无人机遥感监测作物病虫害研究进展

张超 康秦

(武汉星智绘空间信息技术有限公司，湖北 武汉 430062)

前言

病虫害是造成我国农作物减产与阻碍农作物生产的最大威胁问题之一。农作物是人类生活的必需品，为提升农作物的产量和质量，为农民创造更大的经济利益，同时确保我国的粮食生产，就要对病虫害进行精确的监测与预防。当前我国大部分农区已经实现了规模化发展，但仍会产生一定的病虫害。对病虫害进行精准的监测，是防止病虫害大面积发生和扩散的有效途径之一。随着科学技术的进步，遥感技术以其优异的高呈像率、范围广、实效性强等优点，被农作物生产企业广泛使用。

1 遥感技术在病虫害监测中的研究

随着科学的不断进步，遥感技术的精确度与专业度大幅度提升，能在大范围内快速获取空间信息与地理位置信息。无人机遥感监测已经在农作物病虫害监测，以及农作物的生产质量与产能估算[1]、品质分析等各方面广泛应用。遥感技术的出现使传统的农业管理方式与作业生产模式产生了极大的变革，推动我国农业向着更科学化、高产能化、安全化与绿色生态化的方向发展。因此，无人机遥感监测技术的利用，大幅度提升了农产品的管理与发展，是我国粮食产量稳定提升，实现安全高产农业发展结构的优良途径。

1.1 无人机遥感监测作物病虫害概况

对于农作物来说，其发生病虫害的原因与其生长的环境、气候以及土壤，甚至植物的品种有密切的联系。诸如此类的因素，导致作物发生不同种类的病虫害变化。病虫害的原体多以真菌为主，且少量病虫害引发原因为细菌、放线菌及线虫等。病原体出现后通过土壤、风、雨水等媒介进行传播，或依附于昆虫体表之上进行传播。虫害是由于越冬季节时的虫卵，在第2年适宜繁殖时期进行繁殖，如在植被较为茂盛地区，可通过临近植被进行传染。不同的病原菌在进行植被危害时会发生农作物的外部形态变化及侵染，如颜色变化、植物总体形态变化等差异。正是因为受病虫害侵袭的农作物产生该类变异，才会被遥感监测无人机进行捕捉。目前国内无人机遥感监测，对大面积进行田间农作物虫害的控制，有较为突出的贡献。据调查，全国范围内，美国、中国等国家[2]，对病虫害监测的研究结果占全球总数50%以上。同时，如澳大利亚、加拿大等国家在遥感技术中的研究成果也有一定的占比。由此可见，人类使用无人机遥感技术进行对农作物的监控，在全球多个国家已得到了较为广泛的应用。

1.2 病虫害光谱相应生理机制

当前我国遥感监测中，光学遥感作为病虫害相关研究的主要监测手段之一。且光学遥感监测可以广泛应用到农业各种领域。植物在生长过程中对电磁辐射的吸收与反射，随着波长与农作物的本身性质有关，或随着波长与农作物的生长变化而呈现出不同的效果。农作物在遭受病虫害侵蚀条件下，会呈现出不同波段的表现，通过吸收和反射其相应的效果并体现在光谱中，光谱响应可认为由虫害所引发的植物色素水分、外部形态、内部结构等变化。由于病虫害成因及传播方式不同，因此在光谱中会有很多不同的表现。遥感技术正是基于光学表达形式来进行基本光谱判断依据。无人机在进行病虫害监测时，会将不同的光谱颜色进行反应。农田间健康植物的叶片，在光谱中的反射率主要与农作物自身色素叶片中的细胞结构和农作物本身的含水量、蛋白质等因素有关。受健康叶片内叶绿素的吸收和光合作用影响植物，在光谱区长线将为弱化的反射率。因绿光波段有一定小幅度的反射度，植物在遭受病虫害侵蚀下，农作物的叶片结构会在不同程度上遭到破坏，叶片中的细胞结构坏死导致的叶片枯萎，其光波段橙红色反射率增加，从而在无人机遥感监测中呈现红边短波方向移动的现象。

