摘要

农田实时监测系统融合多源传感与物联网技术，实现作物生长与环境数据的动态采集与精准管理。本文以星视图的“多光谱相机+激光雷达+科研观测一杆通”为例，阐述其技术架构、功能与应用价值，结合案例验证其科学性，为农业精准管理与可持续发展提供参考。

一 、农田实时监测系统的概念与需求

农田实时监测系统（Farmland Real-time Monitoring System, FRMS）基于现代传感技术，实时获取作物生长、土壤环境、气象等多维度数据，结合数据分析模型实现精准农情判断。其核心目标：

1. 动态感知：突破人工观测限制，实现农田数据连续采集；

2. 精准诊断：多参数融合分析，识别作物胁迫（如干旱、病虫害）；

3. 科学决策：支持水肥管理、灾害预警、产量预测，优化资源利用。

传统农业监测技术受限于单一参数、低分辨率及人工依赖，难以满足现代农业需求。集成多光谱成像、激光雷达与物联网技术的综合监测体系，成为行业升级的关键路径。

二、技术体系与核心组件

2.1 多光谱成像技术

星视图公司研发的XST-PhotoNet系列多光谱相机通过多波段协同观测，突破传统RGB相机的光谱限制，支持植被指数（NDVI、GCC等）与物候期动态分析：

– 双模式成像：标准RGB图像（Mode-1）与窄带光谱图像（Mode-2）结合，650±10nm红光波段捕获叶绿素吸收特征，850±10nm近红外波段解析冠层结构；

– 高时空分辨率：每小时一次连续观测（5:00-20:00），结合20倍光学变焦云台，支持群体-个体-器官多尺度监测；

– 植被指数优化：基于5波段窄带数据计算25种指数（如EXG、NDVI），较宽带数据精度提升30%以上。

应用场景：作物发育期追踪（如河北与河南冬小麦物候监测）、胁迫响应分析（如庆阳站紫花苜蓿收割与降雪事件NDVI异常检测）。

庆阳站紫花苜蓿NDVI生长季变化曲线

苜蓿收割引起NDVI波动：6月9日开始收割第一茬，7月下旬收割第二茬，10月末尾收割第三茬

降雪引起NDVI波动：12月11日开始下雪，到21日雪基本融化；第二年1月15日再次降雪

2.2 原位激光雷达技术

XST-LiDARNet原位生态激光雷达通过主动式三维点云扫描，突破被动光学传感器的冠层穿透瓶颈：

– 点云处理算法：基于非生长季地面基准库实现植被-地面分离，提取冠层高度、覆盖度（FVC）、叶面积体密度（LAI）等参数；

– 动态监测能力：每日一次扫描（452,000点/秒），支持植被体积日变化分析（内蒙草原牧草体积变化监测案例）；

– 抗干扰设计：IP66防护等级，适应-40℃~85℃极端环境，适用于农田、森林、草地等多场景；

– 技术优势：LAI反演误差<10%，覆盖度计算与玉米生长节律一致性达95%。

应用场景：激光雷达应用于植被定位监测，可以长期获取植被三维结构信息，得到高度、体积等参数的时间序列变化。

激光雷达（点云）与物候相机（实景）组合系统对比一致性

2.3 多源协同监测平台：XST-SCI-in-One科研观测一杆通

该系统集成光谱成像、激光雷达、气象与土壤传感模块，实现“环境-作物”协同监测：

– 四维数据融合：多模态数据融合，大大提高模型数据的鲁棒性和准确性；

– 植物本体参数：NDVI、LAI、FVC等植被指数；

– 气象要素：温湿度、风速、降雨量、太阳辐射（精度±0.2℃/±2%）；

– 土壤参数：温/湿/盐多深度监测（分辨率0.1℃/0.03%）；

– 水文数据：雷达流速传感器（精度1mm/s）支持灌溉优化。

– 边缘计算与传输：智能数据采集器（256M运存）实时处理数据，支持255个传感器接入与4G全网通传输；

– 数据安全：本地-云端双备份、断点续传与异常报警（短信/邮件通知）。

应用场景：物联网云数据与户外实时播放数据。

三、应用价值与案例分析

3.1 精准农业管理

•水肥优化：结合土壤湿度与冠层LAI数据，动态调整灌溉量（如庆阳站紫花苜蓿案例）；

•病虫害预警：通过热成像模块（XST-PhotoNet-TI）检测冠层温度异常，早于肉眼发现胁迫。

3.2 灾害应对与保险评估

•气象灾害预警：实时风速/降雨监测结合冠层结构数据，评估倒伏风险（如内蒙古草原案例）；

•灾损量化：激光雷达点云重建受灾区域三维模型，精确计算减产比例。

3.3 遥感地面验证与碳汇核算

•天地协同：多光谱数据与卫星遥感（如中国碳卫星）联合校准，提升区域尺度参数反演精度；

•碳通量估算：SIFNet叶绿素荧光数据（精度±2%）支撑光合作用模型，助力双碳目标。

四、挑战与未来展望

1.技术瓶颈：多源数据融合算法复杂度高，需结合AI模型（如深度学习）提升分析效率；

2.成本控制：激光雷达与高光谱设备造价较高，需通过模块化设计降低规模化部署成本；

3.标准化建设：推动监测参数、数据格式与接口协议标准化，促进多平台互联互通。

未来，随着低空无人机遥感、数字孪生技术与农业大模型的深度整合，农田监测系统将向“空-天-地”一体化、预测-决策-执行闭环化方向演进，为全球粮食安全与生态可持续提供技术基石。星视图也会继续为此贡献自己的力量。