無人機遙感監(jiān)測作物病蟲害脅迫方法與最新研究進展.pdf

2022 年3 月 第4 卷 第1 期 Mar 2022 Vol 4 No 1 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 方 法 與 最 新 研 究 進 展 楊 國 峰 1 2 3 何 勇 1 2 3 馮 旭 萍 1 2 3 李 禧 堯 1 2 3 張 金 諾 1 2 3 俞 澤 宇 1 2 3 1 浙 江 大 學 華 南 工 業(yè) 技 術(shù) 研 究 院 廣 東 廣 州 5 1 0 7 0 0 2 浙 江 大 學 生 物 系 統(tǒng) 工 程 與 食 品 科 學 學 院 浙 江 杭 州 3 1 0 0 5 8 3 農(nóng) 業(yè) 農(nóng) 村 部 光 譜 檢 測 重 點 實 驗 室 浙 江 杭 州 3 1 0 0 5 8 摘 要 病 蟲 害 是 作 物 生 產(chǎn) 面 臨 的 主 要 脅 迫 之 一 近 年 來 隨 著 無 人 機 產(chǎn) 業(yè) 的 快 速 發(fā) 展 無 人 機 農(nóng) 業(yè) 遙 感 因 其 圖 像 空 間 分 辨 率 高 數(shù) 據(jù) 獲 取 時 效 性 強 和 成 本 低 等 特 點 在 作 物 病 蟲 害 脅 迫 監(jiān) 測 應 用 中 發(fā) 揮 了 重 要 作 用 本 文 首 先 介 紹 了 利 用 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 相 關(guān) 背 景 其 次 對 目 前 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 中 的 常 用 方 法 進 行 了 概 述 主 要 探 討 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 數(shù) 據(jù) 獲 取 方 式 和 數(shù) 據(jù) 處 理 方 法 之 后 從 可 見 光 成 像 遙 感 多 光 譜 成 像 遙 感 高 光 譜 成 像 遙 感 熱 紅 外 成 像 遙 感 激 光 雷 達 成 像 遙 感 和 多 遙 感 融 合 與 對 比 六 個 方 面 重 點 綜 述 了 近 期 國 內(nèi) 外 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 研 究 進 展 最 后 提 出 了 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 研 究 與 應 用 中 尚 未 解 決 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 問 題 與 未 來 的 發(fā) 展 方 向 本 文 為 把 握 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 研 究 熱 點 應 用 瓶 頸 發(fā) 展 趨 勢 提 供 借 鑒 和 參 考 以 期 助 力 中 國 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 更 加 標 準 化 信 息 化 精 準 化 和 智 能 化 關(guān) 鍵 詞 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 病 蟲 害 脅 迫 數(shù) 據(jù) 獲 取 數(shù) 據(jù) 處 理 深 度 學 習 多 遙 感 融 合 中 圖 分 類 號 S 4 3 5 文 獻 標 志 碼 A 文 章 編 號 S A 2 0 2 2 0 1 0 0 8 引 用 格 式 楊 國 峰 何 勇 馮 旭 萍 李 禧 堯 張 金 諾 俞 澤 宇 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 方 法 與 最 新 研 究 進 展 J 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 2022 4 1 1 16 YANG Guofeng HE Yong FENG Xuping LI Xiyao ZHANG Jinnuo YU Zeyu Methods and new research prog ress of remote sensing monitoring of crop disease and pest stress using unmanned aerial vehicle J SmartAgricul ture 2022 4 1 1 16 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 病 蟲 害 的 爆 發(fā) 會 影 響 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 造 成 作 物 產(chǎn) 量 和 質(zhì) 量 的 嚴 重 下 降 1 近 年 來 中 國 病 蟲 害 的 發(fā) 生 和 傳 播 呈 現(xiàn) 增 多 態(tài) 勢 各 省 份 發(fā) 生 率 都 有 所 增 加 導 致 病 蟲 害 的 防 治 更 加 困 難 2 目 前 中 國 作 物 病 蟲 害 監(jiān) 測 主 要 依 靠 