基于多源信息融合的农业空地一体化研究综述

陈 琴

(三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃 天水 741000)

前言

我国自古以来就是人口大国与农业生产大国，农业发展不仅是国家经济发展中的支柱型产业，更是维持社会稳定与安全的重要前提保障。在农作物监测管理中，农作物的信息数据通常具有复杂性与多样性等特点，传统单一的监测技术已经逐渐无法满足现代化社会对农业生产提出的具体要求，因此，利用多源信息技术开展智能化农业管理势在必行。多源信息技术与无人机影像技术等信息化技术相融合能够共同组成空地一体化系统，以此实现从天空与地面对农作物生长进行全面监测，进而提高农业生产质量与效率。

1 多源信息融合概述

多源信息融合是一项综合型学科，又可以称为多传感装置信息融合技术，诞生于20世纪70年代。多元信息融合经过长期发展与应用，已经成为一项独立的学术科目，多源信息融合相关理论知识与应用体系等已经相对成熟，在军事领域中具有十分良好的应用效果，如信息识别、目标追踪、自动化指挥系统、防御系统以及战略预警系统等。随着计算机、互联网等现代化技术快速发展，信息数据的种类与内容变得越发繁琐复杂，导致多源信息数据处理工作难度直线上升。因此，构建能够适用不同情景的多源信息系统以及灵活应用信息融合技术是现阶段亟需解决的关键问题。多元信息融合技术的基本原理就是利用传感器获取监测目标的信息数据，随后通过信息传送技术将信息数据传送至处理系统，依据信息种类的多元性特征进行分类处理，对提取出的信息特性进行分析研究，从而实现对监测目标的有效控制与检测识别等[1]。

在农业生产领域中，基于多源信息融合技术的空地一体化系统主要是指运用无人机搭载相关设备进行农业信息数据获取，利用模式识别、图像处理等技术开展信息数据分析与统筹处理等，从而实现智能化农业发展监测与管理。在以无人机为主要核心的系统中，主要包括无人机系统、信息处理分析系统以及传感装置采集系统。其中，以无人机系统为主要系统，主要搭载光谱相机等影像设备；信息处理分析系统主要负责对监测收集的信息数据进行前期处理、过滤选择以及分析计算等；传感装置采集系统主要对农业环境等信息进行收集，其中主要包括光谱相机、传感装置以及照相机等设备。

2 基于多源信息融合的农业空地一体化研究

2.1 可见光成像技术

可见光成像技术主要是指RGB可见光影像获取技术。在实际应用中应用数码相机不仅能够有效获取到监测对象的表面基础信息，同时，外界环境因素对成像过程的干扰性较低，具有较强的空间分辨率，但是对光谱的分辨性能较差，只能分辨红色、绿色以及蓝色波段。数码相机可以有效获取到农作物的真彩色影像、高程模型以及农田灰度，能够以此为基础对农作物生长情况进行有效分析，如叶面积指数、叶面颜色、植株高度以及整体倒伏情况等。无人机搭载数码相机具有成本低廉、机动性能好以及分辨率高等特点，能够快速准确地评估地面生物量，是遥感估算领域中的重点研究内容之一[2]。刘杨等学者进行如下实验，在马铃薯的快速生长阶段通过不同的无人机飞行高度对马铃薯实际情况进行监测，以此获取不同分辨率的影像信息，探究其对农作物纹理特征、光谱信息以及纹理特征加光谱信息对于AGB模型数据的精确度信息的影响；实验结果表明，在相同分辨率影像下，纹理特征与光谱信息相结合进行AGB估算具有最佳的估算效果，只利用光谱信息进行估算的效果最差，只利用纹理特征进行估算的效果中等；而随着分辨率的提高，3种AGB估算方法的精确度都会得到一定增强。

