無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)作物病蟲(chóng)害研究進(jìn)展

張超 康秦

(武漢星智繪空間信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430062)

前言

病蟲(chóng)害是造成我國(guó)農(nóng)作物減產(chǎn)與阻礙農(nóng)作物生產(chǎn)的最大威脅問(wèn)題之一。農(nóng)作物是人類(lèi)生活的必需品，為提升農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，為農(nóng)民創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)利益，同時(shí)確保我國(guó)的糧食生產(chǎn)，就要對(duì)病蟲(chóng)害進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)與預(yù)防。當(dāng)前我國(guó)大部分農(nóng)區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化發(fā)展，但仍會(huì)產(chǎn)生一定的病蟲(chóng)害。對(duì)病蟲(chóng)害進(jìn)行精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)，是防止病蟲(chóng)害大面積發(fā)生和擴(kuò)散的有效途徑之一。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，遙感技術(shù)以其優(yōu)異的高呈像率、范圍廣、實(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被農(nóng)作物生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用。

1 遙感技術(shù)在病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)中的研究

隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，遙感技術(shù)的精確度與專(zhuān)業(yè)度大幅度提升，能在大范圍內(nèi)快速獲取空間信息與地理位置信息。無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)已經(jīng)在農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)，以及農(nóng)作物的生產(chǎn)質(zhì)量與產(chǎn)能估算[1]、品質(zhì)分析等各方面廣泛應(yīng)用。遙感技術(shù)的出現(xiàn)使傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)管理方式與作業(yè)生產(chǎn)模式產(chǎn)生了極大的變革，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)向著更科學(xué)化、高產(chǎn)能化、安全化與綠色生態(tài)化的方向發(fā)展。因此，無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的利用，大幅度提升了農(nóng)產(chǎn)品的管理與發(fā)展，是我國(guó)糧食產(chǎn)量穩(wěn)定提升，實(shí)現(xiàn)安全高產(chǎn)農(nóng)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)的優(yōu)良途徑。

1.1 無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)作物病蟲(chóng)害概況

對(duì)于農(nóng)作物來(lái)說(shuō)，其發(fā)生病蟲(chóng)害的原因與其生長(zhǎng)的環(huán)境、氣候以及土壤，甚至植物的品種有密切的聯(lián)系。諸如此類(lèi)的因素，導(dǎo)致作物發(fā)生不同種類(lèi)的病蟲(chóng)害變化。病蟲(chóng)害的原體多以真菌為主，且少量病蟲(chóng)害引發(fā)原因?yàn)榧?xì)菌、放線菌及線蟲(chóng)等。病原體出現(xiàn)后通過(guò)土壤、風(fēng)、雨水等媒介進(jìn)行傳播，或依附于昆蟲(chóng)體表之上進(jìn)行傳播。蟲(chóng)害是由于越冬季節(jié)時(shí)的蟲(chóng)卵，在第2年適宜繁殖時(shí)期進(jìn)行繁殖，如在植被較為茂盛地區(qū)，可通過(guò)臨近植被進(jìn)行傳染。不同的病原菌在進(jìn)行植被危害時(shí)會(huì)發(fā)生農(nóng)作物的外部形態(tài)變化及侵染，如顏色變化、植物總體形態(tài)變化等差異。正是因?yàn)槭懿∠x(chóng)害侵襲的農(nóng)作物產(chǎn)生該類(lèi)變異，才會(huì)被遙感監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)進(jìn)行捕捉。目前國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)，對(duì)大面積進(jìn)行田間農(nóng)作物蟲(chóng)害的控制，有較為突出的貢獻(xiàn)。據(jù)調(diào)查，全國(guó)范圍內(nèi)，美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家[2]，對(duì)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)的研究結(jié)果占全球總數(shù)50%以上。同時(shí)，如澳大利亞、加拿大等國(guó)家在遙感技術(shù)中的研究成果也有一定的占比。由此可見(jiàn)，人類(lèi)使用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行對(duì)農(nóng)作物的監(jiān)控，在全球多個(gè)國(guó)家已得到了較為廣泛的應(yīng)用。

