БПЛА могут нести различные датчики дистанционного зондирования, которые позволяют получать многомерную высокоточную информацию о сельскохозяйственных угодьях и осуществлять динамический мониторинг различных типов данных. Эта информация, в основном, включает данные о пространственном распределении сельскохозяйственных культур (локализация сельскохозяйственных угодий, определение видов сельскохозяйственных культур, оценка площади и динамический мониторинг изменений, сбор информации об инфраструктуре полей), данные о росте сельскохозяйственных культур (фенотипические параметры, показатели питания, урожайность) и динамику факторов стресса для роста сельскохозяйственных культур (влажность поля, вредители и болезни).
Пространственная информация о сельскохозяйственных угодьях
Информация о пространственном местоположении сельскохозяйственных угодий включает в себя географические координаты полей и классификации культур, полученные с помощью визуального различения или машинного распознавания. Границы полей могут быть определены с помощью географических координат, а также может быть оценена площадь посадки. Традиционный метод оцифровки топографических карт в качестве базовой карты для регионального планирования и оценки площади имеет низкую оперативность, а разница между местоположением границы и фактической ситуацией огромна и неинтуитивна, что не способствует внедрению точного земледелия. Дистанционное зондирование с помощью БПЛА может получать всестороннюю информацию о пространственном местоположении сельскохозяйственных угодий в режиме реального времени, что имеет несравненные преимущества традиционных методов. Аэрофотоснимки с цифровых камер высокой четкости могут реализовать идентификацию и определение базовой пространственной информации о сельскохозяйственных угодьях, а развитие технологии пространственной конфигурации повышает точность и глубину исследования информации о местоположении сельскохозяйственных угодий и улучшает пространственное разрешение при введении информации о высоте, что обеспечивает более точный мониторинг пространственной информации о сельскохозяйственных угодьях.
Информация о росте сельскохозяйственных культур
Рост сельскохозяйственных культур можно охарактеризовать, используя информацию о фенотипических параметрах, показателях питательности и урожайности. Фенотипические параметры включают в себя растительный покров, индекс листовой поверхности, биомассу, высоту растений и т. д. Эти параметры взаимосвязаны и в совокупности характеризуют рост сельскохозяйственных культур. Эти параметры взаимосвязаны и в совокупности характеризуют рост сельскохозяйственных культур и напрямую связаны с конечной урожайностью. Они играют ведущую роль в исследованиях по мониторингу сельскохозяйственной информации, и было проведено больше исследований.
1) Фенотипические параметры сельскохозяйственных культур
Индекс листовой поверхности (LAI) – это сумма односторонних зелёных площадей листьев на единицу площади поверхности. Он может лучше характеризовать поглощение и использование культурой световой энергии и тесно связан с накоплением веществ в культуре и её конечной урожайностью. Индекс листовой поверхности – один из основных параметров роста сельскохозяйственных культур, отслеживаемых в настоящее время с помощью дистанционного зондирования с БПЛА. Расчёт вегетационных индексов (индекс относительной вегетации, нормализованный вегетационный индекс, индекс кондиционирования почвы, дифференциальный вегетационный индекс и т. д.) по мультиспектральным данным и построение регрессионных моделей на основе данных наземных наблюдений – более зрелый метод инверсии фенотипических параметров.
Надземная биомасса на поздней стадии роста сельскохозяйственных культур тесно связана как с урожайностью, так и с качеством. В настоящее время оценка биомассы с помощью дистанционного зондирования с БПЛА в сельском хозяйстве по-прежнему в основном использует мультиспектральные данные, извлекает спектральные параметры и рассчитывает вегетационный индекс для моделирования; технология пространственной конфигурации обладает определенными преимуществами при оценке биомассы.
2) Показатели питания сельскохозяйственных культур
Традиционный мониторинг состояния питания сельскохозяйственных культур требует отбора проб в полевых условиях и химического анализа в помещении для диагностики содержания питательных веществ или индикаторов (хлорофилла, азота и т. д.), в то время как дистанционное зондирование с помощью БПЛА основано на том факте, что различные вещества имеют специфические спектральные характеристики отражения-поглощения для диагностики. Мониторинг хлорофилла основан на том, что он имеет две сильные области поглощения в видимом диапазоне света, а именно красную часть 640-663 нм и сине-фиолетовую часть 430-460 нм, в то время как поглощение слабое при 550 нм. Характеристики цвета и текстуры листьев изменяются, когда культуры испытывают дефицит, и обнаружение статистических характеристик цвета и текстуры, соответствующих различным дефицитам и связанным с ними свойствам, является ключом к мониторингу питательных веществ. Подобно мониторингу параметров роста, выбор характерных полос, вегетационных индексов и моделей прогнозирования по-прежнему является основным содержанием исследования.
