无人机低空遥感技术在甘蔗节水灌溉领域的应用

莫彩娜 张远青

【摘 要】无人机作为空中遥感平台的微型遥感技术，其特点是以无人机为载体，通过遥感传感器获取相关信息，再通过计算机对收集到的影像信息进行处理，然后按照要求的精度制作成图像。在甘蔗的节水灌溉方面，无人机低空遥感技术可以有效评估甘蔗定位，然后根据土壤的温度、湿度需要，合理地指导灌溉。无人机技术完好地契合了其观测和地域尺度的需求，通过数据变化，为甘蔗的管理利用提供了准确的信息支持，可以根据甘蔗的分布和成长趋势，合理安排水肥施放。灌溉管理是甘蔗种植过程中最基本的问题，提高灌溉效率、保障甘蔗生长及节约用水等是首要考虑的基本准则。

【关键词】无人机;遥感;甘蔗;灌溉;应用

【中图分类号】P237 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）03-0061-04

0 引言

食糖是人们日常生活的必需品，是食品加工行业的重要原料。食糖与我们的日常生活息息相关，我国食糖消费持续增长。随着我国的经济发展和人们生活水平的提高，预计食糖消费将保持增长态势。糖料蔗是食糖的重要来源之一，因此建设糖料蔗生产基地，发展糖料蔗生产对保障我国食糖产业安全有重要作用。一是增强糖料蔗供给能力，稳定我国糖料蔗供应水平，有利于提高国内蔗糖生产水平，确保食糖的有效供给，避免市场价格大起大落。二是有利于解决制约食糖生产的瓶颈问题，提升产业竞争力，应对国际市场挑战，推动食糖产业持续健康发展。三是有利于提高蔗农的收入水平，促进区域县域经济发展。

广西和云南作为甘蔗主产地，由于甘蔗单产提高的难度日益增大，全程机械化推进缓慢，高产栽培技术普及率低，人工成本增长加快，使得糖料蔗种植收益连年下滑，极大地影响了农民种蔗积极性，危及我国食糖战略安全。基于上述严重问题，根据党的十八大、十八届三中全会精神、中央一号文件的指示精神，国务院有关部门联合编制了《糖料蔗主产区生产发展规划（2015～2020年）》，将广西和云南两省打造成为我国糖料蔗核心种植区，主要是为了解决制约甘蔗生产过程中遇到的突出问题，提高我国的糖料蔗总体种植、生产水平，扩大糖料蔗经营的规模化、提高甘蔗的种植良种化、推广甘蔗的生产机械化、实现水利现代化，同时也为了降低糖料蔗的人工生产成本，提高蔗农的经济收入。

糖料蔗的一个榨季生长期长达一年，在全年降水量时空差异明显、糖料蔗生长后期蔗地封行郁闭的情况下，保障合理、适宜的水分灌溉和养分供应是糖料蔗达到高产优质的基本保证。采用水肥药一体化技术不但满足甘蔗生长期对水分、养分的需求，并且可以规避人工进入蔗地追肥、喷洒农药等的操作难度，达到水肥药的适时适量的高效利用。目前，有关甘蔗水肥药一体化技术的研究报道不多，而且由于甘蔗品系、地区气候、土壤等差异，其水肥药一体的配比参数也会有所差异，因此研究蔗区的滴灌水肥药耦合的一体供应模式十分必要。此外，作物生长模拟模型由于可以提高农业生产、危险性评估和可持续生产等方面的研究效率，正日益受到关注。目前，以甘蔗生长模型为核心模拟区域化甘蔗生产过程，制订甘蔗生产精准化管理模式进而构建甘蔗生产管理决策支持系统，已经成为当前糖料蔗产业可持续发展的重要支撑。

甘蔗长势受多种因素影響，例如干旱、病虫害、灾害、养分等，卫星遥感和无人机遥感均可监测甘蔗长势，但是无人机遥感在精度及实时性方面更胜一筹。无人机遥感可以监测作物及土壤信息，同时还可以利用无人机结合GPS定点实施农艺措施。无人机在丘陵山区的病虫害防治、精准施药中具有不可替代的作用，推动无人机精准施药、施肥和灌溉技术的发展和应用，可以满足高效、节水、环保的农业植保要求。

