無人機低空遙感技術在甘蔗節水灌溉領域的應用

莫彩娜 張遠青

【摘 要】無人機作為空中遙感平臺的微型遙感技術，其特點是以無人機為載體，通過遙感傳感器獲取相關信息，再通過計算機對收集到的影像信息進行處理，然后按照要求的精度制作成圖像。在甘蔗的節水灌溉方面，無人機低空遙感技術可以有效評估甘蔗定位，然后根據土壤的溫度、濕度需要，合理地指導灌溉。無人機技術完好地契合了其觀測和地域尺度的需求，通過數據變化，為甘蔗的管理利用提供了準確的信息支持，可以根據甘蔗的分布和成長趨勢，合理安排水肥施放。灌溉管理是甘蔗種植過程中最基本的問題，提高灌溉效率、保障甘蔗生長及節約用水等是首要考慮的基本準則。

【關鍵詞】無人機;遙感;甘蔗;灌溉;應用

【中圖分類號】P237 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）03-0061-04

0 引言

食糖是人們日常生活的必需品，是食品加工行業的重要原料。食糖與我們的日常生活息息相關，我國食糖消費持續增長。隨著我國的經濟發展和人們生活水平的提高，預計食糖消費將保持增長態勢。糖料蔗是食糖的重要來源之一，因此建設糖料蔗生產基地，發展糖料蔗生產對保障我國食糖產業安全有重要作用。一是增強糖料蔗供給能力，穩定我國糖料蔗供應水平，有利于提高國內蔗糖生產水平，確保食糖的有效供給，避免市場價格大起大落。二是有利于解決制約食糖生產的瓶頸問題，提升產業競爭力，應對國際市場挑戰，推動食糖產業持續健康發展。三是有利于提高蔗農的收入水平，促進區域縣域經濟發展。

廣西和云南作為甘蔗主產地，由于甘蔗單產提高的難度日益增大，全程機械化推進緩慢，高產栽培技術普及率低，人工成本增長加快，使得糖料蔗種植收益連年下滑，極大地影響了農民種蔗積極性，危及我國食糖戰略安全。基于上述嚴重問題，根據黨的十八大、十八屆三中全會精神、中央一號文件的指示精神，國務院有關部門聯合編制了《糖料蔗主產區生產發展規劃（2015～2020年）》，將廣西和云南兩省打造成為我國糖料蔗核心種植區，主要是為了解決制約甘蔗生產過程中遇到的突出問題，提高我國的糖料蔗總體種植、生產水平，擴大糖料蔗經營的規?；?、提高甘蔗的種植良種化、推廣甘蔗的生產機械化、實現水利現代化，同時也為了降低糖料蔗的人工生產成本，提高蔗農的經濟收入。

糖料蔗的一個榨季生長期長達一年，在全年降水量時空差異明顯、糖料蔗生長后期蔗地封行郁閉的情況下，保障合理、適宜的水分灌溉和養分供應是糖料蔗達到高產優質的基本保證。采用水肥藥一體化技術不但滿足甘蔗生長期對水分、養分的需求，并且可以規避人工進入蔗地追肥、噴灑農藥等的操作難度，達到水肥藥的適時適量的高效利用。目前，有關甘蔗水肥藥一體化技術的研究報道不多，而且由于甘蔗品系、地區氣候、土壤等差異，其水肥藥一體的配比參數也會有所差異，因此研究蔗區的滴灌水肥藥耦合的一體供應模式十分必要。此外，作物生長模擬模型由于可以提高農業生產、危險性評估和可持續生產等方面的研究效率，正日益受到關注。目前，以甘蔗生長模型為核心模擬區域化甘蔗生產過程，制訂甘蔗生產精準化管理模式進而構建甘蔗生產管理決策支持系統，已經成為當前糖料蔗產業可持續發展的重要支撐。

甘蔗長勢受多種因素影響，例如干旱、病蟲害、災害、養分等，衛星遙感和無人機遙感均可監測甘蔗長勢，但是無人機遙感在精度及實時性方面更勝一籌。無人機遙感可以監測作物及土壤信息，同時還可以利用無人機結合GPS定點實施農藝措施。無人機在丘陵山區的病蟲害防治、精準施藥中具有不可替代的作用，推動無人機精準施藥、施肥和灌溉技術的發展和應用，可以滿足高效、節水、環保的農業植保要求。

