《冬小麥田間長勢(shì)無人機(jī)高光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》（征求意見稿）

1、ICS FORMTEXT 65.060.99 FORMTEXT CCS B 01 FORMTEXT DB FORMTEXT 34 FORMTEXT 安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)DB FORMTEXT 34/ FORMTEXT XXXXX FORMTEXT XXXX FORMTEXT FORMTEXT 冬小麥田間長勢(shì)無人機(jī)高光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程Technical regulations for UAV-based hyperspectral remote sensing monitoring of winter wheat field growth FORMTEXT FORMTEXT FORMDROPDOWN

2、 FORMTEXT FORMTEXT - FORMTEXT XX - FORMTEXT XX發(fā)布 FORMTEXT XXXX - FORMTEXT XX - FORMTEXT XX實(shí)施 FORMTEXT 安徽省市場監(jiān)督管理局發(fā)布DB34/ XXXXXXXXX 前言本文件按照GB/T 1.1-2020標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則的規(guī)定起草。本文件由安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所提出。本文件由安徽省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳歸口。本文件起草單位： 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所、和縣農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心、潁上縣王崗鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站、舒城縣農(nóng)技推廣中心、安徽省蒙城縣雙澗農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站、安徽省蒙城

3、縣漆園農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站、安徽省蒙城縣種植業(yè)發(fā)展中心。本文件主要起草人： 楊欣、葉寅、劉龍、王峰、汪永安、夏敏、袁自然、方云、賈訓(xùn)強(qiáng)、張傳梅冬小麥田間長勢(shì)無人機(jī)高光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程范圍應(yīng)選擇在有一定冬小麥種植歷史，并具有可持續(xù)生產(chǎn)能力的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，遠(yuǎn)離城市、工礦企業(yè)、村莊和公路等設(shè)施。產(chǎn)地區(qū)域內(nèi)清潔，無堆放工業(yè)廢渣、廢石及城市垃圾。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。NY/T 851-2004 小麥產(chǎn)地環(huán)境技術(shù)條件GB/T 37804

4、-2019 冬小麥苗情長勢(shì)監(jiān)測(cè)規(guī)范 第3部分：術(shù)語和定義 第5部分：監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與方法CH/Z 3002-2010 無人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求CH/Z 3001-2010 無人機(jī)航攝安全作業(yè)基本要求GB/T 38997-2020 輕小型多旋翼無人機(jī)飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)通用要求 第4部分：通用要求GB/T 36301-2018 航天高光譜成像數(shù)據(jù)預(yù)處理產(chǎn)品分級(jí) 第3部分：術(shù)語和定義GB/T 30115-2013 衛(wèi)星遙感影像指數(shù)產(chǎn)品規(guī)范 定義3.8節(jié)GB/T 14950-2009 攝影測(cè)量與遙感術(shù)語術(shù)語和定義GB/T 37804-2019、GB_T 36301-2018、GB/T30115-2013、GB

5、/T 14950-2009界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1 苗情長勢(shì) growth conditions作物生長期間的植株生長發(fā)育狀況等信息,通常情況下也包括影響作物生長發(fā)育的土壤條件、田間小氣候、生產(chǎn)管理過程、災(zāi)害發(fā)生情況等。3.2生育時(shí)期 growth stage作物在生長發(fā)育過程中,按照器官形成順序和生長發(fā)育特性,植株外部形態(tài)特征呈現(xiàn)顯著變化的幾個(gè)時(shí)期。注:小麥的生育時(shí)期分為出苗期、三葉期、分蘗期、越冬期、返青期、起身期、拔節(jié)期、孕穗期(挑旗期)、抽穗期、開花期、乳熟期(灌漿期)、成熟期等12個(gè)時(shí)期。3.3遙感 remote sensing不接觸物體本身，用傳感器收集目標(biāo)物的

6、電磁波信息，經(jīng)處理、分析后，識(shí)別目標(biāo)物、揭示其幾何、物理特征和相互關(guān)系及其變化規(guī)律的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。3.4高光譜遙感 hyperspectral remote sensing在電磁波譜的可見光，近紅外，中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取光譜分辨率高于百分之一波長達(dá)到納米（nm）數(shù)量級(jí)，光譜通道數(shù)多達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百的遙感技術(shù)。3.5景 scene根據(jù)傳感器特征,將遙感影像數(shù)據(jù)按照規(guī)定的行數(shù)和列數(shù)進(jìn)行裁切后的圖像計(jì)數(shù)單位。3.6大氣校正 atmosphericcorrection消除或減弱遙感影像獲取時(shí)因大氣傳輸中的吸收或散射作用引起的輻射畸變。3.7遙感平臺(tái) remote sensing platfor

