基于旋翼无人机的农业低空高光谱遥感技术分析

王亚利

（三和数码测绘地理信息技术有限公司，甘肃 天水 741000）

农业现代化的快速推进，对农作物管理提出了更高的要求，这就需要采用更加科学精准的管理模式。在农业规模化发展进程中，往往要实时监测大面积的农作物，从而掌握农作物实际生长发育情况，为后续保障农作物养分与水分需求以及开展施肥、浇灌等田间管理工作提供更加科学的依据。为了有效实现这一目标，应构建出更加完善的数字化农业管理体系。近年来，旋翼无人机在农业领域中得到了较为广泛的应用，不仅为农业生产数据信息的采集带来了极大的便利，也促进了农业管理的现代化发展。采用旋翼无人机的农业低空高光谱遥感技术更是取得了良好效果，值得对其进行深入探究。

1 旋翼无人机与高光谱遥感技术概述

旋翼无人机主要是指利用无线电遥控设备以及自备程序进行控制操纵的多旋翼无人机，根据飞行高度可以将其划分为高空无人机以及低空无人机两种类型，而农业领域当中应用的主要为低空无人机。而高光谱遥感技术，其全称为高光谱分辨率遥感技术，能够通过电磁波的应用来获取相关的数据信息，高光谱图像也主要由成像光谱仪获取，成像光谱仪能够为每一个像元提供几百个窄波段光谱信息，从而构建出一种具备更高连续性与完整性的光谱曲线。在实际成像阶段中，成像光谱仪可以采用纳米级的光谱分辨率，在多个波段中同时探测地表的地物成像，从而准确获取地物的连续光谱信息，还可以有效同步获取空间信息、光谱信息以及辐射信息，那些在宽波段遥感当中无法被探测的物质在高光谱当中也可被探测出来。近年来，高光谱遥感技术也属于迅速发展的一种全新遥感技术，其中融合了计算机技术、数据信息处理技术以及探测器技术等多种现代化技术，具备很好的应用价值[1]。

2 旋翼无人机与高光谱遥感技术的应用

2.1 旋翼无人机的应用

1）旋翼无人机的技术构成。旋翼无人机在本质上属于一种整体化系统，主要由无人机机体、地面通信基站以及任务载荷等组成，同时，旋翼无人机内部的任务载荷，也可以结合实际工作需求进行调整优化。而地面通信基站则属于整体系统当中的控制中心，与无人机的运转之间存在着十分紧密的联系，能够控制无人机的飞行路线，做好对应的数据信息采集工作。在旋翼无人机当中所应用的技术主要为传感器技术、软件技术以及无线通信技术等，均有较高的科技含量。

2）旋翼无人机的应用现状。旋翼无人机在发达国家应用较为广泛，美国通过各类精密控制技术以及自动导航技术，已经实现了对于旋翼无人机的广泛应用，其不仅大幅度提高了整体农业生产效率，对于农作物质量的提高也起到了一定程度的促进作用。日本也大量应用旋翼无人机来展开植物保护工作，已经在内部形成了一种较为完整的操作流程以及操作规范。相对来说，我国在旋翼无人机的研究应用方面由于起步比较晚，仍旧处在初级的发展阶段，但整体发展速度较快，我国旋翼无人机相关的研究已经进入到了全新阶段，并且在低空高光谱遥感技术当中得到了十分广泛的应用[2]。

2.2 高光谱遥感技术的应用

1）应用方向。在目前的社会发展进程中，高光谱遥感技术主要应用于监测地面各类农作物的生长状态，并整合处理所得出的所有数据信息，提供更加高效的数据分析[3-4]。同时，高光谱遥感技术在各类自然灾害的预测方面也起到了十分重要的作用。这项技术的应用能够大幅度提高农业管理水平，逐步降低农业管理成本消耗。目前高光谱遥感技术主要应用于以下三个方面：①农作物叶片光谱特征的研究工作。通过研究农作物叶片部位光谱特征，以及对土壤内部水含量以及农作物叶绿素含量等进行分析，为农业人员制定农作物的种植管理方案提供重要的参考依据。②预测农作物生长趋势。通过应用高光谱遥感技术，准确检测叶面积指数和生物量，并且这种技术对叶片不会产生过于严重的破坏，能够得出精确化的叶面指数，以此为基础，通过叶面积指数反演模型的构建，可以准确预测农作物的具体生长态势。③农作物生理形状的检测。其中重点内容就在于对农作物产生的光合作用以及氮含量展开全面检测，通过监测农作物光合作用，准确预测农作物当前的生理情况。同时，通过检测氮含量，为后续施肥工作的开展提供重要参考，进一步实现更加科学合理的施肥，防止其中出现肥料浪费的问题，使得农作物能够始终维持在一种健康的生长状态中。

2）发展方向。高光谱遥感技术目前进步显著，未来仍旧存在很大的发展空间。在日常的发展应用过程中，高光谱遥感技术也会面临部分问题。①在获取信息模型的过程中，由于模型自身的适用性比较低，很容易产生较为显著的分析误差，这就需要及时引导工作人员完善优化农业数据信息库，通过大数据技术来提供更加有效的支持，稳步提高分析工作的准确程度。②高光谱遥感技术在光谱分解和数据信息提取过程中，也出现了解决方案与实际需求匹配程度比较低的问题，严重影响了技术的应用，而采用GPS技术与GIS技术融合应用的方式，将其与高光谱遥感技术更好地结合在一起，就可以保证最终的分析结果符合实际情况。总体来看，目前高光谱遥感技术应用的主要目的是实现农业的精细化发展，在后续的技术创新工作中，要重点强化数据信息库的信息化建设，通过与其他各类先进技术的结合，保证监测的准确性与稳定性，以此来满足农业生产的基本需求[5]。