因此，通过对红边移动的距离与其范围可初步断定农作物受病虫害威胁的深度与范围，同时，受病虫害侵蚀的植物会出现叶倾角度变化，也就是倒伏现象，或出现农作物冠层形态变化。在此之上[3]，农作物的叶片颜色会由于其内部色素与叶片荧光中的热辐射能是荧光和远红外波段，在无人机遥感监测中产生较大的现行反应。总体来讲，目前我国对于病虫害的遥感监测判断依据主要为色素、农作物的细胞结构及其植物内部换成结构等多种因素影响。其中，农作物内部的生理机制在进行明确后，对今后的无人机病虫害监测奠定了有力的理论性依据

1.3 农作物病虫害无人机遥感监测原理

无人机遥感监测原理同蝙蝠、飞蛾等对超声波产生的动态反射。与此同理，物体由于其类型与环境条件的不同，其具备反射和辐射多种不同的电磁波长以及其影响有共同特性。遥感技术正是利用此原理，通过在地面卫星等各种平台进行传感器与接收电波的搭建，利用农作物等植物内部波谱反射与辐射特性确定当前农作物的状态与农作物种类。农田中的农作物受到病虫害，其叶片颜色产生变化与叶片结构等产生外观变化或倒伏，由于变化产生的参数变化会对波段吸收与波长反射等有一定的影响，因此受虫害侵袭的农作物会反映出不同的形态，以此与健康的农作物进行波长信息对比，从而诊断出该地区的农作物受虫害侵袭时间与类型[4]。由此可见，病虫害侵袭的农作物会因自身变化而引起光谱的反射变化。因此，利用遥感技术进行监测可得到更加合理、科学化的精确数据，使病虫害防御利用无人机遥感进行监测成为可能。

2 无人机遥感监测作物病虫害研究进展

2.1 多光谱无人机遥感影像监测

多光谱影像遥感，是通过2个以上波谱由传感器实施。地面与物体的同步成像将目标物体按不同的光谱波段进行光谱数据提取，并对数据进行分析。在对病虫害信息进行监测时，通过不同的光谱波段进行模型的形式预演。多光谱的影像呈现从各种时间维度、空间维度等展开研究，筛选病虫害相关的信息，进行光谱特征调查。在进行植被病虫害监测指数方面，利用多光谱的遥感图像提取信息，建立与地面同步调查方式，有利于进行较大范围的监测影响将数据与地面同步调查方式结合。从不同形态的特征出发[5]，利用光谱对比正常农作物的光谱影像，建立模型，分类识别不同虫害与区域对农作物的影响。

2.2 高光谱无人机遥感影像

与多光谱成像原理较为相似的高光谱无人机成像原理，在遥感影像进行定位时，相比多光谱成像高光谱成像音段数波段较多，分辨率与图像信息提高档次。目前无人机在进行遥感病虫害监测时，主要对棉花、油菜、小麦等农作物进行病虫害监控，利用无人机高光谱形成的影像数据、信息与遥感数据信息进行的病虫害数据建模，对不同的病虫害进行监测、识别，并取得了较为理想的结果。

2.3 无人机可见光影像

无人机在进行影像的监控时，会通过3个波段即红色、蓝色、绿色对可视光线进行传导。数码相机中的RGB传感器许多国外与国内学者均通过无人机平台结合多种型号的数码相机与RGB传感器，对农作物病虫害进行精细的研究，并取得了较好的研究成果。基于不同种类的数码影像进行作物的病虫害监测。利用飞行高度、区域划分等多种方式，对光谱进行数据获取。将影像中提取的颜色、纹理、特征及病虫害进行区分[6]，利用当前的信息对病虫害识别进行更好的设定，光谱波段提取的特征信息，再由无人机技术进行植被指数及分类模型的病虫害监测与识别构建。利用高光谱数据等显著性较强的植被指数，进行参数与农作物病虫害的数据特征分析，对病虫害发生量的识别进行综合性的监测。