3) Урожайность
Повышение урожайности сельскохозяйственных культур является основной целью сельскохозяйственной деятельности, и точная оценка урожайности важна как для сельскохозяйственного производства, так и для принятия управленческих решений. Многочисленные исследователи пытались разработать модели оценки урожайности с более высокой точностью прогнозирования с помощью многофакторного анализа.
Сельскохозяйственная влага
Влажность сельскохозяйственных угодий часто контролируется тепловыми инфракрасными методами. В районах с высокой растительностью закрытие устьиц листьев снижает потери воды за счёт транспирации, что уменьшает поток скрытого тепла на поверхности и увеличивает поток явного тепла на поверхности, что, в свою очередь, приводит к повышению температуры полога, которая считается температурой растительного полога. Поскольку индекс водного стресса отражает энергетический баланс растений, он может количественно определить связь между содержанием влаги в растениях и температурой полога, поэтому температура полога, полученная с помощью теплового инфракрасного датчика, может отражать состояние влажности сельскохозяйственных угодий. Открытая почва или растительный покров на небольших участках могут быть использованы для косвенного инвертирования влажности почвы относительно температуры подпочвы. Этот принцип заключается в следующем: удельная теплоёмкость воды велика, температура тепла меняется медленно, поэтому пространственное распределение температуры подпочвы в течение дня может косвенно отражаться в распределении почвенной влаги. Таким образом, пространственное распределение дневной температуры подпочвы может косвенно отражать распределение почвенной влаги. При мониторинге температуры растительного полога голая почва является важным фактором помех. Некоторые исследователи изучали взаимосвязь между температурой растительного полога и почвенным покровом, выявили расхождение между измерениями температуры растительного полога, вызванными голой почвой, и истинным значением, и использовали скорректированные результаты при мониторинге влажности сельскохозяйственных угодий для повышения точности. В реальном управлении сельскохозяйственным производством утечка влаги с полей также находится в центре внимания. Были проведены исследования с использованием инфракрасных тепловизоров для мониторинга утечки влаги из оросительных каналов, точность которых достигала 93%.
Вредители и болезни
Использование метода спектрального отражения в ближнем инфракрасном диапазоне для мониторинга вредителей и болезней растений основано на: отражении листьев в ближнем инфракрасном диапазоне от губчатой ткани и контроле ткани ограждения; у здоровых растений эти два тканевых зазора заполняются влагой и расширяются, являясь хорошим отражателем различного излучения; при повреждении растения повреждается лист, ткань увядает, количество воды уменьшается, инфракрасное отражение уменьшается вплоть до потери.
Тепловой инфракрасный мониторинг температуры также является важным индикатором наличия вредителей и болезней сельскохозяйственных культур. Здоровые растения, главным образом, контролируют открытие и закрытие устьиц листьев, регулируя транспирацию, чтобы поддерживать стабильность собственной температуры. В случае заболевания патологические изменения будут происходить, взаимодействие патогена и хозяина на растении, особенно в аспектах, связанных с транспирацией, что определит повышение и понижение температуры в пораженной области. В целом, чувствительность растений приводит к нарушению регуляции открытия устьиц, и, таким образом, транспирация в пораженной области выше, чем в здоровой. Интенсивная транспирация приводит к снижению температуры в пораженной области и увеличению разницы температур на поверхности листа по сравнению с нормальным листом, вплоть до появления некротических пятен. Клетки в некротической области полностью отмирают, транспирация в этой области полностью прекращается, и температура начинает повышаться. Однако, поскольку остальная часть листа начинает инфицироваться, разница температур на поверхности листа всегда выше, чем у здорового растения.
Другая информация
В области мониторинга сельскохозяйственных угодий данные дистанционного зондирования с БПЛА имеют более широкий спектр применения. Например, их можно использовать для определения площади полегания кукурузы с использованием различных текстурных характеристик, для оценки степени зрелости листьев на стадии созревания хлопка с использованием индекса NDVI и для создания карт норм внесения абсцизовой кислоты, которые позволяют эффективно управлять опрыскиванием хлопка абсцизовой кислотой, предотвращая чрезмерное применение пестицидов, и т. д. В соответствии с потребностями мониторинга и управления сельскохозяйственными угодьями, неизбежным направлением будущего развития информатизированного и цифровизированного сельского хозяйства является постоянное изучение информации, полученной с помощью дистанционного зондирования с БПЛА, и расширение областей ее применения.
Время публикации: 24 декабря 2024 г.