朱雪苗

(三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000)

前言

我國(guó)地大物博，人口眾多，農(nóng)作物生產(chǎn)量對(duì)于人們生存問題的解決有重要作用。農(nóng)作物生產(chǎn)中，影響農(nóng)作物產(chǎn)量的主要原因就是病蟲害。從某種角度來說，病蟲害不僅會(huì)影響作物的產(chǎn)量，同時(shí)也會(huì)影響作物的質(zhì)量。為有效控制病蟲害，及時(shí)掌握作物病蟲害的嚴(yán)重程度，需要通過科學(xué)的監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物病蟲害的監(jiān)測(cè)。從此種角度來看，本研究有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和意義。

1 高光譜遙感技術(shù)及病蟲害監(jiān)測(cè)原理、特點(diǎn)

1.1 高光譜遙感技術(shù)

高光譜遙感技術(shù)作為新興技術(shù)，是通過對(duì)窄電磁波段的利用，實(shí)現(xiàn)對(duì)感興趣地面物體光譜信息的獲取。從本質(zhì)上來看，高光譜遙感技術(shù)屬于綜合科學(xué)，能夠結(jié)合計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)[1]。高光譜遙感技術(shù)自問世以來，在某些領(lǐng)域中既可實(shí)現(xiàn)定性監(jiān)測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)定量監(jiān)測(cè)。從技術(shù)上來看，高光譜遙感技術(shù)也是成像與光譜技術(shù)的結(jié)合?，F(xiàn)階段，高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于作物病蟲害監(jiān)測(cè)中，且取得顯著的效果。

1.2 高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)病蟲害的原理

高光譜遙感技術(shù)在病蟲害的監(jiān)測(cè)中，實(shí)際上是對(duì)植物生存能力進(jìn)行測(cè)量。具體的測(cè)量指標(biāo)，是作物中的化學(xué)成分變化情況、葉綠素含量變化情況[2]。作物光譜反射率的特征比較顯著，會(huì)根據(jù)波長(zhǎng)的改變，而出現(xiàn)相應(yīng)的變化?？梢姽獠ǘ蜗拢魑锓瓷渎蕿?.5～0.7μm偏低；在近紅外波段，作物反射率在0.7～0.9μm偏高。原因在于，作物能對(duì)該波段內(nèi)的輻射能量加以吸收。若作物在遭受病蟲害時(shí)，作物含有的葉綠素含量會(huì)不斷下降，光吸收能力也隨之降低。此時(shí)，可見光的反射率有所提高，紅外區(qū)域反射率降低。作物病蟲害的發(fā)生，會(huì)對(duì)不同波段下作物的光譜值產(chǎn)生影響，特別對(duì)近紅外波段的光譜值影響較大[3]。綜合來看，利用高光譜遙感技術(shù)對(duì)作物病蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是對(duì)作物化學(xué)成分變化的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害信息的獲取，從而為作物病蟲害的判定提供依據(jù)。

1.3 高光譜遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)病蟲害的特點(diǎn)

在對(duì)作物病蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)手段以人工區(qū)域取樣和調(diào)查為主，并綜合多種信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物病蟲害的預(yù)測(cè)。不過，此種方式對(duì)于范圍較大的病蟲害起到的作用并不明顯[4]，浪費(fèi)時(shí)間、浪費(fèi)人力等，且預(yù)報(bào)的滯后性比較明顯，影響預(yù)報(bào)的精確度，從而增加作物的損失程度。與傳統(tǒng)的病情測(cè)報(bào)方法進(jìn)行比較，高光譜遙感技術(shù)的探測(cè)周期用時(shí)較短，探測(cè)的覆蓋面積相對(duì)較大，成本偏低，且獲取的資料相對(duì)豐富。因而，能夠從相對(duì)全面和準(zhǔn)確的角度上，為作物病蟲害的監(jiān)測(cè)提供指導(dǎo)。遙感作為監(jiān)測(cè)手段，是在高空尺度下，宏觀監(jiān)測(cè)地面目標(biāo)狀況[5]。所以，在作物病蟲害早期階段，通過遙感技術(shù)手段就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)病蟲害，形成病蟲害的時(shí)空分布圖，為決策者提供病蟲害蔓延的趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，為決策者制定合理防治計(jì)劃提供依據(jù)。

