小麥倒伏無人機(jī)航拍災(zāi)害評估技術(shù)研究

鄒英健/中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所

分析了無人機(jī)航拍技術(shù)在小麥倒伏災(zāi)害評估中的獨特優(yōu)勢，提出了基于無人機(jī)航拍技術(shù)的災(zāi)害評估處理方法，并給出了實際應(yīng)用案例。

小麥倒伏災(zāi)害分析

小麥倒伏是在小麥生長發(fā)育中后期，因氣候因素或栽培措施不當(dāng)，造成小麥大面積倒伏，嚴(yán)重影響小麥成熟，造成減產(chǎn)的一種現(xiàn)象。近年來，我國小麥主產(chǎn)區(qū)河南、河北、山東、安徽、江蘇、四川等地，由于受大風(fēng)、暴雨等極端天氣影響，造成小麥大面積倒伏的事件時有發(fā)生給國家和農(nóng)民帶來巨大損失。

小麥倒伏災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)后評估就成為當(dāng)務(wù)之急。災(zāi)后評估包括對受災(zāi)位置、受災(zāi)面積、受災(zāi)程度等方面的評估。由于惡劣天氣引發(fā)小麥大面積倒伏大多發(fā)生在小麥生長發(fā)育中后期，災(zāi)后評估的快速及時就顯得尤為重要。災(zāi)后評估的準(zhǔn)確性、及時性直接影響到：

（1）受災(zāi)損失程度的準(zhǔn)確性；

（2）災(zāi)后生產(chǎn)自救指導(dǎo)措施的合理性；

（3）災(zāi)害理賠的合理性和及時性。

隨著我國農(nóng)業(yè)保險事業(yè)的大力發(fā)展，農(nóng)作物生產(chǎn)參保率大幅提高，災(zāi)后評估也是農(nóng)業(yè)保險業(yè)定損理賠的重要依據(jù)，快速準(zhǔn)確的災(zāi)后評估對快速合理理賠、保障農(nóng)戶利益、維護(hù)社會安定也非常重要。由此可見，災(zāi)后評估在應(yīng)對小麥倒伏災(zāi)害中具有重要作用。

農(nóng)田發(fā)生小麥倒伏情況通常是大范圍、大面積，但具體到倒伏地塊里，并不完全是全部地塊都倒伏，經(jīng)常是塊狀倒伏形狀，有連續(xù)的情況也有不連續(xù)的情況。同時倒伏的程度也不相同。總體上情況復(fù)雜，無規(guī)律可循。在地面上進(jìn)行精確倒伏面積測算十分困難，需要新的技術(shù)手段進(jìn)行精確的倒伏面積測算和程度評估。

圖1 2017年5月25日焦作市修武縣小麥倒伏現(xiàn)場照片

無人機(jī)航拍的優(yōu)點

基于小麥倒伏的受災(zāi)特點，結(jié)合空中遙感的大面積影像獲取能力和精確信息提取的優(yōu)勢，我們提出利用無人機(jī)航拍，進(jìn)行小麥倒伏災(zāi)害評估。原理上講，遙感是在不同的電磁譜段內(nèi)周期性地收集地表信息，研究、識別地球和環(huán)境的重要方法。無人機(jī)作為一種有效的空中遙感平臺，其快速靈活的特點，使無人機(jī)航拍在各種災(zāi)害評估方法中具有獨特優(yōu)勢。

（1）位置準(zhǔn)確

無人機(jī)航拍中，無人機(jī)云臺自帶有位置信息、云臺姿態(tài)信息采集設(shè)備，能夠準(zhǔn)確采集災(zāi)害現(xiàn)場的經(jīng)緯度坐標(biāo)，記錄災(zāi)害現(xiàn)場的準(zhǔn)確位置。

（2）實時獲取

目前，我國無人機(jī)發(fā)展空前活躍，各種大小、各種續(xù)航能力的無人機(jī)比比皆是，使用門檻非常低。只要配置了云臺、相機(jī)和任務(wù)規(guī)劃飛控軟件，在天氣良好的情況下，就可以順利完成災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作。

