無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

一、引言

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，病蟲害是使得作物產(chǎn)量減少的關(guān)鍵因素之一，受疾病和蟲口的侵害，農(nóng)作物的減產(chǎn)率每年可能達(dá)到15%~20%。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法不僅操作繁瑣且效率低下，因此急需尋找一種高效、快速而又不會(huì)對(duì)農(nóng)作物造成破壞的監(jiān)測(cè)手段。在這一挑戰(zhàn)面前，無人機(jī)遙感技術(shù)的涌現(xiàn)為解決農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)問題提供了全新的途徑。

二、農(nóng)作物病蟲害無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)原理

農(nóng)作物病蟲害的無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)原理類似于蝙蝠、飛蛾等動(dòng)物利用超聲波產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)反射進(jìn)行導(dǎo)航。在這個(gè)過程中，農(nóng)作物表面與病蟲害的相互作用可通過電磁波的特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。農(nóng)作物作為不同類型的物體，在其受到病蟲害侵襲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特定的反射和輻射電磁波，遙感技術(shù)充分利用這一原理，在無人機(jī)等平臺(tái)上搭載傳感器和接收電波設(shè)備，在農(nóng)田上空實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物內(nèi)部波譜反射與輻射特性的監(jiān)測(cè)，從而確定當(dāng)前農(nóng)作物的健康狀態(tài)和具體品種。

當(dāng)農(nóng)作物受到病蟲害侵襲時(shí)，其葉片顏色、葉片結(jié)構(gòu)等都會(huì)發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致外觀特征的改變或倒伏，這些變化引起了光譜參數(shù)的變動(dòng)，影響了波段吸收和波長(zhǎng)反射等。因此，受蟲害侵襲的農(nóng)作物表現(xiàn)出不同的形態(tài)，與健康的農(nóng)作物進(jìn)行波長(zhǎng)信息對(duì)比，便可在光譜反射中揭示出病蟲害侵襲的時(shí)間和類型。遙感技術(shù)通過對(duì)這些波段信息的分析，能夠精確診斷農(nóng)田中的病蟲害情況。

病蟲害侵襲引起的農(nóng)作物變化會(huì)導(dǎo)致光譜反射的差異，因此利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)這些差異，可以得到更為科學(xué)、合理的數(shù)據(jù)，成為一種高效的手段，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)田的狀況，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害的及時(shí)防治。因此，基于光譜反射的遙感監(jiān)測(cè)為農(nóng)業(yè)病蟲害的防控提供了可行性和準(zhǔn)確性，使其成為一項(xiàng)創(chuàng)新而可靠的農(nóng)業(yè)管理工具。

三、無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

3.1快速、高效的數(shù)據(jù)獲取

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)方法往往受制于地面限制，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)獲取速度慢的問題，而無人機(jī)的應(yīng)用通過空中視角的快速覆蓋，顯著縮短了監(jiān)測(cè)周期。無人機(jī)搭載的高分辨率光學(xué)傳感器和紅外傳感器，能夠在較短時(shí)間內(nèi)覆蓋廣大農(nóng)田，捕捉到大量地理信息數(shù)據(jù)。這些傳感器以高速采樣和高靈敏度的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田細(xì)節(jié)的快速捕捉，包括植被指數(shù)、地溫分布等多方面數(shù)據(jù)，不僅提供了豐富的信息量，也為農(nóng)業(yè)病蟲害的早期識(shí)別提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

無人機(jī)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了靈活的任務(wù)規(guī)劃和多樣化的飛行軌跡，可根據(jù)病蟲害分布情況和農(nóng)田結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能化調(diào)整。在一個(gè)飛行周期內(nèi)，無人機(jī)可以快速地掃描大面積農(nóng)田，為病蟲害監(jiān)測(cè)提供全面的數(shù)據(jù)支持。相較于傳統(tǒng)的人工巡視或有人機(jī)的數(shù)據(jù)獲取方式，無人機(jī)的自主飛行和智能規(guī)劃使得數(shù)據(jù)采集更為高效。

3.2 高精度監(jiān)測(cè)

無人機(jī)配備的多光譜和高光譜傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同波段的光譜信息進(jìn)行高分辨率捕捉，從而提供更為細(xì)致的地表覆蓋信息，可識(shí)別植被的不同生理狀態(tài)，包括病害、蟲害的早期跡象，實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害的高度敏感監(jiān)測(cè)。

