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天為地用——無(wú)人機(jī)遙感用于估算水稻產(chǎn)量

更新時(shí)間:2020-01-14 點(diǎn)擊量:2512

“民以食為天”,“無(wú)農(nóng)不穩(wěn),無(wú)糧則亂”, 糧食問(wèn)題自古是關(guān)乎計(jì)民生的大事,必須得到足夠的重視。

作物生長(zhǎng)狀況以及產(chǎn)量,關(guān)系到農(nóng)戶一整季甚至一整年的收入。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)方法存在效率低、精度差等問(wèn)題,難以提供及時(shí)可靠的手資料。而通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感手段,一畝畝農(nóng)田被數(shù)字化成一幅幅電子地圖,能夠更好地監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng),并且提前預(yù)知當(dāng)季的作物產(chǎn)量。
從2017開(kāi)始,統(tǒng)計(jì)局湖北調(diào)查總隊(duì)連續(xù)開(kāi)展了3年的無(wú)人機(jī)遙感估產(chǎn)項(xiàng)目。承接該項(xiàng)目的武漢思眾空間信息科技有限公司向我們介紹了他們的工作:從無(wú)人機(jī)影像到水稻產(chǎn)量,這個(gè)過(guò)程并不簡(jiǎn)單。來(lái)自武漢思眾的喬乾介紹說(shuō):“但簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),我們首先使用搭載多光譜相機(jī)的無(wú)人機(jī),采集水稻的多光譜影像,然后通過(guò)無(wú)人機(jī)后處理軟件把影像轉(zhuǎn)化為NDVI植被指數(shù)地圖。后把得到的NDVI地圖,結(jié)合各種因子(氣溫、降水、肥料等)輸入到估產(chǎn)模型中,得到了水稻產(chǎn)量分布。”

 

野外——水稻光譜信息采集


估產(chǎn)項(xiàng)目位于湖北省枝江市萬(wàn)水橋村和袁碼頭村,兩村面積共計(jì)14平方公里。
在水稻的整個(gè)生長(zhǎng)周期中,工作人員需要在3個(gè)生長(zhǎng)階段進(jìn)行無(wú)人機(jī)影像采集,它們分別是分蘗期,抽穗期和灌漿期。影像采集通常在上午9點(diǎn)至下午5點(diǎn)之間進(jìn)行,時(shí)間為上午10點(diǎn)至下午2點(diǎn)。根據(jù)工作人員的經(jīng)驗(yàn),上述時(shí)間擁有比較好的飛行和拍攝條件,數(shù)據(jù)精度也更。

 

△無(wú)人機(jī)正在采集水稻多光譜影像
通過(guò)多次比較,工作人員找到了有效率的飛行參數(shù),設(shè)置如下:地面分辨率10厘米,航向重疊度75%,旁向重疊度65%。另外,在每個(gè)村莊布設(shè)17個(gè)控制點(diǎn),以保證后的成果精度。
在飛行硬件的選擇上,經(jīng)過(guò)精挑細(xì)選,后入選的是大疆M200無(wú)人機(jī),Sequoia紅衫多光譜相機(jī)和Rededge紅邊多光譜相機(jī)。喬經(jīng)理特意調(diào):“估產(chǎn)工作對(duì)多光譜相機(jī)的度要求很,我們比較了市面上數(shù)款多光譜相機(jī),認(rèn)可的還是紅衫和紅邊這兩款。”
喬經(jīng)理告訴我們:“天氣是野外數(shù)據(jù)采集的大挑戰(zhàn),如果生長(zhǎng)階段都在下雨,可能會(huì)錯(cuò)過(guò)采集數(shù)據(jù)的好時(shí)期:一是雨天不能飛行,二是雨水會(huì)影響數(shù)據(jù)的確性。所以事先掌握天氣狀況是重要的。”

室內(nèi)——水稻產(chǎn)量模擬

結(jié)束了飛行后,接下來(lái)工作人員要對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在水稻的每一個(gè)生長(zhǎng)階段,從無(wú)人機(jī)輸出的影像都多達(dá)8000張彩色照片,以及3-4萬(wàn)張多光譜影像。這些影像被導(dǎo)入到Pix4Dmapper軟件中進(jìn)行自動(dòng)化處理,生成NDVI植被指數(shù)。

 

喬經(jīng)理告訴我們,分蘗期、抽穗期和灌漿期是水稻的三個(gè)關(guān)鍵生長(zhǎng)階段,這三期的NDVI數(shù)據(jù)能夠很好地幫助進(jìn)行作物生長(zhǎng)情況預(yù)判。獲得全部三期NDVI數(shù)據(jù)后,再結(jié)合氣溫,降水,肥料等數(shù)據(jù),導(dǎo)入到武漢思眾自行研發(fā)的水稻產(chǎn)量模型中進(jìn)行計(jì)算,生成水稻產(chǎn)量分布圖。“

 

在該項(xiàng)目中,武漢思眾使用的是一臺(tái)i7 CPU, 32G內(nèi)存的電腦,對(duì)于一個(gè)村的數(shù)據(jù)量,從影像到NDVI指數(shù)地圖,所需時(shí)間約為1周。喬經(jīng)理說(shuō):“數(shù)據(jù)處理的大部分時(shí)間都用于NDVI指數(shù)的生成,但是Pix4Dmapper對(duì)多光譜影像能自動(dòng)進(jìn)行輻射校,這大大減輕了我們的工作負(fù)擔(dān)。另外,輻射校功能也會(huì)顯著提終結(jié)果的確度。“

枝江市萬(wàn)水橋村NDVI指數(shù)圖,NDVI可以清楚指示植物的健康程度

 

產(chǎn)量預(yù)估的價(jià)值


武漢思眾終提交的成果包括:水稻種植變化情況,NDVI植被指數(shù)圖以及產(chǎn)量分布圖。不僅是統(tǒng)計(jì)局,這些數(shù)據(jù)對(duì)于農(nóng)場(chǎng)、植保隊(duì)、以及保險(xiǎn)公司都是非常有價(jià)值的。另外,這些數(shù)據(jù)還可以指示植被的生長(zhǎng)狀況,并依此進(jìn)行更有針對(duì)性的施肥和噴藥,終達(dá)到提產(chǎn)量的目的。
喬經(jīng)理對(duì)無(wú)人機(jī)遙感的價(jià)值和前景充滿信心:“我們的這個(gè)水稻測(cè)產(chǎn)模型適用于大多數(shù)品種的水稻,也適用于各種氣候條件。之前在一次會(huì)議上,有農(nóng)場(chǎng)對(duì)我們的工作表現(xiàn)出烈興趣,因?yàn)樘崆爸喇a(chǎn)量,對(duì)于評(píng)估農(nóng)作物市場(chǎng)價(jià)格具有很大的指導(dǎo)意義。目前已基本確定,此無(wú)人機(jī)遙感項(xiàng)目將會(huì)在2020年繼續(xù)開(kāi)展下去。”

 

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