将传统试验研究、遥感技术及数学模型算法相结合：一方面，基于传统试验方法，通过试验分析糖料蔗不同生育期水肥药的最佳施用时间和施用量，研究水肥药耦合对糖料蔗的主要生理生态过程（主要涉及根系生长与形态和时空发展格局、蔗叶片光合特性、碳同化和干物质积累、水分与养分利用效率、土壤养分时空变化等）及对糖料蔗产量品质的影响，探讨糖料蔗水肥药的最佳耦合点，提高水资源、肥料和农药的利用效益，为糖料蔗水肥药一体化精准灌溉提供技术支撑;另一方面，通过无人机采集到的高光谱信号，高效获取糖料蔗多波段的光谱影像信息，精确解析糖料蔗叶面积指数、氮含量、生物量等生理生化指标，准确、实时地获取糖料蔗的水分和品质状态，为大面积实施糖料蔗的水肥药管理提供新的管理手段。两个方面的研究成果有机结合，实现糖料蔗的稳产高产和水肥药资源的高效利用。

针对甘蔗成长过程中出现的关键共性问题，集成已有的移动互联网技术、无人机为载体的低空遥感技术和水肥药一体化智能控制技术，结合甘蔗不同生长时期所需水肥养分，依据环境条件、土壤条件和种植制度等的差异，精确地采集温度、湿度、光照等环境信息，将采集的数据进行分析后，进行全自动监控灌溉、施肥、喷药等一系列操作，实现灌溉水、肥、药管理精准化、供给自动化、设施标准化。即：精准定位灌溉、施肥、施药等;精准地确定用水、用肥、杀虫剂及种子等的施用量;精准地确定农作物生长期间各种农艺措施实施的具体时间。实现耕地资源的合理高效利用和农业现代化精准管理，优化我国甘蔗节水灌溉决策模型，建立实时反馈的甘蔗水肥药一体的智慧化、精准化控制系统。

1 低空遥感信息解译方法及工作流程图

集成应用移动互联网技术、无线通信技术，依托各种传感节点和无线通信网络实现甘蔗生产环境参数的及时采集、传输和分析，进行全自动监控灌溉、施肥、喷药等一系列操作，实现甘蔗种植可视化远程诊断、远程控制、实时预警等功能。形成甘蔗水肥药一体智慧化、精准化控制技术模式。具体围绕以下方面探讨：不同水肥药配置下蔗地土壤理化、生物学性质变化与土壤水和养分有效性的变化规律，分析土壤水分、养分转化与作物生长、吸收规律之间的协同效应;不同水肥药配置下糖料蔗生长发育、生理生化、农艺性状与产量品质的变化规律、糖料蔗根系发育特征、水肥利用效率及环境生态效应;不同水肥药配置下糖料蔗水分、养分吸收转运、光合特性及其碳同化效率，对比分析不同水肥药条件下糖料蔗主要生理生态指标的响应机理;分析水肥药一体化条件下糖料蔗不同生育期的需水、需肥及病虫害防控规律，探索广西乃至我国南方旱坡地糖料蔗生产管理的水肥药资源最佳配置，构建水肥药一体化条件下糖料蔗生长模式。探讨不同水肥药配置条件下糖料蔗生长发育的生理生化指标、营养状况和农艺性状与光谱遥感特征的对应关系，探明在水肥药优化条件下，糖料蔗光谱遥感特性表征的内在机制。

首先，利用无人机或无人飞艇搭载相关设备，获取糖料蔗不同种植年份、不同生育期关键期、不同水肥条件下的作物遥感影像信息。其次，利用低空遥感准确估算蒸散发模型参数。针对本地区糖料蔗生理特点，通过田间水均衡、田间养分、地面作物生理指标监测，研究确定试验区糖料蔗耗水耗肥规律及生理指标与糖料蔗耗水耗肥的定量关系;建立作物生理指标与蒸散发模型参数的函数关系;利用低空遥感观测繁衍的作物生理指标，估算区域糖料蔗耗水耗肥量时空分布;针对不同模型计算结果，探索不同模型结果融合方法，获取准确的糖料蔗耗水耗肥量时空分布。从地空遥感得到的图像中识别和提取大面积甘蔗生长特征参数，形成甘蔗种植低空遥感信息解译方法及技术规程，通过解析糖料蔗的光谱影像信息，建立光谱影像信息与糖料蔗的生理生化指标的对应关系，精确解译糖料蔗叶面积指数、冠层温度、水分消耗量、养分含量、生物量等主要生理生态指标。

