無人機低空遙感在作物育種中的應用研究進展

姚立民，李 明,2,4，謝景鑫，孫 霞

（1.山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049；2.湖南省農業裝備研究所，湖南 長沙 410125；3.湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；4.湖南省農用航空先進技術工程技術研究中心，湖南 長沙 410400）

育種研究可以培育出品質優良、抗逆性好以及產量高的作物品種，對于保障我國糧食安全以及維護社會穩定具有重要的意義[1-3]。雜交水稻的成功培育促進了我國糧食產業的發展以及經濟的快速增長。歷史經驗表明，作物育種上的突破很可能會給農業生產帶來極大的提升[4]。

信息采集是選育新品種必不可少的一環。傳統的信息采集主要依靠科研人員田間取樣調查獲得，不僅費時、費力、效率低下，而且還存在主觀性強、誤差大等缺點[5]。隨著科學技術的快速發展，應用到農業生產中的新興技術越來越多。近年來，無人機低空遙感技術已成為農業研究領域的熱點內容[6-7]?；诖耍P者介紹了無人機低空遙感系統的組成及主要特征，闡述了國內外無人機遙感技術在不同作物育種信息監測上的研究進展，總結了無人機低空遙感在作物育種研究上存在的問題，并提出了相應的解決對策。

1 無人機低空遙感系統的組成及主要特征

1.1 無人機低空遙感系統的組成及原理

圖1 無人機低空遙感系統

如圖1 所示，無人機低空遙感系統是以無人駕駛飛機（UAV）為平臺，通過搭載各類高分辨率遙感傳感器設備，快速實時地獲取高分辨率遙感影像數據的監測系統[6]；主要由導航定位系統、搭載遙感影像設備的無人機遙感平臺、地面控制系統、移動地面站、數據管理中心和數據處理中心等部分組成。目前，市面上的無人機遙感平臺種類眾多，根據旋翼特征可以分為固定翼無人機、單旋翼無人機和多旋翼無人機等機型[8]。相對于其他類型無人機來講，多旋翼無人機飛行速度和高度更加容易控制，便于低空作業，起飛時對場地的要求小，并且便于搭載各類遙感傳感器，因此更適合于大面積的田間作物育種信息監測[9]。受無人機飛行平臺限制，所搭載的高分辨率遙感傳感器通常具備體積小、重量輕、精度高和便于控制等特點，常見的遙感傳感器有高清數碼相機、多光譜相機、高光譜相機、熱成像儀和激光雷達等[10]。

1.2 無人機低空遙感的主要特征

無人機低空遙感相對于地面遙感，具有高通量、高定位精度和高效率的特點；相對于衛星遙感，無人機低空遙感影像分辨率更高，操作靈活方便，可以在田間隨時使用[11]，有利于小區作業。在采集作物育種信息時，無人機低空遙感技術具有監測范圍廣、使用成本低、采集效率高、省時省力且不會對作物造成損壞的特點，能夠大大降低人工采集所帶來的誤差[5]。

1.2.1 高分辨率 無人機低空遙感系統獲取的高分辨率遙感影像，空間分辨率可以達到厘米級，相對于衛星遙感在分辨率上具有無可比擬的優勢，這意味著研究人員可以提取更加微觀的作物生長信息，例如作物株數、作物高度以及在小區范圍內的各種植被指數等，有利于深度挖掘作物表型信息，從而監測許多人工調查才能提取到的作物信息。

1.2.2 高通量 快速高效地獲取大范圍的作物表型信息對于育種工作來說至關重要。無人機低空遙感有著在高時間分辨率下獲取多個育種試驗區作物表型的能力，有效節省作物育種表型信息采集的時間，解決傳統人工育種調查效率低下和時效性差的問題。

1.2.3 機動靈活 育種田內往往情況復雜，沒有專門的起降場地。無人機體積重量均較小，例如大疆精靈4 的重量只有1.4 kg，即便是搭載多光譜相機或者是高光譜相機的多旋翼無人機重量也只有10 kg 左右，體積較小、運輸方便，可以在各種復雜的田間地頭完成起飛降落。同時，無人機飛行控制系統已經發展多年，趨于成熟完善，使得無人機操控靈活簡便，降低了學習和使用成本，有利于育種科研人員開展作業。