（3）分辨率高

所采集圖像數(shù)據(jù)地面分辨率可以達(dá)到毫米級，對于識別各種農(nóng)作物及其狀態(tài)毫無障礙。

（4）無損、準(zhǔn)確

相比于實地抽樣、估算受災(zāi)面積，還避免不了踩踏農(nóng)作物的實地勘查法，無人機(jī)航拍只需在地頭放飛無人機(jī)，就可快速全面完成災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作，經(jīng)簡單處理后得到準(zhǔn)確的評估結(jié)果。無人機(jī)航拍評估方法更快速、全面、準(zhǔn)確，還不損壞農(nóng)作物。

災(zāi)害評估處理方法

無人機(jī)航拍小麥倒伏災(zāi)害評估方法，一般包括無人機(jī)準(zhǔn)備、根據(jù)災(zāi)害評估區(qū)域制定飛行方案、無人機(jī)航拍、圖像拼接、識別受損農(nóng)作物、計算受災(zāi)面積、評估受災(zāi)程度、生成上報材料等步驟（見圖2）。

圖2 災(zāi)害評估流程

圖3 航片對齊

圖4 DSM格網(wǎng)

（1）無人機(jī)準(zhǔn)備

檢查無人機(jī)完好狀態(tài)，航拍設(shè)備正常、電池電量，儲存卡可用空間等。

（2）制定飛行計劃

根據(jù)評估區(qū)域設(shè)定飛行區(qū)域，飛行區(qū)域必須完全覆蓋評估區(qū)域；根據(jù)圖像地面分辨率設(shè)定飛行航高，同時注意觀察評估區(qū)域內(nèi)及周邊是否有電力線、高大建筑等，所設(shè)定飛行航高，必須保證飛行安全，必要時可適當(dāng)降低地面分辨率；航向重疊度設(shè)定不小于70%，旁向重疊度設(shè)定不小于50%，如果有微風(fēng)，需要適當(dāng)增大航向重疊度、旁向重疊度的設(shè)定值。

（3）無人機(jī)航拍

無人機(jī)航拍過程中，需注意無人機(jī)電池余量，及時更換電池。

（4）圖像拼接

可用于無人機(jī)圖像拼接的商業(yè)軟件有Agisoft Photoscan、Erdas、Trimble inpho等，其自動化水平都很高，可以很快地完成圖像自動拼接。

以Agisoft Photoscan為例，處理流程包括篩選航片、航片對齊（見圖3）、生成密集點云、生成DSM格網(wǎng)（見圖4）、正射影像輸出等步驟。

（5）災(zāi)害評估影像分析算法

識別小麥倒伏，既可采用人工目視識別的方法，也可以利用算法自動提取。

1）人工目視識別

圖5中，A區(qū)是剛剛種植其他農(nóng)作物的耕地，近乎荒地，很亮；B區(qū)是正常的小麥田塊，亮度偏暗，紋理細(xì)膩，均勻，恰似毛茸茸的地毯；C區(qū)是小麥倒伏的田塊，小麥倒伏之后，葉片的反射面增大，反射太陽光的能力增強(qiáng)，所以比正常小麥明顯變亮；同時，小麥倒伏情形多種多樣，有全倒，有半倒，有這個方向倒，有那個方向倒，有連片倒，有小范圍倒，因此，小麥倒伏的田塊不但亮，還粗糙，顆粒變化大，明顯有別于正常小麥。

2）自動提取

自動提取的算法有很多。由于我們無人機(jī)航拍圖像只有紅綠藍(lán)三波段，就采用了圖6所示自動提取流程。

由于小麥倒伏區(qū)域有陰影邊界，陰影邊界也屬于倒伏面積，只是亮度明顯變低，小麥倒伏區(qū)域和陰影邊界需要分別提取。圖7是以圖5為原始圖像的提取結(jié)果（白色部分小麥倒伏）；圖8是提取結(jié)果矢量化后（紅色）與原始圖像的疊加。