7、m安放傳感器并能進(jìn)行遙感作業(yè)的載體。3.8航向重疊 longitudinal overlap本航線內(nèi)相鄰像片上具有同一地區(qū)影像的部分，通常以百分比表示。3.9旁向重疊 lateral overlap相鄰航線的相鄰像片上具有同一地區(qū)影像的部分，通常以百分比表示。3.10光譜分辨率 spectral resolution傳感器或波譜測(cè)量儀器能夠區(qū)分或分辨的最小波段范圍或波長間隔。3.10縮略語下列縮略語適用于本文件。DN:數(shù)字灰度值(Digital Number)GNSS:全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Stellite System)無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)4.1 飛行器產(chǎn)品類

8、型：大疆M600PRO飛行器，六懸翼無人機(jī)（兩套無人機(jī)電池）產(chǎn)品定位：專業(yè)航拍工作環(huán)境溫度：-1040。衛(wèi)星定位模塊：GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）雙模。4.2 云臺(tái)增穩(wěn)云臺(tái)（兩套云臺(tái)電池）可控轉(zhuǎn)動(dòng)范圍俯仰：-9030。控制轉(zhuǎn)速：可調(diào)節(jié)4.3 高光譜成像儀（含光譜成像儀、面陣探測(cè)器（CCD）、成像鏡頭）高光譜成像技術(shù)的定義是在多光譜成像的基礎(chǔ)上，在紫外到近紅外（200- 2500nm）的光譜范圍內(nèi)，利用成像光譜儀，在光譜覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百條光譜波段對(duì)目標(biāo)物體連續(xù)成像。在獲得物體空間特征成像的同時(shí)，也獲得了被測(cè)物體的光譜信息。4.4 G

9、aiaSky-mini2-VN無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：型號(hào)：GaiaSky-mini2-VN光譜范圍4001000（nm）光譜分辨率3.5 nm空間分辨率4.7cm連接方式USB 3.0功率45W工作電壓1219V飛行高度100m飛行速度7m/s航向重疊55%旁向重疊50%可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光、自動(dòng)掃描速度匹配、自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集，采用懸停拍攝方式，無需高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)，圖像實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拼接。5、監(jiān)測(cè)前準(zhǔn)備5.1 采樣點(diǎn)選取采取對(duì)角線取樣法,每個(gè)監(jiān)測(cè)田塊選擇3個(gè)有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行固定標(biāo)記。每個(gè)采樣點(diǎn)插上白色的牌子；在每個(gè)梯度田上均勻地選取若干個(gè)小區(qū)（數(shù)量根據(jù)梯田面積定），每個(gè)小區(qū)均勻選取3-5個(gè)采

10、樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)取3-5株植株。5.2 飛行前準(zhǔn)備飛行區(qū)考察工作，考察飛行區(qū)的地形地貌、天氣狀況，根據(jù)考察結(jié)果設(shè)計(jì)合適的航線。設(shè)備檢查工作，飛行前做好設(shè)備清單，并做好設(shè)備充電工作。系統(tǒng)構(gòu)件具體構(gòu)件無人機(jī)系統(tǒng)無人機(jī)起落架支架彈簧無人機(jī)電池組4組電池（6塊）充電器充電線無人機(jī)遙控兩副遙控遙控充電線iPad平板數(shù)據(jù)連接線充電頭云臺(tái)系統(tǒng)云臺(tái)支架支架立架支架上桁架懸掛橫桿螺旋旋鈕云臺(tái)三軸穩(wěn)定平臺(tái)云臺(tái)電池三組云臺(tái)電池充電器兩副云臺(tái)連接線相機(jī)供電線快門控制線其他內(nèi)連線相機(jī)系統(tǒng)高光譜相機(jī)相機(jī)主機(jī)電源充電線大容量U盤鏡頭蓋白板白板一體箱灰布40%反射率灰布無線鍵鼠鼠標(biāo)充電線無線鍵鼠USB無線接收器監(jiān)視器監(jiān)視顯示