植 保 部 門 植 保 站 等 人 員 實 地 調(diào) 查 取 樣 不 僅 費 時 費 力 準 確 性 低 時 效 性 差 區(qū) 域 覆 蓋 小 而 且 受 人 為 因 素 影 響 無 法 實 現(xiàn) 大 范 圍 全 覆 蓋 的 作 物 病 蟲 害 脅 迫 監(jiān) 測 遙 感 技 術(shù) 基 于 其 精 準 快 速 大 面 積 無 破 壞 等 特 點 在 作 物 病 蟲 害 脅 迫 監(jiān) 測 領(lǐng) 域 已 經(jīng) 顯 示 出 了 獨 特 優(yōu) 勢 遙 感 技 術(shù) 是 指 運 用 不 與 探 測 目 標 接 觸 的 遙 感 傳 感 器 收 集 記 錄 目 標 物 輻 射 反 doi 10 12133 j smartag SA202201008 收 稿 日 期 2022 01 26 基 金 項 目 廣 東 省 重 點 領(lǐng) 域 研 發(fā) 計 劃 項 目 2019B020216001 國 家 自 然 科 學 基 金 31801257 作 者 簡 介 楊 國 峰 1994 男 博 士 研 究 生 研 究 方 向 為 農(nóng) 業(yè) 計 算 機 視 覺 與 無 人 機 植 物 表 型 E mail yangguofeng 通 信 作 者 何 勇 1963 男 博 士 教 授 研 究 方 向 為 數(shù) 字 農(nóng) 業(yè) 與 精 細 農(nóng) 業(yè) 農(nóng) 業(yè) 物 聯(lián) 網(wǎng) 技 術(shù) 農(nóng) 業(yè) 機 械 裝 備 智 能 化 檢 測 與 節(jié) 能 管 理 信 息 系 統(tǒng) 與 農(nóng) 用 航 空 等 E mail yhe Vol 4 No 1 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 射 散 射 的 電 磁 波 信 息 進 而 獲 取 目 標 物 的 特 征 性 質(zhì) 及 其 變 化 的 綜 合 探 測 技 術(shù) 3 當 前 遙 感 監(jiān) 測 方 式 可 大 致 分 為 天 基 空 基 和 地 基 三 種 方 式 其 中 天 基 監(jiān) 測 如 衛(wèi) 星 遙 感 監(jiān) 測 容 易 受 氣 象 條 件 影 響 重 訪 周 期 較 長 且 空 間 分 辨 率 低 地 基 監(jiān) 測 如 固 定 監(jiān) 測 站 監(jiān) 測 范 圍 有 限 成 本 很 高 且 難 以 大 面 積 設(shè) 立 4 而 空 基 中 的 無 人 機 Un mannedAerialVehicle UAV 遙 感 監(jiān) 測 具 備 運 行 成 本 低 靈 活 度 高 采 集 迅 速 覆 蓋 面 廣 等 特 點 可 獲 得 更 高 的 空 間 時 間 和 光 譜 分 辨 率 的 影 像 彌 補 了 傳 統(tǒng) 病 蟲 害 監(jiān) 測 過 程 中 存 在 的 缺 陷 被 認 為 是 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 有 效 手 段 5 近 年 來 隨 著 以 無 人 機 飛 行 平 臺 和 數(shù) 據(jù) 獲 取 傳 感 器 等 為 代 表 的 硬 件 不 斷 成 熟 以 機 器 學 習 乃 至 深 度 學 習 等 為 代 表 的 數(shù) 據(jù) 處 理 技 術(shù) 快 速 發(fā) 展 基 于 無 人 機 的 遙 感 監(jiān) 測 技 術(shù) 逐 漸 成 為 低 空 遙 感 領(lǐng) 域 的 重 要 監(jiān) 測 方 式 6 在 作 物 病 蟲 害 脅 迫 遙 感 監(jiān) 測 領(lǐng) 域 基 于 無 人 機 的 遙 感 監(jiān) 測 技 術(shù) 已 是 一 個 重 要 且 熱 門 的 研 究 方 向 并 且 基 于 感 知 決 策 執(zhí) 行 的 無 人 機 技 術(shù) 也 已 成 為 智 慧 農(nóng) 業(yè) 的 關(guān) 鍵 核 心 技 術(shù) 本 文 圍 繞 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 研 究 首 先 在 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 獲 取 和 處 理 兩 部 分 梳 理 了 無 人 機 作 物 病 蟲 害 遙 感 監(jiān) 測 方 法 然 后 從 可 見 光 成 像 遙 感 多 光 譜 成 像 遙 感 高 光 譜 成 像 遙 感 熱 紅 外 成 像 遙 感 激 光 雷 達 成 像 遙 感 和 多 遙 感 融 合 與 對 比 方 面 分 析 了 國 內(nèi) 外 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 研 究 方 法 與 進 展 最 后 提 出 了 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 中 尚 未 解 決 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 問 題 與 未 來 的 發(fā) 展 方 向 2 