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                農業無人機:當前的能力概述和未來方向
                發布者:首欣集團辦公室 發布時間:2017-07-30信息來源:首欣科技

                摘要:

                猶他州立大學猶他州水研究實驗室十多年來一直在開發和部署用于遙感的小型無人駕駛空中系統(UAS或“無人駕駛飛機”),以支持農業研究和管理應用和自然資源。本文總結了無人機技術用于農業用途的現狀,包括作物健康監測和農場經營。將討論目前由聯邦航空局制定和實施的監管框架及其對農業應用的影響。并概述了農業技術的未來發展方向,很多例子將會展開給出通過在農業中使用UAS可能產生的產品。

                當前的農業技術:

                多個無人機或無人機設備在農業市場上應用,其中一些已經在猶他州的農田被使用了。由于無人機可用,因此確定其能力很重要。下表顯示了典型的無人機類型。

                相機傳感器是無人機產生的地圖質量的關鍵。通常,采集低成本的可見光(RGB)和近紅外(NIR)圖像的傳感器不一定會為了農業應用進行校準。這些相機是為人類肖像和自然攝影和視頻而設計的,因此它們被校準之后用以采集描述這些場景的光信息。這些類型的傳感器可以采用Go-Pro,Canon,Sony以及攝影店中發現的任何其他相機品牌。農業應用的攝像機具有專門的過濾器,由此會變得更加昂貴一些。農業專用相機的常見的有Micasense Red-Edge1和Parrot Sequoia2。這些相機是輕量級的,專為支持無人機功率而設計。

                無人機使用的另一主要關鍵是位置精度,它是由安裝在無人機中的攝像機拍攝的地面像素決定的。與當前的農業設備一樣,無人機組合了GPS,它在飛行中就已經記錄了無人機的位置。然而,GPS設備的精度只能達到+/- 10英尺,這意味著設備只能定位的無人機圖像可能超出道路的范圍,或者已經到達另一個地塊。如果UAV獲取的結果不僅僅是簡單的目視檢查,投資于GPS地面目標,例如由Propeller 或者Ground Mats 提供的地面目標,可以提供問題的解決方案。

                使用商業無人機可以獲得的地圖產品之一是歸一化差異植被指數(NDVI)或與之相類似的指數。NDVI是指示植物整體健康狀況的指標。如果NDVI值接近1.0,預計植被是健康的,但是對于接近0.0的值,地圖顯示出來是裸土或受脅迫的植被。不同的攝像機將為同一區域,同一飛行時間提供不同的NDVI值,這可能誤導無人機NDVI地圖的用戶。然而,農業攝像機可以提供與其他農業攝像機(如衛星攝像機)相當的標準NDVI。

                由于其使用所需的條件繁多,無人機往往是時間和金錢密集型:FAA規定,無人機由認證飛行員飛行,并具備獲得RGB或NDVI圖處理能力。FAA法規限制無人機飛行高度只能達到400英尺,至約1.8英里(視線)范圍。FAA還要求所有有商業收益應用(例如農業)的所有UAV飛行必須使用具備許可的無人機飛行員。無人機飛行數據必須傳輸到云解決方案或本地的大型計算機進行處理。云解決方案往往需要年費,而計算機解決方案通常需要費用或許可證。

                圖1:加利福尼亞葡萄園地點(上排)的RGB和長距離NIR濾鏡(左列,2015年)和RED和NIR光譜濾鏡(右列,2016)之間的NDVI差異(底行)示例。2015年裸露土地(如道路和藤蔓)和葡萄檐篷的NDVI值(?0.30)和(0.7-1.0)均高于使用2016年使用的Landsat濾波器(?0.10和0.5-0.9)的NDVI值土壤和藤冠分別。資料來源:AggieAir,0.10m /像素。

                挑戰可能是艱巨的,但是如果水運公司和灌溉區來進行數據采集,而不是個體生產者飛行自己的領域,無人機和無人機的科技攝影機和行業規模的固定翼無人機就可以降低無人機在農業中的使用成本,同時還可以提供NDVI以外的地圖產品。降低無人機在農業中的使用成本,為農業提供可行的科學級遙感數據產品,一直是猶他州立大學、猶他州水研究實驗室,在過去十年中開發AggieAir的愿景和工作。

                AggieAire 在農業中的應用:

