高尔夫球场草坪智能管理的可行性研究

来源:用户上传      作者:

　　【摘要】“绿色，高雅，健康，阳光”的高尔夫行业随着经济的发展，在中国乃至全球范围内日趋壮大。高尔夫不仅仅是一种娱乐，一项运动，它更是成功的代表，潜能的文化。目前全国已有五百多座高尔夫场，并且有很多正在建设当中。据相关部门统计，中国未来十年内将会有一千家左右新建高尔夫球场投入使用，但据调查高尔夫草坪的系统管理领域还是一项空白，现在草坪各项数据的检测仅仅依靠人工。人工水平的参差不齐，导致高尔夫草坪后期的保养和维护受到影响。开发出高尔夫草坪智能管理系统将极大提高草场维护效率，减少人工投入，降低企业成本。
　　【关键词】高尔夫 草坪智能管理 无人机
　　
　　一、选题意义
　　近年来传感器技术和计算机图形图像处理技术的飞速发展，使得影像数据采集的速度和质量有了大幅提高，特别是无人机航测平台的广泛应用，使得快速、廉价地获取大范围重叠影像数据成为可能，这直接加快了后续开发和行业应用的速度。无人机是指由动力驱动，携带多种设备，执行多项任务，可重复使用的无人驾驶航空机具。目前，国内外小型无人机应用主要集中在以下几个方面： 灾情评估、灾后救援、洪涝防治、环境监测与治理、城市管理、资源管理、评估土地动态变化等。无人机在农业中有潜在的应用价值，将无人机引入农业领域能够大幅提高农业现代化水平，对于促进现代农业发展具有长远意义。无人机遥感具有影像分辨率高、机动灵活、成本低、实时等特点，将其应用于农业领域能够大幅度提高农业现代化水平， 对于促进农业可持续发展具有重要意义。与现有的国土资源无人机遥感系统相比，低空无人机遥感具有诸多优势，例如应急能力强、获取速度快，处理效率高、运输方便，因此在大面积农作物覆盖地的测量上有很好的应用前景。无人机低空遥感是卫星遥感的有益补充，充分利用无人机遥感的多种优势，监测及定量繁衍作物生长的各项参数，扩大无人机遥感在农业领域的应用范围，可更好地服务和指导农业生产。
　　二、理论基础
　　随着我国经济持续健康稳定的发展，中国与世界的联系日益密切，高尔夫运动在中国得以蓬勃发展。同时，由于人们生活水平的提高和运动认识及观念的改变，高尔夫的平民化消费将逐步实现，高尔夫运动也将越来越得到普及。中国高尔夫产业的发展对于绿化国土、改善投资环境、吸引外来资金、扩大对外交流、活跃地区经济都起到了积极的推动作用。此外高尔夫球场的建设在改造生态、促进地方经济发展，尤其在改善我国传统低效益农业方面发挥着较大的作用。目前，由于无人机遥感可以提供多空间尺度、多时相的地面观测数据，可以辅助目前的遥感数据与产品的真实性检验以及尺度效应等研究。但是还没有将无人机和遥感技术应于高尔夫草坪质量监测的相关研究。然而，低空无人机遥感仍处于起步阶段，尚存在一些需要改进的地方，如无人机机身稳定性有待提高，影像的精度还需要配合地面控制点进行几何纠正等。此外，将低空无人机数据运用于地表参数的定量提取时，还需要进一步完成相机的辐射定标和大气纠正，在以后工作中对上述问题进行进一步研究。
　　在高尔夫场上，利用无人机通过预先设定好的航拍路径进行定点航拍，最后运用专业软件进行合成，通过系统的分析色差比对，进行筛选比对发现杂物。通过近红外光譜技术[1]对高尔夫草坪-土壤营养成分含量和水分含量进行检测， 确定适宜的施肥时间和施肥量、灌溉时间和灌溉量， 草坪外观质量评价以及高尔夫球场中有害生物预测与防治等方面， 使用该技术可以及时获取草坪草生长及环境状态数据，有效提高高尔夫草坪管理决策管理水平。
　　三、系统设计
　　观测场地位于石家庄河北体育学院校区内部，地处河北省石家庄市。球场为高尔夫球综合练习场，占地面积150亩，场地内拥有70个打位的双层练习场，一个面积为300平米的高尔夫球综合实验室，内部配有模拟器、挥杆动作分析系统Pro V1、推杆动作分析系统Samputter、击球数据分析系统X2等辅助设备。场地四周有300个打击垫和200块标准真草打击区，综合练习场内有总杆数为28杆的迷你三杆洞9个。草坪草主要是草地早熟禾（Poa pretensis），只有果岭草坪和发球台草坪为匍匐翦股颖（Agrostis stolonifera），除草坪外，球场内还有树木、水域以及部分硬化道路。草坪质量监测管理的对象为高尔夫球场的果岭、果岭坪床、发球台、球道，以及障碍区（沙坑、水域、高草区）。养护管理的手段主要为施肥、浇水、打药、修剪、打孔、划破草皮、覆沙，碾压、扒沙等。养护的目的是为了草坪在遭到践踏，低修剪，高温，病虫害等胁迫的情况下，能够通过施肥，浇水、覆沙等养护手段来保持球场各区域的使用功能正常健康，从而达到一个较高水平的平衡。研究设计的高尔夫草坪质量监测无人机遥感系统以无人飞行平台，机载数码相机、数码摄录机等数字遥感设备进行拍摄和记录，通过遥感数据处理技术进行影像的分析处理，以实现对地面信息的实时调查与监测。
