無人機高光譜技術對林業病蟲害監測的可行性分析（二）

無人機高光譜技術對林業病蟲害監測的可行性分析（二）

                                        四川雙利合譜科技有限公司-黃宇

三、高光譜技術監測森林病蟲害研究現狀

    利用高光譜影像和高光譜數據分析技術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、植被指數等變化之間的關系，確定不同樹種病蟲害監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測的研究熱點和關鍵。

    目前，有許多研究是利用光譜儀獲取植株的高光譜數據后提取植物的各類生化參數，得到植株的病蟲害信息，以此來實施對森林病蟲害的監測。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、一階微分光譜參數與相應的色素含量進行回歸分析，發現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) 內相關性*高，且與單波段一階微分光譜 741 nm 處的相關系數*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，以此來實現對杉木炭疽病的早期監測預報。李軍 等以6年生意大利214楊 Populus × canadensis cv.‘I-214’為材料，分別測定了試驗和對照區冠層、葉片的高光譜數據及相應的生化參數(葉綠素含量、含水量等) ，結果表明，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”現象，且相應的生化參數葉綠素含量、含水量等均顯著減少。許章華 等以福建省南平市延平區實測的51條不同馬尾松毛Dendrolimus  punctate punctata 蟲害等級的馬尾松 Pinus massoniana高光譜數據為基礎，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個檢驗參數的基礎上，構建了蟲害等級的檢測模型。

王曉堂等采用高光譜技術研究了松萎蔫病的動態變化，發現可以借助高光譜數據分析，定量反演冠層葉綠素含量，判斷是否感病，以此實現松萎蔫病的早期監測預警（表1）。

無人機高光譜技術對林業病蟲害監測的可行性分析（二）

             表 1 利用高光譜數據提取生化參數監測森林病蟲害示例

植株	病害/蟲害	生化參數	特征波段 (nm)	研究內容
杉木	炭疽病	冠層色素含量	587、741	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
意大利214場	楊扇舟蛾、楊小舟蛾	葉綠素含量、含水量	709、719、725、	植株受害后相應的生化參數減少
馬尾松	松毛蟲	——	519、540、758、786	利用高光譜數據構建松毛蟲蟲害等級的檢測模型
黑松、馬尾松	松萎蔫病	葉綠素	760、675、810	通過反演冠層葉綠素含量，判斷植株是否染病
靈芝	莖基腐病	——	715、734、 791	利用機載成像技術區分病變和健康植株
馬尾松	松材線蟲病	——	575、683、723	利用分形理論實施馬尾松松材線蟲病的早期高光譜探測

     將植株的高光譜數據和葉綠素含量進行相關性分析，建立二者的數學模型，然后利用獲得的高光譜數據反演植株的葉綠素含量，得到植株的病蟲害信息，以此實現對病蟲害的監測也是目前研究的一大熱點。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據，并對數據和葉綠素含量進行相關性分析，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 是藍邊內一階微分光譜中的*大值，藍邊覆蓋 490- 530 nm)。石韌等在2005 年吉林省敦化、和龍兩市落葉松 Larix gmelini冠層采樣測量數據的基礎上，根據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，利用反應這些差異的光譜特征參數建立了落葉松冠層光合色素含量的回歸模型(表1) 。這幾項研究為利用高光譜數據定量預測和反演森林光合色素含量提供了方法和依據，而如何將這些研究結果應用到實踐中去是下一步研究的主要內容。

    以上大量研究表明，高光譜遙感技術可以準確、迅速地提取植物的生化參數，得到植株的病蟲害信息，以此來判斷植株是否感病，這種監測方法不僅方便、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提取生化參數監測森林病蟲害具有較高的應用價值和廣闊的發展前景。

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四、高光譜技術在森林病蟲害監測中的發展趨勢

   （1）高光譜技術搭載平臺

隨著遙感在林業上的廣泛應用，利用高光譜遙感監測森林病蟲害也越來越引起人們的廣泛關注，但由于研究條件和時間的限制，衛星遙感無法滿足森林病蟲害的實時監測，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的森林病蟲害監測手段，只能在重大災情發生時，作為衛星遙感的一種補充。因此利用無人機搭載光譜相機獲取光譜數據和遙感影像進行病蟲害的早期監測成為了未來發展的趨勢。由于無人機遙感技術具有低成本、低損、可重復使用且風險小等諸多優勢，其應用領域從*初的偵察、早期預警等**領域擴大到資源勘測、氣象觀測及處理突發事件等非**領域。無人機遙感的高時效、高分辨率等性能，是傳統衛星遙感所無法比擬的，越來越受到研究者和生產者的青睞，大大擴大了遙感的應用范圍和用戶群，具有廣闊的應用前景。

