蘭州市玉米生長狀況無人機(jī)遙感動態(tài)監(jiān)測

師小雨，鄢繼選，黃 芳，王 江，景峻虎，馬登旭

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[1]。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，對糧食需求大，但由于生態(tài)環(huán)境和地理條件的影響，干旱、天災(zāi)、寒冷及病蟲害等災(zāi)害頻繁發(fā)生[2]，糧食供應(yīng)的安全性存在嚴(yán)重問題，故監(jiān)測農(nóng)作物的生長狀況成為了保障糧食供應(yīng)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要途徑[3-4]。遙感技術(shù)的發(fā)展改變了農(nóng)業(yè)發(fā)展的復(fù)雜性和不規(guī)則的局面[5]，是影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一[6]。劉新杰等[7]通過單個農(nóng)業(yè)區(qū)的遙感數(shù)據(jù)，建立了葉綠素生長密度反演和葉面積指數(shù)遙感模型，研究了不同作物的具體生長趨勢；錢永濤[8]開發(fā)了植物生長監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測不同植物品種在不同時間的高產(chǎn)率和葉綠素含量；趙曉陽等[9]基于圖像中獲得的多光譜遙感數(shù)據(jù)，確定了與植物與害蟲癥狀密切相關(guān)的敏感植被指數(shù)和害蟲識別模型。

因此，無人機(jī)遙感技術(shù)與傳統(tǒng)的農(nóng)作物監(jiān)測方法相比，具有信息獲取速度快、空間覆蓋范圍廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)[10，11]，并且可以獲得高分辨率的圖像，是目前作物生產(chǎn)最重要技術(shù)手段[12，13]。本文以甘肅省蘭州市的玉米為研究對象，利用無人機(jī)遙感技術(shù)對該區(qū)域的玉米進(jìn)行監(jiān)測，從而獲得更完善的適合蘭州市玉米培育的新方法，并有效地預(yù)防與監(jiān)測玉米的生長狀況，提高蘭州市的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

本研究自2021年4月10日采用無人機(jī)多光譜相機(jī)獲取首期遙感影像，考慮到苗期、穗期、花粒期是玉米的3個關(guān)鍵生育期，所以于2021年5月25日、7月15日、8月20日獲取3期影像作為主要生育期影像進(jìn)行分析，于9月20日獲取最后一期影像，一共獲取5期影像。

數(shù)據(jù)處理流程：利用無人機(jī)遙感影像監(jiān)測玉米病蟲害的數(shù)據(jù)處理流程大致包括影像格式轉(zhuǎn)換、影像篩選、影像拼接、影像校正、特征提取、模型構(gòu)建、精度評價等[14]。

2 方法

2.1 玉米長勢監(jiān)測方法

利用過程監(jiān)測方法，按所選NDVI的時間分辨率，逐期統(tǒng)計NDVI均值，形成2022年玉米生長過程曲線[15-16]，利用多時相遙感數(shù)據(jù)可以確定植物生長發(fā)育的宏觀動力學(xué)特征。在玉米生長期間，植物生長狀態(tài)和生長條件的變化會引起時間曲線的相應(yīng)動態(tài)變化。這種響應(yīng)關(guān)系可用于推導(dǎo)作物的生長發(fā)育狀態(tài)，并根據(jù)曲線的變化特征監(jiān)測植物的生長。

2.2 玉米病蟲害監(jiān)測方法

第一，提取受病蟲危害玉米的光譜反射率，結(jié)合無人機(jī)遙感和地面人工調(diào)查數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確獲取受害玉米的冠層光譜特征。第二，獲取作物的紋理特征，采用紋理分割和簡單線性迭代聚類識別病蟲害的特征，并通過二進(jìn)制支持向量機(jī)和多類支持向量機(jī)分類不同病蟲害。第三，通過變量投影等重要性準(zhǔn)則篩選出玉米病蟲害的生境特征，結(jié)合無人機(jī)遙感和地面人工數(shù)據(jù)，建立玉米病蟲害監(jiān)測模型。

