無人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)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(jiǎn)介

   （一）行業(yè)簡(jiǎn)介

    林業(yè)是國(guó)內(nèi)生態(tài)建設(shè)的主體， 在保持經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中有著不可或缺的作用，我國(guó)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(zāi)害之一，與森林火災(zāi)，亂砍濫伐并稱為林業(yè)“三害”。在我國(guó)，森林病蟲害有8000多種，危害極其嚴(yán)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(zāi)，危害極其嚴(yán)重。每年由于病蟲害引起的森林受災(zāi)面積達(dá)到800萬hm² ，損失木材生長(zhǎng)量逾1 700萬 m³ ，造成直接經(jīng)濟(jì)損失超過1100億元，嚴(yán)重影響了我國(guó)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(zhǔn)確的方法來達(dá)到森林病蟲害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

無人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)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(cè)、巡查工作，人工成本高，效率低，且無法迅速掌握全局。

     2．對(duì)于森林病蟲害檢測(cè)及防治，無法做到**投放批量化，通過人工實(shí)施作業(yè)，進(jìn)度慢，作業(yè)面積小，成本高。

     3. 縱觀目前國(guó)內(nèi)外森林病蟲害監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)時(shí)、定點(diǎn)獲取森林發(fā)病前中后等不同時(shí)期的影像數(shù)據(jù)，且因缺少病蟲害的特征波段導(dǎo)致監(jiān)測(cè)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(fèi)的限制等，航空遙感不可能作為我國(guó)常規(guī)的森林病蟲害監(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。所以有的技術(shù)方案基礎(chǔ)實(shí)施投資太大，多達(dá)幾百萬美元，投入成本過高，這些都難以滿足我國(guó)森林病蟲害監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要。

無人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(dāng)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(dǎo)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(yùn)輸、轉(zhuǎn)化等機(jī)能衰退。但無論是形態(tài)的變化或生理的變化，都必然導(dǎo)致植物光譜特征發(fā)生變化。

無人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)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(zhǎng)的值總會(huì)發(fā)生不同程度的變化。當(dāng)植物生長(zhǎng)健康，處于生長(zhǎng)期高峰，葉綠素含量高時(shí)，“綠峰”向藍(lán)光方向偏移，而植物因病蟲危害或缺素而“失綠”時(shí)，“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(xì)胞結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)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(shí)，對(duì)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(lán)光和紅光而反射綠光。當(dāng)植物受病害侵害時(shí)，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(xì)胞結(jié)構(gòu)遭到破壞，各種色素的含量也隨之減少，導(dǎo)致葉片對(duì)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(diǎn)是“紅邊”。紅邊的定義是反射光譜的一階微分的*大值對(duì)應(yīng)的光譜位置(波長(zhǎng))，通常位于680nm-750 nm之間。“紅邊”位置依據(jù)葉綠素含量、生物量和物候變化，延波長(zhǎng)軸方向移動(dòng)。當(dāng)葉綠素含量高、生長(zhǎng)活力旺盛時(shí)，“紅邊”會(huì)向紅外方向偏移；當(dāng)植物由于感染病蟲害或因污染、物候變化而“失綠”時(shí)，則“紅邊”會(huì)向藍(lán)光方向移動(dòng)。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?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，細(xì)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(cè)到的病蟲危害，這對(duì)于病蟲害的早期調(diào)查和測(cè)報(bào)具有極其重要的意義。

無人機(jī)高光譜技術(shù)對(duì)林業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)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(gè)明顯的峰區(qū)，這是由于在這一波段葉綠素吸收相對(duì)較少，因此形成了一個(gè)葉綠素的綠色強(qiáng)反射峰區(qū)，簡(jiǎn)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(qiáng)烈吸收輻射能而形成了一個(gè)吸收谷，約在680 nm附近達(dá)到*大，簡(jiǎn)稱“紅谷”；近紅外區(qū)域位于植物的高反射區(qū)，與細(xì)胞結(jié)構(gòu)有關(guān)，是對(duì)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(yīng)用地面高光譜遙感技術(shù)通過監(jiān)測(cè)受害林木的生物化學(xué)參數(shù)變化，研究和利用受害林木生物化學(xué)參數(shù)變化引起的相應(yīng)光譜特征的變化，可以探測(cè)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(cè)森林病蟲害的發(fā)生情況及發(fā)展動(dòng)向提供了及時(shí)、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