无人机遥感技术在农情监测中的应用

李欣璐，凌灿权

（惠州工程职业学院，广东 惠州 516000）

0 引言

农情遥感监测技术是以卫星或者无人机为技术载体，采用遥感技术对农业生产过程进行实时监测分析，达到对农作物产量的预估、病虫害的防治和精准农业喷洒的目的。将遥感技术与无人机技术相融合，运用在我国农业生产过程中，对农业现代化产生积极的作用。传统物联网监控设备有着作业范围小、实时监测难、卫星遥感搭建成本高、对天气状况要求极高等问题，无人机技术与遥感技术相融合能有效地解决上述问题，对农作物进行定量、定性、定位的监测分析。农田管理者通过监测分析获得农作物数据实现变量投入、精准农业、减少农药化肥的使用[1-2]。

1 无人机遥感技术在国外农情监测中的应用

国外无人机应用技术发展比较早，从世界范围看，美国、日本、加拿大等国家的农业航空发展规模和技术都较为完善。无人机遥感技术在美国、日本、加拿大等国家是农田信息监测的中坚力量，随着无人机遥感监测技术的不断发展，加速推动了世界各国的精准农业和农业信息化的发展。无人机遥感技术在监测农田作物生产数据和土壤分析规划中取得了良好的应用。

1.1 农田作物生长数据监测

美国Kauai 咖啡公司使用Pathfinder-Plus 太阳能无人机飞行器在1 500 hm2种植区进行监测，通过搭载超高分辨率彩色光谱成像仪拍摄图像，进行实时传输到计算机进行分析得出数据，以监测杂草爆发、施肥异常和灌溉暴露等情况[3]。无人机飞行器能有效节约人力劳动，兼具时效性好、成本低、安全性高等优点迅速在农业领域取得应用发展，提高了农作物产量的同时节约生产成本。

无人机监测技术在西班牙同样广泛应用在农业领域，无人机搭载光谱分析设备在监测胡萝卜素含量上作用效果显著[4]。光谱分析设备主要监测400～800 nm 光谱区内叶片的胡萝卜素的含量，农田管理者能实时掌握农作物的胡萝卜素的含量，有效提高了作物收成。JOSE MANUEL PEN 将无人机搭载近红外多光谱相机，对玉米田地杂草覆盖率进行拍照对比分析[5]。拍照的图像会自动生成1 张杂草网络结构图，同时传输到计算机进行分析比对，农田管理者会针对分析结果制定除草剂合理使用方案，达到精准喷洒，有效的节约了生产成本。

日本将无人机监测技术应用在计算叶面积指数，主要功能是对农作物的单面绿叶面积进行总量计算，针对光合作用的农作物，通过无人机搭载光谱设备进行数据计算，能最大化的利用有限土地达到最大的收成[6]。

1.2 农田土壤分析及规划

随着人口的不断增加,各国的土地使用情况日益紧张，耕地面积更为严峻，所以土壤的监测分析尤为重要，通过监测土壤的成分和分析其养分，合理规划农作物的选种和种植，能有效提高农作物的产量，同时使得农田土地的使用率提高。法国学者AMELIE QUIQUEREZ 通过无人机遥感技术监测土壤表面的特征对环境侵蚀的影响，针对图像分析找到当地的山坡水土流失的原因，并提出了合理化的建议，实现了保护植被的良好效果[7]。图1 为无人机遥感技术在农田土壤表面特征的应用。

图1 农田土壤表面特征

日本农民户均耕地面积较小，地形多山[8]，无人机监测技术可以有效解决土地种植分配问题，以无人机监测技术作为技术载体，对土壤信息进行分析，分配合适的种植作物，合理规划使用有限的耕地面积，针对性的种植对应作物，从而增加收成量。

2 无人机遥感技术在国内农情监测中的应用

我国的无人机发展虽然起步较晚，但发展迅速，目前我国无人机技术在世界处于领先地位。随着科技的发展我国无人机技术广泛应用在各个领域，特别是在农业领域，在农情监测中的土壤湿度监测、植被覆盖率监控、病虫害防治监测、农业保险赔付等方面，无人机遥感技术具有非常明显的优势。为完善我国农业领域内对农田监测的不足[9]，我国正重点发展低空无人机遥感监测系统，主要应用在土壤湿度监测应用、植被覆盖监测、病虫害监测、精准施肥等方面中并取得良好的效果。

2.1 无人机遥感技术在土壤湿度监测中的应用

大多数农作物对气候、土壤温湿度等因素具有一定的要求,农田土壤的湿度直接影响农作物的光合作用、呼吸作用、生长等生命活动，适宜的湿度可以使得农作物产量提高。土壤的湿度过低，会严重导致土壤干旱缺水，从而影响农作物的光合作用，降低农作物的产量和品质，严重干旱缺水直接导致植物的调零和死亡[10]。土壤过于湿润，导致土壤的通透性变差，使得土壤中的微生物无法正常的进行呼吸作用，无法正常分解养分供给植物生长，更严重的情况是令农作物的根部呼吸、生长等生命活动受到阻碍，导致作物根部缺氧窒息凋亡。