无人机遥感技术可以真实、准确、随时随地地提供甘蔗生态环境和生长所需要的各种有效信息，可以帮助种植户获得精准的田间数据，从而根据这些田间数据采取对应的措施。无人机遥感技术在糖料蔗的种植过程中的应用主要有以下几个方面。

1.1 无人机遥感技术可以精确地监测和估算糖料蔗的实际种植面积

我国的耕地资源十分有限，如何利用有限的耕地资源创造出更加高产的农作物已经成为农业可持续发展的一个很重要的战略任务。无人机遥感技术具有信息量大、覆盖率广、精确率高、效率快，以及节约人工成本、不费时、不费力等优点，被越来越多地用于测定农作物种植用地的数量和面积的动态变化。因此，通过遥感技术实时监测甘蔗的覆盖面积和生长情况，可以达到合理安排水肥施放的目的。

1.2 无人机遥感技术可以实时监测甘蔗的生态环境

利用无人机遥感技术可以实时监测甘蔗种植地的土壤被侵蚀程度及盐碱化面积，同时还可以对土壤的干湿程度等甘蔗成长过程中的生态环境进行随时随地监测，这些反馈回来的田间真实数据可以为种植户采取相应的农艺措施提供科学依据。除此以外，遥感技术还可以监测、辨别甘蔗的病虫害情况，种植户可以根据数据判断何时采取施药杀虫及用药量，这样可以有效地减少甘蔗病虫害的危害程度，节约成本，提高甘蔗的经济效益。

1.3 无人机遥感技术可以监测甘蔗自然灾害

利用无人机遥感技术对各种自然灾害进行实时监测灾害发生的具体时间、发展程度、灾情程度、损失程度等，并根据反饋的数据对灾情进行有效的评估，这样可以极大地减轻自然灾害给种植户带来的经济损失。

气候的变化与糖料蔗的生长息息相关，无人机遥感技术可以实时监测和有效评估甘蔗受自然灾害的影响程度，甘蔗受旱灾或者涝灾影响的面积。灾害发生后，根据监测的数据可以对甘蔗的损失进行科学、有效的评估，然后种植户可以针对具体受灾情况，采取相应的抗灾措施，例如可以对缺失的种植地采取补种，对旱地进行浇水，对生长速度慢的面积采取局部施肥，对积水严重的田间地块采取排水等抗灾措施。

1.4 利用遥感技术预报作物长势与产量

利用遥感技术收集到的大量气候、土壤和甘蔗特性等资料，能够反映甘蔗的生长和发育的基本生理、生态，并根据甘蔗的长势预估甘蔗的产量。根据客观规律，从而有针对性地为指导糖料蔗的科学种植提供依据，提高土地资源可持续发展、利用的效率。系统工作原理图如图1所示。

2 甘蔗水肥药一体化智能灌溉系统的技术路线

通过在甘蔗种植基地试验固定式喷灌、移动式喷灌、地埋式滴灌、微润灌等不同灌溉模式，找出最适合甘蔗种植的灌溉模式。

（1）确定灌溉制度，包括灌水量的确定、灌水周期的确定、灌水时间的确定等。

（2）对灌水小区和各级管道进行合理布局，综合考虑水源供水能力、人工操作的方便性、灌溉均匀度控制和管网运行的合理性等因素，根据甘蔗种植区内的地形情况，以田间地形高差、道路与水沟等为界线进行轮灌和肥料施用。

（3）进行轮灌区划分、系统水力计算，给出流量、压力需求。

（4）水肥药一体化智能灌溉系统总体设计。主要分为首部系统、施肥系统、田间控制终端、田间滴灌系统等子系统设计。

（5）技术路线图如图2所示。

3 无人机在甘蔗节水灌溉领域的技术关键

（1）充分利用无人机低空遥感技术手段，综合地质、水文、环境等资料，在研究工作区土壤、水文、作物等各要素的遥感光谱特征基础上，配合适当的野外查证，建立遥感色彩、形状、影纹、地形地貌等解译标志。

