TGXAS-糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理规程编制说明

团体标准《糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理规范》（征求意见稿）编制说明一、项目来源根据《广西标准化协会关于下达2023年第九十二批团体标准制修订项目计划的通知》（桂标协〔2023〕292号）文件精神，由广西壮族自治区农业科学院提出，广西壮族自治区农业科学院、广西壮族自治区农业科学院农业科技信息研究所、广西甘蔗生产服务有限公司、广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所、广西壮族自治区自然资源信息中心、南宁师范大学、广西南亚热带农业科学研究所、广西壮族自治区气象科学研究所、广西财经学院、广西泛糖科技有限公司、广西前沿智能科技有限公司、广西大数据产业发展有限公司等单位共同起草的团体标准《糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理规范》（项目编号：2023-9203）已获批立项。二、项目背景及目的意义我国是仅次于巴西、印度之后的全球第三大甘蔗生产国，也是继印度之后的第二大食糖消费国。糖料蔗产业是我国的传统优势产业，蔗糖是我国食糖的主要来源，占食糖总量的92%以上，在我国农业经济结构，尤其是在广西、海南、云南等南方省份的经济结构中占有举足轻重的地位。广西是全国最大的糖料蔗和食糖产地，糖料蔗面积常年保持在1200万亩以上，种植面积和食糖产量均超全国总量的60%。糖业产业的健康、稳定发展事关国家食糖供给安全、事关广西2000多万农民脱贫增收和10万产业工人的就业稳定。近年来，无人机多光谱遥感技术的应用在农业生产中的意义显得越来越关键,无人机遥感技术的使用原理是由无人机搭载传感器,利用无人驾驶飞行、遥感传感器、数据通信、GPS定位系统、时差分定位(Real-timekinematic,RTK)等技术来完成对地物遥感数据的提取,从而对遥感技术数据进行处理、建模与数据分析研究,从中提取出所需的信息。利用无人机多光谱遥感技术能够监测作物长势、受灾情况和营养状况,让农户更高效地管理作物的土壤、施肥和浇水，最大限度地降低农药喷洒、施肥、浪费水分,同时提高粮食作物的产量,对农户的工作和植被环境的维护有着很大的好处。过去人们需要实地测量才能获悉作物的生长状况,费时费力。而无人机遥感技术只需分析遥感影像即可实现作物生长数据的获取,具备时效性好、尺度小、材料轻、分辨率高、费用低等优点,不受时间、地域、气候等条件限制，在保证了高分辨率的同时节省了人力物力,为农业生产提供了极大的便利。目前在糖料蔗领域的无人机遥感数据采集和处理中，可能存在以下问题：（1）数据采集参数不一致，不同操作者或团队在数据采集过程中可能使用不同的参数设置，如飞行高度、飞行速度和相机参数等，这可能导致不同数据采集任务之间的差异性，并影响后续数据处理和分析的准确性和可比性；（2）数据采集质量控制不足，无人机遥感数据采集过程中缺乏严格的质量控制标准和程序，导致可能存在数据缺失、重叠度不足、图像畸变等问题，这些问题可能影响数据的质量和可用性，并影响后续数据处理和分析的结果；（3）数据处理方法不统一，在糖料蔗领域的无人机遥感数据处理中，可能存在不同团队或个人使用不同的数据处理方法和算法。这导致了数据处理结果的差异性和不一致性，使得数据的比较和分析变得困难；（4）数据标准化和共享不完善，糖料蔗领域的无人机遥感数据可能缺乏统一的标准和格式，使得数据的标准化和共享面临困难。这限制了数据的再利用和交流，阻碍了研究和应用的进展。通过制定团体标准《糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理规范》，以标准化和规范化方式指导糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理，为广西糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理提供标准支撑和理论指导。以标准化手段为支撑，通过规范无人机航空遥感数据采集与处理的要求和规范，明确数据采集和处理的要求和流程，规范数据采集设备和操作方法，对提升数据采集和处理效率，确保数据质量和可靠性，促进技术进步和创新，降低操作风险和成本有重要意义。三、项目编制过程（一）成立标准编制工作组团体标准《糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理规范》项目任务下达后，广西壮族自治区农业科学院成立了标准编制工作组，起草单位制定了起草编写方案与进度安排，明确任务职责，确定工作技术路线，开展标准研制工作。