无人机遥感技术在智能农业中的六大应用

2017-11-29 17:33:35 智飞小康 104


     

      当今无人机飞防服务势头正劲,载着药罐的无人机已经得到广泛认可,但与此同时,农用无人机的另一个潜在应用也不容忽视——农业遥感。遥感被认为是农用无人机的另一个潜在市场,随着精准农业步伐的加快,遥感代表着农用无人机的另一个广阔未来。 那么无人机遥感到底能为农业做些什么?现在我们来浅谈一下无人机遥感的应用价值。   


一、对田间监测的改进

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       使用无人机对农田基本情况进行监测是对田间监测手段的重大改进,这也是无人机技术应用的主要驱动力。传统上,农民是通过步行穿过田地来检查作物状况的。这件工作既热又费时,而且很难检查到每株作物的情况,即使是一小片田地也很容易漏掉发生问题的区域。随着无人机应用于农业,现在进行作物监测,只需要利用无人驾驶飞机收集整片农田的近红外图像,上传图像到云数据处理服务器,在几个小时内就可以收到显示作物相对状况的地图。现在利用作物监测,足不出户即可锁定需要评估的特定区域。而我们有了这些数据,就可以根据实际情况制定合适的植保方案,这样作业效率会更加高效,作业效果也会更上一层楼。


二、监测病虫害


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        病虫害是影响作物产量的直接因素,是世界各国的主要农业灾害之一。 大规模的病虫害会给农业生产和国民经济造成巨大损失。据联合国粮农组织统计,世界粮食产量因病虫害造成的损失占粮食总产量的20%以上。 利用遥感监测技术跟追病虫害进展情况,有利于展开精准治理工作,做到及时发现、及时处理,也有利于早期防治。其原理是,病虫害会造成作物叶片细胞结构色素、水分、氮元素等性质发生变化,从而引起反射光谱的变化,所以病虫害作物的反射光谱和正常作物可见光到热红外波段的反射光谱有明显差异。 在美国、澳大利亚等地,用无人机遥感监测并不罕见。比如,美国有种植户用无人机监测的麦田锈病情况,从中可以明显看出哪里是重灾区。也有人用无人机查看苜蓿地里的菟丝子(一种恶性寄生性杂草,主要寄生于苜蓿等豆科作物,苜蓿生长易受到恶性杂草菟丝子的严重危害,常造成苜蓿植株成片死亡),从而能在灾害大规模爆发前做到提早预防。




三、统计分析植株数量和成活率


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       无人机遥感测绘的另一个用途是统计植株数量。相比于耗时且只能抽样调查的手动计数,无人机统计更加全面,准确性更高。 据报道,2016年6月,基于云计算的无人机软件和制图解决方案供应商Drone Deploy、农业合作分析公司Aglytix和农业技术公司AgriSens合作,为农作物提供生长分析工具,通过农作物数量统计、农作物占地面积来分析当前农作物是否为最佳生长距离。 在2016年的植物生长季,加利福尼亚北部的一家私人农场请来第三方公司为农场74英亩的耕地移植了数万番茄植株。为了避免该公司没有严格按照移植数量收费,私人农场工作人员利用AgriSens公司的无人机应用软件快速实现了数量统计。 除此之外,用户也可以借助无人机遥感测绘的硬件和软件技术,分析新栽培植株的成苗率,以确定重新栽种方案。     


四、分析土壤属性


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       当今,世界农业现代化大国都在提倡精准农业,要求根据土壤性状,在作物生长过程中调节对作物的要素投入,以最低的投入达到最高的产出,并高效利用各类农业资源,改善环境,取得较好的经济效益和环境效益。 作为空中监测技术,农业遥感是推动农业走向精准化的有利手段。农业遥感监测主要以作物、土壤为对象。作物在可见光-近红外光谱波段中,反射率主要受到作物色素、细胞结构和含水率的影响,特别是在可见光红光波段有很强吸收波段,在近红外波段有很强的反射特性,可以被用来进行作物长势、作物品质、作物病虫害等方面的监测。土壤可见-近红外光谱总体反射率相对较低,在可见光谱波段主要受到土壤有机质、氧化铁等赋色成分的影响。因此,土壤、作物等地物固有的反射光谱特性是农业遥感的基础。 

        在精准农业中,有一个重要的概念叫做归一化植被指数。根据专业解释,归一化植被指数是反映农作物长势和营养信息的重要参数之一,计算方式是近红外波段的反射值与红光波段的反射值之差比上两者之和。归一化植被指数可以为改善作物健康提供参考依据,比如告诉你农田是否需要额外施肥。 