將傳統試驗研究、遙感技術及數學模型算法相結合：一方面，基于傳統試驗方法，通過試驗分析糖料蔗不同生育期水肥藥的最佳施用時間和施用量，研究水肥藥耦合對糖料蔗的主要生理生態過程（主要涉及根系生長與形態和時空發展格局、蔗葉片光合特性、碳同化和干物質積累、水分與養分利用效率、土壤養分時空變化等）及對糖料蔗產量品質的影響，探討糖料蔗水肥藥的最佳耦合點，提高水資源、肥料和農藥的利用效益，為糖料蔗水肥藥一體化精準灌溉提供技術支撐;另一方面，通過無人機采集到的高光譜信號，高效獲取糖料蔗多波段的光譜影像信息，精確解析糖料蔗葉面積指數、氮含量、生物量等生理生化指標，準確、實時地獲取糖料蔗的水分和品質狀態，為大面積實施糖料蔗的水肥藥管理提供新的管理手段。兩個方面的研究成果有機結合，實現糖料蔗的穩產高產和水肥藥資源的高效利用。

針對甘蔗成長過程中出現的關鍵共性問題，集成已有的移動互聯網技術、無人機為載體的低空遙感技術和水肥藥一體化智能控制技術，結合甘蔗不同生長時期所需水肥養分，依據環境條件、土壤條件和種植制度等的差異，精確地采集溫度、濕度、光照等環境信息，將采集的數據進行分析后，進行全自動監控灌溉、施肥、噴藥等一系列操作，實現灌溉水、肥、藥管理精準化、供給自動化、設施標準化。即：精準定位灌溉、施肥、施藥等;精準地確定用水、用肥、殺蟲劑及種子等的施用量;精準地確定農作物生長期間各種農藝措施實施的具體時間。實現耕地資源的合理高效利用和農業現代化精準管理，優化我國甘蔗節水灌溉決策模型，建立實時反饋的甘蔗水肥藥一體的智慧化、精準化控制系統。

1 低空遙感信息解譯方法及工作流程圖

集成應用移動互聯網技術、無線通信技術，依托各種傳感節點和無線通信網絡實現甘蔗生產環境參數的及時采集、傳輸和分析，進行全自動監控灌溉、施肥、噴藥等一系列操作，實現甘蔗種植可視化遠程診斷、遠程控制、實時預警等功能。形成甘蔗水肥藥一體智慧化、精準化控制技術模式。具體圍繞以下方面探討：不同水肥藥配置下蔗地土壤理化、生物學性質變化與土壤水和養分有效性的變化規律，分析土壤水分、養分轉化與作物生長、吸收規律之間的協同效應;不同水肥藥配置下糖料蔗生長發育、生理生化、農藝性狀與產量品質的變化規律、糖料蔗根系發育特征、水肥利用效率及環境生態效應;不同水肥藥配置下糖料蔗水分、養分吸收轉運、光合特性及其碳同化效率，對比分析不同水肥藥條件下糖料蔗主要生理生態指標的響應機理;分析水肥藥一體化條件下糖料蔗不同生育期的需水、需肥及病蟲害防控規律，探索廣西乃至我國南方旱坡地糖料蔗生產管理的水肥藥資源最佳配置，構建水肥藥一體化條件下糖料蔗生長模式。探討不同水肥藥配置條件下糖料蔗生長發育的生理生化指標、營養狀況和農藝性狀與光譜遙感特征的對應關系，探明在水肥藥優化條件下，糖料蔗光譜遙感特性表征的內在機制。

首先，利用無人機或無人飛艇搭載相關設備，獲取糖料蔗不同種植年份、不同生育期關鍵期、不同水肥條件下的作物遙感影像信息。其次，利用低空遙感準確估算蒸散發模型參數。針對本地區糖料蔗生理特點，通過田間水均衡、田間養分、地面作物生理指標監測，研究確定試驗區糖料蔗耗水耗肥規律及生理指標與糖料蔗耗水耗肥的定量關系;建立作物生理指標與蒸散發模型參數的函數關系;利用低空遙感觀測繁衍的作物生理指標，估算區域糖料蔗耗水耗肥量時空分布;針對不同模型計算結果，探索不同模型結果融合方法，獲取準確的糖料蔗耗水耗肥量時空分布。從地空遙感得到的圖像中識別和提取大面積甘蔗生長特征參數，形成甘蔗種植低空遙感信息解譯方法及技術規程，通過解析糖料蔗的光譜影像信息，建立光譜影像信息與糖料蔗的生理生化指標的對應關系，精確解譯糖料蔗葉面積指數、冠層溫度、水分消耗量、養分含量、生物量等主要生理生態指標。