1.2 病蟲(chóng)害光譜相應(yīng)生理機(jī)制

當(dāng)前我國(guó)遙感監(jiān)測(cè)中，光學(xué)遙感作為病蟲(chóng)害相關(guān)研究的主要監(jiān)測(cè)手段之一。且光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)可以廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)各種領(lǐng)域。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)電磁輻射的吸收與反射，隨著波長(zhǎng)與農(nóng)作物的本身性質(zhì)有關(guān)，或隨著波長(zhǎng)與農(nóng)作物的生長(zhǎng)變化而呈現(xiàn)出不同的效果。農(nóng)作物在遭受病蟲(chóng)害侵蝕條件下，會(huì)呈現(xiàn)出不同波段的表現(xiàn)，通過(guò)吸收和反射其相應(yīng)的效果并體現(xiàn)在光譜中，光譜響應(yīng)可認(rèn)為由蟲(chóng)害所引發(fā)的植物色素水分、外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等變化。由于病蟲(chóng)害成因及傳播方式不同，因此在光譜中會(huì)有很多不同的表現(xiàn)。遙感技術(shù)正是基于光學(xué)表達(dá)形式來(lái)進(jìn)行基本光譜判斷依據(jù)。無(wú)人機(jī)在進(jìn)行病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)時(shí)，會(huì)將不同的光譜顏色進(jìn)行反應(yīng)。農(nóng)田間健康植物的葉片，在光譜中的反射率主要與農(nóng)作物自身色素葉片中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和農(nóng)作物本身的含水量、蛋白質(zhì)等因素有關(guān)。受健康葉片內(nèi)葉綠素的吸收和光合作用影響植物，在光譜區(qū)長(zhǎng)線將為弱化的反射率。因綠光波段有一定小幅度的反射度，植物在遭受病蟲(chóng)害侵蝕下，農(nóng)作物的葉片結(jié)構(gòu)會(huì)在不同程度上遭到破壞，葉片中的細(xì)胞結(jié)構(gòu)壞死導(dǎo)致的葉片枯萎，其光波段橙紅色反射率增加，從而在無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)中呈現(xiàn)紅邊短波方向移動(dòng)的現(xiàn)象。

因此，通過(guò)對(duì)紅邊移動(dòng)的距離與其范圍可初步斷定農(nóng)作物受病蟲(chóng)害威脅的深度與范圍，同時(shí)，受病蟲(chóng)害侵蝕的植物會(huì)出現(xiàn)葉傾角度變化，也就是倒伏現(xiàn)象，或出現(xiàn)農(nóng)作物冠層形態(tài)變化。在此之上[3]，農(nóng)作物的葉片顏色會(huì)由于其內(nèi)部色素與葉片熒光中的熱輻射能是熒光和遠(yuǎn)紅外波段，在無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)中產(chǎn)生較大的現(xiàn)行反應(yīng)。總體來(lái)講，目前我國(guó)對(duì)于病蟲(chóng)害的遙感監(jiān)測(cè)判斷依據(jù)主要為色素、農(nóng)作物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及其植物內(nèi)部換成結(jié)構(gòu)等多種因素影響。其中，農(nóng)作物內(nèi)部的生理機(jī)制在進(jìn)行明確后，對(duì)今后的無(wú)人機(jī)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)奠定了有力的理論性依據(jù)

1.3 農(nóng)作物病蟲(chóng)害無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)原理

無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)原理同蝙蝠、飛蛾等對(duì)超聲波產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)反射。與此同理，物體由于其類(lèi)型與環(huán)境條件的不同，其具備反射和輻射多種不同的電磁波長(zhǎng)以及其影響有共同特性。遙感技術(shù)正是利用此原理，通過(guò)在地面衛(wèi)星等各種平臺(tái)進(jìn)行傳感器與接收電波的搭建，利用農(nóng)作物等植物內(nèi)部波譜反射與輻射特性確定當(dāng)前農(nóng)作物的狀態(tài)與農(nóng)作物種類(lèi)。農(nóng)田中的農(nóng)作物受到病蟲(chóng)害，其葉片顏色產(chǎn)生變化與葉片結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生外觀變化或倒伏，由于變化產(chǎn)生的參數(shù)變化會(huì)對(duì)波段吸收與波長(zhǎng)反射等有一定的影響，因此受蟲(chóng)害侵襲的農(nóng)作物會(huì)反映出不同的形態(tài)，以此與健康的農(nóng)作物進(jìn)行波長(zhǎng)信息對(duì)比，從而診斷出該地區(qū)的農(nóng)作物受蟲(chóng)害侵襲時(shí)間與類(lèi)型[4]。由此可見(jiàn)，病蟲(chóng)害侵襲的農(nóng)作物會(huì)因自身變化而引起光譜的反射變化。因此，利用遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可得到更加合理、科學(xué)化的精確數(shù)據(jù)，使病蟲(chóng)害防御利用無(wú)人機(jī)遙感進(jìn)行監(jiān)測(cè)成為可能。

