陳 琴

(三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000)

前言

我國(guó)自古以來就是人口大國(guó)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，農(nóng)業(yè)發(fā)展不僅是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的支柱型產(chǎn)業(yè)，更是維持社會(huì)穩(wěn)定與安全的重要前提保障。在農(nóng)作物監(jiān)測(cè)管理中，農(nóng)作物的信息數(shù)據(jù)通常具有復(fù)雜性與多樣性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)單一的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸無法滿足現(xiàn)代化社會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出的具體要求，因此，利用多源信息技術(shù)開展智能化農(nóng)業(yè)管理勢(shì)在必行。多源信息技術(shù)與無人機(jī)影像技術(shù)等信息化技術(shù)相融合能夠共同組成空地一體化系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)從天空與地面對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與效率。

1 多源信息融合概述

多源信息融合是一項(xiàng)綜合型學(xué)科，又可以稱為多傳感裝置信息融合技術(shù)，誕生于20世紀(jì)70年代。多元信息融合經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展與應(yīng)用，已經(jīng)成為一項(xiàng)獨(dú)立的學(xué)術(shù)科目，多源信息融合相關(guān)理論知識(shí)與應(yīng)用體系等已經(jīng)相對(duì)成熟，在軍事領(lǐng)域中具有十分良好的應(yīng)用效果，如信息識(shí)別、目標(biāo)追蹤、自動(dòng)化指揮系統(tǒng)、防御系統(tǒng)以及戰(zhàn)略預(yù)警系統(tǒng)等。隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化技術(shù)快速發(fā)展，信息數(shù)據(jù)的種類與內(nèi)容變得越發(fā)繁瑣復(fù)雜，導(dǎo)致多源信息數(shù)據(jù)處理工作難度直線上升。因此，構(gòu)建能夠適用不同情景的多源信息系統(tǒng)以及靈活應(yīng)用信息融合技術(shù)是現(xiàn)階段亟需解決的關(guān)鍵問題。多元信息融合技術(shù)的基本原理就是利用傳感器獲取監(jiān)測(cè)目標(biāo)的信息數(shù)據(jù)，隨后通過信息傳送技術(shù)將信息數(shù)據(jù)傳送至處理系統(tǒng)，依據(jù)信息種類的多元性特征進(jìn)行分類處理，對(duì)提取出的信息特性進(jìn)行分析研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的有效控制與檢測(cè)識(shí)別等[1]。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，基于多源信息融合技術(shù)的空地一體化系統(tǒng)主要是指運(yùn)用無人機(jī)搭載相關(guān)設(shè)備進(jìn)行農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)獲取，利用模式識(shí)別、圖像處理等技術(shù)開展信息數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)籌處理等，從而實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)發(fā)展監(jiān)測(cè)與管理。在以無人機(jī)為主要核心的系統(tǒng)中，主要包括無人機(jī)系統(tǒng)、信息處理分析系統(tǒng)以及傳感裝置采集系統(tǒng)。其中，以無人機(jī)系統(tǒng)為主要系統(tǒng)，主要搭載光譜相機(jī)等影像設(shè)備；信息處理分析系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)收集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行前期處理、過濾選擇以及分析計(jì)算等；傳感裝置采集系統(tǒng)主要對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境等信息進(jìn)行收集，其中主要包括光譜相機(jī)、傳感裝置以及照相機(jī)等設(shè)備。

2 基于多源信息融合的農(nóng)業(yè)空地一體化研究

2.1 可見光成像技術(shù)

