無人機高光譜技術(shù)對林業(yè)病蟲害監(jiān)測的可行性分析（一）

                                        四川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)是國內(nèi)生態(tài)建設的主體， 在保持經(jīng)濟和社會發(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害之一，與森林火災，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，危害極其嚴重。每年由于病蟲害引起的森林受災面積達到800萬hm² ，損失木材生長量逾1 700萬 m³ ，造成直接經(jīng)濟損失超過1100億元，嚴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、準確的方法來達到森林病蟲害實時監(jiān)測的目的。

無人機高光譜技術(shù)對林業(yè)病蟲害監(jiān)測的可行性分析（一）

   （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**投放批量化，通過人工實施作業(yè)，進度慢，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，無法實時、定點獲取森林發(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，只能在重大災情發(fā)生時，作為衛(wèi)星遙感的一種補充。所以有的技術(shù)方案基礎實施投資太大，多達幾百萬美元，投入成本過高，這些都難以滿足我國森林病蟲害監(jiān)測的實際需要。

無人機高光譜技術(shù)對林業(yè)病蟲害監(jiān)測的可行性分析（一）

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、運輸、轉(zhuǎn)化等機能衰退。但無論是形態(tài)的變化或生理的變化，都必然導致植物光譜特征發(fā)生變化。

無人機高光譜技術(shù)對林業(yè)病蟲害監(jiān)測的可行性分析（一）

    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。當植物生長健康，處于生長期高峰，葉綠素含量高時，“綠峰”向藍光方向偏移，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)部的細胞結(jié)構(gòu)。一般認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，吸收可見光中的藍光和紅光而反射綠光。當植物受病害侵害時，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，植物細胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，各種色素的含量也隨之減少，導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)研究的重點是“紅邊”。紅邊的定義是反射光譜的一階微分的*大值對應的光譜位置(波長)，通常位于680nm-750 nm之間?！凹t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。當葉綠素含量高、生長活力旺盛時，“紅邊”會向紅外方向偏移；當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。這是因為在這段時間內(nèi)，細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。

無人機高光譜技術(shù)對林業(yè)病蟲害監(jiān)測的可行性分析（一）

    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)域由于葉綠素強烈吸收輻射能而形成了一個吸收谷，約在680 nm附近達到*大，簡稱“紅谷”；近紅外區(qū)域位于植物的高反射區(qū)，與細胞結(jié)構(gòu)有關(guān)，是對于病蟲害變化*敏感的波段，其光譜差異表現(xiàn)也*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參數(shù)變化，研究和利用受害林木生物化學參數(shù)變化引起的相應光譜特征的變化，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