2.4 低空与航空无人机遥感影像监测

作为后期随科技进步与技术创新等产生的航空遥感也称机载遥感。是利用赵维高科技的航空飞行器，通过传感器进行工具载入。向空中进行对目标的综合性探测手段，是当前遥感技术的重要组成部分之一。当前的检测飞行器中有不同种类的驾驶飞机，如气球、飞艇等无人机，该类工具使遥感监测技术工作模式与性能，形成了一个多层次立体化的现代式遥感系统，其是对地面进行监测的一种重要信息感知方法，其优点有分辨度高、探测面积大、探测周期短、成像比例较大、信息容量与精确度较高。在信息探测与信息获取等方面有快捷特点，是现代空间技术获取主要技术手段之一，随着科技的进步[7]，无人机由传统的胶片成像到现在的通过计算机等进行数据收集。农作物病虫害及范围和病害程度的精确数据调查利用彩虹外航空摄影图像等数据化图像，并通过一元回归分析法，对病虫害等进行证实。航空遥感航拍虽有较长的续航时间，但其载重量与负荷量较大，会受多种因素影响，如受天气条件、高度限制等方面不利于进行大范围使用。后期无人机遥感系统利用轻型、小型飞机、热气球等，开辟了无人机监测的新领域。

2.5 基于卫星平台的遥感影像监测

近年来，国家试行的卫星与探测火箭等航天机器，作为与遥感相互对应的平台。航天遥感中，卫星技术应用极为广泛，其是以人造卫星平台对目标物体进行反射电磁波与辐射，电磁波接收与发射可同时获取地标建筑信息与图像，对其进行光谱数据分析，从而对农作物进行定位，对其范围进行测量和定性描述等。不同传感器运行轨道不同，通过实现高空控制轨道运行高度等可分为同轨道卫星、极地轨道、卫星导航卫星、测地卫星、通信卫星、海洋卫星、气象卫星等。伴随科技的发展，卫星技术可连续性进行大范围监测，远超过当前对农作物进行的无人机监测技术[8,9]。其具有可连续观测监测范围广，农作物基础信息收集速度快、监测影像信息较为丰富、监测可视点与颜色较为明显。与此同时，对信息接收的传感器随着科技进步而愈发发达,如利用卫星数据与当地的气象资料进行结合可以识别棉花、小麦种植区域的病虫害的实际范围。利用遥感指标等病虫害的发生时间与地点，通过与健康农作物反射数据进行对比，估算其感染率甚至可以对病虫害发展原因进行分析。对于不同遥感平台的卫星平台影像监测中也会因卫星接收器的位置等存在一定的信息误差。未来要以互联网系统、地理信息系统、全球定位系统等信息技术为基础，为无人机平台进行大范围的影像监测，以便实时进行动态病虫害监测，为农作物提供有力的保障。

3 结束语

病虫害时刻威胁着农作物的生长，大部分病虫害呈现出危害时间长、繁殖扩散能力极强、危害面积大等特点。人工检查与传统的检测技术，无法应用于大片农作物中找到染病区域或感染植株，因此使用无人机遥感进行大面积且快速的监测方式是传统监测方式无可比拟的。无人机仪器的高效性、实时性、准确性无损性等特点，对农业发展具有十分重大的意义。无人机具有较高的分辨率，为大片农作物的监测提供了十分有效的帮助。随着科技的提升，无人机遥感技术也在逐步增强。虽然我国无人机监测发展较晚，但对于相关的生产与管理中，只有不断地进行更新与问题解决，才能充分发挥遥感技术在农作物病虫害监测中的优秀潜力，使我国的无人机遥感监测技术走向成熟。