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無人機航拍成主流,如何完成植被環境下的長期監測?

2019-12-02
來源:與非網
關鍵詞: 無人機 航拍

  2017 年 1 月,上海伯鐳智能科技有限公司(以下簡稱伯鐳)應客戶要求順利完成冬小麥前期的長勢監測任務。

  理論基礎

  農業上使用的無人機種類繁多,有無人直升機、固定翼無人機、多旋翼無人機等多種機型。伯鐳選用的是多旋翼無人機輔助作業,優勢如下:

  1)相對無人直升機,多旋翼操作簡單,成本低;

  2)相對于固定翼無人機,多旋翼無人機可以根據需要調節飛行速度,載荷相對大些,可以根據需要搭載各種傳感器;

  3)多旋翼無人機飛行速度可控,飛行高度可調且可以低空飛行,同時多旋翼無人機不受起飛降落場地的限制,飛行載荷較大,可同時搭載多種農用傳感器。

  本次農情監測搭載的多光譜相機總共有五個鏡頭,分別對應近紅外、紅光、綠光、紅邊、以及 RGB 合成。根據采集的數據選擇歸一化差分植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)來綜合反映冬小麥的生長分布和覆蓋情況。

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  植物葉面在可見光紅光波段有很強的吸收特性,在近紅外波段有很強的反射特性,這是植被遙感監測的物理基礎。通過這兩個波段測值組合得到的 NDVI 指數,對土壤背景變化敏感,能較好地識別植被和水體。在植被處于中、低覆蓋度時,該指數隨覆蓋度的增加而迅速增大,當達到一定覆蓋度后增長緩慢,所以適用于植被早、中期生長階段的動態監測。

  NDVI = (ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)

  式中:ρNIR 是近紅外波段的反射率,ρR 是紅光波段的反射率。可見光紅光波段(0.58-0.68μm)位于葉綠素吸收帶,近紅外波段(0.75-1.10μm)位于綠色植物光譜高反射區。

  NDVI 取值范圍:-1~1,NDVI 值近似為 0 表示無植被的裸土區;NDVI 正值表示有植被覆蓋,且隨覆蓋度增大而增大,大于 0.7 表明該區域植被密度較高;而地面覆蓋云、水、雪區域 NDVI 是負值。NDVI 是植物空間密度和植物生長狀態的最佳指示因子,與植被覆蓋的分布密度呈線性相關關系,一般應用于檢測植被生長狀態、植被覆蓋等領域。

  實際應用

  伯鐳工程師根據客戶需求拍攝監測區域(57 畝),每個鏡頭 124 張照片,共計 620 張。將拍攝數據導入后處理軟件 Pix4D,可以得到測區 RGB 合成正射影像圖,以及各個波段的反射地圖和指數圖。

  根據不同需要可以將波段進行組合計算得到植被指數,這邊計算的是 NDVI 指數圖。結合圖表可以看出:紅色區域表示有水區域,接近 0 值部分是道路和裸土,左邊綠色較密集區域植被覆蓋較好,右邊部分由于冬小麥正處于出苗期,葉面積小,NDVI 值較小呈現土黃色。

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  補充

  圖表體現了這個區域本時段植被分布情況以及植被覆蓋比值。鑒于這種情況,我們可以對這個區域作定期監測,同樣以 NDVI 指數作為參評標準,這樣可以得到冬小麥生長期的發育狀況,作為產量評估和蟲害評估的主要依據,對時時高效的監測小麥生長狀況,提高小麥的實際產量具有顯著意義。


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