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 方 法 2 1 概 述 目 前 基 于 無 人 機 的 遙 感 監(jiān) 測 技 術(shù) 已 在 作 物 病 蟲 害 脅 迫 領(lǐng) 域 被 廣 泛 應 用 與 研 究 當 作 物 受 到 病 蟲 害 脅 迫 時 通 常 在 不 同 光 譜 波 段 上 表 現(xiàn) 出 吸 收 和 反 射 特 性 的 變 化 即 為 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 光 譜 響 應 7 作 物 由 于 病 蟲 害 脅 迫 受 損 會 引 起 色 素 形 態(tài) 結(jié) 構(gòu) 等 改 變 通 常 可 以 通 過 提 取 其 光 譜 響 應 特 征 并 加 以 分 析 處 理 實 現(xiàn) 對 病 蟲 害 脅 迫 的 精 準 快 速 無 損 監(jiān) 測 8 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 是 以 無 人 機 為 遙 感 監(jiān) 測 平 臺 利 用 搭 載 的 各 種 傳 感 器 獲 取 目 標 作 物 的 遙 感 影 像 視 頻 點 云 等 數(shù) 據(jù) 通 過 對 數(shù) 據(jù) 的 處 理 挖 掘 和 建 模 來 獲 取 作 物 病 蟲 害 脅 迫 信 息 監(jiān) 測 方 法 大 致 可 分 為 兩 類 1 單 一 遙 感 監(jiān) 測 方 法 主 要 通 過 無 人 機 搭 載 相 應 傳 感 器 進 行 作 物 病 蟲 害 脅 迫 數(shù) 據(jù) 獲 取 處 理 及 分 析 2 綜 合 遙 感 監(jiān) 測 方 法 主 要 利 用 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 技 術(shù) 與 地 面 人 工 調(diào) 查 取 樣 等 方 式 綜 合 進 行 作 物 病 蟲 害 脅 迫 數(shù) 據(jù) 獲 取 處 理 及 分 析 根 據(jù) 實 際 監(jiān) 測 情 況 的 不 同 選 擇 單 一 或 綜 合 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 方 法 以 實 現(xiàn) 作 物 病 蟲 害 信 息 的 精 準 獲 取 和 高 效 動 態(tài) 監(jiān) 測 為 作 物 病 蟲 害 科 學 防 治 提 供 支 撐 其 中 主 要 涉 及 到 以 無 人 機 飛 行 平 臺 和 機 載 傳 感 器 為 代 表 的 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 硬 件 系 統(tǒng) 以 無 人 機 測 繪 攝 影 測 量 等 專 業(yè) 處 理 軟 件 和 數(shù) 據(jù) 處 理 分 析 相 關(guān) 算 法 或 模 型 為 代 表 的 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 軟 件 系 統(tǒng) 2 2 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 獲 取 方 式 2 2 1 無 人 機 飛 行 平 臺 無 人 機 是 利 用 無 線 電 遙 控 設(shè) 備 和 自 備 的 程 序 控 制 裝 置 操 縱 的 不 載 人 飛 行 器 9 大 致 可 分 為 多 旋 翼 固 定 翼 單 旋 翼 直 升 機 和 混 合 翼 垂 直 起 降 固 定 翼 幾 種 如 圖1 所 示 在 使 用 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 時 關(guān) 注 的 重 點 是 無 人 機 載 荷 續(xù) 航 時 間 飛 行 高 度 監(jiān) 測 精 度 和 空 間 分 辨 率 等 如 表1 所 示 為 不 同 的 無 人 機 飛 行 平 臺 由 于 遙 感 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 獲 取 過 程 中 飛 行 平 臺 的 選 擇 對 獲 取 的 數(shù) 據(jù) 質(zhì) 量 有 影 響 因 此 選 擇 的 飛 行 平 臺 應 具 備 可 操 控 性 高 穩(wěn) 定 性 和 飛 行 持 久 性 等 特 點 以 獲 取 質(zhì) 量 較 好 的 數(shù) 據(jù) 目 前 多 旋 翼 無 人 2楊 國 峰 等 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 方 法 與 最 新 研 究 進 展 Vol 4 No 1 機 因 具 有 航 速 姿 態(tài) 可 調(diào) 飛 行 穩(wěn) 定 能 夠 定 點 懸 停 等 優(yōu) 勢 適 用 于 定 點 重 復 獲 取 多 尺 度 高 分 辨 率 的 作 物 病 蟲 害 脅 迫 數(shù) 據(jù) 在 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 研 究 與 應 用 中 最 為 廣 泛 2 2 2 機 載 傳 感 器 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 