兰州市玉米生长状况无人机遥感动态监测

2022-10-21师小雨鄢继选景峻虎马登旭

农业技术与装备 2022年9期

师小雨，鄢继选，黄芳，王江，景峻虎，马登旭

（甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州 730070）

随着经济的快速发展，农业信息化已成为农业发展的必然趋势[1]。我国是一个农业大国，对粮食需求大，但由于生态环境和地理条件的影响，干旱、天灾、寒冷及病虫害等灾害频繁发生[2]，粮食供应的安全性存在严重问题，故监测农作物的生长状况成为了保障粮食供应、促进农业发展的必要途径[3-4]。遥感技术的发展改变了农业发展的复杂性和不规则的局面[5]，是影响农业经济发展的重要因素之一[6]。刘新杰等[7]通过单个农业区的遥感数据，建立了叶绿素生长密度反演和叶面积指数遥感模型，研究了不同作物的具体生长趋势；钱永涛[8]开发了植物生长监测系统，用于监测不同植物品种在不同时间的高产率和叶绿素含量；赵晓阳等[9]基于图像中获得的多光谱遥感数据，确定了与植物与害虫症状密切相关的敏感植被指数和害虫识别模型。

因此，无人机遥感技术与传统的农作物监测方法相比，具有信息获取速度快、空间覆盖范围广、成本低等优点[10，11]，并且可以获得高分辨率的图像，是目前作物生产最重要技术手段[12，13]。本文以甘肃省兰州市的玉米为研究对象，利用无人机遥感技术对该区域的玉米进行监测，从而获得更完善的适合兰州市玉米培育的新方法，并有效地预防与监测玉米的生长状况，提高兰州市的农业发展水平。

1 数据采集与处理

本研究自2021年4月10日采用无人机多光谱相机获取首期遥感影像，考虑到苗期、穗期、花粒期是玉米的3个关键生育期，所以于2021年5月25日、7月15日、8月20日获取3期影像作为主要生育期影像进行分析，于9月20日获取最后一期影像，一共获取5期影像。

数据处理流程：利用无人机遥感影像监测玉米病虫害的数据处理流程大致包括影像格式转换、影像筛选、影像拼接、影像校正、特征提取、模型构建、精度评价等[14]。

2 方法

2.1 玉米长势监测方法

利用过程监测方法，按所选NDVI的时间分辨率，逐期统计NDVI均值，形成2022年玉米生长过程曲线[15-16]，利用多时相遥感数据可以确定植物生长发育的宏观动力学特征。在玉米生长期间，植物生长状态和生长条件的变化会引起时间曲线的相应动态变化。这种响应关系可用于推导作物的生长发育状态，并根据曲线的变化特征监测植物的生长。

2.2 玉米病虫害监测方法

第一，提取受病虫危害玉米的光谱反射率，结合无人机遥感和地面人工调查数据，准确获取受害玉米的冠层光谱特征。第二，获取作物的纹理特征，采用纹理分割和简单线性迭代聚类识别病虫害的特征，并通过二进制支持向量机和多类支持向量机分类不同病虫害。第三，通过变量投影等重要性准则筛选出玉米病虫害的生境特征，结合无人机遥感和地面人工数据，建立玉米病虫害监测模型。

3 结果分析

3.1 玉米长势监测

对遥感影像数据整合分析处理后得到玉米各期数据，见表1。当生长区的温度在7℃～26℃，水分含量约65%和通气条件比较适宜的情况下，通常经过5～6 d便可出幼苗；苗期约为30 d，幼株出土约2 cm，至苗期结束长至79 cm左右；小旱益于幼苗根系的发育和扎根，且幼苗喜旱不耐涝。穗期作为营养生长阶段和生殖阶段，植株约为成株的70%，高198 cm，穗位112 cm，生育期约为45 d，在玉米穗粒形成的关键时期，雄穗开始小花分化环节，做好肥水管理工作。花粒期对高温极为敏感，此时株高约220 cm，穗位120 cm，生育期为39 d，穗长12.6 cm，可以通过灌水降温、人工授粉、叶面喷洒肥水等措施进行保护；成熟期的玉米籽粒经过失水干燥而成熟，最终成为种子，最终株高为264 cm左右，穗位142 cm，生育期为43 d，有效穗数59 595 kg/nm2，穗长18.5 cm。