2 無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)作物病蟲(chóng)害研究進(jìn)展

2.1 多光譜無(wú)人機(jī)遙感影像監(jiān)測(cè)

多光譜影像遙感，是通過(guò)2個(gè)以上波譜由傳感器實(shí)施。地面與物體的同步成像將目標(biāo)物體按不同的光譜波段進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)提取，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在對(duì)病蟲(chóng)害信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，通過(guò)不同的光譜波段進(jìn)行模型的形式預(yù)演。多光譜的影像呈現(xiàn)從各種時(shí)間維度、空間維度等展開(kāi)研究，篩選病蟲(chóng)害相關(guān)的信息，進(jìn)行光譜特征調(diào)查。在進(jìn)行植被病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)指數(shù)方面，利用多光譜的遙感圖像提取信息，建立與地面同步調(diào)查方式，有利于進(jìn)行較大范圍的監(jiān)測(cè)影響將數(shù)據(jù)與地面同步調(diào)查方式結(jié)合。從不同形態(tài)的特征出發(fā)[5]，利用光譜對(duì)比正常農(nóng)作物的光譜影像，建立模型，分類(lèi)識(shí)別不同蟲(chóng)害與區(qū)域?qū)r(nóng)作物的影響。

2.2 高光譜無(wú)人機(jī)遙感影像

與多光譜成像原理較為相似的高光譜無(wú)人機(jī)成像原理，在遙感影像進(jìn)行定位時(shí)，相比多光譜成像高光譜成像音段數(shù)波段較多，分辨率與圖像信息提高檔次。目前無(wú)人機(jī)在進(jìn)行遙感病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)時(shí)，主要對(duì)棉花、油菜、小麥等農(nóng)作物進(jìn)行病蟲(chóng)害監(jiān)控，利用無(wú)人機(jī)高光譜形成的影像數(shù)據(jù)、信息與遙感數(shù)據(jù)信息進(jìn)行的病蟲(chóng)害數(shù)據(jù)建模，對(duì)不同的病蟲(chóng)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別，并取得了較為理想的結(jié)果。

2.3 無(wú)人機(jī)可見(jiàn)光影像

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行影像的監(jiān)控時(shí)，會(huì)通過(guò)3個(gè)波段即紅色、藍(lán)色、綠色對(duì)可視光線進(jìn)行傳導(dǎo)。數(shù)碼相機(jī)中的RGB傳感器許多國(guó)外與國(guó)內(nèi)學(xué)者均通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)結(jié)合多種型號(hào)的數(shù)碼相機(jī)與RGB傳感器，對(duì)農(nóng)作物病蟲(chóng)害進(jìn)行精細(xì)的研究，并取得了較好的研究成果。基于不同種類(lèi)的數(shù)碼影像進(jìn)行作物的病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)。利用飛行高度、區(qū)域劃分等多種方式，對(duì)光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。將影像中提取的顏色、紋理、特征及病蟲(chóng)害進(jìn)行區(qū)分[6]，利用當(dāng)前的信息對(duì)病蟲(chóng)害識(shí)別進(jìn)行更好的設(shè)定，光譜波段提取的特征信息，再由無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行植被指數(shù)及分類(lèi)模型的病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)與識(shí)別構(gòu)建。利用高光譜數(shù)據(jù)等顯著性較強(qiáng)的植被指數(shù)，進(jìn)行參數(shù)與農(nóng)作物病蟲(chóng)害的數(shù)據(jù)特征分析，對(duì)病蟲(chóng)害發(fā)生量的識(shí)別進(jìn)行綜合性的監(jiān)測(cè)。

2.4 低空與航空無(wú)人機(jī)遙感影像監(jiān)測(cè)

