無人機遙感技術在精準農業中的應用

范月圓，劉華勇

（1.江蘇航空職業技術學院；2.鎮江高等職業技術學校，江蘇 鎮江212010）

0 引言

目前在資源日顯短缺，在農產品市場競爭日趨激烈的時代，由于化學物質的過量投入，引起農業生態環境和農產品質量下降，高能耗的管理方式導致生產效益低下，不適應持續發展的理念需要。精準農業(Precision Agriculture)其基本涵義是根據作物生長的土壤性狀，調節對作物的投入，即一方面查清田塊內部的土壤性狀與生產力空間變異，另一方面確定農作物的生產目標，進行定位的“系統診斷、優化配方、技術組裝、科學管理”，以最少或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環境，取得較好的經濟效益和環境效益。

遙感(RS，Remote Sensing)技術是精準農業生物技術體系中獲取田間數據的重要來源，積累起來的作物多光譜圖像信息處理及成像技術、傳感技術和作物生產管理需求密切相關。無人機遙感系統為云下觀測系統，飛得低，看得近，實效性高，不受天氣影響，具有機動、快速、經濟等優勢，已逐步從研究發展到實際應用階段[1]。

1 無人機遙感技術系統構成

1.1 植物光譜特征

農作物在病蟲害侵襲或其他不利生長因素條件影響下，在不同波段上表現出不同程度的吸收和反射特性的改變，通過形式化表達成為光譜特征后，作為無人機遙感監測的基本依據。當農作物受到病蟲害侵擾或缺少營養時，葉子會呈現出具有相應病態特征的狀態，如顏色的改變、結構的破壞或外形的改觀等，同時葉子的光譜反射率也會隨之改變。在可見光波段向近紅外波段過渡區間，受脅迫農作物的植被反射率比健康農作物的反射率大，同時，近紅外光譜的變化產生在可見光光譜的變化之前，通過近紅外光譜的監測分析，提前預判評估作物的健康情況[2]，實現對每一塊土地進行精細化、全方位的觀察。

1.2 系統構成

1.2.1 硬件系統

無人機遙感系統的硬件主要包括飛行器和傳感器兩部分。

飛行器采用創飛CF3.0無人機精準農業套裝，如圖2所示，參數如下：

創飛CF3.0整機×1

遙控器×1

TB48D電池×4

禪思X3相機×1

NIR相機×1

定制防護箱×1

圖2 創飛CF3.0無人機精準農業套裝

傳感器采用派諾特Sequoia多光譜傳感器（如圖3所示）。Parrot Sequoia五通道光譜相機可采集可見光和不可見光圖像數據，捕捉植物和日光反射光線，提供的標定數據可用來優化監測，從而對農作物的健康進行分析及判斷。Parrot Sequoia所配置的多方位傳感器利用不同的波長捕捉精確照片，繪制出精確的NDVI地圖。

參數如下：

RGB相機:分辨率:16 Mpx 4 608×3 456px

水平視角（HFOV）:63.9°

垂直視角（VFOV）:50.1°

顯示視角（DFOV）:73.5°

4個單獨波段：

綠波段:550 nm，帶寬：40 nm；

紅波段:660 nm，帶寬：40 nm；

紅 邊:735 nm，帶寬：10 nm；

近紅外:790 nm，帶寬：40 nm。

圖3 Sequoia多光譜傳感器

1.2.2 軟件系統

軟件采用Pix4Dfields，這是一款專為數字農業打造的農田測繪和作物分析軟件，能獲得快速而精準的地圖，可以生成最常用的指數NDVI、NDRE、VARI、TGI、SIPI2、LCI、BNDVI、GNDVI地圖，幫助更快識別問題[3]。

2 無人機遙感技術在精準農業中的應用

2.1 精準施肥

傳統的施肥方式通常是采用統一施撒，不考慮土壤條件、農作物的實際長勢等情況，因而會造成種種偏差和不利影響，結合精準農業技術后，可以操作無人機飛到問題農田區域，使用無人機和多光譜相機采集多光譜影像，這些影像被導入到Pix4Dfields軟件中進行自動化處理，生成NDVI植被指數[4]。分析農作物在當季及特定土壤中的生產狀況，并創建處方圖，從而得出最佳施氮方案，減少化肥使用量，降低對環境的不利影響。最后還可以把得到的NDVI地圖，結合各種因子（氣溫、降水、肥料等）輸入到估產模型中，得到農作物的產量分布，如圖4所示。

圖4 無人機精準施肥作業示意圖

2.2 變量施藥

傳統農業中農作物病蟲害監測預報方面主要還是依靠植保人員的田間調查、田間取樣等方式，費時耗力，存在主觀性強、時效性差等弊端，難以適應目前大范圍的病蟲害實時監測和預報的需求。

由于病蟲害葉片或冠層光譜是對植物生理、生化、形態、結構等改變的整體響應，具高度復雜性，因此對于不同植物，不同類型、不同發展階段的病蟲害，可能會有多樣的光譜特征。針對這些情況已經有相當數量的研究對不同作物病蟲害的光譜特征進行了報道，研究者們選擇了合適的識別和區分算法，以建立這些病情和光譜特征之間的關系提出了各種各樣的方法和模型[5]。在此研究基礎上，我們不僅可以根據農作物的生長周期、歷史環境判斷蟲害的種類，選擇合適的殺蟲劑，并可以根據受害的嚴重程度對農田進行區域劃分。

3 結語

開展無人機遙感技術應用，有其他傳統監測方式和傳統地面作業機械無法比擬的優勢，能及時準確地獲取農情信息，并從空中輔助農事操作，實現了有別于傳統方式的精準施肥、變量施藥，改變了傳統的作業和管理模式，具有很好的市場推廣應用前景。