具体标准编制工作由广西壮族自治区农业科学院、广西壮族自治区农业科学院农业科技信息研究所、广西甘蔗生产服务有限公司、广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所、广西壮族自治区自然资源信息中心、南宁师范大学、广西南亚热带农业科学研究所、广西壮族自治区气象科学研究所、广西财经学院、广西泛糖科技有限公司、广西前沿智能科技有限公司、广西大数据产业发展有限公司等单位负责人组成的标准编制工作组完成。编制工作组下设三个组，分别是资料收集组、草案编写组、标准实施组。资料收集组负责国内外有关糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理的文献资料的查询、收集和整理工作，查阅前人对糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理的研究情况。草案编写组负责起草标准草案、征求意见稿和标准编制说明、送审稿及编制说明的编写工作，包括后期召开征求意见会、网上征求意见，以及标准的不断修改和完善。标准实施组负责团体标准《糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理规范》发布后，组织相关企事业单位开展标准宣贯培训会，对标准进行详细解读，让相关人员了解标准，并根据标准对糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理进行规范化操作，并对标准实施情况进行总结分析，不断对团体标准提出修正意见。（二）收集整理文献资料标准编制工作组收集了国内有关糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理相关文献资料。主要有：NY/T4151-2022《农业遥感监测无人机影像预处理技术规范》DZ/T0405-2022《无人机航空磁测数据采集技术要求》GB/T41450-2022《无人机低空遥感监测的多传感器一致性检测技术规范》。（三）研讨确定标准主体内容标准编制工作组在对收集的资料进行整理研究之后，2023年12月，标准编制工作组召开了标准编制会议，对标准的整体框架结构进行了研究，并对标准的关键性内容进行了初步探讨。经过研究，标准的主体内容确定为术语和定义、技术流程，规定了前期准备、数据采集、数据处理、质量检查、报告编写。（四）调研及形成草案、征求意见稿2023年12月，标准起草工作小组进行了广泛调研工作，查阅了大量的国内外文献资料，对糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理的前人研究成果进行系统总结。形成了标准的基本构架，对主要内容进行了讨论并对项目的工作进行了部署和安排。2023年1月，在前期工作的基础之上，通过理清逻辑脉络，整合已有的参考资料中有关糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理要求，并结合糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理实际要求的基础上，按照简化、统一等原则编制完成团体标准《糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理规范》（草案）。2023年1月，标准起草工作组到相关单位和科研机构进行调研，并实际征求意见。通过收集反馈了大量意见，标准编制工作组多次召开会议，对标准草案进行了反复修改和研究讨论。进一步讨论完善标准草案，形成团体标准《糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理规范》（征求意见稿）和（征求意见稿）编制说明。四、标准制定原则（一）实用性原则本文件是在充分收集相关资料和文献，分析糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理当前现状，在现有相关糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理技术要求的基础上，结合编制单位课题实践相关经验而总结起草的，符合当前糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理技术发展的方向，具有较强的实用性和可操作性。（二）协调性原则本文件编写过程中注意了与糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理相关法律法规的协调问题，在内容上与现行法律法规、标准协调一致。（三）规范性原则本文件严格参照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》编写本标准的内容，保证标准的编写质量。