11、器顯示器電源線與探頭數(shù)據(jù)連接線其他HDMI圖傳線兩條圖傳線扎帶長短扎帶兩包筆記本電腦航點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算器Specview軟件M600pro+mini2物品清單6、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和方法6.1 高光譜成像儀監(jiān)測(cè)小麥作物大田的高光譜遙感影像，包含在紫外到近紅外（400 - 1000nm）的光譜范圍內(nèi)，利用成像光譜儀獲取的光譜覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百條光譜波段對(duì)目標(biāo)農(nóng)作物的連續(xù)成像。在獲得物體空間特征成像的同時(shí)，也獲得了被測(cè)物體的光譜信息。6.2無人機(jī)飛行條件生育前期每隔5至7天飛行一次，生育后期平均2至3天飛行一次，選擇在天氣晴朗、無風(fēng)或微風(fēng)的條件下，時(shí)間定在10:00-14:00之間飛行。6.3無人機(jī)監(jiān)測(cè)步驟6

12、.3.1 創(chuàng)建飛行任務(wù)運(yùn)行DJI GS Pro軟件，新建飛行任務(wù)，由于我們的相機(jī)執(zhí)行的是攝像功能，而非拍照功能，在空中懸停的時(shí)間較長，一般選擇最后一個(gè)航點(diǎn)飛行-指定航線來進(jìn)行后續(xù)的飛行任務(wù)。6.3.2 地圖選點(diǎn)6.3.3 航點(diǎn)設(shè)置設(shè)置足夠多的航點(diǎn)并且有序的排列在地圖上。6.3.4 航點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算6.3.5 航點(diǎn)動(dòng)作設(shè)置除了每次無人機(jī)拍攝的第一個(gè)點(diǎn)拍攝前需要添加3秒的懸停等待時(shí)間外,其他的航點(diǎn)拍攝前均不需要懸停等待。拍攝時(shí)添加懸停等待，Skymini2代時(shí)間為9秒。6.3.6 設(shè)備安裝與連線連接好電源線和快門控制線。將相機(jī)在云臺(tái)上進(jìn)行調(diào)平，可通過調(diào)參助手軟件進(jìn)行調(diào)整。將云臺(tái)控制線連接至云臺(tái)的CAN

13、2口。將飛控信號(hào)線接頭接好。連接M600pro的HDMI圖傳線，將飛控線斷開。6.3.7 飛行操作流程6.3.7.1開機(jī)；6.3.7.2將監(jiān)視器HDMI in與遙控器HDMI接口連接；6.3.7.3運(yùn)行DJI Go。遙控器背面C1按鈕控制云臺(tái)水平與垂直控制切換，C2：云臺(tái)置中。右側(cè)滾輪控制云臺(tái)水平與垂直轉(zhuǎn)動(dòng)；6.3.7.4打開相機(jī)控制器開關(guān)按鈕；6.3.7.5系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)運(yùn)行控制軟件并對(duì)相機(jī)進(jìn)行初始化；6.3.7.6軟件打開調(diào)焦預(yù)覽執(zhí)行置中，然后執(zhí)行自動(dòng)曝光，驗(yàn)證自動(dòng)曝光的效果；6.3.7.7黑白板背景數(shù)據(jù)采集：白板位置不動(dòng)，執(zhí)行白幀，采集白背景數(shù)據(jù)。然后扣上鏡頭蓋，執(zhí)行黑幀采集背景數(shù)據(jù)。6

14、.3.7.8執(zhí)行遙控模式。6.3.7.9檢查圖傳軟件是否正常運(yùn)行，若無正常運(yùn)行可進(jìn)行設(shè)備重啟或者更換HDMI圖傳線，手動(dòng)將無人機(jī)起飛至離地約5m處，傳輸設(shè)計(jì)好的飛行任務(wù)，然后開始飛行任務(wù)。6.3.7.10無人機(jī)降落，檢查設(shè)備是否完好。6.3.7.11關(guān)閉無人機(jī)，關(guān)閉云臺(tái)。6.3.7.12拆卸并收好各部件。6.4 冬小麥田間長勢(shì)參量6.4.1冬小麥葉片葉綠素含量葉綠素含量是作物生長狀態(tài)的良好指示器，它與作物的光合作用能力，發(fā)育狀況，脅迫程度及氮素含量等密切相關(guān)，又是作物與外界發(fā)生物質(zhì)能量交換的重要條件，因此估測(cè)冬小麥葉綠素含量已成為評(píng)價(jià)其長勢(shì)的一種有效手段?？墒褂萌债a(chǎn)SPAD-502型手持式葉綠