2.2 光谱成像传感器

利用无人机搭载光谱成像装置能够有效监测到农作物的光谱反射特性以及吸收特征，常用于对农作物的成长情况、种植面积等进行监测，从而对农作物的理化参数进行有效估算，进而预算实际产量。光谱成像传感装置能够捕捉到电磁辐射光谱中存在的不可见光与可见光部分，在实际应用中具有成本低廉、工作效率优以及信息获取快等特点，现阶段已经广泛应用在农作物生长数据获取研究领域中。高光谱影像技术能够有效获取到农作物的叶面积指数、含水率、叶绿素含量、叶片营养含量以及其他信息数据等，同时能够对农作物整体产量进行有效预测。高光谱技术已经成为无人机遥感技术在农业发展中的重点研究方向[3]。宁纪峰等学者针对地膜农业的作物生长情况的监测工作制定了一种改进型分割模型，并在实际应用中实现了对监测地膜农业生长情况的有效分割；实验结果表明，改进后的语义分割模型在光谱遥感影像识别中的应用效果与可见光相比高出7个百分点，该技术能够在相对复杂的场景中准确识别地膜农业，从而有效分析农作物的具体种植情况与生长情况。

2.3 热红外影像传感器

热红外影像传感器又可以称为热红外成像仪，在实际应用中利用专业的算法将监测到的红外辐射能量转换为温度，主要包括光学成像镜头以及红外探测装置，而红外探测装置的主要构成是红外敏感元件。红外传感装置能够对特定时间内农作物的生长情况进行数据收集，从而分析农作物的生长趋势以及水分胁迫等信息。蒸发速率、光合特性以及气孔导度等与农作物表层温度息息相关，因此，利用热红外传感器能够有效监测农作物在胁迫环境下具体长势。杨文攀等学者利用无人机搭载高清数码相机与热红外成像装置，对不同性状的拔节期玉米进行研究分析，利用低空遥感系统对试验区进行航摄获取信息数据，利用空三技术对数码影像进行几何坐标校正，利用手持式测温装置对辐射定标版的黑白面进行温度测量，利用高分辨率的数码相机对玉米生长情况进行分类，同时进行二值化处理[4]；除此之外，还需要利用手持式测温装置对玉米表面温度进行同步测量，对2种测量温度进行一致性分析研究，以此探究热红外影像传感技术获取玉米表面温度的具体效果；实验结果表明，热红外影像传感技术与地面实际测量技术具有高度统一性，数据获取具有较高的精确性，能够有效应用在实际工作中。热红外影像传感能够实现无损伤、精确、迅速地获取到农作物的表面温度，对监测农作物抗旱性能具有十分重要的影响作用。

3 空地一体化在农业发展中的具体应用

3.1 农作物生长监测

对农作物生长情况进行监测并及时评估作物健康状态是保障农业生产质量的重要手段之一。利用无人机搭载可视红外线设备，能够有效监测农作物对红外光与绿光的反射情况，同时绘制出多光谱信息图像，有效判断农作物的生长变化情况与具体健康情况。农作物种植者能够依据相对应的数据信息制定出行之有效的解决方案，确保农作物处于健康生长状态，远离病虫害威胁，进而有效提高农业生产质量与产量。空地一体化技术不仅能够有效监测土地环境的基础信息，同时还能够对农作物的生产过程进行全面监测，农业管理人员能够依据监测到的相关信息数据进行深入研究，从而有效判断农作物的生长趋势。可以利用无人机搭载相关设备进行光谱信息收集与实时图像信息收集，以此为基础对农作物的具体生长情况进行动态化监管，并结合监测数据信心对农作物生产管理规划进行科学有效的调整优化[5]。如，对玉米、向日葵等作物进行长势观测与营养监测，进而科学开展农药喷洒、水源灌溉以及施肥等操作。除此之外，还可以利用无人机搭载高清摄像头，定期开展农作物多普影像拍摄，同时对各项数据信息进行对比分析，制定科学合理的农业管理方法。无人机搭载技术在实际应用中具有十分广泛的应用范围，能够通过搭载不同种类的设备对农作物进行有效监测管理，如农作物的整体生长情况、种植密度、生长变化趋势等。与传统人工监测模式相比，该技术能够有效实现高效、快速、精确监测农作物生长过程，从而实现农业的高质量与高产量。

