在农村实际农业生产中,需要解决单个田块内部的精量均匀施肥和不同田块之间的变量施肥问题。高效、准确地获取作物营养状态信息是科学实施变量施肥的前提,反射光谱测量技术作为一种新型的快速、无损的光谱分析技术,是当前作物追肥阶段最有效的技术手段。该技术通过对作物冠层光谱的反射率计算,得到作物冠层的反射光谱指数,结合已有的作物营养状况诊断模型,实现作物营养状况信息的获取。目前,反射光谱的测量方式主要有手持式和车载式两种,手持式测量适合于抽样检查,由于大规模数据采集耗时耗力,该测量方式适合在科研活动中应用,不适合在实际生产中应用;车载式测量在大田作业中虽然能够实时获取作物的营养状况信息,但在实际应用中,为了不对作物造成二次伤害,一般应用实时测量信息直接控制变量施肥作业,由于过度精细往往难以达到理想效果,难以满足农村地区单个田块内部实现精量均匀施肥的要求。本文应用无人机构建作物冠层反射光谱测试平台,以快速无损地获取作物各生育阶段的营养状况信息,进而构建单个田块的整体作物生长信息,科学指导追肥阶段的变量施肥作业。主要研究内容如下:1.搭建了基于无人机机载式冠层反射光谱测量平台:平台选用大疆公司生产的M100飞行器为载体,团队已研发成功的主动光源式反射光谱测量仪为测量传感器。为了实现无人机与反射光谱测量仪的安装匹配,对反射光谱测量仪的壳体结构进行了重新设计,主要包括反射光谱仪各光路系统和电路模块的安装结构设计,确保光路系统的有效避光,避免电路模块之间相互干扰和实现光谱仪在无人机上的稳定挂载。2.主动光源式反射光谱测量仪的功能调整:为了满足无人机机载式反射光谱测量平台的要求,对实验室已研发的光谱测量仪的功能进行了调整,具体包括以下三个方面:(1)为了满足飞行器的挂载要求,减轻负载的重量,利用无人机电源进行供电,设计了专门的供电模块;(2)为了将测量结果应用于后续的变量施肥作业,加入了 GPS测速定位模块,实现对田块位置信息、无人机飞行速度信息、飞行轨迹信息的采集;(3)考虑到原有光谱仪控制器占用硬件资源较多,采用了双处理芯片设计,对信号处理电路和数据存储电路结构进行了重新设计与布局,有效保证了数据的完整采集和有效存储。3.无人机机载式冠层反射光谱测量平台有效性和稳定性测试,包括以下三个方面的测试:(1)与手持式冠层反射光谱测量仪对比实验:本文选用已标定过的手持式冠层反射光谱测量仪开展对比实验,实验过程在小麦田选取一排64m × 2.3m的条形区域为测试对象,每隔10m选取一个测量点,共选取5个测量点,选取三个测量高度,分别为60cm、70cm、80cm。测试结果表明:机载式光谱反射测量仪与手持式冠层反射测量仪在不同测量点不同测量高度下测量结果均有较高的一致性,每个测量点的最大平均相对偏差为3.2%,最大标准差为2%,说明机载式反射光谱测量仪测量结果稳定有效。(2)无人机倾斜状态下的平台性能测试实验:无人机在飞行过程中,容易受到外界因素(风速、频率干扰等)影响而发生倾斜,为研究测试平台在倾斜状态下的测试性能,在实验过程中手持测量平台,使其呈倾斜状态,前后左右倾斜角度不超过45°,将测试数据与水平测试状态下的测量结果进行对比。结果表明:无人机在倾斜状态下的测量结果与水平状态下的结果差异较小,最大相对偏差为4.49%,最大标准差为4.45%,说明测量平台具有良好的抗倾斜干扰能力。(3)无人机定点悬停状态下的平台性能测试实验:无人机在飞行过程中,其旋翼下方会形成风场,会对作物冠层产生较大的扰动,为了分析风场扰动对作物冠层反射光谱测量值的影响,控制无人机在测量点上方悬停,悬停高度在60cm-100cm之间,将测试数据与静态状况下进行对比。结果表明:在悬停状态下,每个测量点的测量结果与静态状态下的测量结果具有较高的一致性,测量点的最大相对偏差为4.40%,最小相对偏差为0.57%,最大标准差为3.89%,最小标准差为0.48%,说明风场对测量结果的影响较小,该测量平台能够满足动态测量的要求。4.无人机机载式冠层反射光谱测量平台田间性能测试:为了验证自主飞行无损检测的可行性,以及研究单个田块内部和不同田块之间作物的营养状况分布情况,开展了无人机定轨自主飞行测试实验。在实验过程中选取两块相邻田块作为测量对象,田块尺寸分别为12m×68m和18m×68m,将每个田块分成4个长为68米的条形测试带,每条带选定5个标记航点,航点间隔为10m,开展自主飞行测量,重复3次。结果表明:测量平台的每次飞行轨迹基本重合,同一田块的NDVI值相差不大,所测试的两田块的最大平均相对偏差分别为4.12%和3.17%,标准差为3.43%和2.83%,所测试的两个田块的NDVI平均值差值之间的相对偏差为4.8%。研究结果总体表明:采用自主飞行的采集方式能够实现对田间作物营养状况快速、高效、无损的获取,为作物追肥阶段实施变量施肥提供依据。实际单一田块内部肥力状况相对均匀,不同田块(即便相邻田块)之间的肥力状况可能存在较大差异。