)、氣孔導(dǎo)度等,作物自身的水分情況會(huì)從上述指標(biāo)中得以體現(xiàn)。當(dāng)然,在獲取信息時(shí)上述指標(biāo)不能來(lái)自特定個(gè)體,而是要盡可能選擇平均值,在滿足條件時(shí)還需要結(jié)合作物的空間分布特征、實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的校正等[3]。當(dāng)前,伴隨著精量灌溉理念的提出,更應(yīng)當(dāng)精確分析作物空間的變化特點(diǎn),按照實(shí)際應(yīng)用需求,可借助冠層溫度、植被參數(shù)等數(shù)據(jù)指標(biāo)展開(kāi)分析。

首先,在含水率充足條件下,若是環(huán)境溫度上升,就會(huì)增大氣孔導(dǎo)度,進(jìn)一步提升蒸騰速率提,在此條件下得到的冠層溫度較為穩(wěn)定。其次,如果含水率呈現(xiàn)出不足狀態(tài),那么作物的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均會(huì)降低,此時(shí)的蒸騰降溫能力逐漸削弱,就會(huì)出現(xiàn)冠曾溫度升高的情況[4]。為了合理應(yīng)用這種水分脅迫的情況,在表現(xiàn)出蒸騰速率降低、氣孔開(kāi)度減小、冠層溫度升高的情況外,還會(huì)出現(xiàn)葉子卷曲、葉面積減少的現(xiàn)象。當(dāng)然,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)體組織的保護(hù),作物還會(huì)降低光的吸收,可通過(guò)影響葉綠素濃度、葉黃素循環(huán)等來(lái)加以調(diào)節(jié)。在水分脅迫出現(xiàn)期間,作物的冠層溫度、結(jié)構(gòu)、葉片色素含量會(huì)發(fā)生一定的變化,這也也無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)探測(cè)指引了方向,在有效利用其空間變異性的特征基礎(chǔ)上,可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的感知,并且在應(yīng)用期間可發(fā)揮出變異迅速、細(xì)致感知的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用,在對(duì)作物水分脅迫進(jìn)行診斷期間,要充分結(jié)合作物對(duì)水分脅迫的響應(yīng),主要將其劃分成基于紅外測(cè)溫技術(shù)與基于冠層反射光譜兩種類型。

2.2 作物水分信息無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系的搭建

以精量灌溉為目標(biāo),在分析作物水分脅迫信息感知的基礎(chǔ)上,可展現(xiàn)出無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用潛力。通過(guò)建立無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的作物水分信息感知技術(shù)體系,可為后續(xù)應(yīng)用實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。

在作物水分信息無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)體系中,應(yīng)包含對(duì)圖像信息的采集,明確預(yù)處理過(guò)程,并從溫度指數(shù)、植被指數(shù)方面出發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)水分脅迫的有效感知。在圖像采集、處理模塊中,需要對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集,并完成地理信息匹配工作,保證圖像拼接良好,并通過(guò)有效的校正處理來(lái)確保圖像信息的質(zhì)量。從溫度指數(shù)層面出發(fā),在分析水分脅迫感知的條件下,則通常需要關(guān)注溫度校正冠層溫度提取和脅迫指數(shù)的聯(lián)系,合理搭建兩者的關(guān)系,并依據(jù)分布圖為后續(xù)灌溉操作提供支撐。

2.3 基于植被指數(shù)的作物水分信息無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

通過(guò)結(jié)合紅外測(cè)溫技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作物冠層溫度的監(jiān)測(cè),從而對(duì)作物水分脅迫狀況實(shí)施分析。從作物生理特性角度出發(fā),結(jié)合空間變異性的感知手段,有效測(cè)量出水分脅迫的分布信息圖。結(jié)合具體實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程,可將水分脅迫敏感的指數(shù)劃分成葉黃素、葉綠素以及與冠層結(jié)構(gòu)的相關(guān)指數(shù)。

2.3.1 葉黃素指數(shù)

葉黃素指數(shù)能夠成為作物水分脅迫指標(biāo),可通過(guò)對(duì)其分析了解到當(dāng)前作物的含水量特征。不過(guò),相對(duì)而言,葉黃素指數(shù)會(huì)受到冠層結(jié)構(gòu)、色素含量、時(shí)間尺度等因素的影響。此外,如果在借助地面遙感、無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的背景下,受到多種因素的影響,最終獲得的水分脅迫監(jiān)測(cè)能力會(huì)存在欠缺,可能暴露出測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)、不夠穩(wěn)定的問(wèn)題。例如,在使用地面遙感技術(shù)對(duì)春天小麥的葉黃素指數(shù)水分脅迫進(jìn)行監(jiān)測(cè)期間,要合理評(píng)估其性能,了解到葉黃素指數(shù)會(huì)受到季節(jié)變化、葉面積指數(shù)變化的影響,為了盡可能消除影響,就應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行校正。此外,在追求結(jié)果精確的條件下,還應(yīng)該借助更加精細(xì)的時(shí)間對(duì)其實(shí)施評(píng)估與測(cè)量。在研究期間,從航空尺度層面出發(fā)對(duì)葉黃素指數(shù)進(jìn)行評(píng)估,通過(guò)對(duì)其水分脅迫信息進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解到會(huì)受到多種因素干擾,倡導(dǎo)構(gòu)建起葉黃素指數(shù)體系來(lái)進(jìn)行分析。