3.2 农作物药物喷洒

无人机能够应用在农药喷洒工作中。利用智能监控系统对农作物发生病虫害区域进行精准定位，同时利用地面远程操控系统控制无人机进行相应药物喷洒。该技术能够有效控制农药喷洒剂量，确保高效治理农作物病虫害情况，从而构建出良好的农作物生长环境。在无人机药物喷洒应用过程中，控制人员还可以针对不同农作物的生长需求以及病虫害的具体分布情况对无人机喷洒范围进行有效调整，从而避免了二次喷洒的现象，提高病虫害治理效率，进而加强农作物的实际生产质量。我国南方地区首先将无人机技术应用在农作物药物喷洒工作中，张海艳等学者进行如下实验，通过改变药物喷洒数量与无人机高度多次开展农田喷洒操作，利用水敏纸图像分析与荧光示踪剂法分析不同喷洒条件下药液雾滴在靶标上的实际沉积效果；实验结果显示，不同旋翼的无人机具有不同的雾滴沉积效果，相比之下单旋翼无人机从痕迹效果更为良好；但是不同喷施高度与计量的无人机喷施对农作物防治病虫害的效果无明显差距，最终结果均达到国家规定标准[6]。无人机施肥与机械施肥或人工施肥相比具有明显的技术优势，定位系统与遥感系统能够有效控制无人机开展远程工作，大幅度节省了人工作业成本，同时精准化施肥能够显著提高农作物生产效率，确保施肥更加高效化与科学化。除此之外，无人机施肥还能够依据不同作物在不同时期的生长需求，科学控制无人机施肥的剂量，从而为农作物提供充足的营养成分，最终实现农作物的高质高产。

3.3 农作物灾害监测

自然灾害对于农业发展具有十分巨大的影响，其中最为常见的气候灾害包括洪涝灾害与旱灾。洪涝灾害具有极强的突发性，我国每年受到洪涝灾害影响的农业种植面积在740万hm2左右，造成的经济损失约为200亿元，严重影响我国农业经济发展。而空地一体化技术能够有效缓解自然灾害对农作物的破坏影响，其中，植被指数法、热惯量法以及缺水指数法等是较为常见的旱灾检测方法。代辉等学者利用空地一体化技术对洪涝灾害进行研究，利用卫星技术、无人机遥感技术以及地面人工调查等方法，利用地面人工调查的方法获取到无人机遥感技术所需要的基础信息数据，利用信息处理相系统对关信息数据进行分析，以此为基础为卫星技术开展信息处理提供帮助，利用NDWI指数方法对卫星技术呈现出的洪涝范围中的水体指数的阈值进行有效提取，以此分析洪涝灾害实际影响情况。无人机技术的应用能够快速精确获取到自然灾害对于农业生产造成的直接影响，帮助当地有关部门迅速开展农业抢险救灾工作。除此之外，空地一体化技术能够对病虫害进行有效监测，检测原理是病虫害会导致农作物叶片生产情况受到直接影响，如外表形状、水分氮素量以及细胞结合色素等，进而导致作物光谱发生变化，利用无人机搭载光谱设备能够有效监测到农作物光谱变化情况，从而分析作物病虫害分布情况与严重程度，辅助相关人员开展病虫害防治工作[7]。

4 结论

基于多源信息融合技术的空地一体化技术能够有效提高农作物监测效果与效率，在实际应用中具有成本低廉、工作效率高、实用性能强、不受地形约束以及精准性强等特点，改变了传统农业生产模式，将农业种植者从大量繁重复杂的农业管理工作中解放出来，同时有效提高农业病虫害防治效果，实现农业生产的高质和高产，推动我国农业经济进一步发展。