無(wú)人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)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(shù)監(jiān)測(cè)森林病蟲(chóng)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(shù)木受病蟲(chóng)危害后的變化，尋找病蟲(chóng)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(shù)種病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)的敏感波段和敏感時(shí)期，是目前高光譜遙感用于森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)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(chóng)害信息，以此來(lái)實(shí)施對(duì)森林病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)。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*高，且與單波段一階微分光譜 741 nm 處的相關(guān)系數(shù)*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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)杉木炭疽病的早期監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。李軍 等以6年生意大利214楊 Populus × canadensis cv.‘I-214’為材料，分別測(cè)定了試驗(yàn)和對(duì)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(cè)的51條不同馬尾松毛Dendrolimus  punctate punctata 蟲(chóng)害等級(jí)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(chóng)害、中度蟲(chóng)害、重度蟲(chóng)害等 4個(gè)蟲(chóng)害等級(jí)的光譜反射率及一階微分光譜特征，并在建立7個(gè)檢驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了蟲(chóng)害等級(jí)的檢測(cè)模型。

王曉堂等采用高光譜技術(shù)研究了松萎蔫病的動(dòng)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(cè)預(yù)警（表1）。

無(wú)人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)的可行性分析（二）

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

植株	病害/蟲(chóng)害	生化參數(shù)	特征波段 (nm)	研究?jī)?nèi)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(chǎng)	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(yīng)的生化參數(shù)減少
馬尾松	松毛蟲(chóng)	——	519、540、758、786	利用高光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建松毛蟲(chóng)蟲(chóng)害等級(jí)的檢測(cè)模型
黑松、馬尾松	松萎蔫病	葉綠素	760、675、810	通過(guò)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(jī)載成像技術(shù)區(qū)分病變和健康植株
馬尾松	松材線蟲(chóng)病	——	575、683、723	利用分形理論實(shí)施馬尾松松材線蟲(chóng)病的早期高光譜探測(cè)

     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(chóng)害信息，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)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(guó)有林場(chǎng)杉木成熟林為對(duì)象，利用手持式光譜儀采集波譜數(shù)據(jù)，并對(duì)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(shù) 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(shù)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*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(cè)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(jiàn)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(cè)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(chóng)害信息，以此來(lái)判斷植株是否感病，這種監(jiān)測(cè)方法不僅方便、快捷，而且獲得的信息具有較好的時(shí)效性，因此利用高光譜遙感技術(shù)提取生化參數(shù)監(jiān)測(cè)森林病蟲(chóng)害具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

無(wú)人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)的可行性分析（二）

四、高光譜技術(shù)在森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)中的發(fā)展趨勢(shì)

   （1）高光譜技術(shù)搭載平臺(tái)

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(cè)森林病蟲(chóng)害也越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注，但由于研究條件和時(shí)間的限制，衛(wèi)星遙感無(wú)法滿足森林病蟲(chóng)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(guó)常規(guī)的森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)手段，只能在重大災(zāi)情發(fā)生時(shí)，作為衛(wèi)星遙感的一種補(bǔ)充。因此利用無(wú)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(chóng)害的早期監(jiān)測(cè)成為了未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。由于無(wú)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(xiǎn)小等諸多優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用領(lǐng)域從*初的偵察、早期預(yù)警等**領(lǐng)域擴(kuò)大到資源勘測(cè)、氣象觀測(cè)及處理突發(fā)事件等非**領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)遙感的高時(shí)效、高分辨率等性能，是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感所無(wú)法比擬的，越來(lái)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(cè)病蟲(chóng)害的發(fā)展趨勢(shì)

    利用高光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)林業(yè)病蟲(chóng)害仍有許多問(wèn)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(cè)病蟲(chóng)害研究將主要集中在以下幾個(gè)方面: 1) 加強(qiáng)利用高光譜遙感監(jiān)測(cè)森林病蟲(chóng)害的基礎(chǔ)理論研究，區(qū)分不同病蟲(chóng)害所引起的不同樹(shù)種的光譜特征變化，提高監(jiān)測(cè)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(wú)人飛機(jī)獲取光譜數(shù)據(jù)和遙感影像進(jìn)行病蟲(chóng)害的早期監(jiān)測(cè)；3) 加大高光譜遙感在監(jiān)測(cè)森林病蟲(chóng)害中的應(yīng)用，建立多種森林病蟲(chóng)害的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，為利用高光譜遙感監(jiān)測(cè)森林病蟲(chóng)害打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)； 4) 建立集監(jiān)測(cè)、預(yù)警及決策為一體的森林病蟲(chóng)害高光譜遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林病蟲(chóng)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，做到對(duì)病蟲(chóng)害的早期預(yù)警及信息發(fā)布。

無(wú)人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)的可行性分析（二）

五、我司無(wú)人機(jī)高光譜技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

    我司提供的可搭載無(wú)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(wú)人機(jī)。

             圖2  GaiaSky-mini搭載于大疆M600無(wú)人機(jī)

（一）GaiaSky-mini推掃型相機(jī)的主要功能

1) 自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)掃描速度匹配、自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集

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

3) 采用懸停拍攝方式，無(wú)需高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)，圖像實(shí)時(shí)自動(dòng)拼接

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

5) 圖像實(shí)時(shí)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(jiàn)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**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(guó)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(jiàn)即所得

● 圖像實(shí)時(shí)回傳，監(jiān)控拍攝效果

● 自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)掃描速度匹配、自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集

● 采用懸停拍攝方式，圖像實(shí)時(shí)自動(dòng)拼接

自動(dòng)掃描速度匹配、自動(dòng)曝光

1) 自動(dòng)曝光：根據(jù)當(dāng)前光照環(huán)境，進(jìn)行曝光測(cè)試，獲得精準(zhǔn)的曝光時(shí)間。在得到*佳信噪比的同時(shí)，又可避免過(guò)度曝光造成數(shù)據(jù)作廢。同時(shí)軟件具有實(shí)時(shí)過(guò)度曝光監(jiān)視功能。

2) 自動(dòng)掃描速度匹配：根據(jù)當(dāng)前的曝光時(shí)間等參數(shù)，進(jìn)行測(cè)試拍攝，得到實(shí)時(shí)幀速，進(jìn)而計(jì)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(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

無(wú)人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)的可行性分析（二）

（二）GaiaSky-Micro 簡(jiǎn)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(jì)，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?？蓪?shí)現(xiàn)在地面控制系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)采集光譜圖像及后續(xù)目標(biāo)分類、識(shí)別、提取等功能。在目標(biāo)偵查、農(nóng)業(yè)普查、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(guò)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(chǎng)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(wú)人機(jī)的外觀圖。

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

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

LCTF型GaiaSky-Micro 具有以下顯著特點(diǎn)：

1) 體積小、重量輕、功耗??； 

2) 采用面陣凝視成像方式，電控實(shí)現(xiàn)快速光譜連續(xù)調(diào)諧，無(wú)推掃過(guò)程，光 

   路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)搭載平臺(tái)要求低；

3) 觀測(cè)視場(chǎng)角大、通帶寬度窄，獲取信息量大； 

4) 光譜調(diào)諧對(duì)成像質(zhì)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(qiáng)，方便與既有光學(xué)成像系統(tǒng)集成，有利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和功能拓展。