可見光成像技術(shù)主要是指RGB可見光影像獲取技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用數(shù)碼相機(jī)不僅能夠有效獲取到監(jiān)測(cè)對(duì)象的表面基礎(chǔ)信息，同時(shí)，外界環(huán)境因素對(duì)成像過程的干擾性較低，具有較強(qiáng)的空間分辨率，但是對(duì)光譜的分辨性能較差，只能分辨紅色、綠色以及藍(lán)色波段。數(shù)碼相機(jī)可以有效獲取到農(nóng)作物的真彩色影像、高程模型以及農(nóng)田灰度，能夠以此為基礎(chǔ)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行有效分析，如葉面積指數(shù)、葉面顏色、植株高度以及整體倒伏情況等。無人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)具有成本低廉、機(jī)動(dòng)性能好以及分辨率高等特點(diǎn)，能夠快速準(zhǔn)確地評(píng)估地面生物量，是遙感估算領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一[2]。劉楊等學(xué)者進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，在馬鈴薯的快速生長(zhǎng)階段通過不同的無人機(jī)飛行高度對(duì)馬鈴薯實(shí)際情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此獲取不同分辨率的影像信息，探究其對(duì)農(nóng)作物紋理特征、光譜信息以及紋理特征加光譜信息對(duì)于AGB模型數(shù)據(jù)的精確度信息的影響；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同分辨率影像下，紋理特征與光譜信息相結(jié)合進(jìn)行AGB估算具有最佳的估算效果，只利用光譜信息進(jìn)行估算的效果最差，只利用紋理特征進(jìn)行估算的效果中等；而隨著分辨率的提高，3種AGB估算方法的精確度都會(huì)得到一定增強(qiáng)。

2.2 光譜成像傳感器

利用無人機(jī)搭載光譜成像裝置能夠有效監(jiān)測(cè)到農(nóng)作物的光譜反射特性以及吸收特征，常用于對(duì)農(nóng)作物的成長(zhǎng)情況、種植面積等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而對(duì)農(nóng)作物的理化參數(shù)進(jìn)行有效估算，進(jìn)而預(yù)算實(shí)際產(chǎn)量。光譜成像傳感裝置能夠捕捉到電磁輻射光譜中存在的不可見光與可見光部分，在實(shí)際應(yīng)用中具有成本低廉、工作效率優(yōu)以及信息獲取快等特點(diǎn)，現(xiàn)階段已經(jīng)廣泛應(yīng)用在農(nóng)作物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)獲取研究領(lǐng)域中。高光譜影像技術(shù)能夠有效獲取到農(nóng)作物的葉面積指數(shù)、含水率、葉綠素含量、葉片營(yíng)養(yǎng)含量以及其他信息數(shù)據(jù)等，同時(shí)能夠?qū)r(nóng)作物整體產(chǎn)量進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。高光譜技術(shù)已經(jīng)成為無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重點(diǎn)研究方向[3]。寧紀(jì)峰等學(xué)者針對(duì)地膜農(nóng)業(yè)的作物生長(zhǎng)情況的監(jiān)測(cè)工作制定了一種改進(jìn)型分割模型，并在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)地膜農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)情況的有效分割；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的語義分割模型在光譜遙感影像識(shí)別中的應(yīng)用效果與可見光相比高出7個(gè)百分點(diǎn)，該技術(shù)能夠在相對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)景中準(zhǔn)確識(shí)別地膜農(nóng)業(yè)，從而有效分析農(nóng)作物的具體種植情況與生長(zhǎng)情況。

2.3 熱紅外影像傳感器

熱紅外影像傳感器又可以稱為熱紅外成像儀，在實(shí)際應(yīng)用中利用專業(yè)的算法將監(jiān)測(cè)到的紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為溫度，主要包括光學(xué)成像鏡頭以及紅外探測(cè)裝置，而紅外探測(cè)裝置的主要構(gòu)成是紅外敏感元件。紅外傳感裝置能夠?qū)μ囟〞r(shí)間內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，從而分析農(nóng)作物的生長(zhǎng)趨勢(shì)以及水分脅迫等信息。蒸發(fā)速率、光合特性以及氣孔導(dǎo)度等與農(nóng)作物表層溫度息息相關(guān)，因此，利用熱紅外傳感器能夠有效監(jiān)測(cè)農(nóng)作物在脅迫環(huán)境下具體長(zhǎng)勢(shì)。楊文攀等學(xué)者利用無人機(jī)搭載高清數(shù)碼相機(jī)與熱紅外成像裝置，對(duì)不同性狀的拔節(jié)期玉米進(jìn)行研究分析，利用低空遙感系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行航攝獲取信息數(shù)據(jù)，利用空三技術(shù)對(duì)數(shù)碼影像進(jìn)行幾何坐標(biāo)校正，利用手持式測(cè)溫裝置對(duì)輻射定標(biāo)版的黑白面進(jìn)行溫度測(cè)量，利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)對(duì)玉米生長(zhǎng)情況進(jìn)行分類，同時(shí)進(jìn)行二值化處理[4]；除此之外，還需要利用手持式測(cè)溫裝置對(duì)玉米表面溫度進(jìn)行同步測(cè)量，對(duì)2種測(cè)量溫度進(jìn)行一致性分析研究，以此探究熱紅外影像傳感技術(shù)獲取玉米表面溫度的具體效果；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱紅外影像傳感技術(shù)與地面實(shí)際測(cè)量技術(shù)具有高度統(tǒng)一性，數(shù)據(jù)獲取具有較高的精確性，能夠有效應(yīng)用在實(shí)際工作中。熱紅外影像傳感能夠?qū)崿F(xiàn)無損傷、精確、迅速地獲取到農(nóng)作物的表面溫度，對(duì)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物抗旱性能具有十分重要的影響作用。

