基于旋翼無人機的農(nóng)業(yè)低空高光譜遙感技術(shù)分析

王亞利

（三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速推進，對農(nóng)作物管理提出了更高的要求，這就需要采用更加科學精準的管理模式。在農(nóng)業(yè)規(guī)模化發(fā)展進程中，往往要實時監(jiān)測大面積的農(nóng)作物，從而掌握農(nóng)作物實際生長發(fā)育情況，為后續(xù)保障農(nóng)作物養(yǎng)分與水分需求以及開展施肥、澆灌等田間管理工作提供更加科學的依據(jù)。為了有效實現(xiàn)這一目標，應構(gòu)建出更加完善的數(shù)字化農(nóng)業(yè)管理體系。近年來，旋翼無人機在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中得到了較為廣泛的應用，不僅為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的采集帶來了極大的便利，也促進了農(nóng)業(yè)管理的現(xiàn)代化發(fā)展。采用旋翼無人機的農(nóng)業(yè)低空高光譜遙感技術(shù)更是取得了良好效果，值得對其進行深入探究。

1 旋翼無人機與高光譜遙感技術(shù)概述

旋翼無人機主要是指利用無線電遙控設備以及自備程序進行控制操縱的多旋翼無人機，根據(jù)飛行高度可以將其劃分為高空無人機以及低空無人機兩種類型，而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域當中應用的主要為低空無人機。而高光譜遙感技術(shù)，其全稱為高光譜分辨率遙感技術(shù)，能夠通過電磁波的應用來獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，高光譜圖像也主要由成像光譜儀獲取，成像光譜儀能夠為每一個像元提供幾百個窄波段光譜信息，從而構(gòu)建出一種具備更高連續(xù)性與完整性的光譜曲線。在實際成像階段中，成像光譜儀可以采用納米級的光譜分辨率，在多個波段中同時探測地表的地物成像，從而準確獲取地物的連續(xù)光譜信息，還可以有效同步獲取空間信息、光譜信息以及輻射信息，那些在寬波段遙感當中無法被探測的物質(zhì)在高光譜當中也可被探測出來。近年來，高光譜遙感技術(shù)也屬于迅速發(fā)展的一種全新遙感技術(shù)，其中融合了計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)信息處理技術(shù)以及探測器技術(shù)等多種現(xiàn)代化技術(shù)，具備很好的應用價值[1]。

2 旋翼無人機與高光譜遙感技術(shù)的應用

2.1 旋翼無人機的應用

1）旋翼無人機的技術(shù)構(gòu)成。旋翼無人機在本質(zhì)上屬于一種整體化系統(tǒng)，主要由無人機機體、地面通信基站以及任務載荷等組成，同時，旋翼無人機內(nèi)部的任務載荷，也可以結(jié)合實際工作需求進行調(diào)整優(yōu)化。而地面通信基站則屬于整體系統(tǒng)當中的控制中心，與無人機的運轉(zhuǎn)之間存在著十分緊密的聯(lián)系，能夠控制無人機的飛行路線，做好對應的數(shù)據(jù)信息采集工作。在旋翼無人機當中所應用的技術(shù)主要為傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)以及無線通信技術(shù)等，均有較高的科技含量。

2）旋翼無人機的應用現(xiàn)狀。旋翼無人機在發(fā)達國家應用較為廣泛，美國通過各類精密控制技術(shù)以及自動導航技術(shù)，已經(jīng)實現(xiàn)了對于旋翼無人機的廣泛應用，其不僅大幅度提高了整體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，對于農(nóng)作物質(zhì)量的提高也起到了一定程度的促進作用。日本也大量應用旋翼無人機來展開植物保護工作，已經(jīng)在內(nèi)部形成了一種較為完整的操作流程以及操作規(guī)范。相對來說，我國在旋翼無人機的研究應用方面由于起步比較晚，仍舊處在初級的發(fā)展階段，但整體發(fā)展速度較快，我國旋翼無人機相關(guān)的研究已經(jīng)進入到了全新階段，并且在低空高光譜遙感技術(shù)當中得到了十分廣泛的應用[2]。

