TGXAS-糖料蔗长势无人机监测技术规范编制说明

团体标准《糖料蔗长势无人机监测技术规范》（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《糖料蔗长势无人机监测技术规范》（项目编号：2023-9202）已获批立项。二、项目背景及目的意义《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》也指出，迎接数字时代，激活数据要素潜能，以数字化转型整体驱动生产方式变革，打造数字经济新优势，壮大经济发展新引擎。以数字化助推农业发展模式创新，将物联网感知设施、通信系统等纳入建设规划，推进农业生产方式智能化改造。加快推进数字乡村建设，构建面向农业农村的综合信息服务体系，建立涉农信息普惠服务机制，推动乡村管理服务数字化。中央网信办、农业农村部、工业和信息化部、市场监管总局会同有关部门编制了《数字乡村标准体系建设指南》，提出了数字乡村标准体系框架，明确了“十四五”时期数字乡村标准化建设目标、建设内容和建设路径，进一步优化标准规划布局，突出标准有效供给，强化标准应用实施，为标准化建设引领数字乡村高质量发展、助力乡村全面振兴提供了保障。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，无人机技术在甘蔗产业的应用取得初步成效，杨琦等学者构建作物表面模型估测甘蔗LAI；莫彩娜等学者利用无人机技术评估甘蔗定位，结合土壤温湿度指导蔗田灌溉；孙明等学者利用无人机监测糖料蔗“双高”基地扶绥“甜蜜之光”蔗区洪涝灾害和甘蔗倒伏情况；蔺乔仙等学者通过试验证实植保无人机对甘蔗害虫防治具有效率高、安全和防效好的优势。此外，广西农业科学研究院结合无人机遥感技术研发的糖料蔗全产业链服务平台已完成全区影像生产共35640万亩，基于亚米级影像开展了富川、蒙山、武鸣、柳州市市辖区、柳城、柳江等土地利用地块监测，面积182.16万亩；开展广西糖料蔗地块提取、长势监测、气象干旱监测、土壤因子分析，面积为1168.21万亩；监测河池玉米165.6万亩；开展江州区糖料蔗种植适宜性评价、机械化潜力分析、土壤营养丰缺评估；开展扶绥县糖料蔗地块产量预估。每月形成糖料蔗生长监测简报，报送广西糖业发展办公室、广西糖协、各有关市县糖业主管部门，各制糖企业(糖厂)，糖料蔗种植大户，良繁基地业主，相关研究机构等，糖料蔗全产业链服务平台为广西糖业发展办公室等部门企业提供服务，由此可见，无人机监测技术在农业领域具有广阔的应用前景。无人机监测技术可以实时获取甘蔗苗情和长势数据，通过分析与反馈，农业生产者可以及时调整种植管理策略，提高产量和质量，降低生产成本，最终提升农业生产效益，推动技术的进步和创新。针对糖料蔗产业经营管理粗放、信息化程度低、各产业链环节衔接松散及信息不对称性导致成本居高不下、效益偏低、竞争力不强的产业发展难题，及时准确的甘蔗长势信息对于科学种植指导和产量预估极其重要。卫星遥感技术具有范围广、客观准确、动态及时等优势，已在甘蔗长势监测方面得到较好应用，无人机技术与其相比，具有周期短、灵活性强、影像分辨率高等特点，有效弥补卫星遥感技术存在的不足，也是目前开展农业精准监测的高新技术之一。然而常用无人机照相机拍摄图像缺乏近红外波段，无法计算归一化植被指数评估甘蔗苗情长势状况，严重阻碍无人机技术的应用发展，且目前甘蔗苗情长势无人机监测技术的规范缺乏统一标准，导致技术、数据和信息的不一致性，限制了技术应用的广泛推广和有效运用。通过制定团体标准《糖料蔗长势无人机监测技术规范》，以标准化和规范化方式指导甘蔗苗情长势无人机监测技术，为广西甘蔗苗情长势无人机监测提供标准支撑和理论指导。以标准化手段为支撑，通过规范无人机在甘蔗苗情长势方面的监测数据要求、指标、方法和流程，实时获取甘蔗苗情和长势数据，通过分析与反馈，农业生产者可以及时调整种植管理策略，提高产量和质量，降低生产成本，对提升农业生产效益，推动技术的进步和创新有重要意义。三、项目编制过程（一）成立标准编制工作组团体标准《糖料蔗长势无人机监测技术规范》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长势无人机监测技术的文献资料的查询、收集和整理工作，查阅前人对糖料蔗长势无人机监测技术的研究情况。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《糖料蔗长势无人机监测技术规范》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长势无人机监测技术进行规范化操作，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长势无人机监测技术相关文献资料。主要有：DB3711/T141-2023《茶园无人机遥感监测技术规范》DB64/T1940.1—2023《宁夏露天矿山动态监测技术规程第1部分：无人机倾斜摄影测量动态监测》DB34/T4476-2023《冬小麦田间长势无人机高光谱遥感监测技术规程》NY/T4151-2022《农业遥感监测无人机影像预处理技术规范》DB32/T4141-2021《作物生长多旋翼无人机监测技术规程》QX/T284-2015《甘蔗长势卫星遥感评估技术规范》等。