3 空地一體化在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的具體應(yīng)用

3.1 農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)

對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)評(píng)估作物健康狀態(tài)是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的重要手段之一。利用無人機(jī)搭載可視紅外線設(shè)備，能夠有效監(jiān)測(cè)農(nóng)作物對(duì)紅外光與綠光的反射情況，同時(shí)繪制出多光譜信息圖像，有效判斷農(nóng)作物的生長(zhǎng)變化情況與具體健康情況。農(nóng)作物種植者能夠依據(jù)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息制定出行之有效的解決方案，確保農(nóng)作物處于健康生長(zhǎng)狀態(tài)，遠(yuǎn)離病蟲害威脅，進(jìn)而有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)量?？盏匾惑w化技術(shù)不僅能夠有效監(jiān)測(cè)土地環(huán)境的基礎(chǔ)信息，同時(shí)還能夠?qū)r(nóng)作物的生產(chǎn)過程進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，農(nóng)業(yè)管理人員能夠依據(jù)監(jiān)測(cè)到的相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，從而有效判斷農(nóng)作物的生長(zhǎng)趨勢(shì)?？梢岳脽o人機(jī)搭載相關(guān)設(shè)備進(jìn)行光譜信息收集與實(shí)時(shí)圖像信息收集，以此為基礎(chǔ)對(duì)農(nóng)作物的具體生長(zhǎng)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)管，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信心對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)管理規(guī)劃進(jìn)行科學(xué)有效的調(diào)整優(yōu)化[5]。如，對(duì)玉米、向日葵等作物進(jìn)行長(zhǎng)勢(shì)觀測(cè)與營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而科學(xué)開展農(nóng)藥噴灑、水源灌溉以及施肥等操作。除此之外，還可以利用無人機(jī)搭載高清攝像頭，定期開展農(nóng)作物多普影像拍攝，同時(shí)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比分析，制定科學(xué)合理的農(nóng)業(yè)管理方法。無人機(jī)搭載技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有十分廣泛的應(yīng)用范圍，能夠通過搭載不同種類的設(shè)備對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)管理，如農(nóng)作物的整體生長(zhǎng)情況、種植密度、生長(zhǎng)變化趨勢(shì)等。與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)模式相比，該技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)高效、快速、精確監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)過程，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量與高產(chǎn)量。

