基于无人机的丘陵果园病虫害监测系统研究*

荆怀龙，杨 箫，于晓鹏，张 睿

（江苏农林职业技术学院信息工程学院，江苏 镇江 212000）

近年来，果树种植业增长较快，民众对水果产品的需求越来越旺盛。丘陵地貌独特的气候条件，更有利于果树生长。然而，在果树生长过程中，环境等因素的变化会导致果树出现病虫害的现象，这不仅会降低种植户的收益，而且会导致农业生产滞后发展，及时有效地对果园的墒情进行监测并提供预警，有利于控制果园病虫害的发展，最大限度地减少经济损失，提高经济效益[1]。目前，主要采用人工普查的方法来发现果园中的病虫害，其劳动强度大，并且耗费财力，普查效率低下。无人机载高光谱相机具有成本低、全天候、高效率、起降方便、方便作业等优势，近年来被广泛应用到果树种植业中。

1 解决方案

课题组基于以上需求及问题，设计了一种适应丘陵果园的飞行系统，使无人机更加能适应丘陵地区飞行环境，可实现对丘陵果园内果树无死角的监测。将无人机与高光谱成像技术相结合，包含被测目标的光谱数据和外部空间图像信息，能实现对果树病虫害类型的精准监测，提高果树病虫害监测技术水平。

2 试验材料及图像的获取

选取丘陵部分地区已发生病虫害的红富士苹果园为试验研究对象，利用无人机载高光谱相机实现图像的获取。高光谱成像使用成像光谱仪收集光谱信息，该设备也称为高光谱相机。使用高光谱相机可测量成千上万的光谱，而不是单个光谱，所收集的光谱以每个图像像素包括完整光谱的方式形成目标的图像。这样就可以根据频谱以及位置获得有关问题的答案[2]。

对虫害果园进行低空扫描，文献[3]提出了一种新型滚动式扫描成像系统，选用的扫描方式为新型滚动式。新型滚动式的基本工作原理：先把高光谱相机固定在滚筒的表面上，跟随滚筒进行缓慢转动，为了维持滚筒在转动过程中的重量平衡，选取与高光谱相机同等重量的普通相机固定在滚筒的另一侧，即以滚筒的中心轴为对称轴，设置在滚筒的表面，高光谱相机能在滚动过程中实现数据的获取，如图1所示。

图1 新型滚动式扫描成像系统

3 高光谱成像技术

高光谱成像技术是光谱技术与成像技术相结合的产物。它可对光谱和丘陵果园二维几何的空间信息和地面一维光谱信息进行采集分析与处理，从而获取高光谱分辨率[4]的连续、窄波段的丘陵果园的高光谱图像数据。高光谱图像数据是由连续波段对应下的许多单波段图像组成[5]，它又被称为三维数据块，其中X轴、Y轴为高光谱图像的空间信息，Z轴为波长信息。本文所选用的成像设备的光谱范围为400 nm～1 000 nm，共有1 024个波段[6]。

4 高光谱图像数据处理方法

4.1 光谱的校正

设备中的暗电流及光照强度不均匀会对高光谱图像产生噪声影响，为防止此影响，需要对采集的高光谱图像进行黑白板校正，按照公式（1）计算可得到校正后的图像R[7]。

式中：IS为采集的原始高光谱图像；ID为黑板校正后的图像；IW为白板校正后的图像；R为校正后的高光谱图像。

4.2 图像的分割与纹理特征

图像处理最重要的步骤之一就是图像分割，采用图像分割可以消除背景和噪声。采用常用的阈值分割法[8]，可以较为简便地进行计算与分析。纹理特征可以反映果树表面的细节和灰度变化。果树在发生病虫害时，树叶和果实的颜色、所受光照强度会发生变化，根据图像分割出的病虫害位置，提取其周围图像80 像素×65 像素大小的区域进行纹理特征分析[9]。文献[7]分析研究了在MATLAB 中计算4 个共生矩阵纹理特征，参考其分析与研究方法，取距离为1，角度分别为0°、45°、90°和135°作类似取值。4 个共生矩阵变化趋势相同，所以选取0°方向的纹理特征计算结果，如图2～图5所示[10]。

