無人機搭載多光譜相機在植被監測中的應用

    隨著“無人機+”時代的不斷深入，無人機產業可以應用到各行各業，小到消費的航拍攝影，大到無人機的行業應用。人們讓無人機搭載高分辨率CCD相機、熱紅外相機、多鏡頭相機等各種傳感器系統獲取數據，從而滿足航拍、電力巡線、建模等行業的需求。

    2017年1月，深圳市鵬錦科技有限公司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化差分植被指數（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、雪區域NDVI是負值。NDVI是植物空間密度和植物生長狀態的指示因子，與植被覆蓋的分布密度呈線性相關關系，般應用于檢測植被生長狀態、植被覆蓋等域。

    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。

    無人機搭載多光譜相機在植被監測中的應用

    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，對時時的監測小麥生長狀況，提高小麥的實際產量具有顯著意義。