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光譜成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
作物病蟲害是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，具有種類多、影響大、時(shí)常暴發(fā)成災(zāi)等特點(diǎn)，會(huì)降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)，同時(shí)也是制約優(yōu)質(zhì)、低碳、循環(huán)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的主導(dǎo)因素之一。及時(shí)、快速、無(wú)損、精準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)掌握作物病蟲害發(fā)生發(fā)展特點(diǎn)、病蟲害鑒別及危害程度、防治效果等方面有重要的支撐作用，對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、減少農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義。
光譜成像技術(shù)，是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種全新技術(shù)，*早應(yīng)用于航天、地質(zhì)測(cè)繪等領(lǐng)域，結(jié)合其技術(shù)優(yōu)勢(shì)可將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中，特別是對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)評(píng)估和病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面。利用光譜影像能準(zhǔn)確地反映田間作物本身的光譜特征以及作物間的光譜差異，通過(guò)影像數(shù)據(jù)可以更加精準(zhǔn)地獲取作物含水量、葉綠素含量、葉面積指數(shù)等生理生化參數(shù)，從而準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)作物長(zhǎng)勢(shì)及預(yù)測(cè)產(chǎn)量。近年來(lái)，光譜成像技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)病蟲害的監(jiān)測(cè)及防治，也取得了較大進(jìn)展，解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中長(zhǎng)期存在的病蟲害等有害生物農(nóng)情信息大尺度監(jiān)測(cè)不及時(shí)、監(jiān)測(cè)水平以定性為主、監(jiān)測(cè)精度無(wú)法實(shí)現(xiàn)定量等難題。國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究開展較早，基于光譜影像分析了作物病害光譜響應(yīng)、光譜信息探測(cè)與識(shí)別研究，病蟲害識(shí)別效果較好。隨著光譜成像硬件設(shè)備的升級(jí)和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的不斷完善，光譜成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)研究和應(yīng)用中將越來(lái)越普遍。
農(nóng)業(yè)病蟲害光譜成像技術(shù)監(jiān)測(cè)原理
在農(nóng)業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，病蟲害對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響主要有農(nóng)作物外部形態(tài)變化和內(nèi)部生理變化2種表現(xiàn)形式。外部形態(tài)變化主要表現(xiàn)在冠層形狀的改變，如落葉、葉片卷曲、葉片幼芽被吞食、倒伏等；內(nèi)部生理變化則表現(xiàn)為葉綠素組織遭到破壞后，光合作用、養(yǎng)分與水分吸收、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化等生理生化機(jī)制發(fā)生改變。無(wú)論外部形態(tài)或內(nèi)部生理發(fā)生變化，都將不可避免地導(dǎo)致作物光譜特征發(fā)生變化。
受害植被的光譜特性與健康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，光譜成像技術(shù)正是利用兩者光譜差異，進(jìn)行植被狀態(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)植被生長(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，而植被病蟲危害時(shí)，“綠峰”則向紅光方向偏移。在近紅外波段植被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)植被受病害侵害時(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，植被細(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)(400nm - 700nm)反射率升高而近紅外區(qū)(720nm - 1100nm)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680 nm-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(méi)有發(fā)生改變。
中達(dá)瑞和機(jī)載光譜成像系統(tǒng)MAX-S8800
由深圳市中達(dá)瑞和科技有限公司自主研發(fā)和生產(chǎn)制造的，集成了全光譜相機(jī)、無(wú)人機(jī)、應(yīng)用軟件的一體化全光譜視頻成像系統(tǒng)，主要應(yīng)用于高清機(jī)載場(chǎng)景，快速、精準(zhǔn)、大面積獲取各類地面光譜信息，可用于實(shí)時(shí)測(cè)量植物、水體、土壤等地物的光譜信息，并獲得光譜圖像，通過(guò)分析光譜圖像，用于，植被生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)、植被分類等研究。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊湊，光譜分辨率高，其覆蓋400-1000nm全波段光譜范圍，可并行采集7個(gè)光譜通道的圖像數(shù)據(jù)和1個(gè)可見光通道圖像，幫助用戶獲取更多目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)。尤其是系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)圖傳，實(shí)時(shí)查看計(jì)算結(jié)果，方便作業(yè)人員針對(duì)異常狀況快速做出針對(duì)性決策。
主要產(chǎn)品特點(diǎn)：
l l操作簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定
l l光譜通道數(shù)多達(dá)8路，采集豐富光譜信息
l l多種光譜波段選擇，提供強(qiáng)大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)
l l支持多光譜+彩色RGB同時(shí)成像
l l高清圖像分辨率
l l保持空間分辨率的同時(shí)具有更大視野，提高飛行作業(yè)的工作效率
l l全國(guó)產(chǎn)自主可控
光譜成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中的重點(diǎn)，光譜成像具有光譜連續(xù)、波段多以及數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，可為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究提供精準(zhǔn)的技術(shù)手段。隨著其探測(cè)設(shè)備、影像系統(tǒng)、軟件處理能力等軟硬件不斷發(fā)展，結(jié)合農(nóng)業(yè)相關(guān)各類“大數(shù)據(jù)”系統(tǒng)的逐步完善。另外，在有足夠的高光譜數(shù)據(jù)保障下，建立完整的應(yīng)用技術(shù)體系，提高監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，加強(qiáng)通用性和移植性，光譜成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)預(yù)警中將具有更加廣闊的前景。