無人機遙感技術可以真實、準確、隨時隨地地提供甘蔗生態環境和生長所需要的各種有效信息，可以幫助種植戶獲得精準的田間數據，從而根據這些田間數據采取對應的措施。無人機遙感技術在糖料蔗的種植過程中的應用主要有以下幾個方面。

1.1 無人機遙感技術可以精確地監測和估算糖料蔗的實際種植面積

我國的耕地資源十分有限，如何利用有限的耕地資源創造出更加高產的農作物已經成為農業可持續發展的一個很重要的戰略任務。無人機遙感技術具有信息量大、覆蓋率廣、精確率高、效率快，以及節約人工成本、不費時、不費力等優點，被越來越多地用于測定農作物種植用地的數量和面積的動態變化。因此，通過遙感技術實時監測甘蔗的覆蓋面積和生長情況，可以達到合理安排水肥施放的目的。

1.2 無人機遙感技術可以實時監測甘蔗的生態環境

利用無人機遙感技術可以實時監測甘蔗種植地的土壤被侵蝕程度及鹽堿化面積，同時還可以對土壤的干濕程度等甘蔗成長過程中的生態環境進行隨時隨地監測，這些反饋回來的田間真實數據可以為種植戶采取相應的農藝措施提供科學依據。除此以外，遙感技術還可以監測、辨別甘蔗的病蟲害情況，種植戶可以根據數據判斷何時采取施藥殺蟲及用藥量，這樣可以有效地減少甘蔗病蟲害的危害程度，節約成本，提高甘蔗的經濟效益。

1.3 無人機遙感技術可以監測甘蔗自然災害

利用無人機遙感技術對各種自然災害進行實時監測災害發生的具體時間、發展程度、災情程度、損失程度等，并根據反饋的數據對災情進行有效的評估，這樣可以極大地減輕自然災害給種植戶帶來的經濟損失。

氣候的變化與糖料蔗的生長息息相關，無人機遙感技術可以實時監測和有效評估甘蔗受自然災害的影響程度，甘蔗受旱災或者澇災影響的面積。災害發生后，根據監測的數據可以對甘蔗的損失進行科學、有效的評估，然后種植戶可以針對具體受災情況，采取相應的抗災措施，例如可以對缺失的種植地采取補種，對旱地進行澆水，對生長速度慢的面積采取局部施肥，對積水嚴重的田間地塊采取排水等抗災措施。

1.4 利用遙感技術預報作物長勢與產量

利用遙感技術收集到的大量氣候、土壤和甘蔗特性等資料，能夠反映甘蔗的生長和發育的基本生理、生態，并根據甘蔗的長勢預估甘蔗的產量。根據客觀規律，從而有針對性地為指導糖料蔗的科學種植提供依據，提高土地資源可持續發展、利用的效率。系統工作原理圖如圖1所示。

2 甘蔗水肥藥一體化智能灌溉系統的技術路線

通過在甘蔗種植基地試驗固定式噴灌、移動式噴灌、地埋式滴灌、微潤灌等不同灌溉模式，找出最適合甘蔗種植的灌溉模式。

（1）確定灌溉制度，包括灌水量的確定、灌水周期的確定、灌水時間的確定等。

（2）對灌水小區和各級管道進行合理布局，綜合考慮水源供水能力、人工操作的方便性、灌溉均勻度控制和管網運行的合理性等因素，根據甘蔗種植區內的地形情況，以田間地形高差、道路與水溝等為界線進行輪灌和肥料施用。

