無人機(jī)遙感技術(shù)憑借其高空作業(yè)能力、高分辨率成像以及快速數(shù)據(jù)處理等特點(diǎn)，成為農(nóng)田水利監(jiān)測(cè)中不可或缺的重要工具。在農(nóng)田水利監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)遙感技術(shù)被用于土壤墑情監(jiān)測(cè)、灌溉系統(tǒng)評(píng)估、作物生長狀況跟蹤以及洪澇災(zāi)害預(yù)警等多個(gè)方面。通過搭載多光譜、熱紅外、LiDAR等傳感器，無人機(jī)能夠?qū)崟r(shí)獲取農(nóng)田的土壤水分含量、鹽分分布、植被指數(shù)、作物水分脅迫程度以及地形地貌等關(guān)鍵信息，為農(nóng)田水利管理提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)支持。該文闡述了無人機(jī)遙感技術(shù)的原理及其在農(nóng)田水利監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用基礎(chǔ)，探討了無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)田水利監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用方法，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)田水利發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

中國農(nóng)田灌溉用水占比超 60%，但效率僅為國際水平的60%～70%，節(jié)水空間巨大。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段如地面站、衛(wèi)星遙感雖有用，但地面站覆蓋范圍小、受地形氣候限制，衛(wèi)星則受云層遮擋、數(shù)據(jù)更新慢、分辨率低，難以滿足精細(xì)管理需求。無人機(jī)遙感技術(shù)（UAV-RS）憑借其高時(shí)空分辨率、高靈活性、低成本等特性，在農(nóng)田水利監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有巨大潛力。它能實(shí)時(shí)獲取土壤水分、作物生長、灌溉設(shè)施等多維信息，為精準(zhǔn)灌溉、資源優(yōu)化提供支持，提高監(jiān)測(cè)精度效率，降低成本，精確計(jì)算需水量，優(yōu)化灌溉計(jì)劃，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)施，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)

1.1  無人機(jī)遙感系統(tǒng)組成和工作原理

無人機(jī)遙感系統(tǒng)主要由無人機(jī)平臺(tái)、傳感器套件、數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)以及地面控制站等部分組成。無人機(jī)根據(jù)農(nóng)田監(jiān)測(cè)需求選型，搭載傳感器在空中作業(yè)。傳感器可實(shí)時(shí)捕捉農(nóng)田光譜、影像及溫度信息，并通過無線傳輸至地面站或機(jī)載存儲(chǔ)設(shè)備。地面站用于規(guī)劃任務(wù)、監(jiān)控狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)，并利用軟件預(yù)處理、校準(zhǔn)、拼接數(shù)據(jù)，生成遙感圖像。導(dǎo)航系統(tǒng)用于確保無人機(jī)穩(wěn)定飛行，控制系統(tǒng)調(diào)整飛行姿態(tài)。最終，處理后的數(shù)據(jù)用于分析農(nóng)田作物生長、土壤水分及灌溉需求，指導(dǎo)農(nóng)田水利管理，優(yōu)化灌溉、施肥策略，并反饋給農(nóng)戶和相關(guān)部門，提升管理效率。

1.2  常用的遙感傳感器類型及其特性分析

遙感技術(shù)中，常用的傳感器主要包括多光譜成像儀、高光譜成像系統(tǒng)以及熱紅外成像儀。多光譜成像儀設(shè)計(jì)有 3 至 10 個(gè)特定的光譜波段，這些波段能夠捕獲植被、水體及土壤的關(guān)鍵光譜特征，為地表監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相比之下，高光譜成像系統(tǒng)則具備數(shù)十乃至數(shù)百個(gè)緊密相連的窄光譜波段，能夠捕捉到更為細(xì)膩的光譜細(xì)節(jié)，這對(duì)于精準(zhǔn)辨別地表物體的特性及其狀態(tài)至關(guān)重要。至于熱紅外成像儀，則是通過捕捉地表物體釋放的熱輻射測(cè)定地表溫度，這一功能在監(jiān)測(cè)作物水分壓力及土壤濕度變化方面扮演著重要角色。以上傳感器的特性見表 1。

1.3  無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理流程

數(shù)據(jù)獲取階段，根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)、區(qū)域及飛行高度規(guī)劃航線、航點(diǎn)、速度參數(shù)，確保合規(guī)并申請(qǐng)飛行許可。檢查無人機(jī)及傳感器狀態(tài)，校準(zhǔn)傳感器并確保電池電量充足。按預(yù)設(shè)航線自動(dòng)或手動(dòng)飛行，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)狀態(tài)，采集圖像、視頻等數(shù)據(jù)。確保傳感器記錄的遙感數(shù)據(jù)完整、清晰，無損壞或缺失。將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理軟件，轉(zhuǎn)換格式。拼接多張圖像生成完整區(qū)域影像，按研究需求裁剪以減少冗余數(shù)據(jù)。通過定標(biāo)和大氣校正消除傳感器誤差及環(huán)境影響；配準(zhǔn)圖像并轉(zhuǎn)換投影，消除視角畸變和地球曲率影響。驗(yàn)證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，檢查清晰度、色彩一致性和幾何精度。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)田水利監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 灌溉系統(tǒng)評(píng)估