1.2.4 重訪周期短 育種信息調查工作往往需要在一定時間內獲得作物的指定生長信息，有時甚至需要連續采集多個信息。衛星遙感受限于其系統本身特性以及天氣原因，重訪周期一般要2～3 d，甚至更久。無人機低空遙感系統對天氣的依賴性較小，機動能力強，可以迅速開展作業，對同一片區域可以連續進行多次拍攝，對于時間要求較高的作業任務如作物病情監測等有著很大的幫助。

1.2.5 使用成本低 傳統遙感手段價格昂貴，學習成本高，一般團體很難去實際使用。近年來，無人機發展迅猛，性能優越、體積小巧且搭載可見光相機的無人機成本越來越低，有的甚至不足萬元，這都極大便于無人機遙感系統的推廣應用，對于育種科研團隊來說，這筆費用更容易被接受。

2 無人機低空遙感在作物育種中的應用進展

在一些發達國家，無人機低空遙感技術已經廣泛用于農業生產中，涵蓋了病蟲害監測、精準施水肥藥、作物育種等方面，極大促進了農業的發展，提高了農作物種植管理的水平[12]。我國在這方面起步較晚，無人機低空遙感在作物育種信息監測上仍處于研究階段，實際應用較少。

基于無人機低空遙感的育種信息采集可以更加深度的剖析作物的遺傳性狀[13]，觀測到人眼難以發現的信息，挖掘作物生長的潛在特性。因此，無人機低空遙感技術越來越多地被應用到作物育種領域，用于快速獲取育種信息，提高育種研究效率。將育種信息化技術化是未來發展的方向[14]。

2.1 應用作物

精確提取作物生物量、株高、葉面積指數（LAI）、抗逆性和產量等信息在育種工作中十分重要[15]，不同的作物類型在育種信息采集過程中使用的提取手段有所不同。目前，國內針對于育種方面的無人機遙感研究較少，已有的研究只是在個別農作物上，例如玉米、大豆和小麥等。

2.1.1 玉 米 目前，我國無人機低空遙感在玉米育種上的研究報道相對較多。張琪等[16]利用無人機高通量獲取玉米表型信息，提取了株高、植被覆蓋度等一系列信息，然后進行了LAI 的反演研究。蘇偉等[17]利用無人機遙感影像的超綠特征提取田間玉米的壟數，拔節期玉米壟數的提取準確率可達100%。牛慶林等[18]基于無人機可見光影像以及地面控制點（GCP）生成的數字表面模型（DSM）提取玉米株高信息，根據玉米冠層的光譜信息估測其LAI。毛智慧等[19]基于小型無人機通過傾斜攝影的方式獲取小區玉米的數字影像，利用光譜特征判斷玉米是否倒伏，以此提取整個試驗小區的玉米倒伏信息，該方法相比于人工調查誤差僅為4.44%，可以有效提取玉米倒伏信息，便于開展相關調查作業。

2.1.2 大 豆 在大豆育種方面，陳晨等[20]將無人機可見光和多光譜影像相結合，實現對大豆長勢的監測及分級。李長春等[21]利用無人機搭載高清數碼影像系統獲取玉米3 個關鍵生育期的影像，然后基于900 個育種小區的LAI 實測數據構建其葉面積指數的最佳模型，驗證精度R2=0.69。趙曉慶等[22]利用搭載高光譜傳感器的無人機獲取了多個生育期的大豆遙感影像，得到冠層光譜與大豆產量相關的最佳空間尺度，該空間尺度可以提高大豆產量估測的精度。陸國政等[23]基于無人機可見光影像獲取大豆開花期和結莢期的鮮生物量，再利用高光譜影像建立大豆鼓粒期和成熟期的鮮生物量反演模型，以此得到大豆整個生長周期的長勢情況。

2.1.3 小 麥 在小麥育種方面，楊貴軍等[9]利用多旋翼無人機搭載可見光相機、多光譜相機和熱成像儀，高通量獲取小麥的倒伏面積、LAI、產量及冠層溫度等育種表型信息，著力解決人工效率低下、時效性差以及標準不統一的問題。李偉等[24]基于無人機搭載可見光和多光譜相機獲取作物的表型信息，建立作物數字表面模型，再反過來用于植物表型監測和判斷。例如：對作物高度進行建模確定作物植株高度，再與正常作物生長的高度范圍進行比較，以此來判斷是否倒伏；計算綠色覆蓋的數值，大于0 的為出苗，等于0 的為未出苗，以此來計算出苗率；通過NDVI 反演獲取作物LAI。