（四）前瞻性原则本文件在兼顾当前区内糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理现实情况的同时，还考虑到了糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理技术快速发展的趋势和需要，在标准中体现了个别特色性、前瞻性和先进性条款，作为对糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理技术发展的指导。五、标准主要内容及依据来源团体标准《糖料蔗无人机航空遥感数据采集与处理规范》的主要章节内容包括：术语和定义、技术流程，规定了前期准备、数据采集、数据处理、质量检查、报告编写。本文件主要内容及依据来源说明如下：术语与定义主要根据百度百科的释义“光谱分辨率在10λ数量级范围内的光谱图像称为高光谱图像”，及高光谱影像的成像原理对高光谱影像进行定义。数字正射影像图主要依据GB/T14950—2009《摄影测量与遥感术语》中的6.26进行定义，见图1。图1摘自GB/T14950—2009，6.26主要根据百度百科的释义“辐射定标是用户需要计算地物的光谱反射率或光谱辐射亮度时，或者需要对不同时间、不同传感器获取的图像进行比较时，都必须将图像的亮度灰度值转换为绝对的辐射亮度，这个过程就是辐射定标。”对辐射定标进行定义，并根据标准文件的表述要求进行修改完善。裁剪主要是依据其动作发生的过程，操作技术原理和技术结果进行定义，即“根据实际研究区范围，利用掩膜文件对影像进行切割，得到与研究区或掩膜文件范围一致的新影像的过程”。技术流程主要根据无人机航空遥感数据采集与处理的相关工作经验确定，包括前期准备、数据采集、数据处理、质量检查和报告编写这5个阶段。其中，前期准备的工作内容包括资料收集、航摄区踏勘、技术设计、设备分类和选择、航摄规划、像片控制点布设与测量及保障措施。数据采集的工作内容包括航摄环境确认、飞行前检查、地面辐射定标板布置、飞行作业、飞行质量与影像质量要求、飞后检查。数据处理的工作内容包括可见光影像处理和高光谱、多光谱影像处理。数据采集与处理2018年10月19日，农业农村部发展规划司下发《关于抓紧申报2019年数字农业建设试点项目的通知》（农规（示范）〔2018〕2号）。2019编制单位牵头建设糖料蔗全产业链大数据平台建设与应用项目申报国家2019年数字农业建设试点。经过2年的建设，广西甘蔗生产服务有限公司已严格按照农业基本建设项目管理规定和本项目《初步设计书》相关要求，建成了面向全国的糖料蔗全产业链大数据平台。糖料蔗全产业链大数据平台系统由糖料蔗产业链大数据资源体系、糖料蔗产业链大数据分析模型、糖料蔗监测预警体系和服务产品三大板块集成，于2020年正式上线运行，其中糖料蔗产业链大数据分析模型包含糖料蔗产前大数据分析模型体系、糖料蔗产中大数据分析模型体系、糖料蔗产后大数据分析模型体系。其中，要求建立1个糖料蔗全产业链大数据中心。针对糖料蔗产业链中的关键环节，通过对遥感、物联网、互联网、调查统计资料等数据资源的汇聚和标准化处理，对原平台大数据中心进行拓展，进一步构建和完善基础地理数据库、遥感影像数据库、物联网感知信息数据库、农资农机信息数据库、社会经济数据库等多种类型数据库系统，形成糖料蔗全产业链大数据中心。在获取遥感监测数据上，是运用卫星、无人机等遥感监测技术优势，建立覆盖国内主产省份以及国外主产国的糖料蔗生长环境和生长过程的遥感监测技术体系，主要包括种植面积、长势、单产、总产等数据的动态监测，以及旱、涝面积、病虫害发生区域及面积等的监测。其中，遥感数据包括光学卫星影像、合成孔径雷达影像、无人机航拍影像等。种植面积、产量预算、旱涝面积等属于大面积、大范围监测，主要应用光学卫星影像和合成孔径雷达影像。虽然光学卫星影像在糖料蔗分类提取中具有同物异谱不同光谱特征、直观上的地物影像的纹理形状等空间特征以及多时相变化特征，但光学卫星影像成像易受天气状况、云层覆盖、光线强度的影响，难以对糖料蔗进行全天时、全糖料蔗所需的光谱信息及辐射定标、大气校正处理提供便利。根据提供辐射定标系数文件，将影像中无物理意义的DN值转换成为辐射亮度值或者地物辐射反射率，为后续应用提供最基本的信息。为消除地物光学信息在传输过程中由大气条件引起的辐射失真，反演地物真实的表面反射率，需对影像进行大气校正。此外，还需要结合无人机低空数字航空摄影测量方法获取样本数据，该方法主要基于无人机平台载搭载多种传感器能快速、及时、高效的获取范围内的高精度、时效性强的影像数据。经过反复试验验证，编制单位在无人机航摄影像获取和处理上总结出如下经验：（1）航拍前期准备，包括仪器检查、航摄区地形图、交通图等资料收集与核验其可利用度、航摄区踏勘以及设计书编写等工作；其中资料收集和航摄区踏勘主要按照按照CH/Z3001《无人机航摄安全作业基本要求》的要求进行。设计书编写按照CH/T1004《测绘技术设计规定》的要求进行。航摄规划主要根据编制单位相关经验进行确定。为确保覆盖全部糖料蔗种植区域，航摄区边界外扩至少50m。飞行范围根据航摄区范围大小规划，对于面积较大的航摄区，需要分成若干块飞行范围，且相邻区块间有重叠部分，每块飞行范围离无人机起降位置不超过1.5km，距离过远不利于无人机的操控。