2 高光譜遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)的方法

2.1 衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)方法

在作物病蟲害監(jiān)測(cè)中應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)時(shí)，主要是通過對(duì)遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲害監(jiān)測(cè)結(jié)果的評(píng)定。而高光譜遙感技術(shù)下，衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)是比較常見的方法。在遙感領(lǐng)域中，高光譜分辨率遙感技術(shù)屬于前沿技術(shù)，發(fā)展速度較快[6]。而且，該技術(shù)是近幾十年來，人類在觀測(cè)技術(shù)方面的重大突破。早在20世紀(jì)80年代，第1臺(tái)航空成像光譜儀問世；21世紀(jì)初，美國(guó)發(fā)射的Hyperion是全球首個(gè)發(fā)射成功的星載民用成像光譜儀。受多種因素的影響，我國(guó)高光譜遙感技術(shù)的起步時(shí)間和研究時(shí)間較晚，不過高光譜遙感技術(shù)在我國(guó)的研究發(fā)展速度較快。現(xiàn)階段，我國(guó)最先進(jìn)的高光譜探測(cè)衛(wèi)星是“高分五號(hào)”衛(wèi)星，該衛(wèi)星具有高光譜的分辨率，且精度和靈敏度都相對(duì)較高，其多項(xiàng)指標(biāo)都符合國(guó)際水平。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)程中，高光譜遙感技術(shù)在不斷提高光譜的分辨率，同時(shí)也逐漸趨于高空間分辨率發(fā)展[7]。此外，將高光譜遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過分析歸一化差異指數(shù)、紅邊參數(shù)、比值作物指數(shù)等，對(duì)作物的病蟲害范圍、程度展開分析，發(fā)現(xiàn)歸一化的差異指數(shù)，對(duì)于重災(zāi)區(qū)的作物敏感度較高。

2.2 地面光譜監(jiān)測(cè)作物獲取數(shù)據(jù)方法

在高光譜遙感技術(shù)中，也可通過地面光譜監(jiān)測(cè)作物的方式獲取數(shù)據(jù)。地面高光譜數(shù)據(jù)的主要獲取方式，是利用地面成像光譜儀、室內(nèi)光譜儀獲取的[8]。在使用時(shí)，通常會(huì)同時(shí)使用地面高光譜儀器，該儀器是與星載高光譜探測(cè)儀器共同合作開發(fā)出來的。通過對(duì)地面光譜儀的分析，該儀器在對(duì)作物進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，能夠小尺度掌握作物病蟲害的相關(guān)信息，且可在一定程度上提高尺度內(nèi)空間作物病蟲害管理水平。從這個(gè)角度來看，地面高光譜儀在小尺度空間作物病蟲害信息提取方面，具有比較廣闊的應(yīng)用空間?，F(xiàn)階段，應(yīng)用于作物病蟲害監(jiān)測(cè)的高光譜儀器，是野外高光譜儀器，該儀器由美國(guó)生產(chǎn)，具有一定的便攜性[9]。在對(duì)該儀器應(yīng)用時(shí)，主要是利用室內(nèi)光譜儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光、近紅外光譜的獲取，借助偏最小二乘法、支持向量機(jī)法，對(duì)作物病原體潛伏感染及其嚴(yán)重程度進(jìn)行判定。通過總結(jié)作物病蟲害光譜資料，對(duì)不同光譜特征參數(shù)與作物病蟲害程度的關(guān)系展開了全面的分析，以線性回歸方程的方式，構(gòu)建了作物病蟲害程度的估計(jì)模型，能夠?yàn)樽魑锊∠x害的早期監(jiān)測(cè)、防治，提供相應(yīng)的技術(shù)支持。

2.3 無人機(jī)遙感獲取數(shù)據(jù)方法

在高光譜遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)時(shí)，無人機(jī)遙感獲取數(shù)據(jù)是比較重要的方法。在科學(xué)技術(shù)不斷更新和發(fā)展的形勢(shì)下，遙感領(lǐng)域開創(chuàng)了新的思路，即無人機(jī)遙感技術(shù)。無人機(jī)作為遙感平臺(tái)，將傳感器搭載其中。無人機(jī)遙感技術(shù)與其它遙感技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)勢(shì)比較明顯。無人機(jī)遙感技術(shù)的成本相對(duì)較低，不需要耗費(fèi)過多的資金；無人機(jī)遙感技術(shù)的操作比較簡(jiǎn)單，按照說明書就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無人機(jī)的操縱[10]；無人機(jī)的空間分辨率較高，通過操縱可使無人機(jī)在空中監(jiān)控，監(jiān)控的范圍比較廣泛；不受時(shí)間與地理的限制，在使用無人機(jī)遙感技術(shù)時(shí)，并沒有時(shí)間和地域的限制。不過，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)無人機(jī)遙感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，以自然災(zāi)害、地質(zhì)調(diào)查等方面為主。無人機(jī)遙感技術(shù)在作物病蟲害監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，正處于探索研究階段。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無人機(jī)高光譜圖像數(shù)據(jù)，能夠識(shí)別作物感染的不同階段。在不同階段，作物病蟲害的感染程度不同，所需要制定的治理方案也就存在差異[11]。利用無人機(jī)高光譜成像技術(shù)，可通過對(duì)不同波段的選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)高光譜數(shù)據(jù)的降維，構(gòu)建回歸模型，定量估計(jì)病蟲害對(duì)作物的危害程度。

