無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)在植被監(jiān)測中的應(yīng)用

    隨著“無人機(jī)+”時代的不斷深入，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)可以應(yīng)用到各行各業(yè)，小到消費(fèi)的航拍攝影，大到無人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用。人們讓無人機(jī)搭載高分辨率CCD相機(jī)、熱紅外相機(jī)、多鏡頭相機(jī)等各種傳感器系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，從而滿足航拍、電力巡線、建模等行業(yè)的需求。

    2017年1月，深圳市鵬錦科技有限公司應(yīng)客戶要求順利完成冬小麥前期的長勢監(jiān)測任務(wù)。

    理論基礎(chǔ)

    農(nóng)業(yè)上使用的無人機(jī)種類繁多，有無人直升機(jī)、固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)等多種機(jī)型。伯鐳選用的是多旋翼無人機(jī)輔助作業(yè)，優(yōu)勢如下：

    1)相對無人直升機(jī)，多旋翼操作簡單，成本低；

    2)相對于固定翼無人機(jī)，多旋翼無人機(jī)可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)飛行速度，載荷相對大些，可以根據(jù)需要搭載各種傳感器；

    3)多旋翼無人機(jī)飛行速度可控，飛行高度可調(diào)且可以低空飛行，同時多旋翼無人機(jī)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(nóng)用傳感器。

    本次農(nóng)情監(jiān)測搭載的多光譜相機(jī)總共有五個鏡頭，分別對應(yīng)近紅外、紅光、綠光、紅邊、以及RGB合成。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)選擇歸化差分植被指數(shù)（NormalizedDifferenceVegetationIndex,NDVI）來綜合反映冬小麥的生長分布和覆蓋情況。

    植物葉面在可見光紅光波段有很強(qiáng)的吸收特性，在近紅外波段有很強(qiáng)的反射特性，這是植被遙感監(jiān)測的物理基礎(chǔ)。通過這兩個波段測值組合得到的NDVI指數(shù)，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(shù)隨覆蓋度的增加而迅速增大，當(dāng)達(dá)到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(tài)監(jiān)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(qū)。

    NDVI取值范圍：-1～1，NDVI值近似為0表示無植被的裸土區(qū)；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(qū)域植被密度較高；而地面覆蓋、雪區(qū)域NDVI是負(fù)值。NDVI是植物空間密度和植物生長狀態(tài)的指示因子，與植被覆蓋的分布密度呈線性相關(guān)關(guān)系，般應(yīng)用于檢測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋等域。

    實(shí)際應(yīng)用

    伯鐳工程師根據(jù)客戶需求拍攝監(jiān)測區(qū)域（57畝），每個鏡頭124張照片，共計(jì)620張。將拍攝數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件Pix4D，可以得到測區(qū)RGB合成正射影像圖，以及各個波段的反射地圖和指數(shù)圖。

    根據(jù)不同需要可以將波段進(jìn)行組合計(jì)算得到植被指數(shù)，這邊計(jì)算的是NDVI指數(shù)圖。結(jié)合圖表可以看出：紅色區(qū)域表示有水區(qū)域，接近0值部分是道路和裸土，左邊綠色較密集區(qū)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(xiàn)土黃色。

    無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)在植被監(jiān)測中的應(yīng)用

    補(bǔ)充

    圖表體現(xiàn)了這個區(qū)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(qū)域作定期監(jiān)測，同樣以NDVI指數(shù)作為參評標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以得到冬小麥生長期的發(fā)育狀況，作為產(chǎn)量評估和蟲害評估的主要依據(jù)，對時時的監(jiān)測小麥生長狀況，提高小麥的實(shí)際產(chǎn)量具有顯著意義。