表1 兰州市玉米各生育期数据概况表Tab.1 The data overview of maize growth periods in Lanzhou City

一般在相对潮湿的土壤上播种玉米，适宜的温度，可使种子尽快发芽，玉米的生长周期是120～150 d左右。玉米的种植时间要根据所在地区的气候环境决定。兰州地区在每年4月前后种植，可使玉米更好地生长。由于玉米对水肥要求严格，种植地应土壤肥沃、疏松干燥，且方便灌溉和排水。兰州地区的玉米生长主要集中在4月—10月，通过实地测验，种植地下4 cm、12 cm、25 cm等深度的土壤温度分别为19℃、17℃、16℃。耕作区地层平均温度为17℃，且呈上逐年升趋势，每10年上升0.3℃，截至2022年，玉米耕作层温度上升为1.0℃。播种时的适宜温度为10℃～12℃，若温度较低时需覆盖地膜，有利于保温。就玉米生长趋势来看，从胚芽鞘出现在土壤表面时，其长势符合一般的作物规律，即由慢到快再到慢，且受到杂草、病害和虫害等其他生产问题的影响。

3.2 玉米病虫害监测

在玉米生长的各个阶段都会遭受不同种类的病虫危害，其中出现频率最多的为黏虫。当玉米受到病虫害侵扰时，因缺乏营养和水分而生长不良，叶片海绵组织受到破坏，叶子色素比例发生变化。由图1可以看出，玉米遭受病虫为害时，叶片光谱曲线有所变化，并且不同虫害程度曲线变化有所不同。玉米受病虫为害后，随着为害程度的不断加重，在500～700 nm和700～1 000 nm范围内不同虫害程度的玉米叶片光谱曲线有着很大的差异，其中可见光区玉米反射率明显小于近红外区域，且近红外区域的起伏更加平缓，整个反射光谱曲线的波状特征被拉平。研究认为，玉米病虫害越重，光谱反射率较健康作物变化越大，光谱反射率曲线起伏越平缓。同时说明通过遥感方法不仅可以监测虫害程度，也可以估测产量，估算产量损失。

图1 健康、早期、中度和重度虫害的玉米叶片光谱图谱Fig.1 The spectral map of maize leaves with healthy,early,moderate and severe insect pests

4 讨论

4.1 玉米长势和病虫害监测

近年来，随着我国农业技术的快速发展，监测作物长势及其病虫害变得愈发重要[17]。其中基于遥感影像监测玉米生长状况和探寻玉米培育方法的研究并不多见。因此，本研究以遥感影像为数据来源，分析监测数据在不同生育期的长势和病虫害中的适宜性和有效性。株高在苗期至穗期的变化最为明显，大约生长高度可达119 cm。苗期为30 d左右，幼株出土约2 cm，至苗期结束长至79 cm左右，是玉米株高变化的重要阶段。穗期是营养生长与生殖生长并进阶段[18]，此时植株已形成60%左右，株高约198 cm，生育期达45 d，雄穗已开始进行小花分化，是玉米穗粒数形成的关键时期。温度在10℃～12℃时播种最为适宜，若播种时气温较低，则必须覆盖地膜，并科学控制玉米的种植密度，垄沟宽度保持在44～55 cm。苗期：在玉米幼苗出土后，需及时浇水保持水分，幼苗长到30 cm左右需要施用尿素追肥，追肥后进行灌溉。穗期：玉米植株长到30～40 cm时会进入快速生长期，这时需要大量养分来促进茎干拔节，一般增施复合肥。花粒期：玉米开花过后风媒受粉，但要注意窜粉，以避免长出花玉米。长出果穗到成熟需20 d左右，待颗粒硬化后便可以采收。

4.2 不确定性和影响

基于遥感影像数据监测作物长势及病虫害是目前应用最广泛的方法[19]，但在此研究中仍然具有一定的不确定性。首先，在作物生长状况的分析中只采取了作物在一年的数据作为分析对象，故在时间上没有普遍性，导致研究数据具有一定的局限性；其次，此研究高度依赖于遥感影像的精确性，提高遥感影像数据的精度是未来降低作物监测数据误差的重要途径。因此，在未来研究中，使用此方法分析监测数据是研究中的重要部分，尽管本研究存在上述不确定性，但能为分析作物长势及病虫害监测提供理论指导和决策支持。