作為后期隨科技進(jìn)步與技術(shù)創(chuàng)新等產(chǎn)生的航空遙感也稱(chēng)機(jī)載遙感。是利用趙維高科技的航空飛行器，通過(guò)傳感器進(jìn)行工具載入。向空中進(jìn)行對(duì)目標(biāo)的綜合性探測(cè)手段，是當(dāng)前遙感技術(shù)的重要組成部分之一。當(dāng)前的檢測(cè)飛行器中有不同種類(lèi)的駕駛飛機(jī)，如氣球、飛艇等無(wú)人機(jī)，該類(lèi)工具使遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)工作模式與性能，形成了一個(gè)多層次立體化的現(xiàn)代式遙感系統(tǒng)，其是對(duì)地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)的一種重要信息感知方法，其優(yōu)點(diǎn)有分辨度高、探測(cè)面積大、探測(cè)周期短、成像比例較大、信息容量與精確度較高。在信息探測(cè)與信息獲取等方面有快捷特點(diǎn)，是現(xiàn)代空間技術(shù)獲取主要技術(shù)手段之一，隨著科技的進(jìn)步[7]，無(wú)人機(jī)由傳統(tǒng)的膠片成像到現(xiàn)在的通過(guò)計(jì)算機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。農(nóng)作物病蟲(chóng)害及范圍和病害程度的精確數(shù)據(jù)調(diào)查利用彩虹外航空攝影圖像等數(shù)據(jù)化圖像，并通過(guò)一元回歸分析法，對(duì)病蟲(chóng)害等進(jìn)行證實(shí)。航空遙感航拍雖有較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，但其載重量與負(fù)荷量較大，會(huì)受多種因素影響，如受天氣條件、高度限制等方面不利于進(jìn)行大范圍使用。后期無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)利用輕型、小型飛機(jī)、熱氣球等，開(kāi)辟了無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的新領(lǐng)域。

2.5 基于衛(wèi)星平臺(tái)的遙感影像監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，國(guó)家試行的衛(wèi)星與探測(cè)火箭等航天機(jī)器，作為與遙感相互對(duì)應(yīng)的平臺(tái)。航天遙感中，衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用極為廣泛，其是以人造衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行反射電磁波與輻射，電磁波接收與發(fā)射可同時(shí)獲取地標(biāo)建筑信息與圖像，對(duì)其進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析，從而對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行定位，對(duì)其范圍進(jìn)行測(cè)量和定性描述等。不同傳感器運(yùn)行軌道不同，通過(guò)實(shí)現(xiàn)高空控制軌道運(yùn)行高度等可分為同軌道衛(wèi)星、極地軌道、衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星、測(cè)地衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、海洋衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等。伴隨科技的發(fā)展，衛(wèi)星技術(shù)可連續(xù)性進(jìn)行大范圍監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)[8,9]。其具有可連續(xù)觀測(cè)監(jiān)測(cè)范圍廣，農(nóng)作物基礎(chǔ)信息收集速度快、監(jiān)測(cè)影像信息較為豐富、監(jiān)測(cè)可視點(diǎn)與顏色較為明顯。與此同時(shí)，對(duì)信息接收的傳感器隨著科技進(jìn)步而愈發(fā)發(fā)達(dá),如利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料進(jìn)行結(jié)合可以識(shí)別棉花、小麥種植區(qū)域的病蟲(chóng)害的實(shí)際范圍。利用遙感指標(biāo)等病蟲(chóng)害的發(fā)生時(shí)間與地點(diǎn)，通過(guò)與健康農(nóng)作物反射數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，估算其感染率甚至可以對(duì)病蟲(chóng)害發(fā)展原因進(jìn)行分析。對(duì)于不同遙感平臺(tái)的衛(wèi)星平臺(tái)影像監(jiān)測(cè)中也會(huì)因衛(wèi)星接收器的位置等存在一定的信息誤差。未來(lái)要以互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等信息技術(shù)為基礎(chǔ)，為無(wú)人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行大范圍的影像監(jiān)測(cè)，以便實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)，為農(nóng)作物提供有力的保障。

3 結(jié)束語(yǔ)

病蟲(chóng)害時(shí)刻威脅著農(nóng)作物的生長(zhǎng)，大部分病蟲(chóng)害呈現(xiàn)出危害時(shí)間長(zhǎng)、繁殖擴(kuò)散能力極強(qiáng)、危害面積大等特點(diǎn)。人工檢查與傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)，無(wú)法應(yīng)用于大片農(nóng)作物中找到染病區(qū)域或感染植株，因此使用無(wú)人機(jī)遙感進(jìn)行大面積且快速的監(jiān)測(cè)方式是傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式無(wú)可比擬的。無(wú)人機(jī)儀器的高效性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性無(wú)損性等特點(diǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有十分重大的意義。無(wú)人機(jī)具有較高的分辨率，為大片農(nóng)作物的監(jiān)測(cè)提供了十分有效的幫助。隨著科技的提升，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)也在逐步增強(qiáng)。雖然我國(guó)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)發(fā)展較晚，但對(duì)于相關(guān)的生產(chǎn)與管理中，只有不斷地進(jìn)行更新與問(wèn)題解決，才能充分發(fā)揮遙感技術(shù)在農(nóng)作物病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)中的優(yōu)秀潛力，使我國(guó)的無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)走向成熟。