图2 能量值（Energy value）

图3 熵（Entropy）

图4 惯性矩（Moment of intertia）

图5 相关性（Relevance）

其中，在选取的21 个样本中，前11 个为病虫害样本，后10 个为正常果树样本。根据图2 可知，虫害果树的能量值与正常果树的能量值有重叠，正常果树的平均能量值高于虫害果树的平均能量值，这一判断依据纹理特征，可得出纹理越粗能量值就越大，反之则小，而正常果树的能量值大于虫害果树的能量值。根据图3，虫害果树的熵值大于正常果树，纹理越粗，熵值越大。根据图4，虫害果树与正常果树的惯性矩值相当，因为虫害果树与正常果树纹理具有相同的清晰特性。根据图5，虫害果树的相关值低于正常果树的相关值，因为所研究的对象分布不均匀，所以相关值有差别，分布均匀程度越高，相关值就越大，反之则小。正常果树纹理分布均匀，而虫害不均匀，所以虫害果树的相关值低于正常果树的相关值。以上就能判断果树哪部分发生了病虫害。

5 无人机在丘陵地形的飞行的关键技术研究

无人机的飞行控制问题是无人机飞行控制研究领域主要问题之一，在飞行过程中无人机会受到各种干扰。严重影响无人机飞行的稳定状态的因素有很多，如地形、强风、不稳定气流、噪声、安全航程及周边环境等等。传统的控制方式主要集中于对速度、航向、位置、轨迹和高度的控制。选用多旋翼无人机的控制方法，将控制模块、数据处理模块等模块安装于无人机上，通过实时比对无人机在果园中的飞行位置与姿态，将数据信息、飞行参数数据信息及无人机周围气流扰动数据信息等各数据信息进行综合处理，同时在实际飞行作业中实时接收无人机回传的位置坐标，使无人机更适应丘陵地区飞行。相较于平原地区，丘陵地区地势起伏不便于无人机的稳定飞行，这就会对无人机在丘陵的复杂地形获取影像产生影响，要实现高光谱图像的获取，达到对果园病虫害的监测效果，有必要对无人机的飞行航线进行系统设计。基于此，通过研究影响无人机载高光谱相机成像质量的因素，设计出优质的航线。

5.1 航线设计主要参数

在无人机航线的设计中要确定图像的分辨率、相对的航高、摄影的基线等必要的参数，其航高、基线、间隔计算公式分别如下：

式中，H为航高，m；f为焦距，mm；a为尺寸，mm；GSD 为分辨率，m；S1为基线，m；S2为间隔，m；θ1、θ2为航向角、视场角，°；A1、A2为航向度、重叠度。

5.2 航线设计的主要步骤

第一，根据丘陵果园的面积分布，对果园待测区进行划区，确定划区基准面的高程。第二，确定测得图像的分辨率，选择满足要求的高光谱相机。第三，考虑重叠度影响。第四，根据前面谈到的航线设计影响因素进行设计。第五，根据前三步求取的值设计出无人机在丘陵果园飞行的整个飞行航线。

5.3 航线优化

无人机飞行航线在设计完成后还需要对其优化。丘陵地区的地形起伏会对无人机航线的分辨率、重叠度产生影响，避免这一影响可选用焦距较长的镜头和高像素的高光谱相机克服其影响。无人机航线的网布点根据航线对每段设计平高点。并根据所选区域范围、划定提供的划区所有的平均面高程来开展多旋翼无人机的航线设计，确保航摄区域的高差不超过航高的17%，以达到航线的最优设计[3]。

5.4 航线设计

航线综合考虑了各种因素，并且进行了优化，以增强稳定性、安全性。对于地形起伏较大、重叠度、有噪声或强风的区域选用高像素、长焦距的相机。这能克服环境影响以获取高质量的高光谱图像。通过对相对行高的计算设计平高点，使无人机飞行不偏移，始终保持飞行在一条基线上。

6 结论

1）以无人机搭载的高光谱相机作为果树病虫害监测设备，利用高光谱成像技术，针对在丘陵地区果树种植过程中出现的对相关病虫害预防难、监测效率低等问题，提出了对丘陵果园病虫害监测的系统方案。通过高光谱相机成像，先是对光谱的校正，然后是对图像的分割处理，之后分析纹理特征，根据虫害区域与正常区域的光谱曲线，虫害果树与正常果树的能量值、熵值、相对值有明显差异，可判断果树哪一部分发生了病虫害。

2）本文还利用无人机可全天候监测、方便、高效率、高灵活的优势，设计无人机在丘陵地区的能稳定飞行的航线，确保其实现对果园病虫害的有效监测。

3）由于果树类别繁多，试验只针对患有病虫害果树与正常果树进行识别与监测，对于繁多的病虫害类型还不能精准判断。在接下来的研究中将探究病虫害图谱数据库，以达到既能精准监测又能精准识别的目的。