（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、设备与数据、监测结果评估。（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，对糖料蔗长势无人机监测技术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长势无人机监测技术要求，并结合糖料蔗长势无人机监测技术实际要求的基础上，按照简化、统一等原则编制完成团体标准《糖料蔗长势无人机监测技术规范》（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讨论，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《糖料蔗长势无人机监测技术规范》（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，分析糖料蔗长势无人机监测技术当前现状，在现有相关糖料蔗长势无人机监测技术要求的基础上，结合编制单位课题实践相关经验而总结起草的，符合当前糖料蔗长势无人机监测技术发展的方向，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长势无人机监测技术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长势无人机监测技术现实情况的同时，还考虑到了糖料蔗长势无人机监测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，作为对糖料蔗长势无人机监测技术发展的指导。五、标准主要内容及依据来源团体标准《糖料蔗长势无人机监测技术规范》的主要章节内容包括：术语和定义、设备与数据、监测结果评估。本文件主要内容及依据来源说明如下：术语与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归一化绿蓝差异指数、超绿红蓝差分指数、超绿指数主要根据其计算方法进行定义。即归一化绿蓝差异指数指绿光波段和蓝光波段亮度值之差与相应两个波段亮度值之和的比值；超绿红蓝差分指数指两倍绿光波段平方与蓝光和红光波段乘积之差与两倍绿光波段平方与蓝光和红光波段乘积之和的比值；超绿指数指经过标准化处理得到蓝、绿、红光波段标准值，两倍绿光波段标准值与红光和蓝光波段标准值之差。设备与数据在监测设备上，主要根据糖料蔗长势监测中所用到的设备和作业质量提出要求。其中，监测设备包括无人机、航拍相机。对于无人机，主要从飞行能力、工作环境和感知能力等方面考虑。其中，为了确保无人机的稳定航行，从而保证航拍影像质量，要求无人机最大飞行海拔高度达到6000m，固定翼无人机应具备5级风力气象条件下安全飞行能力，多旋翼无人机及其他类型无人机应具备4级风力气象条件下安全飞行能力。要求工作环境温度在0℃～40℃之间（该温度为区内大部分地区一年的气温温度区间，，最大起飞重量＜7kg（过大载重影响无人机飞行，当载重过大时可选择承载力更大的无人机，但会增加成本，一般情况下7kg以内的承载力已经满足悬挂摄影设备的要求），单次飞行时间≥30min（飞行时间由承载量和电池容量等多方面决定，≥30min的飞行时间能够有效保证飞行过程具有足够的时间进行拍摄调节和拍摄作业）。要求垂直悬停精度为±0.1m，水平悬停精度为±0.1m。垂直悬停和水平悬停是拍摄影像所需的基本操作，精度为±0.1m为是了保证成像的质量。要求障碍物感知范围在0.2m～7m之间（为了保障无人机的安全飞行和拍摄作业），遥感方式为5.725GHz～5.850GHz的无线可视遥感（为一般遥感飞行器所用无线传播频率，避免遥控器损坏时能够及时维修和替换），遥控器最大遥感距离≥1500m（距离过小，一是不能进行大范围的有效航拍作业，二是在飞行过程中当无人机超出该距离时不能保证无人机的安全行驶）。在航拍相机上，主要按照按照CH/T3005《低空数字航空摄影规范》的要求执行，此外，为了确保拍摄影像的质量，相机主要性能参数要求—— 影像传感器有效像素≥2000万，光圈为可调节，且调节范围在F/2.8至F/11，并带有自动对焦功能，对焦距离在1m-∞。根据相关经验，建议照片采用为jpg、tif等常用格式，分辨率≥5472×3648。在作业要求上，主要对作业过程中可能影响作业质量（影像质量）的因素提出相关要求，如选择天气晴朗无云阳光辐射强度稳、风力较小的正午时段拍摄，此时光线更易于拍摄。要求作业时相对航高为2000m以下是因为过高的拍摄作业对相机分辨率的要求越高，将会大大增加硬件成本，而2000m以下的高度拍摄是实践作业过程中使用较多的高度，也是经验的总结。此外，要求像片航向重叠度和旁向重叠度符合NY/T4151《农业遥感监测无人机影像预处理技术规范》的要求，外业作业符合CH/T3005《低空数字航空摄影规范》的相关要求。在数据处理上，要求影像成果无缺失、扭曲、模糊等现象，质量应符合NY/T4151《农业遥感监测无人机影像预处理技术规范》的要求。