2.1.4 水 稻 目前，水稻育種領域無人機低空遙感的應用報道較少。李明等[25]基于無人機可見光影像提取水稻的多項特征指標，識別水稻地塊，實現對水稻田面積的估算。段小斌等[26]探究了水稻葉片指數與葉面積指數的關系，以此建立水稻生長模型，快速監測水稻的長勢。水稻育種過程中，水稻的分蘗數、花穗數等重要信息仍然需要工作人員去田間取樣調查，費時費力，而且也不利于加快育種進程。因此，推進水稻育種的信息化是一項重要的任務。

2.2 主要技術

2.2.1 遙感手段 無人機低空遙感在監測作物某一育種信息時所使用的技術往往具有多元性，可以采取不同的遙感手段（如表1）或者處理算法，而同一作物育種信息采取不同的遙感監測方式或者在同一遙感監測方式下采用不同圖像處理算法所達到的效果是不同的。無人機低空遙感在作物育種信息監測時，多采取單一遙感設備和單一的圖像處理算法，缺乏融合多種遙感設備、匯集多種算法的解析模型[15]，這使得研究成果受到的條件限制過多，對不同地區、不同生長情形下的作物難以普遍適用，推廣應用難度較大。要實現無人機低空遙感在作物育種信息監測上的普遍適用，需要配合多種遙感設備、融合多種遙感數據和圖像處理算法來實現作物育種信息的提取，開發出具有廣泛適用性的作物信息采集處理全流程。

表1 提取作物育種信息采取的遙感手段

2.2.2 影像處理軟件 無人機低空遙感在作物育種信息采集過程中會用到4 種軟件。第一種是無人機航拍控制軟件，用于控制無人機拍攝，獲取符合要求的多張試驗區農田影像；第二種是遙感影像拼接軟件，用于將無人機獲取的多張遙感影像拼接成一張完整的試驗區農田影像；第三種是影像后期處理軟件，用于從完整的試驗區農田影像中提取需要的作物育種信息，這也是整個過程中最關鍵的部分；第四種是育種信息管理軟件，用于管理各類作物長年以來所有的育種數據，便于育種科研人員制定更為有效的育種決策。

無人機航拍控制軟件有PIX4D capture、Altizure、瀚祥地面站、大疆GS Pro 和云卓地面站等。不同軟件的功能和支持機型有所不同，一般均可在軟件內設定無人機的飛行區域、飛行高度、飛行速度、航向重疊度和旁向重疊度等關鍵參數。

遙感影像拼接軟件有Agisoft photoscan、PIX4D mapper 和Rocky Mosaic 等。該類軟件可以自動完成無人機遙感影像的拼接，容易操作，缺點是圖像拼接數據量和計算量大，對電腦性能要求高，效率較低[34]。楊楊[35]改進了尺度不變特征轉換（SIFT）的圖像拼接算法，可利用無人機航拍視頻進行實時拼接處理，以此獲取完整的試驗區影像，雖然成像質量不如前者，但仍然是一個具有前瞻性的嘗試。

影像后期處理軟件有ENVI、ArcGIS、eCognition Developer、ERDAS 和PIC 等。該類軟件集成了多種影像數據處理算法，可以更加方便快捷地設置各種算法的參數，用于提取指定的作物信息，簡化了遙感影像數據后期處理的學習成本。此外，還可以使用Python、Matlab 等軟件自行編寫代碼處理遙感數據，該方法對專業性的要求增高，難度較大。

育種信息管理軟件有Agrobase、Prism、Doriane、E-Brida、Plabstat、金種子育種平臺GSM 和農博士NBS 等[36]。該類軟件通過數字化、標準化和規范化的育種信息管理流程，高效管理所有育種數據，方便育種科研人員查詢不同年份、不同地區、不同作物的生長信息，讓育種信息決策更加可靠，提升育種效率。

無人機低空遙感在作物育種信息監測研究中有著廣泛的應用和重要的科學意義，研究內容多集中于高通量、快速無損地進行作物長勢信息和表型信息的采集。而不同育種信息的采集依靠的不只是硬件設施，還包括影像后期處理的算法。大部分研究成果存在一定的問題，多是針對單一階段的單一作物，普適性較差，缺少系統的長期的研究記錄，也沒有形成一個規范化簡單化的處理全流程，不利于推廣使用。

