基于无人机电磁法的大面积农田重金属污染调查方案

赛盈地脉 · 发表于 2020-12-23 17:29

当今无人机飞防服务势头正劲，载着药罐的无人机广泛被认可，但与此同时，农用无人机的另一个潜在应用也不容忽视——农业遥感。遥感被认为是农用无人机的另一个潜在市场，随着精准农业步伐的加快，遥感代表着农用无人机的另一个广阔未来。

监测病虫害
病虫害是影响作物产量的直接因素，是世界各国的主要农业灾害之一。大规模的病虫害会给农业生产和国民经济造成巨大损失。据联合国粮农组织统计，世界粮食产量因病虫害造成的损失占粮食总产量的 20%以上。

无人机监测麦田锈病情况

、利用遥感监测技术跟追病虫害进展情况，有利于展开精准治理工作，做到及时发现、及时处理，也有利于早期防治。其原理是，病虫害会造成作物叶片细胞结构色素、水分、氮元素等性质发生变化，从而引起反射光谱的变化，所以病虫害作物的反射光谱和正常作物可见光到热红外波段的反射光谱有明显差异。

在美国、澳大利亚等地，用无人机遥感监测并不罕见。比如，美国有种植户用无人机监测的麦田锈病情况，从中可以明显看出哪里是重灾区。也有人用无人机查看苜蓿地里的菟丝子（一种恶性寄生性杂草,主要寄生于苜蓿等豆科作物，苜蓿生长易受到恶性杂草菟丝子的严重危害,常造成苜蓿植株成片死亡），从而能在灾害大规模爆发前做到提早预防。

统计分析植株数量和成苗率

无人机遥感测绘的另一个用途是统计植株数量。相比于耗时且只能抽样调查的手动计数，无人机统计更加全面，准确性更高。

据报道，2016 年6 月，基于云计算的无人机软件和制图解决方案供应商Drone Deploy、农业合作分析公司 Aglytix 和农业技术公司 AgriSens 合作，为农作物提供生长分析工具，通过农作物数量统计、农作物占地面积来分析当前农作物是否为最佳生长距离。

在 2016 年的植物生长季，加利福尼亚北部的一家私人农场请来第三方公司为农场 74 英亩的耕地移植了数万番茄植株。为了避免该公司没有严格按照移植数量收费，私人农场工作人员利用 AgriSens 公司的无人机应用软件快速实现了数量统计。

除此之外，用户也可以借助无人机遥感测绘的硬件和软件技术，分析新栽培植株的成苗率，以确定重新栽种方案。

利用无人机技术分析植株成苗情况

分析土壤属性

当今，世界农业现代化大国都在提倡精准农业，要求根据土壤性状,在作物生长过程中调节对作物的要素投入,以最低的投入达到最高的产出,并高效利用各类农业资源,改善环境,取得较好的经济效益和环境效益。

无人机技术和土壤取样技术结合，分析土壤属性

作为空中监测技术，农业遥感是推动农业走向精准化的有利手段。农业遥感监测主要以作物、土壤为对象。作物在可见光－近红外光谱波段中，反射率主要受到作物色素、细胞结构和含水率的影响，特别是在可见光红光波段有很强吸收波段，在近红外波段有很强的反射特性，可以被用来进行作物长势、作物品质、作物病虫害等方面的监测。土壤可见-近红外光谱总体反射率相对较低，在可见光谱波段主要受到土壤有机质、氧化铁等赋色成分的影响。因此，土壤、作物等地物固有的反射光谱特性是农业遥感的基础。

美国一家专门分析土壤样本的精准农业服务公司 Heartland Soil Services，正在尝试将无人机遥感测绘的归一化植被指数（NDVI）图与土壤取样分析相结合，从而生成土壤营养元素图。这种将二者结合的方法，相较于原来的只靠土壤取样分析法（每两英亩取一个样本）更加详细和精准。

自然灾害后作物受损评估

农作物的整个生长发育过程与气象息息相关，气候变化和灾害性天气是直接影响粮食生产和农民增收，影响农业的平稳快速发展。不可避免的自然灾害发生后，遥感技术可以用于评估暴风雨和冷冻灾害后受损情况。

暴风雨灾害后作物受灾情况

作物遭受冷冻害后，体内叶绿素活性会减弱，对近红外光和红光的敏感度下会导致植被指数发生变化，因此植被指数差异分析主要通过受灾前后植被指数的差值来判断受灾情况。

在暴风雨灾害中，研究表明，水浸后的植被可见光波段反射增强，近红外波段减弱。且近红外波段和热波段的组合可以识别水浸和健康谷类作物。

在伊利诺伊州的一场强风和强降雨天气中，该州中部地区 105 英亩（613 亩）的谷物发生不同程度损害。无人机服务 Overhead Ag 公司利用无人机技术生成灾后评估报告，详细标出了轻微受损区、中度受损和重度受损区，并且计算出了各自面积和所占比例，让农户可以直观了解灾后损失情况。

总览梯田概况，便于及时整改

梯田是在坡地上沿等高线分段建造的阶梯式农田，其是一种重要的水土保持措施，具有保水、保土、保肥的作用。作为坡耕地治理措施的一种，修建梯田可以通过减缓地形坡度、缩短坡长来改变坡面的小地形，进而有效治理坡耕地水土流失。所以，及时获得梯田的动态指标，可以为梯田建设成效评价、水土流失防止、水土资源合理利用等提供科学依据。

梯田二维图（左）和梯田高程图

利用遥感技术生成的高分辨率影像对水土保持进行检测，有利于提取更详尽的水土保持措施。利用无人机生成高程图可以直观看到梯田的整体布局，便于梯田管理者随挖随填，及时整改阶地和排水系统。

其实卫星遥感手段已经发展已久，但卫星易受到天气环境影响，且轨道周期较长。比较而言，无人机灵活性更强、易部署。相信随着无人机平台、传感器和软件技术的进一步提升，未来无人机作为卫星等其他遥感平台的补充手段，可以帮助在农业构建起更加完整的监测网。

“无人机+EM”方法

利用固定翼飞机（直升机）下悬挂特殊的发射和接收天线，开展良导电金属矿快速普查的航空电磁法，在全球范围内已经有了几十年的发展历史，现已十分成熟。这种方法有速度快、效率高、通行性好、覆盖面积大、使用范围广（无论陆地、还是湖面和海洋）等优点。广泛应用于矿产资源勘查、基础地质调查、油气勘查、以及水文、工程和环境勘查等很多领域。

但是固定翼飞机的使用，不仅飞机本身的购置和使用成本很高，而且面临机场和空域管制等问题，导致无法推广使用。尤其在农田污染调查领域，单位面积的预算有限，因此无法使用这种技术。只是近年来无人机技术的突飞猛进，让航空电磁法在农业重金属污染调查领域，又看到了曙光。

除了使用门槛低等优势之外，和固定翼飞机相比，无人机飞行高度很低，非常贴近地表，因此减少了 EM 天线到地面的距离，从而降低了 EM 天线的精度要求，并且可使用已经普及的民用无线通信网络进行控制和数据传输。可以说，EM 和无人机在农业重金属污染调查领域，可以说是天生的一对。两者组合在一起之后，无人机挂着 EM 天线，在预先设定的高度、自动生成路线并快速地进行扫描式的测量，非常适用在动辄上千亩范围的农业领域。和传统的采用 XRF 选点取样的方式相比，无论是调查效率、还是覆盖率，都有革命性的提升。

但是，无论是专为农业植保开发的无人机，还是现有的针对地面行走模式设计的 EM 设备，都需要进行优化。