   （二）高光譜監測病蟲害的發展趨勢

    利用高光譜技術監測林業病蟲害仍有許多問題需要進行更深入的探討和研究。今后利用高光譜監測病蟲害研究將主要集中在以下幾個方面: 1) 加強利用高光譜遙感監測森林病蟲害的基礎理論研究，區分不同病蟲害所引起的不同樹種的光譜特征變化，提高監測的準確性；2) 將理論研究應用于生產實踐，嘗試利用無人飛機獲取光譜數據和遙感影像進行病蟲害的早期監測；3) 加大高光譜遙感在監測森林病蟲害中的應用，建立多種森林病蟲害的光譜數據庫，為利用高光譜遙感監測森林病蟲害打下堅實的理論基礎； 4) 建立集監測、預警及決策為一體的森林病蟲害高光譜遙感監測系統，實現對森林病蟲害的實時監測，做到對病蟲害的早期預警及信息發布。

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五、我司無人機高光譜技術的優勢

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

             圖2  GaiaSky-mini搭載于大疆M600無人機

（一）GaiaSky-mini推掃型相機的主要功能

1) 自動調焦、自動掃描速度匹配、自動完成數據采集

2) 可搭載于輕型旋翼無人機，極低的系統成本與測試成本

3) 采用懸停拍攝方式，無需高精度慣導系統，圖像實時自動拼接

4) 操作方便，無需專業無人機操控手，可實現單人操作

5) 圖像實時回傳，監控拍攝效果

6) 輔助取景攝像頭實現真正的所見即所得

7) 數據預覽及矯正功能：輻射度校正、反射率校正、區域校正支持批處理

8) 數據格式上乘兼容ERDAS、ENVI等第三方數據分析軟件

9) 支持Win7-32位或64位系統

與目前的國內外現有的便攜式高光譜成像儀相比，GaiaField獨有的軟硬件功能如下：

● 輔助取景攝像頭實現真正的所見即所得

● 圖像實時回傳，監控拍攝效果

● 自動調焦、自動掃描速度匹配、自動完成數據采集

● 采用懸停拍攝方式，圖像實時自動拼接

自動掃描速度匹配、自動曝光

1) 自動曝光：根據當前光照環境，進行曝光測試，獲得精準的曝光時間。在得到*佳信噪比的同時，又可避免過度曝光造成數據作廢。同時軟件具有實時過度曝光監視功能。

2) 自動掃描速度匹配：根據當前的曝光時間等參數，進行測試拍攝，得到實時幀速，進而計算出合適的掃描速度。從而避免了掃描圖像的變形（掃描速度快，圖像壓縮；掃描速度慢，圖像拉伸）

              表2 GaiaSky-mini無人機高光譜成像系統的技術參數

無人機高光譜技術對林業病蟲害監測的可行性分析（二）

（二）GaiaSky-Micro 簡介

GaiaSky-Micro 是基于 LCTF 凝視成像技術（面陣推掃）獲取高光譜影像數據。該系列機載光譜成像系統根據飛行要求設計，在機械性能、成像調節、環境適應性等方面具有優越性能，整體系統由光學系統、光譜調節系統、圖像采集系統、機載控制系統、地面控制系統、圖像處理分析系統組成?？蓪崿F在地面控制系統對目標采集光譜圖像及后續目標分類、識別、提取等功能。在目標偵查、農業普查、環境監測及地理勘探領域具有廣泛的應用前景。 基于液晶可調濾光片的多光譜成像技術是一種新型的光譜成像技術，其通過實現電控連續或間斷光譜調諧。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的外觀圖。

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

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

LCTF型GaiaSky-Micro 具有以下顯著特點：

1) 體積小、重量輕、功耗??； 

2) 采用面陣凝視成像方式，電控實現快速光譜連續調諧，無推掃過程，光 

   路結構簡單，對搭載平臺要求低；

3) 觀測視場角大、通帶寬度窄，獲取信息量大； 

4) 光譜調諧對成像質量的影響小，有利于獲得非常高的空間分辨率； 

5) 可移植性強，方便與既有光學成像系統集成，有利于系統結構簡化和功能拓展。