数据处理的过程首先是生成无人机可见光正射影像（DOM），然后将影像进行几何精度校正，且平坦地区精度偏移≤1个像元，地形起伏较大区域精度偏移≤2个像元。在数据处理的过程中，要求不同年份相同生育期无人机拍摄时间、条件、区域一致，使用相同方法处理数据。在数据的验收上，要求符合CH/T3005《低空数字航空摄影规范》的要求。验收完成的数据，根据无人机DOM绘制糖料蔗地块边界，形成糖料蔗长势监测区域。监测结果评估编制单位在开展糖料蔗全产业链大数据平台系统研究过程中，进行了大量数据比对，探索了不同数据处理方法的长势预测效果，形成了宝贵的经验，发表了相关论文《无人机精准监测甘蔗长势技术研究与应用》。2019年-2020年，编制组在前人研究的基础上，采用归一化绿红差异指数（NGRDI）、超绿红蓝差异指数（EGRBDI）、红绿蓝植被指数（RGBVI）、超绿指数（ExG）、绿叶植被指数（GLI）技术，在广西糖料蔗“双高”基地扶绥“甜蜜之光”现代特色农业（核心）示范区（扶绥县渠黎镇，位于东经107°31′至108°06′、北纬22°17′至22°57′，属亚热带季风气候，年均温度21.3~22.8℃，日平温超过10℃，年积温为7502℃，年均降水量1050~1300毫米，优越的立地条件使其成为全国重要的甘蔗生产县。）开展了无人机精准监测甘蔗长势技术研究相关试验。起方法是，首先，通过无人机遥感平台采集2019—2020年同期高清影像，经过处理后生成可见光影像和甘蔗田块信息；其次，计算无人机植被指数NGRDI、EGRBDI、RGBVI、NGBDI、ExG、GLI，分别与同期卫星影像NDVI进行相关性分析；最后，选取相关性最高的植被指数与上年同期植被指数开展长势监测。结果表明，NGBDI与NDVI正相关性最高，其相关系数为0.805，试验区2020年8月甘蔗长势比上年优、与上年持平、比上年差的比例分别为27.04%、52.79%、20.17%，甘蔗产量有望增产。试验过程和结果分析如下：（1）相关性计算随机获取2019年无人机影像上点信息，将点所对应的植被指数NGRDI、EGRBDI、RGBVI、NGBDI、ExG、GLI分别与2019年GF-1WFV影像的归一化植被指数（NormalizedDifferenceVegetationIndex，NDVI）进行相关性分析，根据Pearson相关系数r的大小选取相关性最高指数进行长势监测，利用SPSS22软件进行相关性分析。（2）甘蔗长势监测原理选取相关性最高的植被指数开展甘蔗长势监测，以甘蔗地块为单元，将每个地块范围内所有像元的植被指数平均值作为该地块植被指数值，将2020年植被指数与2019年植被指数相减求取偏差值，计算甘蔗地块植被指数标准差进而划分甘蔗长势等级。利用甘蔗地块偏差和标准差综合判定长势情况，划分3个等级，ΔT＞σ为长势比上年优、-σ≤ΔT≤σ为长势与上年持平、ΔT＜-σ为长势比上年差。（3）相关性分析随机选取524个样本点分析无人机植被指数与NDVI的相关性，结果如图1所示。通常相关系数绝对值|r|＜0.5表示弱相关，0.5≤|r|＜0.8表示中度相关，|r|≥0.8表示高度相关。在图2中，0.01水平NGBDI的r为0.805，说明NGBDI与NDVI高度正相关，EGRBDI、GLI、ExG与NDVI中度相关，NGRDI、RGBVI与NDVI弱相关。图2相关性分析散点（**表示在0.01水平上显著相关）（4）甘蔗长势监测结果试验区甘蔗种植面积为391.53公顷，共有374个地块，将2020年NGBDI与2019年NGBDI相减获取甘蔗地块偏差，标准差为0.1，基于NGBDI偏差与标准差对比划分甘蔗长势等级，形成专题效果图，如图2所示。2020年8月，试验区甘蔗长势比上年优、与上年持平、比上年差的面积分别为105.87、206.7、78.96公顷，占甘蔗总面积比例分别为27.04%、52.79%、20.17%，长势与上年持平的面积超过半数，长势比上年优的面积超过长势比上年差的面积26.91公顷，2020年甘蔗产量有望增产。（5）结论在重复试验后发现无人机植被指数NGBDI、EGRBDI、ExG与糖料蔗长势的相关性较好，因此建议采用无人机植被指数NGBDI、EGRBDI、ExG进行糖料蔗长势监测。其监测结果的表现方式示例如图3所示。图3利用NGBDI评估糖料蔗长势示例图六、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“无人机监测”“甘蔗长势”有关的标准主要有：1、《DB3711/T141-2023茶园无人机遥感监测技术规范》规定了茶园无人机遥感监测的技术方法、流程、监测成果等方面的具体要求，适用于应用无人机遥感技术开展日照市茶园种植面积及空间分布的监测工作，不能指导甘蔗苗情长势的无人机监测；2、《DB64/T1940.1—2023宁夏露天矿山动态监测技术规程第1部分：无人机倾斜摄影测量动态监测》确立了使用无人机倾斜摄影测量技术，开展露天矿山动态监测的内容、方法、成果及要求；适用于应用无人机倾斜摄影测量技术，对宁夏地区露天矿山超层越界开采情况进行监测，不能指导甘蔗苗情长势的无人机监测；3、