3 無人機低空遙感在作物育種上應用的主要問題及解決對策

無人機低空遙感技術發展迅猛，在精準農業領域發揮著獨特的優勢。然而，無人機低空遙感技術的相關應用仍處于研究階段，與育種研究的結合不夠緊密，距離實際應用還有很長的路要走。目前無人機低空遙感在作物育種上的研究需要著重考慮以下幾個問題。

3.1 建立作物育種信息數據庫

多數研究成果普適性太差，僅僅適用于當次試驗，對不同地域、不同生長階段的作物無法獲得相同的結論，難以推廣使用[2,10]。主要原因在于不同地域、不同生長階段的作物表現出的遙感特性是不同的，不同品種的作物更是如此。要建立作物育種信息的數據庫，不斷完善不同地域、不同作物、不同生長階段的作物育種信息，統籌兼顧，便于育種研究工作的進行和育種管理決策的準確制定。

3.2 拓寬研究的深度與廣度

無人機低空遙感在作物育種信息監測上有著獨特的優勢和巨大的應用前景，是高通量、無損快速獲取作物育種信息的重要手段。但目前采用無人機育種的作物相對較少，多集中于小麥、玉米、大豆等作物，其他作物鮮有研究。像水稻、馬鈴薯等對我國糧食安全有重要影響的作物，未來應該加強相關研究。因此，不斷加強作物育種研究的深度和廣度，為無人機低空遙感在作物育種上的應用提供更多理論和技術基礎是未來研究的重點[15]。

3.3 克服天氣影響

天氣是影響無人機作業的主要因素。大部分遙感影像傳感器都是被動式遙感，需要良好的光照條件[10]，即使無風無雨的陰天所得到的影像效果也可能達不到要求，導致圖像處理結果產生一定偏差，也增加了后期圖像處理的難度，可以通過硬件的研發，增強遙感傳感器的性能，減少其對光照條件的依賴度。

3.4 加強低成本輕小型專用設備的研發

研究采用的設備復雜多樣，雖然都能得到理想的效果，但是沒有專門應用于某一用途的設備[37]。例如采集多光譜影像、高光譜影像或者是更高分辨率的數碼影像，通常需要自行購入無人機以及相應的遙感影像傳感器進行組裝，增加了試驗前期的難度。研發低成本輕小型專用設備不僅可以簡化操作步驟，使無人機低空遙感系統更加輕型化小型化，還可以降低設備購入費用，有利于先進技術與設備的推廣使用。

3.5 簡化整體操作流程

從遙感影像的獲取到得到想要的育種信息，需要經歷遙感影像拍攝方案制定、前期拼接、預處理、圖像后期處理以及育種信息歸納整理等操作，這些操作不但是在不同軟件內進行的，而且許多軟件都有著一定的操作難度，無疑增加了利用無人機低空遙感進行育種信息監測的難度，對工作人員的專業性要求也大大提高。而育種工作人員往往不善于利用這些先進的科研措施開展相關工作，這不利于無人機低空遙感技術在作物育種信息采集工作中的推廣與使用。因此，集成一系列操作步驟，簡化育種信息采集流程，開發出易于操作的全流程技術解決方案，以便更多非專業用戶使用是未來研究的一大重點[15]。

4 小 結

無人機低空遙感技術是精準農業領域的研究熱點，具有高分辨率、高機動靈活性、重訪周期短、使用成本低等特點，在作物育種信息采集領域的應用前景廣闊。隨著無人機軟硬件技術的提升以及遙感數據處理技術的發展，無人機低空遙感技術在作物育種上將發揮更加重要的作用。無人機低空遙感可用于作物長勢信息和表型信息的采集。通過提高作物育種生長信息的采集速度，可極大地節省人力物力，解決作物時效性差、效率低的問題，便于快速制定育種決策，而且可以統一調查標準，消除人工調查帶來的主觀誤差，從而加快作物育種進程，提高育種效率，對于作物育種產業的發展具有重要的意義。盡管無人機低空遙感在作物育種上的應用潛力巨大，然而目前的研究中仍然存在許多不足。首先是設備費用昂貴，一般團體難以承受；其次是全流程操作過于復雜，非專業用戶難以操作；第三是遙感數據處理算法單一、研究深度不足、通用性差。因此，未來應深入無人機低空遙感在作物育種上的研究，研發低成本輕小型的專用設備，簡化全流程操作難度，推進育種信息化快速發展。