無人機(jī)高光譜技術(shù)對林業(yè)病蟲害監(jiān)測的可行性分析

無人機(jī)高光譜技術(shù)對林業(yè)病蟲害監(jiān)測的可行性分析

江蘇雙利合譜科技有限公司-黃宇

　　一、背景簡介

　　（一）行業(yè)簡介

　　林業(yè)是全國生態(tài)建設(shè)的主體， 在保持經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中有著不可或缺的作用，我國擁有森林面積1.75億公頃，森林蓄積量為124.56億立方米，森林覆蓋率為18.21%。森林病蟲害是森林的主要災(zāi)害之一，與森林火災(zāi)，亂砍濫伐并稱為林業(yè)“三害”。在我國，森林病蟲害有8000多種，危害極其嚴(yán)重的200多種，近20年來，幾乎每年都有3-5種過去多為零星發(fā)生的病蟲害轉(zhuǎn)為大面積暴發(fā)成災(zāi)，危害極其嚴(yán)重。每年由于病蟲害引起的森林受災(zāi)面積達(dá)到800萬hm2 ，損失木材生長量逾1 700萬 m3 ，造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過1100億元，嚴(yán)重影響了我國的森林資源利用與可持續(xù)發(fā)展。因此，迫切需要一種快捷、準(zhǔn)確的方法來達(dá)到森林病蟲害實(shí)時監(jiān)測的目的。

　　（二）行業(yè)需求

　　1．林業(yè)面積廣闊，開展林業(yè)資源監(jiān)測、巡查工作，人工成本高，效率低，且無法迅速掌握全局。

　　2．對于森林病蟲害檢測及防治，無法做到藥物投放批量化，通過人工實(shí)施作業(yè)，進(jìn)度慢，作業(yè)面積小，成本高。

　　3. 縱觀目前國內(nèi)外森林病蟲害監(jiān)測技術(shù)，大多數(shù)需要借助高空衛(wèi)星，然而高空衛(wèi)星受時間分辨率、空間分辨率、光譜分辨率、外界天氣等因素的影響，無法實(shí)時、定點(diǎn)獲取森林發(fā)病前中后等不同時期的影像數(shù)據(jù)，且因缺少病蟲害的特征波段導(dǎo)致監(jiān)測森林病蟲害效果并不理想。而航空遙感由于空域管理制度和經(jīng)費(fèi)的限制等，航空遙感不可能作為我國常規(guī)的森林病蟲害監(jiān)測手段，只能在重大災(zāi)情發(fā)生時，作為衛(wèi)星遙感的一種補(bǔ)充。所以有的技術(shù)方案基礎(chǔ)實(shí)施投資太大，多達(dá)幾百萬美元，投入成本過高，這些都難以滿足我國森林病蟲害監(jiān)測的實(shí)際需要。

　　二、高光譜技術(shù)診斷病蟲害的原理

　　植物的光譜特性是植物在生長過程中與環(huán)境因子(生物因子和非生物因子)相互作用的綜合光譜信息。當(dāng)植物遭受病蟲害侵染后，主要有兩種表現(xiàn)形式:一是植物外部形態(tài)的變化，外部形態(tài)變化包括有落葉、卷葉，葉片幼芽被吞噬，枝條枯萎，導(dǎo)致冠層形狀發(fā)生變化：二是內(nèi)部生理變化，內(nèi)部生理變化則表現(xiàn)于葉綠素組織遭受破壞，光合作用，養(yǎng)分水分吸收、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化等機(jī)能衰退。但無論是形態(tài)的變化或生理的變化，都必然導(dǎo)致植物光譜特征發(fā)生變化。

　　受害綠色植物的光譜特性與健康綠色植物的光譜特性相比，某些特征波長的值總會發(fā)生不同程度的變化。當(dāng)植物生長健康，處于生長期高峰，葉綠素含量高時，“綠峰”向藍(lán)光方向偏移，而植物因病蟲危害或缺素而“失綠”時，“綠峰”則向紅光方向偏移。在近紅外波段綠色植物的光譜反射率取決于葉片內(nèi)部的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為健康葉片的海綿狀葉肉組織的所有空間都充滿水分而膨脹時，對任何輻射都是一種良好的反射體，間插在葉肉組織的柵狀柔軟網(wǎng)胞組織，吸收可見光中的藍(lán)光和紅光而反射綠光。當(dāng)植物受病害侵害時，葉片組織的水分代謝受到阻礙，此后隨著病蟲害危害的加重，植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，各種色素的含量也隨之減少，導(dǎo)致葉片對近紅外輻射的反射能力減少。在光譜特征上表現(xiàn)為可見光區(qū)(400 nm - 700 nm)反射率升高而近紅外區(qū)(720 nm - 1100 nm)反射率降低。近紅外區(qū)研究的重點(diǎn)是“紅邊”。紅邊的定義是反射光譜的一階微分的最大值對應(yīng)的光譜位置(波長)，通常位于680nm-750 nm之間。“紅邊”位置依據(jù)葉綠素含量、生物量和物候變化，延波長軸方向移動。當(dāng)葉綠素含量高、生長活力旺盛時，“紅邊”會向紅外方向偏移；當(dāng)植物由于感染病蟲害或因污染、物候變化而“失綠”時，則“紅邊”會向藍(lán)光方向移動。研究發(fā)現(xiàn)近紅外部分反射率的改變是發(fā)生在可見光部分的反射率發(fā)生改變之前。這是因?yàn)樵谶@段時間內(nèi)，細(xì)胞組織中的葉綠素的數(shù)量和質(zhì)量還沒有發(fā)生改變。由此可見紅外波段的光譜特征的變化早于人用肉眼觀測到的病蟲危害，這對于病蟲害的早期調(diào)查和測報具有極其重要的意義。