15、素儀對(duì)葉綠素相對(duì)含量SPAD進(jìn)行測(cè)定。6.4.2冬小麥葉片氮含量氮素是冬小麥生長和產(chǎn)量品質(zhì)形成所必須的重要元素，通過了解作物葉層氮含量、葉綠素等的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)評(píng)價(jià)冬小麥氮素營養(yǎng)狀況、生產(chǎn)能力及預(yù)測(cè)產(chǎn)量或者品質(zhì)等均具有重要意義。將植株樣品莖葉分離，葉片置于 70 干燥箱內(nèi)恒溫干燥，粉碎，采用凱氏定氮法測(cè)定其氮含量。6.4.3冬小麥葉面積指數(shù)葉面積指數(shù)是反映作物生理生化過程和生產(chǎn)力狀況的良好指標(biāo)，對(duì)冬小麥長勢(shì)監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量估測(cè)等應(yīng)用具有重要意義。在獲取高光譜信息之后，就地進(jìn)行冬小麥采樣，采樣面積為 0.2 m2，隨后立即將樣品放入塑封袋中，密封并帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室中，小麥綠葉面積使用 Li-3000

16、C 便攜式葉面積儀（LICOR，林肯，內(nèi)布拉斯加州，美國）進(jìn)行測(cè)量。7、內(nèi)業(yè)整理7.1 無人機(jī)采集數(shù)據(jù)處理7.1.1數(shù)據(jù)導(dǎo)出：將數(shù)據(jù)通過監(jiān)視器從相機(jī)導(dǎo)出；7.1.2鏡頭校準(zhǔn)：在Specview軟件中執(zhí)行，目的是消除飛行過程中的影像失真。7.1.3反射率校準(zhǔn)：在Specview軟件中執(zhí)行，目的是將DN值轉(zhuǎn)換成反射率。7.1.4大氣校正：在Specview軟件中執(zhí)行，目的是消除大氣、水汽等因素的影響。7.1.5影像拼接：在四川雙利合譜公司提供的HiSpectralStitcher中對(duì)每一景校正后的影像進(jìn)行拼接，拼接成覆蓋整個(gè)研究區(qū)的遙感影像。7.1.6打開ENVI5.4軟件，依次提取每個(gè)田塊的感興

17、趣區(qū)，計(jì)算每個(gè)感興趣區(qū)域所有像素的反射率均值并導(dǎo)出保存為mat數(shù)據(jù)格式。對(duì)于每個(gè)感興趣區(qū)域，每個(gè)波段上有一個(gè)反射率均值代表整個(gè)感興趣區(qū)的反射率。圖3 冬小麥大田高光譜影像（RGB成圖）7.2 冬小麥田間長勢(shì)參數(shù)數(shù)據(jù)處理對(duì)于所測(cè)的小麥葉片葉綠素含量、葉面積指數(shù)以及葉片氮含量數(shù)據(jù)，去除異常值。打開MATLAB2017軟件，將所測(cè)采樣點(diǎn)的葉綠素含量、葉面積指數(shù)、葉片氮含量按照采樣點(diǎn)編號(hào)順序分別保存為mat數(shù)據(jù)文件格式。7.3 建模分析7.3.1將所有感興趣區(qū)域的反射率均值和實(shí)測(cè)葉片葉綠素含量、葉面積指數(shù)以及葉片氮素含量按照采樣點(diǎn)編號(hào)形成一個(gè)二維數(shù)組；7.3.2計(jì)算每個(gè)波段的反射率與葉綠素、葉面積指數(shù)

18、以及氮素含量之間的相關(guān)性；7.3.3根據(jù)相關(guān)性大小，分別選取葉綠素、葉面積指數(shù)以及氮素含量對(duì)應(yīng)的敏感波段；7.3.4將選取的敏感波段和生理生化參量（葉綠素、葉面積指數(shù)以及氮素含量）形成兩個(gè)新的二維矩陣，其中X = x1,x2,x3xn,x1xn為特征敏感波段，Y = y1,y2,y3，其中y1為各采樣點(diǎn)的葉綠素含量，y2為葉面積指數(shù)，y3為葉片氮素含量；7.3.5使用MATLAB2017軟件對(duì)矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成一個(gè)新的矩陣X_std;7.3.6在MATLAB2017軟件中使用RF_MexStandalone-v0.02-precompiled程序包對(duì)矩陣X_std和矩陣Y進(jìn)行建模分析，其中，模型核心參數(shù)為mtree和ntry；7.3.7使用格網(wǎng)搜索法對(duì)模型核心參數(shù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)優(yōu)，得到具有最優(yōu)模擬能力的反演模型（rsq值越大，mse值越小，模型的模擬能力越強(qiáng)）；7.3.8由建模分析可