圖1 農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測(cè)

無人機(jī)配備了激光雷達(dá)技術(shù)，能夠精確測(cè)量地表的高度和形狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田地貌的高精度三維建模。無人機(jī)將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與其他傳感器數(shù)據(jù)融合，可以生成高精度的地表模型，提供詳細(xì)的地形和植被信息，為病蟲害的分布提供更為準(zhǔn)確的空間信息、為精細(xì)化的防控措施提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。無人機(jī)搭載的紅外傳感器，能夠探測(cè)作物的表面溫度，通過溫度差異識(shí)別病蟲害的存在，對(duì)于發(fā)現(xiàn)植物生理變化的微小差異具有高度敏感性，能夠在早期階段準(zhǔn)確診斷農(nóng)田中的異常情況。

3.3 設(shè)定靈活的監(jiān)測(cè)區(qū)域

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法受限于地面或固定平臺(tái)，無法適應(yīng)多樣性的農(nóng)田結(jié)構(gòu)和病蟲害分布，而無人機(jī)的靈活性和自主性使其能夠更加有效地適應(yīng)不同監(jiān)測(cè)需求。無人機(jī)的自主飛行能力使其可以覆蓋大范圍的農(nóng)田，從而能夠?qū)V泛的地理區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式相比，無人機(jī)不受地面限制，能夠快速飛越農(nóng)田，高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積區(qū)域的全方位監(jiān)測(cè)。

在病蟲害監(jiān)測(cè)方面，能夠更加靈活地適應(yīng)不同地形和農(nóng)田結(jié)構(gòu)，有力地支持了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)廣泛區(qū)域的需求。無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃和飛行路徑可以根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行靈活調(diào)整，在無人機(jī)系統(tǒng)中設(shè)定不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域、關(guān)注點(diǎn)或優(yōu)先級(jí)，用戶能夠根據(jù)病蟲害的分布情況智能規(guī)劃飛行路徑，可以有針對(duì)性地覆蓋特定區(qū)域，提高了監(jiān)測(cè)效率和數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性。

3.4低成本、低風(fēng)險(xiǎn)

相較于傳統(tǒng)的病蟲害監(jiān)測(cè)手段，無人機(jī)的應(yīng)用不僅在設(shè)備成本上更為經(jīng)濟(jì)，也降低了操作風(fēng)險(xiǎn)，更加適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。以小型多旋翼無人機(jī)為例，其制造成本相對(duì)較低，維護(hù)成本也相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)。由于無人機(jī)所需的技術(shù)設(shè)備日趨成熟，市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)激烈，使得無人機(jī)的價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定且逐漸下降，中小農(nóng)場(chǎng)或農(nóng)業(yè)合作社也能夠承擔(dān)起無人機(jī)遙感技術(shù)的采用成本，推動(dòng)了該技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。無人機(jī)遙感技術(shù)避免了人為風(fēng)險(xiǎn)，如傳統(tǒng)手動(dòng)巡視可能面臨的天氣不佳、地形復(fù)雜等風(fēng)險(xiǎn)因素，而無人機(jī)的自主控制和智能避障功能，降低了飛行過程中的意外風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，無人機(jī)遙感技術(shù)無須大規(guī)模的土地開墾，避免了對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的破壞，具有更低的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

四、農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用

4.1多光譜無人機(jī)遙感影像監(jiān)測(cè)

多光譜無人機(jī)遙感技術(shù)可以獲取農(nóng)田不同波段的光譜信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)植被狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，從而為農(nóng)業(yè)病蟲害的防治提供科學(xué)數(shù)據(jù)支持。多光譜傳感器能夠同時(shí)獲取多個(gè)波段的光譜信息，覆蓋從可見光到紅外光譜范圍，可以捕捉植物反射的多個(gè)特征波段，包括葉綠素吸收的可見光波段、植物健康狀態(tài)的近紅外波段等。

圖2 健康植被與病蟲害植被光譜曲線

對(duì)這些光譜信息進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確反映植被的生理狀況，進(jìn)而檢測(cè)到病蟲害引起的植被異常變化。光譜無人機(jī)遙感影像監(jiān)測(cè)技術(shù)具有較高的空間分辨率，能夠細(xì)致地捕捉到農(nóng)田中每個(gè)小區(qū)域的光譜信息，為病蟲害的早期發(fā)現(xiàn)提供了可能，因?yàn)榧词乖诓『ι形达@著表現(xiàn)出外部癥狀的階段，植物內(nèi)部的生理變化已經(jīng)可以通過光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行敏感檢測(cè)。因此，多光譜無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)不僅有助于精確診斷病蟲害類型，還能提供病害發(fā)生的時(shí)間和程度等關(guān)鍵信息。