　　要想成功施行高尔夫球场草坪智能管理，关键在于无人机技术和红外光谱技术的结合应用。先通过人工在高尔夫球场内设置无人机飞行路径点GPS坐标。进行定点定位拍摄图片，通过软件合成全景图，再通过色差分析比对找出杂物、异物、球痕等有碍于高尔夫球场正常使用的因素，将数据发送到客户端。再通过红外光谱技术，分析土壤营养成分，含水量和有害生物。将数据汇总到平台，平台分析处理数据，将高尔夫草场按照所缺物质划分区域，再利用无人机系统进行喷灌。市面上的无人机设备已经具备定点飞行的功能。需要进一步开发将无人机绘制的图片转换到合成软件里的这个通道软件和将色差比对结合，把数据实时反馈给各级维护人员这一部分。对于红外光谱技术，只需解决把汇总收集到的数据，发送到无人机系统。搭载预先调配完成的药物，进行喷洒。系统不单单精简了高尔夫球场维护人员的数量，还进一步科学化了高尔夫草场的管理系统。
　　本研究以多旋翼无人机为平台，同步搭载Canon EOS 数码相机、数码摄录机、传感器元件等组成的无人机草坪质量监测系统开展试验， 分别获取球场的果岭、果岭坪床、发球台、球道，以及障碍区（沙坑、水域、高草区）的遥感影像，对河北体育学院高尔夫球场草坪质量和影响草坪质量的因子进行现场监测，通过遥感数据处理技术进行影像的分析处理，使用机器识别和大数据技术对采集到的数字图像及其它数据进行处理分析，并对比专业草坪管理人员实验室的化验分析结果， 以实现对草坪质量的实时调查与监测，及时地对草坪养护管理中出现的问题进行纠正，对草坪的病虫害进行科学的预防和防治，对草坪土壤情况进行定期的测定达到测土施肥的目的。最终使高尔夫球场草坪质量既能够满足球手击球的需要，又要尽量在较低的养护成本的条件下达到人们理想的状态，对环境质量的提高起到推进作用。 　　四、结论与展望
　　本研究设计了一个完整的高尔夫草坪质量监测无人机遥感系统，包括空中飞行与数据获取模块和地面监控模块。其中空中飞行与数据获取模块的主要功能是控制无人机系统按照既定航线平稳飞行，并将飞行状态与数据传输到地面，主要包括无人机飞行系统、遥感器系统、姿态控制系统以及数据传输系统;地面监控模块则是发送飞行状态调整和数据获取命令、接收数据并实时监控。采集果岭、果岭坪床、发球台、球道等不同区域的草坪数字图像，使用MATLAB软件对每个单幅影像进行图像处理，取出不同质量草坪的特征。利用无人机航摄影像制作高尔夫球场的数字正射影像图，并针对制作过程中的航高航线设计、控制点选取布设、影像预处理、解析空中三角測量等关键技术进行了分析研究。利用强力度数据处理软件、影像处理软件生成测绘成果图，使复杂姿态下的全部影像可以联合平差处理成等效无缝正射影像。使用提取到的草坪特征，结合机器识别、人工智能和大数据处理技术等先进的计算机技术，分析处理高尔夫球场草坪无缝正射影像，得出草坪质量监测报告。
　　目前，市场上虽然有大量检测设备但这些设备都是针对特定目标单次检测，数据需要加工后才能反馈给维护人员，成本高，效率慢是其缺点。很少有针对高尔夫球场定时定点自动化检测，自动分析处理数据反馈给客户的高效率系统。高尔夫球场草坪智能管理领域几乎处于空白阶段，竞争压力极低，这就需要我们抓住机会，率先进入这一行业。对于企业来说，实行智能管理一方面，可以节约人力成本，精简管理维护人员，更易扩大企业规模。另一方面，可以更科学化的，提高草场的质量，从而增加消费者在使用中的满意度。对于消费者来说，高尔夫球场普及率的提高，使得普通民众更容易接触这项运动，也使得企业的利润增加，获得了继续扩大规模的资本。良性循环，便形成了一种“全民高尔夫”的氛围。此行业走在社会发展潮流的前沿，在不久的将来，还可以利用这个系统，针对湖泊和雪场开发相应的配套软件，发展前景广阔。
　　参考文献：
　　[1]李书英.近红外光谱技术在高尔夫草坪管理中的应用[A].光谱学与光谱分析[C].天津市：南开大学化学系，2008.1539-1543.
　　作者简介：崔永琪（1999-），男，河北滦南人，河北体育学院。张军惺（1980.1-），女，河北体育学院。
　　项目来源：2018年河北体育学院创新创业训练计划项目（项目编号：201811236037）;2017年河北体育学院教改项目（项目编号：2017JYZHC14）。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-14970094.htm