（2）构建糖料蔗的光谱影像解译方法及技术规程。在确定最佳监测波段的基础上，构建科学合理、简便高效的光谱影像解译方法及技术规程是准确获取糖料蔗生长过程中最具价值作物信息的关键。

（3）利用多期影像进行对比研究、综合处理和数据统计，获得光谱信息后，经过解译，与糖料蔗的各项生理生化指标建立对应关系，以便快速、准确地进行甘蔗种植区域调查，为甘蔗施肥、节水灌溉等提供依据。

（4）通过对土壤墒情、土壤湿度、降水蒸发、水资源供给、作物的需水及需肥规律等采集到的信息综合分析处理，建立以肥、水、甘蔗产量及品质为核心的耦合模型和技术，生成甘蔗高效节本灌溉种植制度。

（5）光谱影像信息与糖料蔗生理生化指标的对应关系。获得光谱信息后，经过解译，如何与糖料蔗的各项生理生化指标建立对应关系是制约高光谱推广应用的一个重要因素，建立关系的方法众多，合理选择及建立模型是关键。

4 无人机在甘蔗节水灌溉领域的创新点

（1）根据集成无人机遥感和北斗卫星导航等高科技技术，建立一种高性能、经济型的小型专用遥感系统，应用于甘蔗种植。从地空遥感技术得到的遥感图像中识别和提取甘蔗生长信息，依托无人机获取糖料蔗不同生育期、不同水肥条件下的高光谱信号，并通过构建光谱影像解译方法及技术规程，将其与糖料蔗的生理指标、土壤水分和养分状态相结合，实时、高效地获取糖料蔗的生长状况，指导建立甘蔗水肥药一体化智能灌溉系统。

（2）创新低空遥感信息解译分析方法。低空遥感数据是低空遥感解译必需的基础数据源。为了最大限度地利用低空遥感数据提取农业等相关信息，创新最佳波段和最佳波段组合的选取。系统地了解掌握各类遥感数据的基本技术参数、植被特征，详细地掌握时间、季节、成像仪器、波段、经纬度、太阳高度角等技术参数，为合理选择新的低空遥感数据源、数据源组合及遥感信息处理方案提供依据。

（3）通过对比分析不同水肥药条件下糖料蔗主要生理、生态、指标的响应机理，得出水肥药一体化条件下糖料蔗不同生育期的需水、需肥及病虫害防控规律，并构建糖料蔗生长模型，对指导糖料蔗种植具有重要意义。

5 结论

施用化肥、喷洒农药会对环境造成一定的影响，将无人机低空遥感技术和作物生长模型构建技术集成应用到糖料蔗基地建设，研究甘蔗种植水肥药一体自动化智能控制系统，优化我国甘蔗节水灌溉决策模型，形成水肥药一体的智慧化、精准化技术规程和灌溉模式。通过预测预警、统防统制，同时根据甘蔗的成长情况进行精准地施肥、施药，这样可以有效提高糖料蔗的抗虫害能力，有效减少农药、杀虫剂的使用数量，降低用药对生态环境的影响。

把无人机、遥感及北斗（或GPS）导航定位等技术应用于甘蔗节水灌溉中，研究需水需肥规律，建立相应的灌溉制度，形成相对完整的现代农业自动控制灌溉施肥综合技术，不仅达到提高甘蔗高产高量的目的，极大地改善农业生产条件，大幅度提高劳动生产率，还可以有效地促进甘蔗灌溉节水的健康快速发展，缓解水资源紧缺局面，改善农业生产条件、改善生态环境，加快我国农业结构调整，对促进我国生态农业的快速发展具有重要的意义。

参 考 文 献

[1]DB45/T 1196—2015，糖料蔗高效节水灌溉工程设计导则[S].

[2]高辉，王秋平，赵新刚，等.基于旋翼无人机的农业低空高光谱遥感技术[J].科技创新导报，2016（2）.

[3]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报（信息科学版），2014（5）.

[责任编辑：钟声贤]