LSJ-2019034-天空地一体化智慧农业方案

六视角科技内部资料14/26天空地一体化智慧农业环境与资源数据采集与监测方案(六视角科技)（编号：LSJ-2019034）编制：重庆市六视角科技服务有限责任公司2019年12目录任务目标分析国内农业的行业状况国外农业的行业状况农业数据内容分析重庆市智慧农业发展实施方案的解读（无人机相关）基于无人机的农业环境与资源数据采集与监测需求分析当前的农业数据采集方式需采用无人机采集与监测的农业数据无人机采集与监测农业环境与资源数据的优势天空地一体化智慧农业环境与资源数据采集与监测方案农作物资源调查植被覆盖度调查农作物面积测量农作物生长情况监测识别苗率和农作物密度评价农作物早期健康情况农作物生态情况监测了解农作物疾病症状预防与监测农作物虫害监测农作物杂草侵害识别与诊断农作物氮素营养状况农业水资源调查采集农业可用水量数据监测农作物水分需求土壤湿度监测农用土地资源监测调查农用土地可用面积调查农用土地利用状况土壤和产量分析土壤生态环境监测其他鸟类控制农业保险赔付勘察飞行器与设备需求协调项数据采集与监视的前期准备工作任务实施成果分析提交定期报告附件1附件2附件3任务目标分析当前国内农业的行业状况中国有巨大的人口基数，粮食安全问题不容轻视，吃饭问题不可能主要依靠从其他国家进口来解决。传统的分散小农经济已不能满足社会的需求，耕地面积的减少依然是一个不争的事实，国内农业效率必须提升，只有规模化、集约化才能带来效率的提升。国内农业生产正在由小农经营向规模化集约化种植转变。种植结构的变化再加上农业本身所具有的地域性、季节性、多样性、周期性等特点，导致了农业产业链的信息不对称，农业信息不对称导致农业效率不高。农业生产精细化、集约化程度依然不够高，农户生产综合成本始终较高，如农作物种植不均衡、遭遇极端天气、区域性病虫灾害等不可控因素将导致产品滞销，巨大的经济损失将直接影响生产者的积极性。国外农业的行业状况20世纪70年代，美国农业部已实施农业经济研究，专门从事农业市场数据的采集与供需平衡表的发布。依靠高效数据作为决策支撑，美国农业种植者可根据市场供需情况合理安排农产品种植，经销商以期货套保的方式提前锁定农产品价格，这让美国农产品在全球市场上卖出好价钱并掌握议价权。因此，农业数据采集和监测是农业效率提升的瓶颈。农业数据内容分析农业数据主要集中在农业环境与资源、农业生产、农业市场和农业管理等四个领域。农业环境与资源数据：包括土地资源数据、水资源数据、气象资源数据、生物资源数据和灾害数据。农业生产数据：包括种植业生产数据和养殖业生产数据。其中，种植业生产数据包括良种信息、地块耕种历史信息、育苗信息、播种信息、农药信息、化肥信息、农膜信息、灌溉信息、农机信息和农情信息；养殖业生产数据主要包括个体系谱信息、个体特征信息、饲料结构信息、圈舍环境信息、疫情情况等。农业市场数据：包括市场供求信息、价格行情、生产资料市场信息、价格及利润、流通市场和国际市场信息等。农业管理数据：主要包括国民经济基本信息、国内生产信息、贸易信息、国际农产品动态信息和突发事件信息等。重庆市智慧农业发展实施方案的解读（无人机相关）为了发展智慧农业、提高农业效率，重庆市人民政府办公厅于2019年11月发布了《重庆市人民政府办公厅关于印发重庆市智慧农业发展实施方案（试行）的通知》，对农业主管部门提出了更高的管理要求，主要要求如下：综合利用卫星遥感、无人机、物联网、云计算等现代信息技术和设施设备；对农业资源要素、生产过程、时空方位及生产环境进行感知、诊断、决策；开展产业布局、农业地块精细提取、耕地质量监测、作物长势及生长环境持续监测、重大动植物疫情防控、灾害预警、农情信息动态等服务，精准指导全市智慧农业生产发展；到2022年，基本建成智慧农业天空地一体化农业物联网管理平台，形成全市农业产业数字地图，推动实现主要农作物智能监测与预警全覆盖。如果要做好上述工作，农业数据采集与监测项目工作是最前沿的基础工作，是做好天空地一体化智慧农业的关键所在。如果仅靠人工数据报送、人工方式概算、人工方式监控、卫星遥感、有人驾驶航空器航拍等方式是远远不够的，因此，基于无人机的农业数据采集与监测势在必行。