五、自然灾害后作物受损评估


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        农作物的整个生长发育过程与气象息息相关,气候变化和灾害性天气是直接影响粮食生产和农民增收,影响农业的平稳快速发展。不可避免的自然灾害发生后,遥感技术可以用于评估暴风雨和冷冻灾害后受损情况。 作物遭受冷冻害后,体内叶绿素活性会减弱,对近红外光和红光的敏感度下降会导致植被指数发生变化,因此植被指数差异分析主要是通过受灾前后植被指数的差值来判断受灾情况。 在暴风雨灾害中,研究表明,水浸后的植被可见光波段反射增强,近红外波段减弱。且近红外波段和热波段的组合可以识别水浸和健康谷类作物。 在伊利诺伊州的一场强风和强降雨天气中,该州中部地区105英亩(613亩)的谷物发生不同程度损害。无人机服务Overhead Ag公司利用无人机技术生成灾后评估报告,详细标出了轻微受损区、中度受损和重度受损区,并且计算出了各自面积和所占比例,让农户可以直观的了解灾后损失情况。   



六、总览梯田概况


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       便于及时整改 梯田是在坡地上沿等高线分段建造的阶梯式农田,其是一种重要的水土保持措施,具有保水、保土、保肥的作用。作为坡耕地治理措施的一种,修建梯田可以通过减缓地形坡度、缩短坡长来改变坡面的小地形,进而有效治理坡耕地水土流失。所以,及时获得梯田的动态指标,可以为梯田建设成效评价、水土流失防止、水土资源合理利用等提供科学依据。 利用遥感技术生成的高分辨率影像对水土保持进行检测,有利于提取更详尽的水土保持措施。利用无人机生成高程图可以直观的看到梯田的整体布局,便于梯田管理者随挖随填,及时整改阶地和排水系统。 其实卫星遥感手段已经发展已久,但卫星易受到天气环境影响,且轨道周期较长。比较而言,无人机灵活性更强、易部署。相信随着无人机平台、传感器和软件技术的进一步提升,未来无人机作为卫星等其他遥感平台的补充手段,可以帮助在农业构建起更加完整的监测网。



智慧农业设备管控与4G云服务平台应运而生


       随着无人机遥感技术的应用,地球影像技术将在各个行业中有令人激动的应用。在农业中,利用云计算和新的机器视觉算法,无人驾驶飞机正在降低种植者的成本,提高产量,也为农作物植物保护提供直观、科技的监测数据,为智慧农业设备管控提供依据和防治效果检测。

         河北省无人机研发与应用中心是由河北省农业厅、河北省科技工程学校和河北智飞农业科技有限公司合作成立的“产.学.研”机构,三方将充分利用自身优势,共同开展航空农业植保应用领域关键技术、无人机植保喷施系统、航空植保药剂效果等应用领域的研究;农业航空无人机喷施技术的应用及合作、专业技术领域的技能培训等,共同构建学校的学习、研发、生产基地。在进一步提升企业的创新技术水平的同时,促进高校科研成果的有效转换。以智能装备制造、智慧城市和智慧生活为产业方向,以智能装备与技术创新为特色,开展新一代智能装备的技术研发与应用,着力提升中国智造,推动产业结构化升级,提升我国智能装备产业在国际的核心竞争力。


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      由河北省无人机研发与应用中心构建的《智慧农业设备管控与4G云服务平台》关系图:

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      1、站点:

        各地农业合作社,可提供各种农作物作业需求;

      2、卫星:

        植保作业前 利用卫星遥感+测绘无人机遥感技术对农作物进行病虫害、土壤分析等各种监测信息通过4G传输,及时发送到云网作业平台等待分析;

        植保作业后 利用卫星遥感+测绘无人机遥感技术对农作物进行自然灾害后作物受损评估;

      3、云端:

        接收遥感数据进行分析,并制定特定化农作物植保方案,如对病虫害病发轻重程度给予不同药量的无人机植保智能防治路径规划,并通过4G传输,发送无人机植保方案数据包到智能农业装备终端——植保无人机;

        接收来自农机(植保无人机)的详细作业信息并进行分析、统计,生成农业大数据报告,如作业量统计、药量/水量统计、作业量时长统计等;

      4、农机:

        安装4G模块,接收来自云端的智能植保飞行路径数据,操作人员经过手机地面站秘钥识别(虹膜或指纹)通过后,执行云端的飞行路径,并操作无人机起飞切换到无人机智能自主作业模式,进行无人机植保施药工作;待作业结束后将飞行轨迹、作业地点、作业面积、机型信息、人员信息等数据通过4G传输回传到云网作业平台;   


        该平台基于“互联网+云计算”技术,其核心功能包括农田地理信息管理、航线规划审核、飞行数据实时监控、作业效率分析、电子围栏、无人机/农机属性管理、操作员身份管理等功能,该平台能够实现对无人机/农机植保作业全程管控,并以此作为实施补贴、扶持、奖励等方面政策的重要依据。利用物联网、4G云网、人工智能、生物识别以及基于芯片级的硬件加密技术,对卫星、云端、农机、站点四要素进行可信识别和安全管控,实现“人-机-空域-作业”的互联互通和可管可控,为政府决策及监管提供科学的保障手段。




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