研 究 中 的 機 載 傳 感 器 類 型 主 要 包 括 多 光 譜 相 機 高 光 譜 相 機 數(shù) 碼 相 機 熱 紅 外 相 機 激 光 雷 達 等 18 如 圖2 所 示 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 機 載 傳 感 器 通 常 為 光 學 光 電 學 和 熱 力 學 傳 感 器 少 部 分 機 載 傳 感 器 屬 于 聲 學 等 領(lǐng) 域 常 用 機 載 傳 感 器 及 其 測 量 指 標 優(yōu) 勢 和 劣 勢 如 表2 所 示 因 此 利 用 無 人 機 獲 取 病 蟲 害 脅 迫 數(shù) 據(jù) 時 需 要 依 據(jù) 地 域 特 征 病 蟲 害 爆 發(fā) 程 度 和 作 物 種 類 等 情 況 選 擇 合 適 的 傳 感 器 2 2 3 數(shù) 據(jù) 獲 取 流 程 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 數(shù) 據(jù) 獲 取 流 程 是 保 證 每 次 飛 行 能 正 常 操 作 且 安 全 準 確 獲 取 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 的 重 要 流 程 無 人 機 數(shù) 據(jù) 獲 取 的 質(zhì) 量 和 數(shù) 量 對 后 續(xù) 處 理 分 析 的 結(jié) 果 有 重 要 影 響 對 自 主 作 業(yè) 模 式 全 球 定 位 系 統(tǒng) 模 式 以 實 現(xiàn) 精 確 懸 圖1 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 不 同 飛 行 平 臺 Fig 1 DifferentflightplatformsforUAVremotesensing monitoringofcropdiseasesandpestsstress 表 1 不 同 無 人 機 飛 行 平 臺 特 點 Table1 Characteristicsofdifferentunmannedaerialvehicle UAV flightplatforms 類 型 多 旋 翼 無 人 機 10 11 固 定 翼 無 人 機 12 13 單 旋 翼 無 人 機 14 15 混 合 翼 無 人 機 16 17 載 荷 kg 1 25 1 40 1 35 1 30 續(xù) 航 時 間 min 10 120 30 240 30 240 60 600 應 用 范 圍 小 面 積 大 面 積 中 等 面 積 中 等 面 積 優(yōu) 點 自 主 導 航 與 起 降 定 點 懸 停 多 載 荷 起 降 方 便 自 主 導 航 續(xù) 航 長 多 載 荷 起 降 方 便 飛 行 速 度 快 垂 直 起 降 定 點 懸 停 多 載 荷 起 降 方 便 續(xù) 航 較 長 穩(wěn) 定 性 好 起 降 方 便 飛 行 速 度 較 快 缺 點 續(xù) 航 較 短 信 號 易 受 干 擾 無 法 定 點 懸 停 飛 行 速 度 無 法 快 速 改 變 起 降 要 求 較 高 續(xù) 航 較 短 穩(wěn) 定 性 較 差 油 耗 高 噪 聲 較 大 維 護 復 雜 速 度 較 低 維 護 復 雜 造 價 較 高 表 2 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 常 用 機 載 傳 感 器 Table2 CommonlyusedairbornesensorsforUAVremotesensingtomonitorcropdiseasesandpests 傳 感 器 多 光 譜 相 機 高 光 譜 相 機 數(shù) 碼 相 機 熱 紅 外 相 機 激 光 雷 達 測 量 指 標 氮 素 水 分 覆 蓋 度 葉 面 積 生 物 量 病 蟲 害 脅 迫 等 覆 蓋 度 葉 面 積 生 物 量 產(chǎn) 量 病 蟲 害 脅 迫 等 倒 伏 可 見 外 部 傷 害 生 長 狀 況 溫 度 水 分 等 株 高 葉 面 積 生 物 量 等 優(yōu) 勢 波 段 較 多 信 息 量 較 多 類 型 多 波 段 多 分 辨 率 高 類 型 多 分 辨 率 高 使 用 方 便 價 格 低 類 型 多 非 接 觸 測 溫 使 用 較 方 便 分 辨 率 較 高 抗 干 擾 能 力 較 強 不 受 光 線 影 響 劣 勢 僅 限 于 有 限 的 幾 個 波 段 價 格 較 高 成 像 速 度 慢 分 辨 率 較 低 數(shù) 據(jù) 處 理 復 雜 價 格 高 信 息 量 少 波 段 少 價 格 較 高 分 辨 率 低 環(huán) 境 影 響 較 大 精 度 較 低 探 測 距 離 和 范 圍 較 小 價 格 高 3Vol 4 No 1 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 停 指 點 飛 行 規(guī) 劃 航 線 等 操 作 下 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 方 法 來 說 主 要 有 以 下 步 驟 1 飛 行 前 期 準 備 確 認 飛 行 任 務 區(qū) 域 及 申 