基于无人机的农业数据采集与监测需求分析当前的农业数据采集方式目前，获取农田信息的方式主要包括卫星遥感、有人驾驶航空器航拍、定点摄像、手持或车载式信息采集和无人机农田信息获取等。传统的农田信息获取技术(如卫星遥感、有人驾驶航空器航拍等)获取的是宏观农田信息，由于其时效性较差且易受云雾的干扰，难以满足现代农业生产和信息获取的需求。国内作物种植情况复杂，作物品种多样，农户规模较小，在较小范围内实现精准农业的情况下，农田信息获取技术尤为重要。无人机一次飞行可以完成大面积多种信息的采集，如农作物种类与分布面积、土壤墒情、病虫害和作物长势、杂草识别等。需采用无人机采集与监测的农业数据农业数据集中在农业环境与资源、农业生产、农业市场和农业管理等四个领域。其中，农业环境与资源数据是动态变化的，最不容易获得具体可靠数据。人工实地核对测量、卫星遥感影像数据等技术手段在农业环境与资源数据采集实际工作中发挥一定作用，但在高效、快捷、准确性等方面还存在不足。人工实地检查效率低，需要大量的人力和物力，很多地方难以覆盖到位，并且易受人为因素干扰。卫星遥感影像数据分辨率低，影响判别准确性；采集周期长，现势性不够。有人驾驶航空器成本高、运行困难（维护、空域等）。使用无人机采集和监测农业环境与资源具有快速、准确、成本低、易于大范围使用的独特优势。农业环境与资源要素包括土地资源、气候资源、植物资源、水资源。农作物资源调查：采集重庆市或区县范围内的农作物、果林的种类、种植面积、生长情况、生态条件、资源消长变化等数据。农业水资源调查：采集重庆市、区县的河流湖泊、水库、池塘、泉水、基岩裂隙水、浅层地下水、岩溶水等数据，分析水量变化趋势。农用土地资源监测：对重庆市或区县的土地利用状况动态变化进行定期或不定期的监视和测定。监测内容包括耕地、林地、草地、交通等各类面积的变化，以及各种灾害对土地利用所造成的破坏和影响。无人机采集与监测农业环境与资源数据的优势无人机可以对作物长势信息快速提取与分析。对大面积农田、土地进行航拍，从航拍的图片、摄像资料中充分、全面地了解农作物的生长环境、周期等各项指标，从灌溉到土壤变异，再到肉眼无法发现的病虫害、细菌侵袭，指出出现问题的区域，便于更好地进行田间管理。无人机农田信息监测具有范围大、时效强和客观准确的优势，是常规监测手段无法企及的。无人机技术在农业中主要的优点是能够轻松快速地成像，在短短几个小时内即可得到显示作物相对状况的地图。例如，在普查农作物面积工作中，传统人工作业方式是调查人员深入地块进行丈量和实地填表，费时费力，并且精度不能保证。采用无人机自动飞行采集数据，十分钟就可以完成60亩地块的遥感测量工作，极大提高了工作效率和数据质量。以无人机作为空中作业平台，与传统人工方式、卫星遥感、有人驾驶航空器航拍相比具有以下优势：数据获取成本低。无人机的运行成本都大大低于卫星和载人飞机，使数据的获取成本大大降低。安全作业保障能力强。无人机采用自主和地面遥控作业方式，可进入高危地区开展工作，回避了飞行人员和地面人员的安全风险。数据精度高，功能强。无人机由于飞行高度低，可获取高图像分辨率影像。高分辨率航片影像能够实现在较小空间尺度上实施农作物面积普查测量、识别出苗率和农作物密度、识别农作物氮素营养状况、评价农作物早期健康情况、了解疾病症状、寻找虫害症状、监测杂草侵害、监测农作物水分需求。采集数据的时效性好。无人机体积小、质量轻、操作方便、易于转场，其起飞降落公路或其他较开阔的地面受场地限制较小，在操场、均可起降；其可以在短时间内迅速升空，实现数据的快速获取。能够云下获取数据。无人机可在云下飞行，弥补了卫星光学遥感受云层遮挡无法获取影像的缺陷，可在多云的天气条件下开展工作。可实现大区域、长航时及定点、定区域监测。在设定航点飞行完毕后，可实时上传新航点，保证系统的连续不间断工作，免去降落后再次输入采集与监测新航点的操作。天空地一体化智慧农业环境与资源数据采集与监测方案基于上述农业环境与资源数据的采集与监测需求，制定以下天空地一体化智慧农业环境与资源数据采集与监测方案。该方案是在完善和弥补人力方式、卫星遥感、有人驾驶航空器航拍等不足的前提下，充分使用无人机实施数据采集与监测，方案如下。