3 結(jié)果分析

3.1 玉米長勢監(jiān)測

對遙感影像數(shù)據(jù)整合分析處理后得到玉米各期數(shù)據(jù)，見表1。當(dāng)生長區(qū)的溫度在7℃～26℃，水分含量約65%和通氣條件比較適宜的情況下，通常經(jīng)過5～6 d便可出幼苗；苗期約為30 d，幼株出土約2 cm，至苗期結(jié)束長至79 cm左右；小旱益于幼苗根系的發(fā)育和扎根，且幼苗喜旱不耐澇。穗期作為營養(yǎng)生長階段和生殖階段，植株約為成株的70%，高198 cm，穗位112 cm，生育期約為45 d，在玉米穗粒形成的關(guān)鍵時期，雄穗開始小花分化環(huán)節(jié)，做好肥水管理工作?；Ｆ趯Ω邷貥O為敏感，此時株高約220 cm，穗位120 cm，生育期為39 d，穗長12.6 cm，可以通過灌水降溫、人工授粉、葉面噴灑肥水等措施進(jìn)行保護(hù)；成熟期的玉米籽粒經(jīng)過失水干燥而成熟，最終成為種子，最終株高為264 cm左右，穗位142 cm，生育期為43 d，有效穗數(shù)59 595 kg/nm2，穗長18.5 cm。

表1 蘭州市玉米各生育期數(shù)據(jù)概況表Tab.1 The data overview of maize growth periods in Lanzhou City

一般在相對潮濕的土壤上播種玉米，適宜的溫度，可使種子盡快發(fā)芽，玉米的生長周期是120～150 d左右。玉米的種植時間要根據(jù)所在地區(qū)的氣候環(huán)境決定。蘭州地區(qū)在每年4月前后種植，可使玉米更好地生長。由于玉米對水肥要求嚴(yán)格，種植地應(yīng)土壤肥沃、疏松干燥，且方便灌溉和排水。蘭州地區(qū)的玉米生長主要集中在4月—10月，通過實(shí)地測驗(yàn)，種植地下4 cm、12 cm、25 cm等深度的土壤溫度分別為19℃、17℃、16℃。耕作區(qū)地層平均溫度為17℃，且呈上逐年升趨勢，每10年上升0.3℃，截至2022年，玉米耕作層溫度上升為1.0℃。播種時的適宜溫度為10℃～12℃，若溫度較低時需覆蓋地膜，有利于保溫。就玉米生長趨勢來看，從胚芽鞘出現(xiàn)在土壤表面時，其長勢符合一般的作物規(guī)律，即由慢到快再到慢，且受到雜草、病害和蟲害等其他生產(chǎn)問題的影響。

3.2 玉米病蟲害監(jiān)測

在玉米生長的各個階段都會遭受不同種類的病蟲危害，其中出現(xiàn)頻率最多的為黏蟲。當(dāng)玉米受到病蟲害侵?jǐn)_時，因缺乏營養(yǎng)和水分而生長不良，葉片海綿組織受到破壞，葉子色素比例發(fā)生變化。由圖1可以看出，玉米遭受病蟲為害時，葉片光譜曲線有所變化，并且不同蟲害程度曲線變化有所不同。玉米受病蟲為害后，隨著為害程度的不斷加重，在500～700 nm和700～1 000 nm范圍內(nèi)不同蟲害程度的玉米葉片光譜曲線有著很大的差異，其中可見光區(qū)玉米反射率明顯小于近紅外區(qū)域，且近紅外區(qū)域的起伏更加平緩，整個反射光譜曲線的波狀特征被拉平。研究認(rèn)為，玉米病蟲害越重，光譜反射率較健康作物變化越大，光譜反射率曲線起伏越平緩。同時說明通過遙感方法不僅可以監(jiān)測蟲害程度，也可以估測產(chǎn)量，估算產(chǎn)量損失。