2.2 高光譜遙感技術(shù)的應用

1）應用方向。在目前的社會發(fā)展進程中，高光譜遙感技術(shù)主要應用于監(jiān)測地面各類農(nóng)作物的生長狀態(tài)，并整合處理所得出的所有數(shù)據(jù)信息，提供更加高效的數(shù)據(jù)分析[3-4]。同時，高光譜遙感技術(shù)在各類自然災害的預測方面也起到了十分重要的作用。這項技術(shù)的應用能夠大幅度提高農(nóng)業(yè)管理水平，逐步降低農(nóng)業(yè)管理成本消耗。目前高光譜遙感技術(shù)主要應用于以下三個方面：①農(nóng)作物葉片光譜特征的研究工作。通過研究農(nóng)作物葉片部位光譜特征，以及對土壤內(nèi)部水含量以及農(nóng)作物葉綠素含量等進行分析，為農(nóng)業(yè)人員制定農(nóng)作物的種植管理方案提供重要的參考依據(jù)。②預測農(nóng)作物生長趨勢。通過應用高光譜遙感技術(shù)，準確檢測葉面積指數(shù)和生物量，并且這種技術(shù)對葉片不會產(chǎn)生過于嚴重的破壞，能夠得出精確化的葉面指數(shù)，以此為基礎(chǔ)，通過葉面積指數(shù)反演模型的構(gòu)建，可以準確預測農(nóng)作物的具體生長態(tài)勢。③農(nóng)作物生理形狀的檢測。其中重點內(nèi)容就在于對農(nóng)作物產(chǎn)生的光合作用以及氮含量展開全面檢測，通過監(jiān)測農(nóng)作物光合作用，準確預測農(nóng)作物當前的生理情況。同時，通過檢測氮含量，為后續(xù)施肥工作的開展提供重要參考，進一步實現(xiàn)更加科學合理的施肥，防止其中出現(xiàn)肥料浪費的問題，使得農(nóng)作物能夠始終維持在一種健康的生長狀態(tài)中。

2）發(fā)展方向。高光譜遙感技術(shù)目前進步顯著，未來仍舊存在很大的發(fā)展空間。在日常的發(fā)展應用過程中，高光譜遙感技術(shù)也會面臨部分問題。①在獲取信息模型的過程中，由于模型自身的適用性比較低，很容易產(chǎn)生較為顯著的分析誤差，這就需要及時引導工作人員完善優(yōu)化農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息庫，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)來提供更加有效的支持，穩(wěn)步提高分析工作的準確程度。②高光譜遙感技術(shù)在光譜分解和數(shù)據(jù)信息提取過程中，也出現(xiàn)了解決方案與實際需求匹配程度比較低的問題，嚴重影響了技術(shù)的應用，而采用GPS技術(shù)與GIS技術(shù)融合應用的方式，將其與高光譜遙感技術(shù)更好地結(jié)合在一起，就可以保證最終的分析結(jié)果符合實際情況。總體來看，目前高光譜遙感技術(shù)應用的主要目的是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細化發(fā)展，在后續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新工作中，要重點強化數(shù)據(jù)信息庫的信息化建設，通過與其他各類先進技術(shù)的結(jié)合，保證監(jiān)測的準確性與穩(wěn)定性，以此來滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本需求[5]。

3 基于旋翼無人機的農(nóng)業(yè)低空高光譜遙感技術(shù)

3.1 高光譜遙感圖像的采集

在高光譜遙感圖像的采集過程中，可以通過旋翼無人機實現(xiàn)相關(guān)工作，而在實際采集過程中，應當精細化控制無人機的飛行參數(shù)和飛行路線。通常情況下，采用的采集方式主要為定點采集，也就是在無人機進入預設地點后，對相機發(fā)出對應的拍攝指令，這種方式能夠保證圖像重疊率，在提高整體采集效率與采集質(zhì)量的同時，獲取更高質(zhì)量的采集圖像。而高光譜遙感圖像的采集工作，主要包括以下內(nèi)容：1）確定無人機的飛行參數(shù)。其中主要包括無人機的飛行速度、圖像重疊率以及飛行高度等內(nèi)容，在確定參數(shù)的過程中，應當注意這部分參數(shù)并非互相獨立的，而是處在一種互相影響的狀態(tài)中。所以，這就需要結(jié)合任務的實際需求以及設備自身的性能展開綜合考量。站在實際應用的角度上來看，其中應當優(yōu)先確定好重疊率，以此確保圖像精度不會受到影響，結(jié)合分辨率來確定具體的飛行高度，最后結(jié)合相機的工作頻率來確定飛行速度。2）飛行路線的規(guī)劃。飛行路線主要在結(jié)合相關(guān)飛行參數(shù)的基礎(chǔ)上確定，在日常應用中，大多都會采取“之”字形的飛行路線，這樣能夠全面拍攝農(nóng)田區(qū)域，做到不留死角。3）確定相機的參數(shù)。其中需要重點確定的是相機的曝光時間以及焦距等，焦距決定了圖像采集的清晰程度，在后續(xù)確定焦距的過程中，不能采用自動化的對焦模式，這是由于自動化對焦會延長圖像的拍攝時間，容易出現(xiàn)丟圖問題。同時，還要確定好曝光時間，如果曝光時間較長就會喪失一部分遙感信號，曝光時間過短也會降低圖像的信噪比。在后續(xù)的參數(shù)選擇過程中，應當注意不同參數(shù)的影響，在其中找尋出一個平衡點，以此更加高效地開展高光譜的遙感圖像采集工作[6-7]。