在灌溉系統(tǒng)評(píng)估中，無人機(jī)遙感技術(shù)通過采集高分辨率多光譜影像和熱紅外數(shù)據(jù)，可量化分析灌溉均勻性及效率差異。多光譜影像通過解析植被指數(shù)的空間異質(zhì)性，精準(zhǔn)定位灌溉不足或水分過剩區(qū)域；熱紅外數(shù)據(jù)則依據(jù)地表溫度異常，檢測(cè)管道滲漏點(diǎn)（溫差0.5～3℃）并揭示土壤水分分布不均現(xiàn)象。結(jié)合 GIS 平臺(tái)，這些數(shù)據(jù)可生成灌溉效率熱力圖，直觀展示區(qū)域水資源利用差異，為灌溉設(shè)施改造和精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 作物用水監(jiān)測(cè)

在作物用水監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)遙感技術(shù)通過多時(shí)相植被指數(shù)的動(dòng)態(tài)追蹤，能夠量化評(píng)估作物蒸散發(fā)規(guī)律與水分需求變化。同時(shí)，基于熱紅外傳感器對(duì)冠層溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合氣溫、濕度等氣象參數(shù)，可精準(zhǔn)計(jì)算作物水分脅迫指數(shù)（CWSI），揭示作物生理性缺水程度。研究表明，作物不同生育期的 CWSI閾值存在顯著差異，其數(shù)值變化可直接反映植株水分盈缺狀態(tài)（表 2），從而為分階段精準(zhǔn)灌溉提供科學(xué)依據(jù)。

2.3 土壤墑情監(jiān)測(cè)

在土壤墑情監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)遙感技術(shù)依托多光譜與熱紅外傳感器協(xié)同觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)土壤水分的高效估算。多光譜數(shù)據(jù)通過構(gòu)建土壤反射光譜特征與含水量的定量反演模型，可對(duì)農(nóng)田全域土壤墑情進(jìn)行非接觸式動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；熱紅外技術(shù)則基于土壤熱慣量原理，通過晝夜地表溫度變化幅度與含水量的負(fù)相關(guān)性，建立熱慣性方程解析土壤水分空間分布。相較于傳統(tǒng)鉆孔取樣的點(diǎn)狀離散測(cè)量，無人機(jī)技術(shù)可提供米級(jí)分辨率、每小時(shí)更新的連續(xù)墑情數(shù)據(jù)，支持大田墑情的高頻次、廣域化監(jiān)測(cè)。

3 無人機(jī)遙感技術(shù)在濱州市農(nóng)業(yè)區(qū)水利監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 鹽堿地墑情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

使用多旋翼無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)，利用短波紅外（SWIR）波段對(duì)土壤鹽分和含水量進(jìn)行反演。結(jié)合地面采樣數(shù)據(jù)，構(gòu)建了高精度的反演模型。成功識(shí)別出鹽堿化高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域2.3萬畝（1畝=1/15 hm2），并制定了針對(duì)性的淋鹽灌溉方案，原灌溉需水100 m3/畝，節(jié)水后需70 m3/畝，節(jié)水效率提升了30%。同時(shí)，鹽堿地的復(fù)耕率也得到了顯著提升，2022年至2023年小麥畝產(chǎn)從300kg增加到了420kg。

3.2 灌溉系統(tǒng)滲漏智能檢測(cè)

采用大疆 M300 RTK 無人機(jī)搭載熱紅外傳感器，通過檢測(cè)灌溉渠道的溫度異常識(shí)別滲漏點(diǎn)。同時(shí)，利用 LiDAR 技術(shù)生成灌溉渠道的三維模型，為滲漏點(diǎn)的精確定位和修復(fù)提供了有力支持。在 2022 年度，共修復(fù)滲漏點(diǎn) 12 處，渠道輸水效率從 72% 提升至 90%，年節(jié)水超過 500 萬 m3，相當(dāng)于滿足了 1.2萬人口的年用水量需求。

3.3 作物需水精準(zhǔn)調(diào)控

通過多時(shí)相 NDVI（歸一化植被指數(shù)）監(jiān)測(cè)作物的生長狀況，并結(jié)合熱紅外數(shù)據(jù)計(jì)算 CWSI（作物水分脅迫指數(shù)），生成變量灌溉處方圖。在惠民縣 10 萬畝麥田中實(shí)施了無人機(jī)指導(dǎo)的灌溉方案，灌溉量減少了 25%，但產(chǎn)量卻提高了 12%。農(nóng)戶通過手機(jī) APP 接收實(shí)時(shí)的灌溉建議，決策響應(yīng)時(shí)間從 3 天縮短至 6小時(shí)以內(nèi)。

4 結(jié)語

無人機(jī)遙感技術(shù)在濱州市農(nóng)業(yè)區(qū)水利監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，不僅解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式存在的效率低、精度差等問題，還為農(nóng)業(yè)水資源管理、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程提供了有力的技術(shù)支撐，具有廣泛的應(yīng)用前景與深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，無人機(jī)遙感技術(shù)將在農(nóng)業(yè)水利監(jiān)測(cè)中發(fā)揮更加重要的作用。

來源：劉少云 .濱州無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)田水利監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù),2025,45(14):36-37.

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