光谱成像技术在农业病虫害监测中的应用优势

作物病虫害是我国农业生产的主要灾害之一，具有种类多、影响大、时常暴发成灾等特点，会降低作物产量和品质，同时也是制约优质、低碳、循环农业持续发展的主导因素之一。及时、快速、无损、精准的远程监控，对掌握作物病虫害发生发展特点、病虫害鉴别及危害程度、防治效果等方面有重要的支撑作用，对提高农作物产量和品质、减少农业经济损失具有重要意义。
 

光谱成像技术，是近年来迅速发展起来的一种全新技术，*早应用于航天、地质测绘等领域，结合其技术优势可将其应用于农业监测中，特别是对作物长势评估和病虫害监测预警等方面。利用光谱影像能准确地反映田间作物本身的光谱特征以及作物间的光谱差异，通过影像数据可以更加精准地获取作物含水量、叶绿素含量、叶面积指数等生理生化参数，从而准确地监测作物长势及预测产量。近年来，光谱成像技术应用于农业病虫害的监测及防治，也取得了较大进展，解决了农业生产管理中长期存在的病虫害等有害生物农情信息大尺度监测不及时、监测水平以定性为主、监测精度无法实现定量等难题。国内外在该领域的研究开展较早，基于光谱影像分析了作物病害光谱响应、光谱信息探测与识别研究，病虫害识别效果较好。随着光谱成像硬件设备的升级和大数据系统的不断完善，光谱成像技术在农业病虫害监测研究和应用中将越来越普遍。

农业病虫害光谱成像技术监测原理

在农业有害生物监测系统中，病虫害对农作物生长的影响主要有农作物外部形态变化和内部生理变化2种表现形式。外部形态变化主要表现在冠层形状的改变，如落叶、叶片卷曲、叶片幼芽被吞食、倒伏等；内部生理变化则表现为叶绿素组织遭到破坏后，光合作用、养分与水分吸收、运输、转化等生理生化机制发生改变。无论外部形态或内部生理发生变化，都将不可避免地导致作物光谱特征发生变化。 

受害植被的光谱特性与健康植物的光谱特性相比，某些特征波长的值总会发生不同程度的变化，光谱成像技术正是利用两者光谱差异，进行植被状态监测。当植被生长健康，处于生长期高峰，叶绿素含量高时，“绿峰”向蓝光方向偏移，而植被病虫危害时，“绿峰”则向红光方向偏移。在近红外波段植被的光谱反射率取决于叶片内部的细胞结构。一般认为健康叶片的海绵状叶肉组织的所有空间都充满水分而膨胀时，对任何辐射都是一种良好的反射体，间插在叶肉组织的栅状柔软网胞组织，吸收可见光中的蓝光和红光而反射绿光。 

当植被受病害侵害时，叶片组织的水分代谢受到阻碍，此后随着病虫害危害的加重，植被细胞结构遭到破坏，各种色素的含量也随之减少，导致叶片对近红外辐射的反射能力减少。在光谱特征上表现为可见光区(400nm - 700nm)反射率升高而近红外区(720nm - 1100nm)反射率降低。近红外区研究的重点是“红边”。

红边的定义是反射光谱的一阶微分的*大值对应的光谱位置(波长)，通常位于680 nm-750 nm之间。“红边”位置依据叶绿素含量、生物量和物候变化，延波长轴方向移动。当叶绿素含量高、生长活力旺盛时，“红边”会向红外方向偏移;当植物由于感染病虫害或因污染、物候变化而“失绿”时，则“红边”会向蓝光方向移动。研究发现近红外部分反射率的改变是发生在可见光部分的反射率发生改变之前。这是因为在这段时间内，细胞组织中的叶绿素的数量和质量还没有发生改变。 

中达瑞和机载光谱成像系统MAX-S8800

由深圳市中达瑞和科技有限公司自主研发和生产制造的，集成了全光谱相机、无人机、应用软件的一体化全光谱视频成像系统，主要应用于高清机载场景，快速、精准、大面积获取各类地面光谱信息，可用于实时测量植物、水体、土壤等地物的光谱信息，并获得光谱图像，通过分析光谱图像，用于，植被生长状况监测、植被分类等研究。整个系统设计紧凑，光谱分辨率高，其覆盖400-1000nm全波段光谱范围，可并行采集7个光谱通道的图像数据和1个可见光通道图像，帮助用户获取更多目标光谱数据。尤其是系统支持实时图传，实时查看计算结果，方便作业人员针对异常状况快速做出针对性决策。 

主要产品特点：

l l操作简单，工作稳定

l l光谱通道数多达8路，采集丰富光谱信息

l l多种光谱波段选择，提供强大数据基础

l l支持多光谱+彩色RGB同时成像

l l高清图像分辨率

l l保持空间分辨率的同时具有更大视野，提高飞行作业的工作效率

l l全国产自主可控

 光谱成像技术在农业上的应用研究已经逐渐成为现代农业研究中的重点，光谱成像具有光谱连续、波段多以及数据量大等特点，可为现代农业研究提供精准的技术手段。随着其探测设备、影像系统、软件处理能力等软硬件不断发展，结合农业相关各类“大数据”系统的逐步完善。另外，在有足够的高光谱数据保障下，建立完整的应用技术体系，提高监测预测的准确性，加强通用性和移植性，光谱成像技术在农业病虫害监测预警中将具有更加广阔的前景。