　　圖1是健康和感病杉木的冠層光譜特征。從圖1可以看出，健康杉木冠層的光譜反射率在綠光區(qū)域有一個明顯的峰區(qū)，這是由于在這一波段葉綠素吸收相對較少，因此形成了一個葉綠素的綠色強(qiáng)反射峰區(qū)，簡稱“綠峰”，在視覺上表現(xiàn)為綠色;而在紅光區(qū)域由于葉綠素強(qiáng)烈吸收輻射能而形成了一個吸收谷，約在680 nm附近達(dá)到最大，簡稱“紅谷”；近紅外區(qū)域位于植物的高反射區(qū)，與細(xì)胞結(jié)構(gòu)有關(guān)，是對于病蟲害變化最敏感的波段，其光譜差異表現(xiàn)也最突出。從圖上可以看出，隨著病情的加重，杉木冠層光譜發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)為綠光范圍內(nèi)的“綠峰”和紅光范圍內(nèi)的“紅谷”逐漸消失，紅光到近紅外陡峭的紅邊被逐漸拉平，在近紅外區(qū)域，健康杉木的光譜反射率明顯大于感病杉木的光譜反射率。這種在光譜上的差異使得應(yīng)用地面高光譜遙感技術(shù)通過監(jiān)測受害林木的生物化學(xué)參數(shù)變化，研究和利用受害林木生物化學(xué)參數(shù)變化引起的相應(yīng)光譜特征的變化，可以探測到病蟲害的早期危害，定量分析病蟲害的危害程度，并為大規(guī)模監(jiān)測森林病蟲害的發(fā)生情況及發(fā)展動向提供了及時、可靠的信息支持。

圖1不同程度炭疽病脅迫下的杉木冠層光譜特征

　　三、高光譜技術(shù)監(jiān)測森林病蟲害研究現(xiàn)狀

　　利用高光譜影像和高光譜數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究樹木受病蟲危害后的變化，尋找病蟲危害程度與原始光譜、植被指數(shù)等變化之間的關(guān)系，確定不同樹種病蟲害監(jiān)測的敏感波段和敏感時期，是目前高光譜遙感用于森林病蟲害監(jiān)測的研究熱點(diǎn)和關(guān)鍵。

　　目前，有許多研究是利用光譜儀獲取植株的高光譜數(shù)據(jù)后提取植物的各類生化參數(shù)，得到植株的病蟲害信息，以此來實(shí)施對森林病蟲害的監(jiān)測。伍南等分析了炭疽病脅迫下杉木 Cunninghamia lan-ceolata 冠層的高光譜特征，并將冠層光譜、一階微分光譜參數(shù)與相應(yīng)的色素含量進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)病害脅迫下杉木冠層色素含量與一階微分光譜在紅邊( 695-754 nm) 內(nèi)相關(guān)性最高，且與單波段一階微分光譜 741 nm 處的相關(guān)系數(shù)最大，于是指出可利用高光譜信息定量估算病害脅迫下杉木冠層的色素含量，以此來實(shí)現(xiàn)對杉木炭疽病的早期監(jiān)測預(yù)報。李軍 等以6年生意大利214楊 Populus × canadensis cv.‘I-214’為材料，分別測定了試驗(yàn)和對照區(qū)冠層、葉片的高光譜數(shù)據(jù)及相應(yīng)的生化參數(shù)(葉綠素含量、含水量等) ，結(jié)果表明，意大利214楊受楊扇舟蛾 Clostera anachoreta和楊小舟蛾 Micromelalopha troglodyta 危害后，冠層和葉片的光譜反射率均變小，冠層和葉片光譜的紅邊具有“雙峰”現(xiàn)象，且相應(yīng)的生化參數(shù)葉綠素含量、含水量等均顯著減少。許章華 等以福建省南平市延平區(qū)實(shí)測的51條不同馬尾松毛Dendrolimus  punctate punctata 蟲害等級的馬尾松 Pinus massoniana高光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了健康、輕度蟲害、中度蟲害、重度蟲害等 4個蟲害等級的光譜反射率及一階微分光譜特征，并在建立7個檢驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了蟲害等級的檢測模型。