2.3.2 葉綠素及冠層結(jié)構(gòu)相關(guān)指數(shù)

在實(shí)踐過(guò)程中,也可以利用葉綠素及冠層結(jié)構(gòu)相關(guān)指數(shù),對(duì)比其和葉黃素相關(guān)指數(shù)的差異,發(fā)現(xiàn)葉綠素及冠層結(jié)構(gòu)相關(guān)指數(shù)適用于窄波段多光譜植被。此外,可以通過(guò)監(jiān)測(cè)植被的生長(zhǎng)信息來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),例如葉綠素含量、葉面積指數(shù)等。在表現(xiàn)為持續(xù)水分脅迫的狀態(tài)下,會(huì)出現(xiàn)葉片卷曲及下垂的情況。如果葉綠素含量降低,也會(huì)導(dǎo)致作物的結(jié)構(gòu)及顏色發(fā)生變化,這也可成為作物水分脅迫的關(guān)鍵視覺(jué)指標(biāo)。在利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)時(shí),在葉片結(jié)構(gòu)、葉綠素含量發(fā)生變化的狀態(tài)下,會(huì)導(dǎo)致特定波段反射率發(fā)生減少或者增加的情況,從而可借助無(wú)人機(jī)窄帶多光譜指數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)作物水分變化的監(jiān)測(cè)。陳建福[5]在開(kāi)展研究期間,就有效利用了無(wú)人機(jī)多光譜系統(tǒng),對(duì)植物水分狀況進(jìn)行了評(píng)估,并通過(guò)觀察其空間變異性特征,明確了歸一化植被指數(shù)與轉(zhuǎn)化葉綠素吸收反射率、優(yōu)化土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)比值、氣孔導(dǎo)度、莖水勢(shì)的關(guān)系。在借助無(wú)人機(jī)技術(shù)時(shí),通過(guò)建立植被指數(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作物水分脅迫情況的監(jiān)測(cè),實(shí)踐過(guò)程中,需要排除其它無(wú)關(guān)因素的干擾,有效降低波動(dòng)帶來(lái)的影響。徐洪剛[6]等在研究無(wú)人機(jī)熱紅外反演土壤含水率時(shí),以不同生育期夏玉米為對(duì)象,借助無(wú)人機(jī)獲取試驗(yàn)區(qū)的可見(jiàn)光和熱紅外圖像,隨后利用可見(jiàn)光圖像來(lái)對(duì)冠層掩膜并疊加在熱紅外圖像上有效提取玉米冠層溫度,從而分析冠層溫度的變化趨勢(shì)及與葉面積指數(shù)(LAI)的相關(guān)性。最后,利用冠氣溫差的相反數(shù)與葉面積指數(shù)構(gòu)建了一個(gè)新指標(biāo),對(duì)冠氣溫差、DTL指標(biāo)反演土壤含水率的準(zhǔn)確性。

2.4 無(wú)人機(jī)遙感綜合診斷實(shí)現(xiàn)“精量”要求

在借助無(wú)人機(jī)實(shí)施精量澆灌期間,需要考慮作業(yè)區(qū)域的地形、天氣等問(wèn)題,從導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等方面出發(fā),對(duì)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),確保其能夠?qū)崿F(xiàn)超低空自動(dòng)跟蹤飛行及控制。在導(dǎo)航系統(tǒng)的加持下,加裝激光對(duì)地測(cè)距儀、差分GPS定位系統(tǒng)等,確保其能夠精確地實(shí)現(xiàn)相對(duì)高度與絕對(duì)高度的精準(zhǔn)測(cè)量,盡可能達(dá)到厘米級(jí)的定位精度[7]。從飛行控制系統(tǒng)方面出發(fā),則需要消除超低空狀態(tài)下的強(qiáng)地效影響,避免其受到紊亂氣流的過(guò)度干擾,確保能夠在線對(duì)逆動(dòng)力學(xué)對(duì)地效影響、對(duì)氣流影響進(jìn)行辨識(shí),然后根據(jù)辨識(shí)結(jié)果計(jì)算獲得的前饋控制量,最終為實(shí)現(xiàn)特定高度下的穩(wěn)定控制奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前,無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在諸多方面得到了廣泛應(yīng)用,在倡導(dǎo)“精量灌溉”的背景下,也可展現(xiàn)出無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)。具體應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中,借助無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)獲取不同區(qū)域的高分辨率圖像,通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)氣象、土壤等數(shù)據(jù)的掌握,了解有關(guān)作物參數(shù)的空間變異特征。結(jié)合本次研究過(guò)程,通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)在精量灌溉中應(yīng)用實(shí)踐的分析,可為后續(xù)實(shí)踐提供參考。