3.2 高光譜遙感圖像的預處理

由于周邊環(huán)境因素以及相機傳感器自身存在的問題，圖像很容易產(chǎn)生失真問題，為后續(xù)數(shù)據(jù)信息分析工作的順利開展帶來了一定程度的誤差。因此，需要對采集到的高光譜遙感圖像展開預處理。通常情況下，高光譜遙感圖像所產(chǎn)生的失真問題，主要在于輻射亮度不均勻以及幾何畸變多，需要對其展開針對性處理。1）幾何畸變及矯正。由于鏡頭透鏡在生產(chǎn)安裝階段中存在一定程度的誤差，使得實際成像點與理論成像點之間并沒有完全重合，通常會出現(xiàn)小幅度偏移，而這種偏移還存在一定規(guī)律，可以結(jié)合規(guī)律計算機變系數(shù)。在計算機變系數(shù)的過程中，應當建立對應的像素坐標系、相機坐標系以及圖像坐標系，以此標定相機。而為了保證相機的標定精度不會受到影響，就要采用傳統(tǒng)的相機標定方式，結(jié)合具體的畸變情況計算出準確的幾何畸變系數(shù)，逐步更新相機的內(nèi)部參數(shù)與外部參數(shù)。2）光譜圖像的漸暈校正。漸暈主要指圖像中間部位明亮，而邊緣部分較為陰暗的現(xiàn)象，由于旋翼無人機所用相機普遍為小型化與輕量化相機，這也增加了漸暈問題的發(fā)生概率。同時，在實際工作中，光譜相機中往往添加了濾光片，這也加大了漸暈現(xiàn)象產(chǎn)生的影響，而漸暈現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因就在于進入相機當中的光線會隨著視角的不斷提升而降低強度，從而引發(fā)漸暈。根據(jù)漸暈現(xiàn)象的具體成因，可以將其劃分為像素漸暈、光學漸暈以及自然漸暈等多種類型，這就需要針對光譜遙感圖像來展開漸暈校正。近年來，在發(fā)展進程中，通過Retinex圖像增強算法可以對原圖像的亮度分量以及反射分量進行估算，然后通過對于不同尺度的SSR計算，并加權(quán)平均來實現(xiàn)漸暈校正，基本上能夠消除光譜失真問題，實現(xiàn)旋翼無人機低空高光譜遙感圖像的漸暈校正[8-9]。

3.3 輻射一致性處理技術(shù)

在高光譜遙感圖像采集工作中，由于天氣變化，太陽光照度也會出現(xiàn)一定程度的變化，這也使得遙感圖像當中出現(xiàn)了一種明暗程度不夠均勻的問題，為了有效解決這方面問題，應當展開輻射一致性處理。站在實際情況的角度上來看，為了更好地達到輻射一致性，通常都會采用直方圖匹配法或是圖像回歸法等方式進行處理，其中直方圖匹配法相對較為簡便，但很容易導致整體圖像出現(xiàn)灰度失真的問題；而圖像回歸法則是利用算法來構(gòu)建出輻射校正因子，整體精準度比較高，但由于其中需要采用人工選取樣本的方式，大大增加了工作量。而一些新技術(shù)也相繼出現(xiàn)，目前研究人員通過對于環(huán)境照度以及圖像DN值相應關(guān)系的深入研究，在進行多次實驗過后，以第一波段當中的圖像作為標準進行輻射一致性的校正處理，并且取得了較為優(yōu)異的效果[10-12]。

4 結(jié)論

綜上所述，在目前的社會發(fā)展進程中，隨著各類現(xiàn)代化技術(shù)的高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也受到了一定程度的影響，各類現(xiàn)代化技術(shù)的應用，能夠促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。利用旋翼無人機低空高光譜遙感技術(shù)，可以更加便捷地獲取各類農(nóng)作物的大數(shù)據(jù)信息，明確各類農(nóng)作物的實時生長狀態(tài)。同時，采用旋翼無人機低空高光譜技術(shù)不僅降低了整體成本消耗，還能夠進一步克服傳統(tǒng)航天技術(shù)成本比較高以及時效性較低等多種問題。因此，必須要重點加大對旋翼無人機低空高光譜技術(shù)的重視程度，以此為基礎(chǔ)來逐步拓展整體農(nóng)業(yè)領(lǐng)域范圍，更高頻次地獲取數(shù)據(jù)信息。