請 空 域 查 詢 地 理 天 氣 環(huán) 境 信 息 選 擇 并 調(diào) 試 飛 行 與 地 面 設(shè) 備 無 人 機 飛 行 平 臺 機 載 傳 感 器 遙 控 器 導 航 等 以 及 檢 查 電 量 是 否 能 正 常 工 作 等 是 否 攜 帶 其 他 設(shè) 備 如 輻 射 定 標 板 等 2 正 式 飛 行 前 準 備 現(xiàn) 場 組 裝 調(diào) 試 連 接 飛 行 與 地 面 設(shè) 備 根 據(jù) 任 務 區(qū) 域 地 形 作 物 病 蟲 害 續(xù) 航 載 荷 等 情 況 設(shè) 計 飛 行 任 務 方 案 如 起 降 點 航 線 高 度 架 次 重 疊 率 等 19 20 3 飛 行 作 業(yè) 執(zhí) 行 實 時 關(guān) 注 無 人 機 飛 行 平 臺 的 速 度 位 置 電 量 電 壓 任 務 時 間 等 飛 行 情 況 監(jiān) 督 飛 行 時 穩(wěn) 定 安 全 作 業(yè) 必 要 時 可 以 手 動 接 管 飛 行 4 飛 行 作 業(yè) 結(jié) 束 自 主 返 航 或 操 控 返 航 返 航 完 畢 可 關(guān) 閉 飛 行 與 地 面 設(shè) 備 電 源 回 收 飛 行 與 地 面 設(shè) 備 讀 取 儲 存 卡 數(shù) 據(jù) 或 在 飛 行 作 業(yè) 時 通 過 地 面 設(shè) 備 實 時 獲 取 遙 感 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 2 3 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 處 理 方 法 如 何 從 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 獲 取 的 大 量 數(shù) 據(jù) 中 高 效 提 取 表 型 特 征 十 分 重 要 并 且 很 大 程 度 決 定 處 理 分 析 的 結(jié) 果 表 型 特 征 主 要 包 括 光 譜 特 征 紋 理 特 征 顏 色 特 征 形 狀 特 征 和 生 理 特 征 等 目 前 對 這 些 表 型 特 征 的 分 析 處 理 是 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 研 究 的 熱 點 21 22 現(xiàn) 階 段 主 流 的 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 數(shù) 據(jù) 處 理 的 方 法 可 以 大 致 分 為 統(tǒng) 計 分 析 方 法 和 機 器 學 習 方 法 兩 類 目 前 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 處 理 方 法 的 流 程 主 要 為 遙 感 影 像 的 格 式 調(diào) 整 清 洗 預 處 理 拼 接 校 正 特 征 提 取 特 征 選 擇 設(shè) 計 方 法 模 型 評 價 指 標 與 調(diào) 優(yōu) 等 對 于 遙 感 影 像 格 式 調(diào) 整 一 般 使 用 機 載 傳 感 器 配 套 軟 件 處 理 對 于 遙 感 影 像 拼 接 和 校 正 等 則 使 用 無 人 機 測 繪 攝 影 測 量 軟 件 如 Metashape 軟 件 Agisoft 公 司 PIX4Dmapper 軟 件 Pix4D 公 司 和 Inpho 軟 件 Trimble 公 司 等 2 3 1 統(tǒng) 計 分 析 方 法 在 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 相 關(guān) 研 究 中 常 用 描 述 統(tǒng) 計 相 關(guān) 分 析 回 歸 分 析 判 別 分 析 方 差 分 析 和 聚 類 分 析 等 統(tǒng) 計 分 析 方 法 通 常 借 助 上 述 方 法 使 用 植 被 的 光 譜 特 征 進 行 作 物 病 蟲 害 脅 迫 遙 感 監(jiān) 測 通 過 對 光 譜 曲 線 進 行 分 析 可 以 發(fā) 現(xiàn) 不 同 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 光 譜 曲 線 變 化 特 征 一 般 基 于 特 定 光 譜 波 段 波 段 計 算 與 組 合 以 及 植 被 指 數(shù) Vegetation Index VI 等 方 法 進 行 光 譜 特 征 提 取 因 為 不 同 病 蟲 害 脅 迫 對 作 物 生 長 造 成 的 影 響 程 度 不 一 致 所 以 特 定 光 譜 波 段 更 有 利 于 對 不 同 病 蟲 害 脅 迫 進 行 監(jiān) 測 光 譜 波 段 經(jīng) 運 算 組 合 后 可 以 得 到 反 映 植 被 生 長 狀 況 植 被 覆 蓋 度 等 有 相 關(guān) 意 義 的 值 即VI VI 已 廣 泛 用 來 定 性 和 定 量 評 價 植 被 覆 蓋 及 其 生 長 活 力 常 用 于 作 物 病 蟲 害 脅 迫 監(jiān) 測 的VI 主 要 由2 3 個 波 段 構(gòu) 成 23 利 用VI 進 行 回 歸 或 相 