　　王曉堂等采用高光譜技術(shù)研究了松萎蔫病的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)可以借助高光譜數(shù)據(jù)分析，定量反演冠層葉綠素含量，判斷是否感病，以此實(shí)現(xiàn)松萎蔫病的早期監(jiān)測預(yù)警（表1）。

表 1 利用高光譜數(shù)據(jù)提取生化參數(shù)監(jiān)測森林病蟲害示例

　　將植株的高光譜數(shù)據(jù)和葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，建立二者的數(shù)學(xué)模型，然后利用獲得的高光譜數(shù)據(jù)反演植株的葉綠素含量，得到植株的病蟲害信息，以此實(shí)現(xiàn)對病蟲害的監(jiān)測也是目前研究的一大熱點(diǎn)。林輝等以湖南省攸縣黃豐橋國有林場杉木成熟林為對象，利用手持式光譜儀采集波譜數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)和葉綠素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，建立了杉木葉綠素含量的高光譜模型: y = 0. 291 b₃₉₅ + 20. 172 b₅₂₁ +0. 758( b為某一波段處的光譜反射率)。而劉秀英等以類似的方法，分析了樟樹 Cinnamomum cam-phora 葉片光譜與葉綠素含量之間的關(guān)系，并建立了樟樹葉綠素含量的高光譜模型: y = exp[1. 356 +(-361. 973) Db] ( Db 是藍(lán)邊內(nèi)一階微分光譜中的最大值，藍(lán)邊覆蓋 490- 530 nm)。石韌等在2005 年吉林省敦化、和龍兩市落葉松 Larix gmelini冠層采樣測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同健康程度的落葉松冠層光譜曲線在可見光及近紅外波段的差異，利用反應(yīng)這些差異的光譜特征參數(shù)建立了落葉松冠層光合色素含量的回歸模型(表1) 。這幾項(xiàng)研究為利用高光譜數(shù)據(jù)定量預(yù)測和反演森林光合色素含量提供了方法和依據(jù)，而如何將這些研究結(jié)果應(yīng)用到實(shí)踐中去是下一步研究的主要內(nèi)容。

　　以上大量研究表明，高光譜遙感技術(shù)可以準(zhǔn)確、迅速地提取植物的生化參數(shù)，得到植株的病蟲害信息，以此來判斷植株是否感病，這種監(jiān)測方法不僅方便、快捷，而且獲得的信息具有較好的時效性，因此利用高光譜遙感技術(shù)提取生化參數(shù)監(jiān)測森林病蟲害具有較高的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景。

　　四、高光譜技術(shù)在森林病蟲害監(jiān)測中的發(fā)展趨勢

　　（一）高光譜技術(shù)搭載平臺

　　隨著遙感在林業(yè)上的廣泛應(yīng)用，利用高光譜遙感監(jiān)測森林病蟲害也越來越引起人們的廣泛關(guān)注，但由于研究條件和時間的限制，衛(wèi)星遙感無法滿足森林病蟲害的實(shí)時監(jiān)測，而航空遙感受空域、飛行成本等因素的影響也不可能作為我國常規(guī)的森林病蟲害監(jiān)測手段，只能在重大災(zāi)情發(fā)生時，作為衛(wèi)星遙感的一種補(bǔ)充。因此利用無人機(jī)搭載光譜相機(jī)獲取光譜數(shù)據(jù)和遙感影像進(jìn)行病蟲害的早期監(jiān)測成為了未來發(fā)展的趨勢。由于無人機(jī)遙感技術(shù)具有低成本、低損、可重復(fù)使用且風(fēng)險小等諸多優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域從最初的偵察、早期預(yù)警等軍事領(lǐng)域擴(kuò)大到資源勘測、氣象觀測及處理突發(fā)事件等非軍事領(lǐng)域。無人機(jī)遙感的高時效、高分辨率等性能，是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感所無法比擬的，越來越受到研究者和生產(chǎn)者的青睞，大大擴(kuò)大了遙感的應(yīng)用范圍和用戶群，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　（二）高光譜監(jiān)測病蟲害的發(fā)展趨勢