                圖2:現有UAV解決方案在美國農業的例子。圖像中的每個中心樞軸直徑為0.5英里。目前的FAA規則限制了無人機的解決方案(綠色方塊,四旋翼無人機,0.26平方英里 -1個地塊單位, AGL400英尺,單次充電 35分鐘作業)。排除沒有飛行高度和距離的限制,工業級無人機AggieAire固定翼可以在3小時內提供更大的覆蓋范圍的飛行(藍色方塊,15平方英里/單一充電400米AGL)AggieAir 3.0 - Blujay。資料來源:AggieAir

                蒸散量和土壤水分

                從灌溉管理的角度來看,需要兩個主要組成部分來估算陸地單位水位的需水量:蒸散量(ET)和土壤水分(SM),ET是根據根區,植物類型以及天氣和季節條件下可用的水分,作物使用的水量。SM是保留在根區內的水量,根據土壤類型,有機質含量和深度而在空間上變化。這兩個因子允許通過水平衡計算來估算灌溉用水需求。如科學文獻中可用的ET模型所示,使用UAV技術估算ET需要除了選擇的紅色和NIR光譜濾波器之外,還將溫度攝像機傳感器與當地氣象站信息一并使用。圖3顯示了加州葡萄園地區的ET估算圖。這個ET圖的估算是通過使用AggieAir UAV攜帶光譜科學的光學和溫度攝像機,以0.15m /像素分辨率進行的。這些ET信息可以集成到灌溉技術能夠支撐其灌溉閥門的地區。

                圖3:AggieAir RGB的例子(左)和葡萄園土壤水分蒸發損失總量的估算,ET 單位:mm /天(右)。分辨率:4英寸/像素,面積300英畝,資料來源:AggieAir4。

                SM的估算,初始效果與數據挖掘模型的使用相關,在光學和溫度圖像已經成功,但需要一個土壤水分探測網絡。其它的效果取決于專業短波相機和土壤特性的物理模型。但利用無人機進行土壤水份預測仍然是一個需要深入研究的領域。

                作物養分監測:

                任何農業季節的主要經濟投入都是施用肥料(如氮肥,磷酸鹽,鉀肥)和微量營養素(如硫磺,鎂,鋅)。肥料的施放由地面設備(拖拉機動力噴霧器或加壓灌溉系統)或載人飛機進行。后者是具有多個和大的地塊的生產者最喜歡的。由于施肥的時候,風速的變化,風向的變化,以及其它條件都可能改變,再加上飛機的升降變化,使得變量精準施肥不太可能,因此,大部分的農田都采用單一施用率。地面設備應用被用作空中噴灑的補充,以保持整個灌溉季節的作物營養狀況的穩定。無人機對整個區域作物營養狀況的估計,可以更有利于生產者或者農藝師咨詢對肥料的施用量提供建議。研究工作表明,可以使用科學的無人機和專業的攝像機傳感器(如光學和熱像儀)以及專用光學濾波器(如紅邊或高光譜攝像機)進行監測。

                圖4:燕麥氮含量估算實例(mg / 100mg DM),位置:Scipio,UT,分辨率:使用AggieAir的6英寸/像素

                產量和生物量分析:

                可以使用在衛星傳感器中沒有等效物的UAV進行分析:表面狀況的三維表示,也稱為數字高程模型(DEM)。雖然沒有要求科學的傳感器生產DEM,但是像素位置精度是必要的,以便將生物物理條件(產量或生物量)與高度條件以及時間序列分析聯系起來。農業設備解決方案實時運動或RTK-GPS精度(英寸)地面控制點可以實現高精度,誤差公差在x和y坐標為+/- 2英寸,在z坐標為+/- 0.5英尺。地面控制點增加無人機飛行計劃的成本,但它們是排作物(果園,葡萄藤)和商品作物(小麥,玉米,大麥等)的早期階段的重要組成部分。目前的UAV自帶GPS測量不能提供足夠的準確性,盡管使用了UAV的位置和UAV的傾斜度來取代地面控制點,從而導致了使用地面控制點仍然非常有必要。

                圖5:冠層修剪藤冠體積估算示例。資料來源:AggieAir

                總結:

                就飛行所需的資金和時間以及處理UAV捕獲的數據而言,在選擇UAV解決方案時,制造商必須了解所需的投資。因此,我們建議在水運公司或灌溉區一級使用無人機,從而盡量減少個人的折騰和投資,以獲取每個領域的數據。

                此外,與當地研究機構的合作伙伴關系可以提供更多無人機數據信息,而不僅僅是NDVI(如在ET,SM,氮和其他來自AggieAir的示例中),因為可以擴展無人機的用途的新調查。


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