關(guān) 分 析 可 以 圖2 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 機 載 傳 感 器 Fig 2 Airbornesensorsforunmannedaerialvehicleremote sensingmonitoringofcropdiseasesandpestsstress 4楊 國 峰 等 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 方 法 與 最 新 研 究 進 展 Vol 4 No 1 建 立 遙 感 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 與 作 物 生 長 信 息 的 反 演 模 型 即 經(jīng) 驗 模 型 由 于 經(jīng) 驗 模 型 需 要 大 量 的 實 測 數(shù) 據(jù) 為 基 礎(chǔ) 而 實 測 數(shù) 據(jù) 的 精 度 如 何 很 大 程 度 取 決 于 實 測 數(shù) 據(jù) 的 測 量 精 度 經(jīng) 驗 模 型 存 在 區(qū) 域 適 用 性 的 限 制 常 常 在 實 測 數(shù) 據(jù) 采 集 的 區(qū) 域 模 型 的 適 用 性 較 高 在 其 他 區(qū) 域 適 用 性 較 低 地 表 粗 糙 度 的 變 化 經(jīng) 驗 模 型 無 法 考 慮 目 前 由 于 植 被 參 數(shù) 的 遙 感 反 演 物 理 模 型 具 有 因 果 關(guān) 系 和 數(shù) 學 物 理 基 礎(chǔ) 24 25 因 而 正 成 為 遙 感 反 演 作 物 病 蟲 害 脅 迫 研 究 的 主 要 方 向 但 主 要 集 中 在 輻 射 傳 輸 模 型 26 27 尚 無 幾 何 光 學 模 型 和 混 合 模 型 等 在 作 物 病 蟲 害 脅 迫 中 研 究 與 應 用 2 3 2 機 器 學 習 方 法 當 前 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 的 數(shù) 據(jù) 處 理 方 法 主 要 集 中 于 機 器 學 習 方 法 機 器 學 習 最 基 本 的 做 法 是 使 用 算 法 來 解 析 遙 感 監(jiān) 測 數(shù) 據(jù) 然 后 對 真 實 世 界 中 的 病 蟲 害 脅 迫 做 出 決 策 和 預 測 機 器 學 習 傳 統(tǒng) 的 算 法 包 括 決 策 樹 聚 類 貝 葉 斯 分 類 隨 機 森 林 Random Forest RF 支 持 向 量 機 Support Vector Machine SVM k 近 鄰 k Nearest Neighbor kNN 算 法 等 從 學 習 方 法 上 劃 分 機 器 學 習 算 法 可 以 分 為 監(jiān) 督 學 習 無 監(jiān) 督 學 習 半 監(jiān) 督 學 習 集 成 學 習 深 度 學 習 和 強 化 學 習 等 28 在 機 器 學 習 傳 統(tǒng) 的 算 法 中 如 何 最 大 限 度 地 在 數(shù) 據(jù) 中 提 取 有 用 的 特 征 以 供 算 法 和 模 型 使 用 至 關(guān) 重 要 當 作 物 受 到 一 定 程 度 病 蟲 害 脅 迫 后 患 病 蟲 害 的 作 物 外 部 形 態(tài) 葉 面 積 株 高 顏 色 等 與 內(nèi) 部 生 理 均 會 發(fā) 生 較 為 明 顯 的 改 變 因 此 除 了 使 用 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 獲 取 作 物 病 蟲 害 脅 迫 影 像 的 光 譜 特 征 之 外 顏 色 特 征 如 顏 色 直 方 圖 顏 色 熵 顏 色 矩 顏 色 聚 合 向 量 等 紋 理 特 征 如 局 部 二 值 模 式 灰 度 直 方 圖 灰 度 共 生 矩 陣 小 波 變 換 等 和 形 狀 特 征 如 傅 立 葉 變 換 形 狀 不 變 矩 小 波 輪 廓 描 述 符 等 等 也 常 被 提 取 使 用 此 外 還 可 以 結(jié) 合 實 地 調(diào) 查 取 樣 獲 取 作 物 病 蟲 害 脅 迫 下 的 株 高 葉 綠 素 含 量 生 物 量 和 含 水 量 等 各 項 指 標 特 別 地 作 物 受 病 蟲 害 脅 迫 的 環(huán) 境 溫 度 濕 度 海 拔 土 壤 含 水 量 養(yǎng) 分 等 也 會 對 病 蟲 害 脅 迫 有 影 響 也 是 需 要 重 點 關(guān) 注 與 開 展 長 期 性 周 期 性 的 研 究 近 年 來 隨 著 數(shù) 據(jù) 的 高 速 增 長 算 力 的 迅 猛 增 強 算 法 的 完 善 成 熟 深 度 學 習 逐 漸 在 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 領(lǐng) 域 得 以 大 量 應 用 29 使 用 傳 統(tǒng) 的 機 器 學 習 方 法 提 取 特 征 往 往 需 要 進 行 手 工 提 取 或 特 征 工 程 并 且 需 要 大 量 的 時 間 優(yōu) 化 而 深 度 學 習 減 少 人 為 設(shè) 計 特 征 的 過 程 將 自 動 學 