农作物资源调查植被覆盖度调查：目前，依靠遥感检测农作物覆盖率变化已成为一个重要监测手段，超光谱、多光谱或热传感器的无人机能够弥补卫星遥感的不足，扫描地面农作物植被情况，计算植被指数，描述作物的相对密度和健康状况，并显示热量特征、作物释放的能量或热量，提高人土地面采集数字影响的效率，减少人工及时间的浪费，提高了植被覆盖率监测的准确性。农作物面积测量:采集农作物、果林的种类、种植面积。农作物生长情况监测：识别苗率和农作物密度：无人机对测定点采集多光谱图像数据，经过校正、标定和处理后，就可以将作物从附近的植被中识别出来，每平米的作物密度将会被计算出来，然后生成作物密度图。例如无人机所采集的归一化植被指数已成功用于大豆品种试验中的大豆生理成熟度预测。评价农作物早期健康情况：无人机采集田地中早期作物的多光谱图像，识别其产量潜力、营养水平、长势和密度，预测产量潜能。农作物生态情况监测：做好使用化肥或杀虫剂的决策，改善当地作物状况，提高作物产量。了解农作物疾病症状：无人机搭载传感器，传感器可以监测植物吸收和反射特定波长的光，形成颜色对比图像，直观的反应出有问题的区域；快速找到生长缓慢、需要实施补救措施的植物片区；结合卫星图像，无人机航拍长期监测，掌握作物的发病率和严重程度，在下一季种植中更好地进行田间管理。预防与监测农作物虫害：使用无人机发现漂浮在空中还未着陆的病原体，例如真菌镰刀菌的空气孢子，它可以摧毁小麦和玉米。空气采样能够监测病原体，在病虫害爆发之前做好准备。另外，病虫害发生时，监测作物的虫害情况，优化使用农药（精准用药），减少水和农药的投入，减少杀虫剂的使用以减少环境破坏程度；预测未来农田病虫害、形成农田病历本。监测农作物杂草侵害：监测作物的杂草侵害情况，来决定除草剂应用的需求区域和剂量；预测未来农田草害、形成农田病历本。识别与诊断农作物氮素营养状况：无人机将搭载光学传感器采集田地中不同区域的红外遥感图像。图像数据被校正、标定并处理探测氮供给不足的作物，通过探测养分缺乏状况改善施肥模式。农业水资源调查采集农业可用水量数据：采集河流湖泊、水库、池塘、泉水、基岩裂隙水（地表可见）等数据，分析水量变化趋势，动态监测农业可用水量（浅层地下水、岩溶水除外）。监测农作物水分需求：土地吸收水分很多时候是不均匀，有些部分可能比其他部分干得更快，或者被浇水设备遗漏；具有超光谱、多光谱或热传感器的无人机可以识别出某领域的哪些部分是干燥的或需要改进的，可以揭示作物枯萎的干燥点，精准把握灌溉方式和用水量、收割作物时机和方式、评估作物损失以及制订排水计划。土壤湿度监测：土壤湿度是水文、生态、农业等方面研究的重要指标，监测区域土壤湿度有利于控制区域内的水涝、干旱及农作物生态长势评估；无人机搭载可见光—近红外光设备作为检测手段，通过对比图像的各种空间分析特性，得到提高土壤湿度与包含信息的相关系数，完成土壤湿度监测。在土地辽阔、地形类别复杂的区域具有很好的实用价值。农用土地资源监测调查农用土地可用面积：使用机载激光扫描技术或将数千张高质量航拍照片拼接成3D地图的软件来评估其土地的地形，测算农用土地可用面积。调查农用土地利用状况：对土地利用状况动态变化实施定期或不定期的监测，包括耕地、林地、草地、交通等各类面积的变化，以及各种灾害对土地利用所造成的破坏和影响。土壤和产量分析：根据采集与监测数据分析，制作精确的三维地图用于早期土壤分析，有助于规划种子种植模式。无人机驱动的土壤分析为灌溉和氮素含量管理提供数据；监测耕作和作物轮作对作物出苗率、长势、产量的影响，提出每年不同地块种植的作物种类和品种的建议。土壤生态环境监测：无人机搭载高光倍变焦相机、重金属光谱仪对任务区域采集图像，对地表土壤进行高清影像采集分析，滤网式监测地表是否存在镉、镍、铜、砷、汞、铅等重金属污染源并对污染物样品采集，测定已污染范围。其他鸟类控制：针对鸟类侵害，现有的驱鸟技术往往采用恐吓或捕杀的方式，其不仅难以实现对鸟类的长期防治，且对生态造成一定影响；部分地区采用超声波驱鸟，但由于超声波释放源在农田或者果园内难以全覆盖，通过无人机在农田或果园所处区域内进行巡视，并通过搭载在无人机上的超声波仪器释放超声波,对鸟类进行近距离驱散,实现驱鸟效果。