3.2 農(nóng)作物藥物噴灑

無人機(jī)能夠應(yīng)用在農(nóng)藥噴灑工作中。利用智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)農(nóng)作物發(fā)生病蟲害區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)定位，同時(shí)利用地面遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)控制無人機(jī)進(jìn)行相應(yīng)藥物噴灑。該技術(shù)能夠有效控制農(nóng)藥噴灑劑量，確保高效治理農(nóng)作物病蟲害情況，從而構(gòu)建出良好的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境。在無人機(jī)藥物噴灑應(yīng)用過程中，控制人員還可以針對(duì)不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求以及病蟲害的具體分布情況對(duì)無人機(jī)噴灑范圍進(jìn)行有效調(diào)整，從而避免了二次噴灑的現(xiàn)象，提高病蟲害治理效率，進(jìn)而加強(qiáng)農(nóng)作物的實(shí)際生產(chǎn)質(zhì)量。我國(guó)南方地區(qū)首先將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)作物藥物噴灑工作中，張海艷等學(xué)者進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，通過改變藥物噴灑數(shù)量與無人機(jī)高度多次開展農(nóng)田噴灑操作，利用水敏紙圖像分析與熒光示蹤劑法分析不同噴灑條件下藥液霧滴在靶標(biāo)上的實(shí)際沉積效果；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同旋翼的無人機(jī)具有不同的霧滴沉積效果，相比之下單旋翼無人機(jī)從痕跡效果更為良好；但是不同噴施高度與計(jì)量的無人機(jī)噴施對(duì)農(nóng)作物防治病蟲害的效果無明顯差距，最終結(jié)果均達(dá)到國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[6]。無人機(jī)施肥與機(jī)械施肥或人工施肥相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，定位系統(tǒng)與遙感系統(tǒng)能夠有效控制無人機(jī)開展遠(yuǎn)程工作，大幅度節(jié)省了人工作業(yè)成本，同時(shí)精準(zhǔn)化施肥能夠顯著提高農(nóng)作物生產(chǎn)效率，確保施肥更加高效化與科學(xué)化。除此之外，無人機(jī)施肥還能夠依據(jù)不同作物在不同時(shí)期的生長(zhǎng)需求，科學(xué)控制無人機(jī)施肥的劑量，從而為農(nóng)作物提供充足的營(yíng)養(yǎng)成分，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的高質(zhì)高產(chǎn)。

3.3 農(nóng)作物災(zāi)害監(jiān)測(cè)

自然災(zāi)害對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展具有十分巨大的影響，其中最為常見的氣候?yàn)?zāi)害包括洪澇災(zāi)害與旱災(zāi)。洪澇災(zāi)害具有極強(qiáng)的突發(fā)性，我國(guó)每年受到洪澇災(zāi)害影響的農(nóng)業(yè)種植面積在740萬hm2左右，造成的經(jīng)濟(jì)損失約為200億元，嚴(yán)重影響我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而空地一體化技術(shù)能夠有效緩解自然災(zāi)害對(duì)農(nóng)作物的破壞影響，其中，植被指數(shù)法、熱慣量法以及缺水指數(shù)法等是較為常見的旱災(zāi)檢測(cè)方法。代輝等學(xué)者利用空地一體化技術(shù)對(duì)洪澇災(zāi)害進(jìn)行研究，利用衛(wèi)星技術(shù)、無人機(jī)遙感技術(shù)以及地面人工調(diào)查等方法，利用地面人工調(diào)查的方法獲取到無人機(jī)遙感技術(shù)所需要的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，利用信息處理相系統(tǒng)對(duì)關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)為衛(wèi)星技術(shù)開展信息處理提供幫助，利用NDWI指數(shù)方法對(duì)衛(wèi)星技術(shù)呈現(xiàn)出的洪澇范圍中的水體指數(shù)的閾值進(jìn)行有效提取，以此分析洪澇災(zāi)害實(shí)際影響情況。無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用能夠快速精確獲取到自然災(zāi)害對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的直接影響，幫助當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門迅速開展農(nóng)業(yè)搶險(xiǎn)救災(zāi)工作。除此之外，空地一體化技術(shù)能夠?qū)Σ∠x害進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，檢測(cè)原理是病蟲害會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物葉片生產(chǎn)情況受到直接影響，如外表形狀、水分氮素量以及細(xì)胞結(jié)合色素等，進(jìn)而導(dǎo)致作物光譜發(fā)生變化，利用無人機(jī)搭載光譜設(shè)備能夠有效監(jiān)測(cè)到農(nóng)作物光譜變化情況，從而分析作物病蟲害分布情況與嚴(yán)重程度，輔助相關(guān)人員開展病蟲害防治工作[7]。

4 結(jié)論

基于多源信息融合技術(shù)的空地一體化技術(shù)能夠有效提高農(nóng)作物監(jiān)測(cè)效果與效率，在實(shí)際應(yīng)用中具有成本低廉、工作效率高、實(shí)用性能強(qiáng)、不受地形約束以及精準(zhǔn)性強(qiáng)等特點(diǎn)，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，將農(nóng)業(yè)種植者從大量繁重復(fù)雜的農(nóng)業(yè)管理工作中解放出來，同時(shí)有效提高農(nóng)業(yè)病蟲害防治效果，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高質(zhì)和高產(chǎn)，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展。