无人机遥感技术采用4K 高清摄像机低空拍摄土壤的照片，通过建立数据模型将获得的图像信息进行比对，进而得出土壤的湿度情况，从而实现对土壤湿度的监测。农田管理者根据土壤的湿度信息，合理对农田土壤灌溉，并且可以实时掌握农作物的长势。传统的土壤监测湿度技术无法实现大面积的监测，不能满足其在农业信息化的发展和应用。低空飞行无人机搭载可见光近红外高清摄像头拍摄照片进行各种空间分析，获得土壤的湿度等相关信息，图2 为搭载红外成像仪无人机正在监测灌溉渠道水分渗漏情况。农田管理者通过收集的数据进行对农田土壤湿度的控制[11]。无人机监测技术具有低成本、高时效性、轻便、起飞方式灵活等优点，轻松解决我国土地辽阔、地形复杂导致的监测难等问题。

图2 搭载红外成像仪无人机监测灌溉渠道水分渗漏情况

2.2 无人机遥感技术在植被覆盖监测中的应用

植被覆盖率是地表植被分布的重要参数指标，是一个区域内生态环境评价的重要指标，它能精准预测农作物产量。近几年，我国精准农业发展迅猛，但传统的农作物遥感监测技术无法满足现实需求，卫星光学遥感监测成本高且容易受到云层遮挡，人工地面采集数字图像技术无法满足空间和时间分辨率要求，而且人工花费成本大、耗时耗力、效率低[12]。

低空无人机遥感技术的发展弥补了这些问题，不仅能解决卫星监测成本高、受云层阻挡的问题，还大大释放劳动力。低空无人机移动轻便快捷，对环境有很强的适应性，可以更好的代替人工在特殊环境下进行监测工作，提高了工作效率。我国已经将小型低空无人机监测技术运用在冬小麦覆盖率的研究方面，获得数据可分析冬小麦覆盖率的变化，农田管理者根据数据分析的结果进行更好的区域管理[13]。

2.3 无人机遥感监测技术在病虫灾害防治中的应用

农作物的病虫防治工作是农业领域中重要的组成部分，也是决定农作物收成的重要因素，因此对农作物进行病虫灾害监测工作尤为重要，监测质量的好坏主要取决于监测设备的质量和信息分析处理方式。无人机遥感技术是新兴科技技术，通过搭载高清摄像头完成对大面积农作物的拍摄作业，通过分析图像信息获取土壤信息和作物的环境信息[14]。此外，结合农作物的光谱信息、农产品的色彩和纹理特征图像分析，获得农作物的病虫灾害情况和受灾面积分布信息，农田管理者根据分析的资料信息可以全面快速了解受灾情况，及时作出防灾救灾措施。无人机灵活便捷、反应迅速等特点在灾害预防控制方面，可以快速采集信息，传输至计算机分析数据，帮助农田管理者掌握病虫灾害情况并开展防治工作。图3 为无人机通过高光谱和多源光谱遥感技术对松林线虫病染病树木进行监测[15]。

图3 光谱分析图

无人机遥感监测技术通过搭载信息传感器，对农作物进行拍摄，将图像进行对比分析，或者是根据作物在不同生长状态下能反射不同波长电磁波的原理，进行实时监测作物状态。黄耀欢等[14-15]应用小型低空无人机遥感技术，分析了受到不同类型灾害的森林树木反射光谱特性，研究发现受到灾害类型不同的树木在特征波长反射上存在差异。同样无人机监测技术可运用于小麦条锈病的监测，通过无人机搭载的传感器监测影像波段信息，进行实时监测生长情况[16]。

2.4 无人机遥感技术在精准施肥中的应用

目前我国的农业还处于粗放型农业阶段，主要采用统一施撒的传统播种方式，单纯凭借农田管理者的经验之谈，不考虑土壤条件、农作物的生长状态等情况，从而导致一些肥料浪费和各种偏差。通过无人机技术可以实现更加精细化的施肥，达到精准农业的目标，通过无人机遥感技术，把需要施肥的农田通过无人机挂载的多光谱相机采集影像，然后将影像通过Pix4Dfields 软件全自动处理后，生成NDVI（归一化植被指数），从而分析出当前农作物的长势和目前土壤条件，最后创建处方图，得到最佳的施肥方案，减少不必要的浪费，降低化学肥料对环境的不利影响，最终达到精准农业的目的。

2.5 无人机遥感监测技术在农业其他领域中的应用

众所周知，农业保险理赔中最棘手的问题就是难勘察和难定损，将无人机遥感技术应用于农业保险理赔中，能有效解决上述问题。无人机配备高清摄影头，不受地形环境的限制起飞降落，飞行轨迹灵活便利，具有高时效性，提高理赔勘测的工作效率，节约成本，并且高清摄像头拍摄能保障农田赔付的准确性。图4 为农险业务勘测。