农业保险赔付勘察：解决农业保险赔付中勘察定损难、缺少时效性等问题，大大提高了勘察速度，节约了大量的人力物力，在提高效率的同时确保了农田赔付勘察的准确性。以上采集与监测内容基本包括了除“气候资源”以外的所有农业环境与资源要素。温度、湿度、风力和降水信息等气候资源通过农业气象站获得。综上所述，通过使用无人机调查农业环境与资源，分析数据以优化农业生产，减少农业种子、农业化肥等的投入，能够实现作物的高品质、高产出，促进农业生产的进一步提质增效。通过无人机监测农业生产和管理，全面覆盖农作物从种植到收获过程中的每一步，采集、分析和应用农业数据，促进精准农业的发展。同时，把农业发展同大数据关联起来，促进农作物产量的提高和土地管理。为农户提供切实可行的见解，帮助种植者实现产量最大化和成本最低化。飞行器与设备CW-15固定翼无人机CW-15是纯电动垂直起降固定翼无人机系统，可垂直起降、全自主飞行。全自主飞行，降落精度在10cm以内，能够满足各种测绘路线的设置。实时差分和事后差分两种模式同时使用，实时差分主要用于厘米级精准自主垂直降落，后期差分主要用于输出高精度POS数据，确保减少50-80%像控点。可搭载正射或倾斜设备，最大作业续航时间可达2.5小时，可以出色完成采集与监测或者农业测绘任务。T-EZ固定翼无人机该机型为电动无人机，起飞重量可达5KG，最大巡航速度能够达到75公里/小时，续航时间120分钟以上。能够实施双镜头或者单镜头倾斜摄影或者垂直拍摄，能够满足农业测绘航拍任务。QL1200（1500）工业级无人机该多旋翼机飞行速度达30km/h，可完成40km以内的采集与监测需求。抗风性强，能适应严酷的作业环境；采用2.4G/5.8G双频远距离传输系统,长波长、抗干扰能力强,传输稳定可靠且超视距传输。能够满足精密测绘以及各类农业数据调查采集任务。DOP-SV360固定翼无人机该机型巡航速度为65-75km/h，采用SV360型无人机，可完成150km以内的采集与监测要求。获取高清正摄影像，全面反映区域内地面元素相关信息；可实现整个区域的全过程高清摄像，实现整个巡视区域的动态信息搜集；可实现常规的巡视作业、拍照控制及飞行过程中飞行器各项指标的实时回传和人机交互，并实现每个架次的飞行数据保存。M600专业级六轴飞行器M600搭载的传输系统可超视距传输图像，能够对一些环境比较恶劣、狭窄的区域进行拍摄。Inspire2专业跟拍无人机Inspire2拥有良好的机动性，速度可达54km/h。具备精准悬停、障碍物感知、返航智能躲避障碍物等诸多强大的智能特性，能够精准拍摄各个死角地带且能自动躲避障碍物。高清图传系统远距离有效传输，满足补充采集数据任务。拍摄、探测设备功能能够观察超远距景物细节，获取清晰的现场信息图像；可在光线微弱的环境获得高清晰度图像。搭载的五镜头拼接倾斜相机总像素超过1.2亿，能够获取测区多个角度纹理和位置信息，从而实现地形图的三维实景建模。需求协调项确定农业片区数据采集与监测需求。确定农业片区数据采集与监测方案。是否有计划外紧急采集与监测。组建服务团队，协调车辆、临时办公场所。其他协商事项。数据采集与监视的前期准备工作空军、民航审批与空域申请计划；资料准备：数据采集与监测目标任务资料表，见附件1；农业片区数据采集与监测需求沟通；农业片区数据采集与监测线路规划；目标飞行计划文案：见附件2；农业数据采集与监测设备准备：见附件3；其他器材准备：见附件3；农业数据采集与监测的制度培训与安全教育培训。任务实施首先，接收任务后，本公司将派驻专业人员了解农业片区任务目标、农业数据采集与监测需求；其次，派驻管理人员和技术人员现场核查任务目标情况，了解农业片区周边环境及注意事项；最后，根据目标任务及现场情况，会商制定具体的目标飞行计划文案。需求会商、现场勘察时间：2019年月日—日（a天）采集与监测路线、重难点初次会审时间：2019年月日—日（b天）现场协调：2019年月日—日（c天）规划农业数据采集与监测线路：2019年月日—日（m天）计划开始农业数据采集与监测前