无人机遥感技术在精准农业中的应用

范月圆，刘华勇

（1.江苏航空职业技术学院；2.镇江高等职业技术学校，江苏 镇江212010）

0 引言

目前在资源日显短缺，在农产品市场竞争日趋激烈的时代，由于化学物质的过量投入，引起农业生态环境和农产品质量下降，高能耗的管理方式导致生产效益低下，不适应持续发展的理念需要。精准农业(Precision Agriculture)其基本涵义是根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，即一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位的“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，以最少或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，取得较好的经济效益和环境效益。

遥感(RS，Remote Sensing)技术是精准农业生物技术体系中获取田间数据的重要来源，积累起来的作物多光谱图像信息处理及成像技术、传感技术和作物生产管理需求密切相关。无人机遥感系统为云下观测系统，飞得低，看得近，实效性高，不受天气影响，具有机动、快速、经济等优势，已逐步从研究发展到实际应用阶段[1]。

1 无人机遥感技术系统构成

1.1 植物光谱特征

农作物在病虫害侵袭或其他不利生长因素条件影响下，在不同波段上表现出不同程度的吸收和反射特性的改变，通过形式化表达成为光谱特征后，作为无人机遥感监测的基本依据。当农作物受到病虫害侵扰或缺少营养时，叶子会呈现出具有相应病态特征的状态，如颜色的改变、结构的破坏或外形的改观等，同时叶子的光谱反射率也会随之改变。在可见光波段向近红外波段过渡区间，受胁迫农作物的植被反射率比健康农作物的反射率大，同时，近红外光谱的变化产生在可见光光谱的变化之前，通过近红外光谱的监测分析，提前预判评估作物的健康情况[2]，实现对每一块土地进行精细化、全方位的观察。

1.2 系统构成

1.2.1 硬件系统

无人机遥感系统的硬件主要包括飞行器和传感器两部分。

飞行器采用创飞CF3.0无人机精准农业套装，如图2所示，参数如下：

创飞CF3.0整机×1

遥控器×1

TB48D电池×4

禅思X3相机×1

NIR相机×1

定制防护箱×1

图2 创飞CF3.0无人机精准农业套装

传感器采用派诺特Sequoia多光谱传感器（如图3所示）。Parrot Sequoia五通道光谱相机可采集可见光和不可见光图像数据，捕捉植物和日光反射光线，提供的标定数据可用来优化监测，从而对农作物的健康进行分析及判断。Parrot Sequoia所配置的多方位传感器利用不同的波长捕捉精确照片，绘制出精确的NDVI地图。

参数如下：

RGB相机:分辨率:16 Mpx 4 608×3 456px

水平视角（HFOV）:63.9°

垂直视角（VFOV）:50.1°

显示视角（DFOV）:73.5°

4个单独波段：

绿波段:550 nm，带宽：40 nm；

红波段:660 nm，带宽：40 nm；

红 边:735 nm，带宽：10 nm；

近红外:790 nm，带宽：40 nm。

图3 Sequoia多光谱传感器

1.2.2 软件系统

软件采用Pix4Dfields，这是一款专为数字农业打造的农田测绘和作物分析软件，能获得快速而精准的地图，可以生成最常用的指数NDVI、NDRE、VARI、TGI、SIPI2、LCI、BNDVI、GNDVI地图，帮助更快识别问题[3]。

2 无人机遥感技术在精准农业中的应用

2.1 精准施肥

传统的施肥方式通常是采用统一施撒，不考虑土壤条件、农作物的实际长势等情况，因而会造成种种偏差和不利影响，结合精准农业技术后，可以操作无人机飞到问题农田区域，使用无人机和多光谱相机采集多光谱影像，这些影像被导入到Pix4Dfields软件中进行自动化处理，生成NDVI植被指数[4]。分析农作物在当季及特定土壤中的生产状况，并创建处方图，从而得出最佳施氮方案，减少化肥使用量，降低对环境的不利影响。最后还可以把得到的NDVI地图，结合各种因子（气温、降水、肥料等）输入到估产模型中，得到农作物的产量分布，如图4所示。

图4 无人机精准施肥作业示意图

2.2 变量施药

传统农业中农作物病虫害监测预报方面主要还是依靠植保人员的田间调查、田间取样等方式，费时耗力，存在主观性强、时效性差等弊端，难以适应目前大范围的病虫害实时监测和预报的需求。

由于病虫害叶片或冠层光谱是对植物生理、生化、形态、结构等改变的整体响应，具高度复杂性，因此对于不同植物，不同类型、不同发展阶段的病虫害，可能会有多样的光谱特征。针对这些情况已经有相当数量的研究对不同作物病虫害的光谱特征进行了报道，研究者们选择了合适的识别和区分算法，以建立这些病情和光谱特征之间的关系提出了各种各样的方法和模型[5]。在此研究基础上，我们不仅可以根据农作物的生长周期、历史环境判断虫害的种类，选择合适的杀虫剂，并可以根据受害的严重程度对农田进行区域划分。

3 结语

开展无人机遥感技术应用，有其他传统监测方式和传统地面作业机械无法比拟的优势，能及时准确地获取农情信息，并从空中辅助农事操作，实现了有别于传统方式的精准施肥、变量施药，改变了传统的作业和管理模式，具有很好的市场推广应用前景。