考虑到不同航高所拍摄的分辨率不同，因此航高设置上，要求依据任务需求的地面分辨率大小而定。此外，为了保证拍摄的影像资料能够进行处理（处理后能够形成一张完善的全景影像图），要求像片航向重叠度需控制在60％～80％，像片旁向重叠度控制在30％～60％；当航向超出航摄区范围两条基线时，旁向超出航摄区50％像幅（2）像片控制点布设与测量，其布设的总原则遵循：均匀分布且覆盖整个航摄区，地形起伏较大、山区地形必须加密像控。片控制点选点布设、整饰及测量与精度按照GB/T7931《1:5001:10001:2000地形图航空摄影测量外业规范》和CH/T3004《低空数字航空摄影测量外业规范》的要求执行。（3）航摄规划与飞行作业，总的来说，是根据航摄区域范围大小规划航摄路线，此外为了获取到高质量影像，需在天气条件较佳的前提下进行，并参考低空数字航空摄影测量相关标准，即按CH/Z3001《无人机航摄安全作业基本要求》、CH/T3005《低空数字航空摄影规范》和GB/T39612《低空数字航摄与数据处理规范》的要求执行。其中，对于航摄环境，在常规作业时，要求根据无人机的起降方式和现场地形条件，选择和布置起降场地。起降场地选择在糖料蔗种植地边缘或者种植地中的平坦且通视性良好的空地，且远离机场领域、高压线、高建筑物、多金属等易造成磁场干扰的地方，以免信号受到干扰，影响图像质量及发生以外事件。为保障飞行器和人员安全，应急航摄作业中，在确保飞行安全的前提下，可适当降低起降场地要求。一般要求航摄在晴天、低空（1km以下）无云雾遮挡、风速＜8m/s、能见度＞5km、太阳高度角＞45°的情况下进行，航摄时间段宜在8：00～17：00。飞行作业则按照CH/T3004《低空数字航空摄影测量外业规范》的要求进行。飞行质量详细要求按照GB/T39612《低空数字航摄与数据处理规范》相关要求执行。（4）航摄后检查，包括飞行仪器检查和影像质量检查，若出现影像模糊、畸变等现象，应立即进行补飞；成果影像质量检查方法及事项详细要求按照CH/T3005《低空数字航空摄影规范》的要求执行，飞行后仪器检查的详细事项及要求按照CH/Z3001《无人机航摄安全作业基本要求》的要求执行。（5）航摄影像处理，包括可见光影像处理和高光谱、多光谱影像处理。其中，可见光影像处理包括影像预处理、空中三角测量、正射影像生成等；高光谱、多光谱影像处理包括辐射定标、几何校正和影像拼接。影像预处理主要根据内业数据处理需要，在不影响地物立体观测、属性判读前提下，对数字航片进行格式转换、影像旋转、畸变纠正、图像增强。空中三角测量可通过区域网平差等方式获取每一张影像的准确参数及加密点坐标，也可进行点云加密，获取无人机影像三维点云，提高数字正射影像和数字高程模型的空间分辨率及精度。测量后，检查点的精度符合NY/T4151《农业遥感监测无人机影像预处理技术规范》的规定。需要注意的是在实际工作中可根据农业遥感监测对影像几何精度的实际要求，适当放宽平面精度和高程精度要求。在仅需正射影像要求下，可适当放宽高程精度要求。技术流程如图2所示。图2无人机航摄影像获取与处理技术流程图除了完成试点项目经验以外，编制单位在前期探索和项目研究中也发表了《基于国产高时空分辨率卫星影像的作物种植信息提取研究》《遥感技术在我国甘蔗产业的应用综述》等相关论文。《基于国产高时空分辨率卫星影像的作物种植信息提取研究》在面向对象技术支持下，首先利用高空间分辨率ZY-3遥感影像提取农田地块专题信息；然后在地块边界控制下以地块对象为单元融入HJ-1及GF-1中分传感器的多时相光谱信息，获取作物生长关键期内的时间序列光谱特征；最后，结合不同作物的物候差异性规律构建作物种植信息提取模型，对甘蔗和水稻进行识别。结果表明，所有地类的总体分类精度为86.80％，Kappa系数为0.84，总体分类效果良好。甘蔗的制图精度和用户精度分别达到92.11％和90.91％，水稻的制图精度和用户精度分别达到88.89％和90.91％。说明协同利用国产卫星的高空间和高时间分辨率影像数据提取作物种植信息确实可行，可作为作物种植面积和种植结构的精细化、快速调查方法。质量检查与报告编写质量检查主要按照NY/T4151《农业遥感监测无人机影像预处理技术规范》的要求执行。糖料蔗全产业链大数据平台系统建成后，能够生成相关的报告，其报告内容包括：（1）蔗区概况、数据采集设备、处理时间、处理人员、检查人员等信息；（2）影像处理流程；（3）像片数量、控制点数量及分布图；（4）产品质量检查报告；（5）数字正射影像等成果专题图。通过报告，可以清楚地反应糖料蔗产区的影像数据，并为甘蔗长势等相关预测（监测）提供对比数据和影像材料。六、国内同类标准制修订情况及与法律法规、强制性标准关系经查阅，与“无人机”“数据采集与处理”有关的标准主要有：《NY/T4151-2022农业遥感监测无人机影像预处理技术规范》《DZ/T0405-2022无人机航空磁测数据采集技术要求》《GB/T41450-2022无人机低