基于無人機遙感的煙田監測技術應用現狀

陳金 劉品超 黃國強 劉琦 李智勇 凌明

摘要 中國烤煙面積和產量居世界第一，作為一種特殊的經濟作物，烤煙在國民經濟中占有特殊的地位。隨著科學技術的快速發展，無人機遙感技術應用的領域越來越廣泛，因其具有影像分辨率高、機動靈活、成本低、實時等特點，將其應用于煙田監測可大幅度提高煙草行業現代化水平，促進煙草行業可持續發展。本文闡述了無人機遙感技術在煙草種植面積估測、煙草長勢監測以及煙草病蟲害及估產監測的應用狀況，分析了無人機遙感技術存在的缺陷以及在煙田監測中應解決的問題，為改變我國傳統的煙田監測技術以及無人機遙感技術在煙田監測中的應用提供參考。

關鍵詞 無人機；遙感技術；煙田監測；應用

中圖分類號 TP79 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）04-0211-02

Abstract Chinese tobacco areas and outputs rank the first in the world.As a kind of special economic crop，tobacco occupies a special position in the national economy. With the rapid development of science and technology，the application field of UAV remote sensing techniques is becoming more and more widely because of its characteristics such as high image resolution，flexible，low cost，real time and so on. The application of tobacco field monitoring by UAV remote sensing can substantially improve the modernization and promote sustainable development of the tobacco industry.This paper expounded the UAV remote sensing technology for tobacco planting area estimation，tobacco growth monitoring，yield estimation and tobacco diseases and pests monitoring. The problems that should be solved in the field monitoring of UAV remote sensing technology were analyzed，so as to provide a basis for changing the traditional monitoring technology of tobacco field and for better application of remote sensing technology in the monitoring of tobacco field.

Key words UAV；remote sensing technology；tobacco field monitoring；application

無人機遙感通過利用遙感傳感器技術、遙測遙控技術、遙感應用技術、通訊技術、GPS差分定位技術和無人駕駛飛行器技術，實現智能化、自動化、專用化快速獲取地震災區、自然環境、國土資源等空間遙感信息，同時完成數據處理、建模和應用分析的應用技術，具有快速、機動、經濟等優勢。無人機具有機體重量輕、結構強度高、使用和采購成本低、維護方便及硬件方面兼容性高等特點，由研究開發逐步發展至實際應用，目前廣泛應用于各個領域，主要包括環境監測與治理、資源管理、城市管理、洪澇防治、災后救援、災情評估等方面[1-2]。

我國是煙草種植大國，在計算種植面積、觀察監測煙田煙草的生長長勢以及對煙草病蟲害監測等方面均采用耗時、耗力、成本高的傳統方法。無人機遙感監測技術是高效的煙草種植管理手段，利用其信息化的特點將煙田的種植面積、煙草生理數據傳輸到計算機上進行分析，為決策者提供實時、有效、精確的數據，有利于顯著提高農業現代化水平，促進現代農業可持續發展。因此，無人機遙感在煙田監測方面具有較大的應用價值，為煙田管理的新趨勢。

1 無人機遙感技術在煙田監測的應用

1.1 煙草種植面積估測

長期以來，煙草種植面是國家宏觀管理和決策的重要經濟信息，煙草種植面積的估測有助于掌握煙草種植情況、監管煙農種煙規模，同時對煙草的產量和供應量有明晰的掌控，對控制規模、穩定產量也有重要意義。傳統的煙葉種植面積監管方法為利用衛星定位技術定位煙田地理坐標，進而通過丈量進行種植面積的計算，存在耗時、耗力、成本高等缺點，且只能進行局部抽查，無法獲取精確的種植面積數據。隨著無人機遙感技術的快速發展，利用無人機搭載的可見光照相機可獲得清晰的煙田影像，分辨率優于10 cm，通過制作1∶1 000專題圖產品，根據煙田的獨有特征，結合衛星遙感影像，通過特征識別與影像分割技術，自動識別并分割出煙田輪廓，必要時進行人工調整，形成煙田輪廓專題影像圖，即可以獲得適合面積估測的高時空分辨率影像。通過對遙感影像進行數字化分析，可以準確地量算地塊面積。截至目前，已有諸多國內外學者對無人機遙感技術對于煙田的應用進行了研究，如彭光雄等[2]利用美國的Landsat TM影像對瀘西縣烤煙面積遙感監測最佳時相的選擇；吳孟泉等[3]利用TM和SPOT-5 2種遙感影像融合提取復雜山區煙草種植面積。通過一系列研究表明，無人機遙感系統在實現節約成本的同時，不失其準確性，使用無人機系統可以有效地估測地塊面積。