習 與 任 務 相 關(guān) 的 特 征 即 特 征 學 習 融 入 建 立 模 型 的 過 程 不 過 使 用 深 度 學 習 方 法 面 臨 需 要 大 量 訓 練 數(shù) 據(jù) 和 性 能 較 高 的 計 算 機 硬 件 支 持 以 及 更 優(yōu) 的 模 型 等 主 要 限 制 30 盡 管 如 此 相 關(guān) 研 究 表 明 使 用 深 度 學 習 方 法 比 機 器 學 習 傳 統(tǒng) 的 算 法 能 獲 得 更 好 的 分 類 檢 測 識 別 和 分 割 性 能 因 此 未 來 也 需 要 不 斷 深 入 研 究 與 改 進 同 時 隨 著 高 光 譜 機 載 傳 感 器 和 深 度 學 習 技 術(shù) 的 不 斷 發(fā) 展 利 用 深 度 學 習 技 術(shù) 可 以 充 分 挖 掘 高 光 譜 影 像 的 潛 在 特 征 實 現(xiàn) 更 好 地 對 各 種 作 物 病 蟲 害 脅 迫 進 行 監(jiān) 測 3 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 最 新 研 究 進 展 本 節(jié) 主 要 針 對2019 2021 年 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 相 關(guān) 研 究 從 可 見 光 成 像 遙 感 多 光 譜 成 像 遙 感 高 光 譜 成 像 遙 感 熱 紅 外 成 像 遙 感 激 光 雷 達 成 像 遙 感 和 多 遙 感 融 合 與 對 比 方 面 進 行 綜 述 3 1 可 見 光 成 像 遙 感 使 用 基 于 無 人 機 搭 載 可 見 光 傳 感 器 如 數(shù) 碼 相 機 與RGB Red Green Blue 傳 感 器 可 以 獲 得 可 見 光 影 像 紅 藍 綠 波 段 目 前 可 見 光 成 像 遙 感 在 作 物 病 蟲 害 脅 迫 領(lǐng) 域 已 被 廣 泛 應 用 研 究 在 利 用 統(tǒng) 計 分 析 方 法 方 面 有 研 究 提 取 紅 綠 藍 波 段 的 特 征 信 息 后 構(gòu) 建VI 和 分 類 模 型 識 別 病 蟲 害 脅 迫 程 度 Nazir 等 31 為 監(jiān) 測 種 植 園 生 長 5Vol 4 No 1 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 的 桉 樹 健 康 狀 況 利 用 冠 層 葉 片 的 可 見 光 波 段 開 發(fā) 視 覺 大 氣 阻 力 指 數(shù) VisualAtmospheric Resis tance Index VARI 并 基 于VARI green 將 病 蟲 害 脅 迫 程 度 分 為 四 級 將VARI green 指 數(shù) 和 與 NDVI 進 行 相 關(guān) 性 分 析 平 均 相 關(guān) 系 數(shù) 為0 73 該 研 究 展 示 了 利 用 無 人 機 和RGB 相 機 對 大 規(guī) 模 工 業(yè) 林 場 作 業(yè) 區(qū) 域 進 行 航 空 調(diào) 查 的 實 際 應 用 Dutta 等 32 使 用 植 被 指 數(shù) 和Otsu 閾 值 分 割 方 法 對 十 字 花 科 作 物 進 行 早 期 病 害 檢 測 利 用 在 兩 種 不 同 的 陽 光 條 件 下 收 集 的RGB 圖 像 區(qū) 分 健 康 葉 片 患 病 葉 片 和 背 景 研 究 表 明 需 要 根 據(jù) 作 物 類 型 調(diào) 整 植 被 指 數(shù) 以 便 通 過 圖 像 處 理 方 法 準 確 識 別 作 物 的 感 染 部 位 在 使 用 機 器 學 習 方 法 方 面 對 于 可 見 光 成 像 遙 感 主 要 利 用 提 取 的 可 見 光 影 像 的 顏 色 紋 理 光 譜 和 形 狀 等 特 征 開 展 如 分 類 識 別 檢 測 等 監(jiān) 測 任 務 33 在 利 用 機 器 學 習 方 法 提 取 特 征 方 面 Calou 等 34 使 用 五 種 傳 統(tǒng) 機 器 學 習 分 類 算 法 來 識 別 和 量 化 香 蕉 黃 斑 病 SVM 算 法 取 得 了 最 佳 分 類 性 能 類 似 地 Dang 等 35 基 于 一 系 列 顏 色 特 征 進 行 閾 值 檢 測 以 對 蘿 卜 枯 萎 病 的 嚴 重 程 度 進 行 分 類 并 使 用k means 聚 類 算 法 實 現(xiàn) 將 蘿 卜 區(qū) 域 與 田 地 的 其 他 區(qū) 域 例 如 土 地 和 地 膜 分 割 為 評 估 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 方 法 在 小 麥 蠕 孢 葉 枯 病 檢 測 方 面 的 潛 力 Huang 等 36 使 用 無 人 機 進 行 可 見 光 影 像 采 集 同 時 進 行 地 面 調(diào) 查 根 據(jù) 不 同 的 病 害 脅 迫 程 度 建 立 了 正 常 輕 度 中 度 和 重 度 四 種 病 害 類 別 構(gòu) 建 了 基 于LeNet 5 的 卷 積 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡 準 確 區(qū) 分 了 小 麥 蠕 孢 葉 枯 病 的 感 染 區(qū) 和 健 康 區(qū) 為 量 化 非 洲 葉 蟬 對 葡 萄 園 的 影 響 并 開 發(fā) 害 蟲 脅 迫 嚴 重 程 度 的 專 題 圖 del Campo San 等 37 使 用 RGB 圖 像 構(gòu) 建 基 于 人 工 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡 與 幾 何 技 術(shù) 相 結(jié) 合 的 計 算 視 覺 算 法 該 算 法 與 從RGB 圖 像 生 成 的 地 理 產(chǎn) 品 相 結(jié) 合 改 進 了 受 影 響 植 被 健 康 植 被 和 地 面 的 圖 像 分 割 效 果 并 通 過 消 除 土 壤 的 影 響 提 高 了 檢 測 的 效 果 Tetila 等 38 使 用 無 人 機 拍 攝 的 大 豆 害 蟲 圖 像 進 行 五 種 深 度 學 習 模 型 的 評 估 發(fā) 現(xiàn) 經(jīng) 過 微 調(diào) 訓 練 的 深 度 學 習 模 型 可 以 獲 得 更 高 的 分 類 準 確 率93 82 此 外 也 展 示 了 深 度 學 習 模 型 的 性 能 優(yōu) 于 傳 統(tǒng) 的 特 征 提 取 方 法 上 述 研 究 表 明 采 用 較 低 成 本 的 可 見 光 成 像 遙 感 可 以 方 便 快 捷 地 對 作 物 病 蟲 害 脅 迫 進 行 監(jiān) 測 并 且 也 能 取 得 不 錯 的 識 別 效 果 開 發(fā) 基 于 可 見 光 成 像 的 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 系 統(tǒng) 能 以 更 大 經(jīng) 濟 優(yōu) 勢 進 行 推 廣 普 及 從 而 助 力 農(nóng) 業(yè) 高 效 生 產(chǎn) 3 2 多 光 譜 成 像 遙 感 多 光 譜 成 像 遙 感 是 指 用2 個 以 上 光 譜 通 道 傳 感 器 進 行 地 物 同 步 成 像 接 收 和 記 錄 目 標 物 反 射 輻 射 的 電 磁 波 信 息 被 分 成 若 干 個 窄 波 段 的 光 束 在 利 用 無 人 機 搭 載 多 光 譜 傳 感 器 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 時 通 常 獲 取 不 同 時 空 冠 層 等2 5 個 波 段 遙 感 影 像 開 展 相 關(guān) 研 究 在 使 用 統(tǒng) 計 分 析 方 法 方 面 國 內(nèi) 外 研 究 通 常 在 提 取 光 譜 特 征 后 再 篩 選 組 合 與 作 物 病 蟲 害 脅 迫 遙 感 監(jiān) 測 任 務 相 關(guān) 的VI 如 歸 一 化 植 被 指 數(shù) Normalized Difference Vegetation Index NDVI 增 強 型 植 被 指 數(shù) 和 垂 直 植 被 指 數(shù) 等 常 用 VI 或 提 出 新 的 植 被 指 數(shù) 如ExcessNear Infrared 和 Excess Red Edge 39 同 時 結(jié) 合 地 面 調(diào) 查 的 方 式 人 工 采 集 相 關(guān) 數(shù) 據(jù) 基 于 上 述VI 主 要 通 過 指 數(shù) 統(tǒng) 計 相 關(guān) 性 方 差 分 析 線 性 回 歸 二 元 邏 輯 回 歸 等 統(tǒng) 計 分 析 方 法 識 別 敏 感 指 數(shù) 以 及 結(jié) 合 多 時 空 變 化 進 行 小 麥 40 辣 椒 41 香 蕉 42 西 瓜 43 大 豆 44 和 油 棕 45 作 物 病 蟲 害 的 定 量 評 估 和 分 析 部 分 研 究 建 立 了 不 同 的 機 器 學 習 分 類 模 型 對 梨 10 檳 榔 46 47 柑 橘 48 49 花 生 50 檸 檬 51 和 馬 鈴 薯 52 等 病 蟲 害 發(fā) 生 情 況 進 行 了 有 效 地 監(jiān) 測 其 中 使 用SVM 和RF 的 方 法 占 多 數(shù) 還 有 使 用 徑 向 基 函 數(shù) Radical Basis Function RBF 和kNN 等 部 分 研 究 測 試 不 同 的 輸 入 波 段 組 合 改 進 分 割 算 法U net 進 行 小 麥 黃 銹 病 檢 測 53 以 及 開 發(fā) 新 的 分 割 算 法 處 理 獲 取 的RGB CIR Color and Infrared 和NDVI 圖 像 隨 后 使 用 線 性 判 別 分 析 對 受 木 質(zhì) 部 難 養(yǎng) 菌 Xylella Fas 6楊 國 峰 等 無 人 機 遙 感 監(jiān) 測 作 物 病 蟲 害 脅 迫 方 法 與 最 新 研 究 進 展 Vol 4 No 1 tidiosa 影 響 的 橄 欖 樹 進 行 分 類 54 一 些 研 究 將 統(tǒng) 計 分 析 方 法 和 機 器 學 習 方 法 相 結(jié) 合 如Lan 等 11 先 計 算VI 然 后 使 用 主 成 分 分 析 和Auto Encoder 進 行 相 關(guān) 分 析 和 特