　　利用高光譜技術(shù)監(jiān)測林業(yè)病蟲害仍有許多問題需要進(jìn)行更深入的探討和研究。今后利用高光譜監(jiān)測病蟲害研究將主要集中在以下幾個方面: 1) 加強(qiáng)利用高光譜遙感監(jiān)測森林病蟲害的基礎(chǔ)理論研究，區(qū)分不同病蟲害所引起的不同樹種的光譜特征變化，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性；2) 將理論研究應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，嘗試?yán)脽o人飛機(jī)獲取光譜數(shù)據(jù)和遙感影像進(jìn)行病蟲害的早期監(jiān)測；3) 加大高光譜遙感在監(jiān)測森林病蟲害中的應(yīng)用，建立多種森林病蟲害的光譜數(shù)據(jù)庫，為利用高光譜遙感監(jiān)測森林病蟲害打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)； 4) 建立集監(jiān)測、預(yù)警及決策為一體的森林病蟲害高光譜遙感監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對森林病蟲害的實(shí)時監(jiān)測，做到對病蟲害的早期預(yù)警及信息發(fā)布。

　　五、我司無人機(jī)高光譜技術(shù)的優(yōu)勢

　　我司提供的可搭載無人機(jī)的高光譜相機(jī)有內(nèi)置推掃型GaiaSky-mini-V10 (400-1000 nm）、LCTF相機(jī)GaiaSky-Micro（550-960 nm或420-720 nm）。下圖為GaiaSky-mini搭載于大疆M600無人機(jī)。

圖2  GaiaSky-mini搭載于大疆M600無人機(jī)

　　（一）GaiaSky-mini推掃型相機(jī)的主要功能

　　1.自動調(diào)焦、自動掃描速度匹配、自動完成數(shù)據(jù)采集

　　2.可搭載于輕型旋翼無人機(jī)，極低的系統(tǒng)成本與測試成本

　　3.采用懸停拍攝方式，無需高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)，圖像實(shí)時自動拼接

　　4.操作方便，無需專業(yè)無人機(jī)操控手，可實(shí)現(xiàn)單人操作

　　5.圖像實(shí)時回傳，監(jiān)控拍攝效果

　　6.輔助取景攝像頭實(shí)現(xiàn)真正的所見即所得

　　7.數(shù)據(jù)預(yù)覽及矯正功能：輻射度校正、反射率校正、區(qū)域校正支持批處理

　　8.數(shù)據(jù)格式完美兼容ERDAS、ENVI等第三方數(shù)據(jù)分析軟件

　　9.支持Win7-32位或64位系統(tǒng)

　　與目前的國內(nèi)外現(xiàn)有的便攜式高光譜成像儀相比，GaiaField獨(dú)有的軟硬件功能如下：

　　● 輔助取景攝像頭實(shí)現(xiàn)真正的所見即所得

　　● 圖像實(shí)時回傳，監(jiān)控拍攝效果

　　● 自動調(diào)焦、自動掃描速度匹配、自動完成數(shù)據(jù)采集

　　● 采用懸停拍攝方式，圖像實(shí)時自動拼接

　　自動掃描速度匹配、自動曝光

表2 GaiaSky-mini無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

　　（二）GaiaSky-Micro 簡介

　　GaiaSky-Micro 是基于 LCTF 凝視成像技術(shù)（面陣推掃）獲取高光譜影像數(shù)據(jù)。該系列機(jī)載光譜成像系統(tǒng)根據(jù)飛行要求設(shè)計，在機(jī)械性能、成像調(diào)節(jié)、環(huán)境適應(yīng)性等方面具有優(yōu)越性能，整體系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光譜調(diào)節(jié)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、機(jī)載控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、圖像處理分析系統(tǒng)組成。可實(shí)現(xiàn)在地面控制系統(tǒng)對目標(biāo)采集光譜圖像及后續(xù)目標(biāo)分類、識別、提取等功能。在目標(biāo)偵查、農(nóng)業(yè)普查、環(huán)境監(jiān)測及地理勘探領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 基于液晶可調(diào)濾光片的多光譜成像技術(shù)是一種新型的光譜成像技術(shù)，其通過實(shí)現(xiàn)電控連續(xù)或間斷光譜調(diào)諧。其重量為 3kg，圖像分辨率為 2048*2048，視場角為 10°*10°，光譜范圍為 550nm - 960nm，光譜分辨率為 15nm，空間分辨率為0.3m（以高度 1km 為例）。圖2和圖3為GaiaSky-Micro搭載于懸翼和固定翼無人機(jī)的外觀圖。

圖3  LCTF相機(jī)GaiaSky-Micro（550-960 nm）搭載于懸翼無人機(jī)

圖4  LCTF相機(jī)GaiaSky-Micro（550-960 nm）搭載于固定翼無人機(jī)

　　LCTF型GaiaSky-Micro 具有以下顯著特點(diǎn)：