3 作物病蟲害監(jiān)測(cè)中高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)病蟲害光譜響應(yīng)特征

在響應(yīng)病蟲害特征時(shí)，不同高光譜波段植物的響應(yīng)結(jié)果不同。作物病蟲害遙感監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)和前提，是病蟲害對(duì)作物引發(fā)的不同癥狀、光學(xué)特性。在作物病蟲害光譜響應(yīng)下，與病蟲害引起的色素現(xiàn)象、形態(tài)現(xiàn)象、結(jié)構(gòu)變化函數(shù)等比較接近。從此種角度來看，作物病蟲害監(jiān)測(cè)光譜相應(yīng)特征，具有多效性，與病蟲害的特征有密切關(guān)系[12]。就松材線蟲病來說，在作物病蟲害整個(gè)發(fā)病期間，無論是冠層高光譜數(shù)據(jù)，還是同時(shí)期的生理生化參數(shù)，都發(fā)生改變；通過對(duì)高光譜估測(cè)模型的構(gòu)建，能夠從動(dòng)態(tài)角度上，實(shí)現(xiàn)對(duì)松材線蟲病的監(jiān)測(cè)。在板栗病蟲害中，受到危害的作物通常會(huì)表現(xiàn)為3個(gè)不同的階段，綠色攻擊階段，紅色攻擊階段，灰色攻擊階段；在對(duì)作物被攻擊程度的監(jiān)測(cè)中，要利用高光譜遙感技術(shù)，依據(jù)光譜反射率的差異、遙感數(shù)字圖的異常結(jié)構(gòu)記錄等，結(jié)合實(shí)際區(qū)域中作物的表現(xiàn)，檢測(cè)板栗病蟲害的發(fā)生嚴(yán)重程度[13]。對(duì)于茶葉病害的監(jiān)測(cè)，可在高光譜遙感技術(shù)下，利用熒光投射光譜技術(shù)，通過熒光投射光譜特征的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉病害的有效監(jiān)測(cè)；借助高光譜儀器，對(duì)茶葉葉片的原始熒光投射光譜進(jìn)行采集，對(duì)葉片平均光譜強(qiáng)度曲線對(duì)比分析，融合特征波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的高光譜圖像信息及相應(yīng)紋理信息，證實(shí)熒光投射光譜信息對(duì)病蟲害的監(jiān)測(cè)結(jié)果。綜合以上來看，高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于作物病蟲害監(jiān)測(cè)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病蟲害光譜響應(yīng)特征的監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)作物指數(shù)

將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于作物病蟲害監(jiān)測(cè)中時(shí)，要監(jiān)測(cè)作物指數(shù)。通過對(duì)作物生長(zhǎng)狀況的了解，以及對(duì)不同波段下，作物生長(zhǎng)曲線變化的認(rèn)知，學(xué)術(shù)領(lǐng)域中不少學(xué)者都提出了多種反映作物生長(zhǎng)狀況的特征。在不同病蟲害生長(zhǎng)環(huán)境中，作物的特征參數(shù)不同。在不同環(huán)境下觀察特征參數(shù)，能夠建立與作物相關(guān)的指數(shù)。借助高光譜遙感技術(shù)，通過作物的光譜特征及作物中含有的葉綠素含量，對(duì)松材線蟲危害作物的早期監(jiān)測(cè)可能性進(jìn)行探索。同時(shí)，根據(jù)作物病蟲害程度，分成6個(gè)等級(jí)[14]。通過分析發(fā)現(xiàn)，完全浸染階段的標(biāo)準(zhǔn)化差異作物指數(shù)值，與葉綠素含量存在比較明顯的相關(guān)性。而且，特定的光譜特征，與作物葉綠素含量之間的結(jié)合，能夠成為作物病蟲害監(jiān)測(cè)的可靠性手段。通過對(duì)受到不同程度危害的作物調(diào)查，發(fā)現(xiàn)冠層的物理參數(shù)與光譜指數(shù)之間，有密切的聯(lián)系。在不斷的探索下，尋找到適合不同作物病蟲害程度的高光譜作物指數(shù)，能夠應(yīng)用到各個(gè)階段的作物受災(zāi)預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)中。

4 作物病蟲害監(jiān)測(cè)中高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用需解決的問題

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)補(bǔ)充完善與特征的總結(jié)