图4 农险业务勘测

耕地面积减少，人口不断增长，全球粮食问题日益严峻，农田管理规划是生产劳作的重要部分。目前存在的农田管理系统主要分为2 种方式，一是有线传输传感器监测系统，二是无线传感器监测系统。这2 种方式都存在各自的优缺点，有线传输范围受限，搭建成本较高，但能持续稳定工作；无线传输范围广，对设备要求高，但容易受到干扰。低空无人机技术配置高清4 k 相机、近红外设备与地面控制基站监测系统，能全方位的监测农田区域，成本低、监测面积广阔，能够实时监测，农田管理者可以更加直观观察到农田信息，使得管理更加人性化、立体化且更具经济效益[17]。

我国农业发展已经走上信息化、机械化生产之路，随着无人机技术等高新科技的不断融入，我国农业的发展将迈上新的台阶，我国的精准农业进程发展将更上一层楼。

3 无人机遥感技术应用于农情监测中的优势

无人机通过搭载各类型的传感器设备实现遥感监测功能，在农情监测方面，低空无人机优势显著，因其灵活轻便，不受环境因素影响，对环境适应性强，可以在复杂、危险的种植环境下替代人工监测作业，可极大避免农作物的损失和节约人力劳动成本。无人机体积轻巧，方便携带，尤其在高山、丘陵森林等复杂地形环境凸显优势，不需要架设大型设备，也不需要搭建网络设备，减少不必要的成本支出，可以方便快捷、准确地获得所需数据资料。传感器是无人机遥感技术的关键部件，不同的传感器会影响无人机遥感的效果。表1 为无人机搭载的传感器优缺点总结[18]，伴随着信息化的迅速发展，无人机遥感技术作为高新科技技术，在各行业都有广泛应用，尤其在农业领域优势凸显。

表1 无人机搭载的传感器优缺点

4 无人机遥感技术在农情监测应用中存在的问题

4.1 飞行平台稳定性需进一步完善

无人机的飞行技术平台在近几年发展迅速，也有一定的成就，但是在低空无人机遥感监测作业过程中，还是会受到飞行平稳状态和智能传输数据等方面的局限。无人机的承载能力、搭载的传感器精度、自身动力电池续航等因素，都会影响无人机监测的实用性[19]。无人机对作业环境也有一定的要求，不能在强风下雨天气开展监测工作，这将会导致其适用性降低。目前市面上大多数的无人机抗风能力在风力4 级以下，尽管在一般的天气状态下能起飞作业，但是因飞行过程中的机身抖动、飞行状态不平稳等因素，获得的数据信息会有较多的噪点，后期图像数据处理分析需要消耗大量的技术和人力成本，其信息的准确性也大打折扣，无法实现精准还原结果。这些都是影响监测准确的因素，所以无人机监测技术在农情监测上有所局限。

4.2 无人机载荷能力有限，难以实现多源信息采集

无人机体积轻巧灵活，但其载荷能力有限，无法搭载太多的设备，因此无人机遥感系统配备单一的传感器无法满足全面、准确的反应农田和农作物的信息。低空无人机监测技术需要解决各种遥感信息如何综合呈现、如何提高精准度、拓展农作物和农田的监测范围等问题[20]。目前，专家学者研究多源数据进行同步监测农田土地信息，如高林等[21]通过数码影像与高光谱成像相结合方式进行综合估算玉米生物产量。但目前多源数据分析农作物的研究信息不多，在更为复杂的农田土地环境，数据来源更是需要多方面的，不仅局限于2个传感器。因此无人机的使用有一定的限制，需要更进一步的完善[22]。

无人机监测农情信息中，只能进行单一时段的数据监测，无法监测农作物过程中不同时间段的生长发育情况。因为农作物在不同生长周期，其光谱和纹理不同，所以无人机很难获取多个连续生长周期数据，其反演数据少、不具代表性，难以准确体现农作物的实际生长情况。因此需要建立动态模型进行监测农作物生长连续过程。无人机通过低空获取数据后对农作物进行反演、预测农作物产量等各种生长指标参数的模型只能通过以往的经验为主。所以无人机低空监测存在一定不足，还需研发更高效的地物识别、信息获取和分析模型，并且形成一定的标准。

5 结论

无人机遥感技术拥有轻便灵活、低空精准监测等优点，尤其在空间尺度和精度上有着明显的优势，特别适用于中尺度的农田土地资源信息的快速获取。在未来，随着无人机遥感技术整体的加速发展，在飞行平台、机载多源设备获取信息技术、数据挖掘分析、建模技术等方面发展完善后，无人机低空遥测农情技术在相关领域将更为广泛应用，我国的精准农业发展必将迎来新阶段。