由圖8提取結(jié)果矢量化后與原始圖像的疊加可以看出，絕大多數(shù)提取結(jié)果與人工目視識別相吻合，只是在非小麥區(qū)域有零星錯誤提取現(xiàn)象，需要人工干預(yù)。

（6）計算受災(zāi)面積和生成上報材料

根據(jù)委托人的要求格式，計算受災(zāi)面積，生成上報材料。

實例應(yīng)用分析

2017年5月22日16時至19時，河南西部、北部出現(xiàn)降水天氣過程，局地伴有雷暴大風(fēng)、短時強(qiáng)降水等強(qiáng)對流天氣，多個地方出現(xiàn)小麥大面積倒伏報案。位于河南西北部的焦作市，所轄各縣發(fā)生了不同程度的小麥倒伏（稱為“5.22暴雨大風(fēng)災(zāi)害”），其中以修武縣、溫縣尤甚。由于正值小麥灌漿、成熟期，倒伏將對產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響。2017年5月25日-26日，對焦作各地實施無人機(jī)航拍工作，對小麥倒伏進(jìn)行了受災(zāi)面積評估。共獲取無人機(jī)原始航片2000多張，制作無人機(jī)影像圖23幅，覆蓋實地6km2。

圖5 不同狀態(tài)小麥對比

圖6 自動提取流程圖

圖7 倒伏小麥提取結(jié)果

圖8 提取結(jié)果矢量化

圖9 某一地塊受災(zāi)面積評估結(jié)果

圖9所示是某一地塊的受災(zāi)面積評估結(jié)果，地塊總面積161.48畝（邊線為黑色線條），嚴(yán)重倒伏面積82.50畝（邊線為紅色線條），輕度倒伏面積20.55畝（邊線為棕色線條，位于圖中心）。

經(jīng)抽樣方法的實地測量檢驗表明，無人機(jī)航拍對小麥倒伏災(zāi)害評估的準(zhǔn)確度在90%以上，其評估結(jié)果得到了農(nóng)戶、保險公司和政府三方的一致認(rèn)同。6月初是夏收時間，小麥?zhǔn)崭钤诩矗毙枰宰罡叩男省⒆罹珳?zhǔn)的手段核定農(nóng)戶的損失。無人機(jī)航拍的應(yīng)用，解決了快速、準(zhǔn)確核定農(nóng)戶損失的問題，避免了不必要的經(jīng)濟(jì)糾紛，保障了農(nóng)戶和國家的合法權(quán)益，維護(hù)了社會安定。

結(jié)束語

通過無人機(jī)航拍小麥倒伏災(zāi)害評估實驗，可以得出以下結(jié)論：

（1）對于小麥倒伏災(zāi)害評估，利用無人機(jī)航拍方式進(jìn)行，在技術(shù)上是可行的，在實踐中是有效的。

利用無人機(jī)航拍對小麥倒伏面積進(jìn)行評估，實現(xiàn)了評估過程對農(nóng)作物的零損害，評估形式和評估結(jié)果得到了委托雙方的充分認(rèn)可，都認(rèn)為評估過程快速、全面，直觀，評估結(jié)果可信度高。

（2）評估方法簡單易行，便于推廣應(yīng)用。

無人機(jī)航拍技術(shù)已經(jīng)成熟，在農(nóng)田上進(jìn)行無人機(jī)航拍方法簡單方便，容易掌握，評估技術(shù)經(jīng)過前期的技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)形成流程化處理，可在很多地方進(jìn)行推廣應(yīng)用。

（3）無人機(jī)航拍最好增加近紅外波段。

為了計劃一步提升評估的準(zhǔn)確性，在識別農(nóng)作物種類、生長狀態(tài)方面，近紅外波段具有獨特的優(yōu)勢。可增加近紅外波段以進(jìn)一步提高農(nóng)作物受災(zāi)面積識別精準(zhǔn)度的提高。