在將高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于作物病蟲害監(jiān)測(cè)中時(shí)，需要解決相應(yīng)的問題。補(bǔ)充和完善數(shù)據(jù)庫(kù)。受同類作物土壤的組成成分結(jié)構(gòu)差異影響，土壤的不同組成成分會(huì)相互作用，且環(huán)境因素存在區(qū)別，不同土壤中同類作物的廣譜特征存在差異性，因而，在應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)時(shí)，要充分研究農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測(cè)中的地物光譜特征；具體來說，是在不同條件下，對(duì)比分析標(biāo)準(zhǔn)作物的光譜變異規(guī)律，根據(jù)所獲取的變異規(guī)律，補(bǔ)充和完善農(nóng)作物光譜書庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物病蟲害信息提取精確度的提高?？偨Y(jié)特征。在感染相同作物時(shí)，病蟲害或是非病蟲害都可能出現(xiàn)類似的癥狀，因而所表現(xiàn)的光譜特征也就比較類似；而在感染相同作物時(shí)，受危害程度或是土壤等因素影響，即便是相同的病蟲害也可能出現(xiàn)不同的癥狀特征；因此要重視對(duì)光譜特征的深入探究，區(qū)分同種農(nóng)作物異種光譜、同種光譜異種農(nóng)作物的不同現(xiàn)象，總結(jié)不同現(xiàn)象的光譜特征，并對(duì)光譜特征加以記錄，為作物病蟲害監(jiān)測(cè)的量化奠定基礎(chǔ)。

4.2 完善光譜反演模型和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)階段，在應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)時(shí)，已經(jīng)建立了作物病蟲害反演模型。不過，受多種因素的影響，可能會(huì)導(dǎo)致反演模型的適應(yīng)性較差。相關(guān)因素包括，作物光譜特征的影響因素比較多，在實(shí)際區(qū)域?qū)庾V數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，所采集數(shù)據(jù)是否有代表性有待考察，作物病蟲害光譜反演模型的獲取，以統(tǒng)計(jì)分析方法為主。為此，在作物病蟲害監(jiān)測(cè)中應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)時(shí)，要完善光譜反演模型。在對(duì)反演模型進(jìn)行完善時(shí)，要深入研究如何擴(kuò)大模型的適用性，滿足作物病蟲害監(jiān)測(cè)的要求。除此之外，要進(jìn)一步完善作物病蟲害監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果。一般來說，相關(guān)部門會(huì)通過研究討論，制定出農(nóng)作物感染病蟲害的嚴(yán)重程度。而此種制定評(píng)價(jià)方式，并未從比較全面的角度上實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感領(lǐng)域知識(shí)的考慮。制定評(píng)價(jià)時(shí)，遙感人員并不能夠充分利用高光譜衛(wèi)星遙感影像。所以，在對(duì)作物病蟲害監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定時(shí)，要從處理信息層面，由遙感人員根據(jù)實(shí)際情況統(tǒng)一規(guī)范作物病蟲害的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，形成比較統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 加大預(yù)測(cè)和衛(wèi)星影像的研究力度

在作物病蟲害監(jiān)測(cè)中應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)時(shí)，要加大預(yù)測(cè)方面和衛(wèi)星影像方面的研究力度。目前，作物病蟲害監(jiān)測(cè)中應(yīng)用高光譜衛(wèi)星遙感影像時(shí)，主要傾向于對(duì)病蟲害危害程度的監(jiān)測(cè)。但此時(shí)，病蟲害已經(jīng)對(duì)作物產(chǎn)生危害，這種事后處理的方式，只能夠清理病蟲害，而并不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病蟲害的事前預(yù)防。因此，在未來關(guān)于高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于作物病蟲害監(jiān)測(cè)的研究中，要重視高光譜遙感技術(shù)在作物病蟲害預(yù)測(cè)方面的研究，通過病蟲害的預(yù)測(cè)，盡可能減少作物病蟲害現(xiàn)象，從根本上降低病蟲害對(duì)作物造成的損失，為相關(guān)部門防治病蟲害提供保障。此外，要加大對(duì)高光譜衛(wèi)星影像的研究力度。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，高光譜衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用日益普遍。盡管我國(guó)已經(jīng)從超光譜成像儀中獲取了高光譜衛(wèi)星影像，但農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測(cè)中很少有關(guān)于國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星影像的報(bào)道。因而，在未來關(guān)于高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用于作物病蟲害監(jiān)測(cè)中的研究中，要加大國(guó)產(chǎn)高光譜衛(wèi)星影像的研究力度，促進(jìn)高光譜技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

在既往作物病蟲害監(jiān)測(cè)中，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段所取得的監(jiān)測(cè)效果并不顯著。在現(xiàn)代作物生產(chǎn)中，高光譜遙感技術(shù)逐漸被廣泛應(yīng)用于作物病蟲害監(jiān)測(cè)中。利用高光譜遙感技術(shù)，能夠從比較全面的角度掌握作物病蟲害的相關(guān)信息，了解作物病蟲害的嚴(yán)重程度，可以為決策者提供作物病蟲害防治依據(jù)。期望在本次相關(guān)內(nèi)容的探究下，能夠?yàn)槿蘸筇岣吒吖庾V遙感技術(shù)在作物病蟲害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用水平提供建議。