（3）進行輪灌區劃分、系統水力計算，給出流量、壓力需求。

（4）水肥藥一體化智能灌溉系統總體設計。主要分為首部系統、施肥系統、田間控制終端、田間滴灌系統等子系統設計。

（5）技術路線圖如圖2所示。

3 無人機在甘蔗節水灌溉領域的技術關鍵

（1）充分利用無人機低空遙感技術手段，綜合地質、水文、環境等資料，在研究工作區土壤、水文、作物等各要素的遙感光譜特征基礎上，配合適當的野外查證，建立遙感色彩、形狀、影紋、地形地貌等解譯標志。

（2）構建糖料蔗的光譜影像解譯方法及技術規程。在確定最佳監測波段的基礎上，構建科學合理、簡便高效的光譜影像解譯方法及技術規程是準確獲取糖料蔗生長過程中最具價值作物信息的關鍵。

（3）利用多期影像進行對比研究、綜合處理和數據統計，獲得光譜信息后，經過解譯，與糖料蔗的各項生理生化指標建立對應關系，以便快速、準確地進行甘蔗種植區域調查，為甘蔗施肥、節水灌溉等提供依據。

（4）通過對土壤墑情、土壤濕度、降水蒸發、水資源供給、作物的需水及需肥規律等采集到的信息綜合分析處理，建立以肥、水、甘蔗產量及品質為核心的耦合模型和技術，生成甘蔗高效節本灌溉種植制度。

（5）光譜影像信息與糖料蔗生理生化指標的對應關系。獲得光譜信息后，經過解譯，如何與糖料蔗的各項生理生化指標建立對應關系是制約高光譜推廣應用的一個重要因素，建立關系的方法眾多，合理選擇及建立模型是關鍵。

4 無人機在甘蔗節水灌溉領域的創新點

（1）根據集成無人機遙感和北斗衛星導航等高科技技術，建立一種高性能、經濟型的小型專用遙感系統，應用于甘蔗種植。從地空遙感技術得到的遙感圖像中識別和提取甘蔗生長信息，依托無人機獲取糖料蔗不同生育期、不同水肥條件下的高光譜信號，并通過構建光譜影像解譯方法及技術規程，將其與糖料蔗的生理指標、土壤水分和養分狀態相結合，實時、高效地獲取糖料蔗的生長狀況，指導建立甘蔗水肥藥一體化智能灌溉系統。

（2）創新低空遙感信息解譯分析方法。低空遙感數據是低空遙感解譯必需的基礎數據源。為了最大限度地利用低空遙感數據提取農業等相關信息，創新最佳波段和最佳波段組合的選取。系統地了解掌握各類遙感數據的基本技術參數、植被特征，詳細地掌握時間、季節、成像儀器、波段、經緯度、太陽高度角等技術參數，為合理選擇新的低空遙感數據源、數據源組合及遙感信息處理方案提供依據。

（3）通過對比分析不同水肥藥條件下糖料蔗主要生理、生態、指標的響應機理，得出水肥藥一體化條件下糖料蔗不同生育期的需水、需肥及病蟲害防控規律，并構建糖料蔗生長模型，對指導糖料蔗種植具有重要意義。

5 結論

施用化肥、噴灑農藥會對環境造成一定的影響，將無人機低空遙感技術和作物生長模型構建技術集成應用到糖料蔗基地建設，研究甘蔗種植水肥藥一體自動化智能控制系統，優化我國甘蔗節水灌溉決策模型，形成水肥藥一體的智慧化、精準化技術規程和灌溉模式。通過預測預警、統防統制，同時根據甘蔗的成長情況進行精準地施肥、施藥，這樣可以有效提高糖料蔗的抗蟲害能力，有效減少農藥、殺蟲劑的使用數量，降低用藥對生態環境的影響。

把無人機、遙感及北斗（或GPS）導航定位等技術應用于甘蔗節水灌溉中，研究需水需肥規律，建立相應的灌溉制度，形成相對完整的現代農業自動控制灌溉施肥綜合技術，不僅達到提高甘蔗高產高量的目的，極大地改善農業生產條件，大幅度提高勞動生產率，還可以有效地促進甘蔗灌溉節水的健康快速發展，緩解水資源緊缺局面，改善農業生產條件、改善生態環境，加快我國農業結構調整，對促進我國生態農業的快速發展具有重要的意義。

參 考 文 獻

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[3]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（5）.

[責任編輯：鐘聲賢]