圖1 健康、早期、中度和重度蟲害的玉米葉片光譜圖譜Fig.1 The spectral map of maize leaves with healthy,early,moderate and severe insect pests

4 討論

4.1 玉米長勢和病蟲害監(jiān)測

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，監(jiān)測作物長勢及其病蟲害變得愈發(fā)重要[17]。其中基于遙感影像監(jiān)測玉米生長狀況和探尋玉米培育方法的研究并不多見。因此，本研究以遙感影像為數(shù)據(jù)來源，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)在不同生育期的長勢和病蟲害中的適宜性和有效性。株高在苗期至穗期的變化最為明顯，大約生長高度可達(dá)119 cm。苗期為30 d左右，幼株出土約2 cm，至苗期結(jié)束長至79 cm左右，是玉米株高變化的重要階段。穗期是營養(yǎng)生長與生殖生長并進(jìn)階段[18]，此時植株已形成60%左右，株高約198 cm，生育期達(dá)45 d，雄穗已開始進(jìn)行小花分化，是玉米穗粒數(shù)形成的關(guān)鍵時期。溫度在10℃～12℃時播種最為適宜，若播種時氣溫較低，則必須覆蓋地膜，并科學(xué)控制玉米的種植密度，壟溝寬度保持在44～55 cm。苗期：在玉米幼苗出土后，需及時澆水保持水分，幼苗長到30 cm左右需要施用尿素追肥，追肥后進(jìn)行灌溉。穗期：玉米植株長到30～40 cm時會進(jìn)入快速生長期，這時需要大量養(yǎng)分來促進(jìn)莖干拔節(jié)，一般增施復(fù)合肥?；Ｆ冢河衩组_花過后風(fēng)媒受粉，但要注意竄粉，以避免長出花玉米。長出果穗到成熟需20 d左右，待顆粒硬化后便可以采收。

4.2 不確定性和影響

基于遙感影像數(shù)據(jù)監(jiān)測作物長勢及病蟲害是目前應(yīng)用最廣泛的方法[19]，但在此研究中仍然具有一定的不確定性。首先，在作物生長狀況的分析中只采取了作物在一年的數(shù)據(jù)作為分析對象，故在時間上沒有普遍性，導(dǎo)致研究數(shù)據(jù)具有一定的局限性；其次，此研究高度依賴于遙感影像的精確性，提高遙感影像數(shù)據(jù)的精度是未來降低作物監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差的重要途徑。因此，在未來研究中，使用此方法分析監(jiān)測數(shù)據(jù)是研究中的重要部分，盡管本研究存在上述不確定性，但能為分析作物長勢及病蟲害監(jiān)測提供理論指導(dǎo)和決策支持。

5 結(jié)語

文章結(jié)合無人機(jī)遙感、GIS、人工調(diào)查及多時相遙感技術(shù)研究蘭州市某區(qū)域玉米作物的生長狀況，得出以下結(jié)論。

（1）從胚芽鞘出現(xiàn)在土壤表面起，其長勢符合一般的作物規(guī)律，即由慢到快再到慢，其中苗期至穗期是生長變化最快的階段，要注意保持水分，提供養(yǎng)分。

（2）冠層顏色隨波長與反射率的變化而變化，當(dāng)波長與反射率增加時，相應(yīng)的冠層顏色也隨之加深，表明冠層顏色越深病蟲害程度越大。

（3）此研究結(jié)果的準(zhǔn)確性高度依賴于多光譜遙感影像的精確性，因此，在后續(xù)的研究中，需綜合考慮作物附近農(nóng)田環(huán)境的影響因素，研發(fā)無人機(jī)遙感作物長勢與病蟲害監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的專用軟件與特殊算法，為準(zhǔn)確制定作物生長狀況防治預(yù)案提供可靠依據(jù)。