1.2 煙草長勢監測

煙草是一種葉用經濟作物，長勢的好壞直接影響了煙草的產量。大面積煙草長勢遙感監測的基本方法是利用覆蓋面積大、周期短的遙感衛星影像，對地面煙草吸收的光譜信息和地面實際情況進行分析，結合常規的方法和資料，建立煙草監測模式，用以監測煙草長勢，發布苗情監測通報，以指導生產。利用無人機的高光譜成像技術在不同尺度上的農作物長勢監測、農田環境參數獲取、農學參數反演等方面已經有了較為廣泛的應用，從高光譜影像上提取的地物光譜精度基本滿足要求，同時其成像特點為各項農作物長勢指標空間分布的定量化、可視化表達提供了巨大的優勢。Xiang等[4]開發了低成本農業自主無人機遙感系統，用于獲取高時空分辨率圖像監測草坪施用草甘膦后的生長變化。Schmidt等[5]基于多時段高分辨率的成像技術，建立評估模型和診斷模型對作物生長狀況進行監測。綜上可知，利用無人機遙感技術可以反應并預測煙草的生長狀況。

1.3 煙草病蟲害及產量監測

煙草估產對穩定煙草市場、提前預防產量下降等方面具有重要作用。目前，煙草估產工作多采用數株、看長勢、問煙農、估產量、聽匯報等方式完成，易受到人為因素的干擾，難以給出定量化的結果。已有研究表明，無人機在農田上空精確抽樣，通過高光譜圖像分析，能夠宏觀、微觀地分析作物病蟲草害[6]。通過衛星及無人機搭載的高光譜成像儀，制作病蟲害和估產專題圖，根據煙草所特有的光譜特征，評估長勢，預估煙草產量，并在煙草病蟲害爆發的初始時期及時判別，防止大規模災害的發生。

2 存在的問題

無人機遙感作為一種新型的農作物監測手段，具有機動性強、抗干擾能強、起降簡單、監控區域受制限小、工作效率高等優點[7]，可有效避免衛星遙感和載人航空遙感的缺陷，在農業領域具有較大的應用潛力。我國無人機遙感技術起步較晚，在農業上的應用較少且應用時間較短[8]，目前無人機遙感技術在煙田監測中應用仍存在以下3個問題。

2.1 傳感器無法滿足系統需求

我國無人機技術起步交晚，發展尚未成熟，大部分傳統的傳感器無法滿足系統需求[8]。如目前無人機遙感中使用的傳感器多為普通數碼相機或寬波段的多光譜相機，高光譜傳感器使用較少，獲取的影像光譜分辨率低，農作物長勢的細微變化在圖像上難以得到體現。

2.2 機身穩定性低

由于無人機質量輕、體積小、機身穩定性低，易受惡劣天氣、風速等因素的影響，導致獲取的影像存在像幅較小、傾角過大、傾斜方向不規律以及飛行高程變化明顯等問題，影響影像精度，需進行幾何校正。

2.3 重返時間長、時效性差

農作物生長發育較快，生產需求變化快，而監測通常需要獲取指定時間段的影像。高分辨率資源衛星的遙感數據重返時間長、時效性差，因而無法在短時間內獲得指定范圍的數據。

3 結語

目前，我國傳感器技術迅猛發展，使國產無人機具有實時監測能力[9]。現階段無人機遙感研究的工作重點為提高無人機自身穩定性、飛行穩定性以及抗風險能力，通過科學規劃作業流程以獲得更高精度影像。隨著科學技術的進步，無人機遙感技術將為煙草行業現代化水平的提高提供一個更好的平臺。

4 參考文獻

[1] 晏磊，呂書強，趙紅穎，等.無人機航空遙感系統關鍵技術研究[J].武漢大學學報（工學版），2004，37（6）：67-70.

[2] 彭光雄，沈蔚藍，郭繼發.瀘西縣烤煙面積遙感監測最佳時相的選擇研究[J].山地學報，2009，27（3）：281-287.

[3] 吳孟泉，崔青春，張麗，等.復雜山區煙草種植遙感監測及信息提取方法研究[J].遙感技術與應用，2008，23（3）：305-309.

[4] XIANG H，TIAN L.Development of a low-cost agricultural remote sensi-ngsystem based on an autonomous unmanned aerial vehicle（UAV）[J].Biosystems Engineering，2011，108（2）：174-190.

[5] SCHMIDT D F，BOTWINICK J.UAV-based imaging for multi-temporal，very high resolution crop surface models to monitor crop growth variabili-ty[J].Photogrammetrie-Fernerkundung-Geoinformation，2013，6（6）：551-562.

[6] III D G S，DINGUS B R，REINHOLTZ C.Development and application of an autonomous unmanned aerial vehicle for precise aerobiological sampling above agricultural fields[J].Journal of Field Robotics，2008，25（3）：133-147.

[7] 孫杰，林宗堅.無人機低空遙感監測系統[J].遙感信息，2003（1）：49-50.

[8] 謝濤，劉銳，胡秋紅，等.基于無人機遙感技術的環境監測研究進展[J].環境科技，2013，26（4）：55-60.

[9] 李德仁，李明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報（信息科學版），2014，39（5）：505-513.