4.2 高光譜無人機(jī)遙感影像

高光譜無人機(jī)遙感影像技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中展現(xiàn)出與多光譜相似但更為優(yōu)越的成像原理。相較于多光譜成像，高光譜無人機(jī)成像在遙感影像定位方面表現(xiàn)更為出色，其擁有更多的波段，提供更高分辨率和更豐富的圖像信息，使得高光譜影像能夠更精準(zhǔn)地捕捉農(nóng)田的光譜特征，為農(nóng)業(yè)病蟲害的監(jiān)測(cè)和診斷提供更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。在進(jìn)行遙感病蟲害監(jiān)測(cè)時(shí)，無人機(jī)主要應(yīng)用高光譜成像技術(shù)對(duì)多種農(nóng)作物如棉花、油菜、小麥等進(jìn)行病蟲害監(jiān)控。高光譜傳感器能夠分辨更多波段，覆蓋更廣泛的光譜范圍，因此能夠更全面地捕捉植物的光學(xué)特性。通過無人機(jī)高光譜形成的影像數(shù)據(jù)，結(jié)合其他遙感數(shù)據(jù)信息開展對(duì)農(nóng)田病蟲害的數(shù)據(jù)建模，取得了較為理想的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖3 機(jī)載端采集控制軟件操作界面

高光譜無人機(jī)遙感技術(shù)的病蟲害監(jiān)測(cè)過程中，對(duì)不同波段的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害的監(jiān)測(cè)與識(shí)別。不同的病蟲害在植物光譜中留下獨(dú)有的特征，對(duì)這些特征的識(shí)別可以迅速定位和區(qū)分農(nóng)田中的不同病蟲害類型，為及時(shí)采取精準(zhǔn)的防治措施提供了科學(xué)依據(jù)。

4.3無人機(jī)可見光影像

無人機(jī)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中運(yùn)用可見光影像技術(shù)，通過三個(gè)波段即紅色、藍(lán)色、綠色，對(duì)可視光線進(jìn)行傳導(dǎo)。此技術(shù)通過無人機(jī)平臺(tái)結(jié)合不同型號(hào)的數(shù)碼相機(jī)和RGB傳感器，得以對(duì)農(nóng)作物病蟲害進(jìn)行細(xì)致研究，在該領(lǐng)域取得了顯著的研究成果。學(xué)者們通過無人機(jī)平臺(tái)搭載多種數(shù)碼相機(jī)和RGB傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物病蟲害的多樣化監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)過程中，根據(jù)不同數(shù)碼影像的種類，利用飛行高度和區(qū)域劃分等多種方式進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的獲取，能夠通過提取影像中的顏色、紋理和特征等信息，以及對(duì)病蟲害的區(qū)分，再結(jié)合當(dāng)前信息進(jìn)行更精準(zhǔn)的病蟲害識(shí)別。在無人機(jī)可見光影像監(jiān)測(cè)中，利用高光譜數(shù)據(jù)等顯著性較強(qiáng)的植被指數(shù)，對(duì)參數(shù)與農(nóng)作物病蟲害的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行綜合性的分析，能夠更全面地了解農(nóng)田中植物的健康狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害發(fā)生量的識(shí)別和監(jiān)測(cè)。

4.4熱紅外成像遙感

熱紅外成像遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過無人機(jī)平臺(tái)搭載熱紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田病蟲害的高效監(jiān)測(cè)。該技術(shù)基于不同物體表面溫度的差異記錄并分析熱紅外輻射，可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的病蟲害情況進(jìn)行無損、高精度的探測(cè)。在熱紅外監(jiān)測(cè)中，受到病蟲害侵襲的農(nóng)作物往往表現(xiàn)出不同的表面溫度特征。病蟲害引起的生理變化和代謝活動(dòng)導(dǎo)致植物受感染部位的溫度上升，與健康部分形成明顯的溫度差異。