3 基于旋翼无人机的农业低空高光谱遥感技术

3.1 高光谱遥感图像的采集

在高光谱遥感图像的采集过程中，可以通过旋翼无人机实现相关工作，而在实际采集过程中，应当精细化控制无人机的飞行参数和飞行路线。通常情况下，采用的采集方式主要为定点采集，也就是在无人机进入预设地点后，对相机发出对应的拍摄指令，这种方式能够保证图像重叠率，在提高整体采集效率与采集质量的同时，获取更高质量的采集图像。而高光谱遥感图像的采集工作，主要包括以下内容：1）确定无人机的飞行参数。其中主要包括无人机的飞行速度、图像重叠率以及飞行高度等内容，在确定参数的过程中，应当注意这部分参数并非互相独立的，而是处在一种互相影响的状态中。所以，这就需要结合任务的实际需求以及设备自身的性能展开综合考量。站在实际应用的角度上来看，其中应当优先确定好重叠率，以此确保图像精度不会受到影响，结合分辨率来确定具体的飞行高度，最后结合相机的工作频率来确定飞行速度。2）飞行路线的规划。飞行路线主要在结合相关飞行参数的基础上确定，在日常应用中，大多都会采取“之”字形的飞行路线，这样能够全面拍摄农田区域，做到不留死角。3）确定相机的参数。其中需要重点确定的是相机的曝光时间以及焦距等，焦距决定了图像采集的清晰程度，在后续确定焦距的过程中，不能采用自动化的对焦模式，这是由于自动化对焦会延长图像的拍摄时间，容易出现丢图问题。同时，还要确定好曝光时间，如果曝光时间较长就会丧失一部分遥感信号，曝光时间过短也会降低图像的信噪比。在后续的参数选择过程中，应当注意不同参数的影响，在其中找寻出一个平衡点，以此更加高效地开展高光谱的遥感图像采集工作[6-7]。

3.2 高光谱遥感图像的预处理

由于周边环境因素以及相机传感器自身存在的问题，图像很容易产生失真问题，为后续数据信息分析工作的顺利开展带来了一定程度的误差。因此，需要对采集到的高光谱遥感图像展开预处理。通常情况下，高光谱遥感图像所产生的失真问题，主要在于辐射亮度不均匀以及几何畸变多，需要对其展开针对性处理。1）几何畸变及矫正。由于镜头透镜在生产安装阶段中存在一定程度的误差，使得实际成像点与理论成像点之间并没有完全重合，通常会出现小幅度偏移，而这种偏移还存在一定规律，可以结合规律计算机变系数。在计算机变系数的过程中，应当建立对应的像素坐标系、相机坐标系以及图像坐标系，以此标定相机。而为了保证相机的标定精度不会受到影响，就要采用传统的相机标定方式，结合具体的畸变情况计算出准确的几何畸变系数，逐步更新相机的内部参数与外部参数。2）光谱图像的渐晕校正。渐晕主要指图像中间部位明亮，而边缘部分较为阴暗的现象，由于旋翼无人机所用相机普遍为小型化与轻量化相机，这也增加了渐晕问题的发生概率。同时，在实际工作中，光谱相机中往往添加了滤光片，这也加大了渐晕现象产生的影响，而渐晕现象出现的主要原因就在于进入相机当中的光线会随着视角的不断提升而降低强度，从而引发渐晕。根据渐晕现象的具体成因，可以将其划分为像素渐晕、光学渐晕以及自然渐晕等多种类型，这就需要针对光谱遥感图像来展开渐晕校正。近年来，在发展进程中，通过Retinex图像增强算法可以对原图像的亮度分量以及反射分量进行估算，然后通过对于不同尺度的SSR计算，并加权平均来实现渐晕校正，基本上能够消除光谱失真问题，实现旋翼无人机低空高光谱遥感图像的渐晕校正[8-9]。

3.3 辐射一致性处理技术

在高光谱遥感图像采集工作中，由于天气变化，太阳光照度也会出现一定程度的变化，这也使得遥感图像当中出现了一种明暗程度不够均匀的问题，为了有效解决这方面问题，应当展开辐射一致性处理。站在实际情况的角度上来看，为了更好地达到辐射一致性，通常都会采用直方图匹配法或是图像回归法等方式进行处理，其中直方图匹配法相对较为简便，但很容易导致整体图像出现灰度失真的问题；而图像回归法则是利用算法来构建出辐射校正因子，整体精准度比较高，但由于其中需要采用人工选取样本的方式，大大增加了工作量。而一些新技术也相继出现，目前研究人员通过对于环境照度以及图像DN值相应关系的深入研究，在进行多次实验过后，以第一波段当中的图像作为标准进行辐射一致性的校正处理，并且取得了较为优异的效果[10-12]。

4 结论

综上所述，在目前的社会发展进程中，随着各类现代化技术的高速发展，农业领域也受到了一定程度的影响，各类现代化技术的应用，能够促进农业经济的稳定发展。利用旋翼无人机低空高光谱遥感技术，可以更加便捷地获取各类农作物的大数据信息，明确各类农作物的实时生长状态。同时，采用旋翼无人机低空高光谱技术不仅降低了整体成本消耗，还能够进一步克服传统航天技术成本比较高以及时效性较低等多种问题。因此，必须要重点加大对旋翼无人机低空高光谱技术的重视程度，以此为基础来逐步拓展整体农业领域范围，更高频次地获取数据信息。