科研进展
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国家精准农业航空中心师生在新疆开展棉花水肥超低空遥感试验
为深入执行“国家棉花产业技术体系田间管理机械化岗位”项目，研究棉花水肥及病虫草害的遥感监测机理，提高棉花水肥、病虫草害遥感监测能力，在国家棉花岗位体系专家、国家精准农业航空中心主任兰玉彬教授安排下，团队张雷副教授带领实验室黄敬易、杨炜光、朱梓豪三位研究生前往新疆石河子市145团三分场二连开展棉花水肥超低空遥感数据试验，试验始于2018年6月24号，间隔调查81天，截止于9月13号。
本次试验由华南农业大学主持，参与单位包括新疆疆天航天科技有限公司、石河子市北泉镇鸿兴翔种植专业合作社、石河子大学农学院韩小强副教授团队、机电学院付威副教授团队。
图1 国家棉花产业技术体系田间管理机械化示范基地合影
全球棉花看中国，中国棉花看新疆。农谚说“土是本、肥是劲、水是命”，水肥是棉花生产措施中两个最活跃的因素，水肥的调节促控对决定棉花产量具有非常重要的作用。棉花是喜旱作物，水的灌溉量能明显影响棉花的长势；氮肥的增产效果好，但是氮肥施用过多或施用不当，会造成减产并容易诱发病虫害。
快速发展的无人机技术为棉花超低空遥感科学研究和生产应用提供了良好的条件。近年来，随着无人机技术的快速发展，特别是微型、轻型无人机飞行平台的稳定性、操控性等不断提升，使得农业遥感技术从传统的卫星遥感，发展到观测尺度能够达到厘米级别的近地遥感观测水平。不但提升了农业遥感的观测精度，降低了观测成本，同时还通过搭载不同传感器来获取丰富的农业遥感数据，这是传统的卫星遥感方式很难实现的，并且由于无人机系统具有灵活性、实时性、稳定性等平台优势，通过这些平台搭载的传感器可不受时间限制，按照实际需求进行农业遥感数据采集。以senseFly公司农业航空产品eBeeSQ固定翼农业套装为例，飞行高度80米时，标配多光谱相机分辨率7.5厘米每像素，一块电池飞行时间约一个小时，大约能采集600亩的多光谱图像。应用该款产品，可轻松采集新疆大面积农田的低空多光谱图像。
深入研究基于无人机超低空遥感数据的棉花农情分析，对棉花产业具有极为重要的意义。这个观点，无论是试验地的经验丰富的棉农，还是努力实现大面积统一经营的合作社社长，抑或是知名农业航空公司的总经理，都深以为然。
图2 张雷副教授指导试验布置
继往年棉花病虫害无人机低空遥感农情分析工作后，今年开展了基于大田实验的棉花水肥无人机超低空遥感数据农情分析研究。棉花水肥超低空遥感数据实验在石河子145团三分场二连的国家棉花产业技术体系田间管理机械化示范基地开展，肥量四个梯度处理，水量三个梯度处理，小区面积平均面积四亩地左右。通过加装肥料罐、称重装肥料来控制施肥量，通过阀门打开时长来控制水量，通过流量计检测实际流量，以减少误差。水肥差异化灌施在同一天进行，约七天进行一次，实际天数根据棉花生长情况、天气情况进行调整。
图3 试验处理示意图
遥感数据采集与地面验证工作从六月下旬开始。数据采集工作主要包括：
（1）使用eBee SQ和Disco获取不同高度的棉花低空多光谱图像；
（2）用精灵4获取棉花可见光图像；
（3）使用地物光谱仪进行地面样本光谱的采集；
（4）使用卷尺测量样本棉花的株高；
（5）使用叶面积指数仪采集棉花叶面积占比；
（6）采集棉花叶片样本，记录采集点GPS信息，密封袋封装后到石河子大学测量叶片鲜重、叶片叶面积，烘干后测量叶片干重，干燥保存寄回华南农业大学分析叶片含氮量；
（7）采集土壤样本，密封袋封装后寄回华南农业大学分析。
图4 试验数据采集
对不同处理的试验区域进行比较，第二次进水后，无论是从地面还是低空正射图，不同处理之间可以从多个角度看到明显的冠层差异。
图5 处理之间明显的冠层差异
图6 无人机采集的多光谱单波段图像
实验进行到盛蕾期时，不同处理之间的冠层差异越发明显。合作棉农在多个场合表示，非常期待这次水肥低空遥感的实验成果能进行推广应用。他说，随着实验进展，多个实验处理之间的长势差异越来越大。其中，到了第三次进水的时候，肥正常、少一半水的处理长势最为合理，因此他把自己另外两块地的水灌溉也立刻向这个处理看齐，减少灌水。水肥对棉花的长势和产量有着这么大的影响，经过扎实的科学研究，低空农情遥感将是下一代棉花田间管理的必备技术。
由于缺水处理提前吐絮，缺水处理小区于9月12日前后安排人工拾棉花，遥感数据采集工作到此结束，后续将会完成单铃重和小区产量测量工作、棉花品质分析工作。本次棉花水肥超低空遥感试验历时81天，对棉花的生长过程的每个阶段都进行实地考察和数据采集，为棉花产业的精准农业航空应用积累了大量的经验和数据，为国家精准农业航空的发展贡献力量。