無人機(jī)搭載的熱紅外傳感器可以在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行高頻率、高空間分辨率的熱紅外成像，捕捉這些微小的溫度變化。此外，熱紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的整體生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。病蟲害的侵襲往往導(dǎo)致受感染區(qū)域的代謝活動(dòng)增加，從而在熱紅外圖像上呈現(xiàn)出明顯的熱斑。通過分析這些熱斑的位置、大小和強(qiáng)度，以確定農(nóng)田中存在的病蟲害類型及其程度，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供實(shí)時(shí)、非侵入性的監(jiān)測(cè)手段。此外，熱紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于其無須直接接觸目標(biāo)，可在復(fù)雜地形環(huán)境中實(shí)施、無日夜限制等特點(diǎn)，使無人機(jī)熱紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)成為一種高效、全天候、大范圍的農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)工具。

4.5激光雷達(dá)成像遙感

激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有高精度的空間分辨率，能夠獲取農(nóng)田地表的三維形狀和高度信息，為監(jiān)測(cè)病蟲害引起的植被結(jié)構(gòu)變化提供詳細(xì)而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。無人機(jī)搭載的激光雷達(dá)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行高密度的點(diǎn)云采集，精確還原農(nóng)作物的空間結(jié)構(gòu)，包括樹冠、葉片等細(xì)節(jié)，從而更好地捕捉植被的微觀特征。在病蟲害監(jiān)測(cè)方面，激光雷達(dá)成像技術(shù)能夠識(shí)別植物的垂直結(jié)構(gòu)和密度變化，揭示病蟲害引起的植被生長(zhǎng)異常。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以檢測(cè)出受侵襲植物的生長(zhǎng)狀況，包括樹冠形狀的不規(guī)則變化、密度的減小等。這些微小的結(jié)構(gòu)變化往往是病蟲害侵襲的早期跡象，激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)的高精度使其能夠提前發(fā)現(xiàn)這些異常，并為農(nóng)民提供及時(shí)的預(yù)警和管理建議。此外，激光雷達(dá)技術(shù)還能夠穿透植被表面，獲取植被下層的地形信息，對(duì)于隱藏在植被中的病蟲害也有著較好的檢測(cè)效果，將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和其他遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)全方位、多層次的病蟲害監(jiān)測(cè)，為科學(xué)、高效的防治策略提供有力支持。

五、無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)病蟲害的展望

無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出巨大的潛力，未來的發(fā)展前景十分廣闊。

首先，病蟲害特征訓(xùn)練的研究將成為技術(shù)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，通過深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，無人機(jī)可以收集大量高分辨率的圖像數(shù)據(jù)，為病蟲害特征的準(zhǔn)確提取奠定基礎(chǔ)。未來的發(fā)展方向包括通過大規(guī)模數(shù)據(jù)集的構(gòu)建，訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型以自動(dòng)提取病蟲害相關(guān)特征，從而實(shí)現(xiàn)更加智能、高效地監(jiān)測(cè)和識(shí)別。其次，病蟲害分類識(shí)別將成為無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)研究方向。通過對(duì)已有數(shù)據(jù)的深入分析，研究人員可以建立更為精準(zhǔn)的分類模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同病蟲害的準(zhǔn)確識(shí)別。借助機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，根據(jù)病蟲害引起的農(nóng)作物光譜、形態(tài)和結(jié)構(gòu)等變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)多樣化病蟲害的快速、準(zhǔn)確地分類。

展望未來，隨著硬件和軟件技術(shù)的不斷升級(jí)，無人機(jī)的遙感監(jiān)測(cè)將更加全面、高效。新一代傳感器的應(yīng)用將進(jìn)一步提升圖像分辨率和光譜分辨率，為病蟲害的細(xì)致監(jiān)測(cè)提供更多可能性。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能算法的不斷創(chuàng)新將促使無人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)在病蟲害特征提取和分類識(shí)別方面取得更為顯著的進(jìn)展，使其更適應(yīng)不同地域和農(nóng)作物的監(jiān)測(cè)需求。

六、結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)可以搭載各類傳感器，充分利用其低空飛行的優(yōu)勢(shì)，獲取高清影像圖，通過計(jì)算機(jī)處理影像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類作物生長(zhǎng)特征的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。相比傳統(tǒng)方法，無人機(jī)遙感技術(shù)具有大面積、快速、無破壞、無污染的優(yōu)勢(shì)，極大地節(jié)省了人力和物力，提高了監(jiān)測(cè)效率，更加環(huán)保。未來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信無人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中能夠發(fā)揮出更大的作用。

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