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光譜成像技術在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測中的應用優(yōu)勢
作物病蟲害是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要災害之一，具有種類多、影響大、時常暴發(fā)成災等特點，會降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)，同時也是制約優(yōu)質(zhì)、低碳、循環(huán)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的主導因素之一。及時、快速、無損、精準的遠程監(jiān)控，對掌握作物病蟲害發(fā)生發(fā)展特點、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，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、減少農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失具有重要意義。
光譜成像技術，是近年來迅速發(fā)展起來的一種全新技術，*早應用于航天、地質(zhì)測繪等領域，結合其技術優(yōu)勢可將其應用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測中，特別是對作物長勢評估和病蟲害監(jiān)測預警等方面。利用光譜影像能準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，通過影像數(shù)據(jù)可以更加精準地獲取作物含水量、葉綠素含量、葉面積指數(shù)等生理生化參數(shù)，從而準確地監(jiān)測作物長勢及預測產(chǎn)量。近年來，光譜成像技術應用于農(nóng)業(yè)病蟲害的監(jiān)測及防治，也取得了較大進展，解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中長期存在的病蟲害等有害生物農(nóng)情信息大尺度監(jiān)測不及時、監(jiān)測水平以定性為主、監(jiān)測精度無法實現(xiàn)定量等難題。國內(nèi)外在該領域的研究開展較早，基于光譜影像分析了作物病害光譜響應、光譜信息探測與識別研究，病蟲害識別效果較好。隨著光譜成像硬件設備的升級和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的不斷完善，光譜成像技術在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測研究和應用中將越來越普遍。
農(nóng)業(yè)病蟲害光譜成像技術監(jiān)測原理
在農(nóng)業(yè)有害生物監(jiān)測系統(tǒng)中，病蟲害對農(nóng)作物生長的影響主要有農(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、運輸、轉化等生理生化機制發(fā)生改變。無論外部形態(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，某些特征波長的值總會發(fā)生不同程度的變化，光譜成像技術正是利用兩者光譜差異，進行植被狀態(tài)監(jiān)測。當植被生長健康，處于生長期高峰，葉綠素含量高時，“綠峰”向藍光方向偏移，而植被病蟲危害時，“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)部的細胞結構。一般認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，對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，吸收可見光中的藍光和紅光而反射綠光。
當植被受病害侵害時，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，植被細胞結構遭到破壞，各種色素的含量也隨之減少，導致葉片對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)研究的重點是“紅邊”。
紅邊的定義是反射光譜的一階微分的*大值對應的光譜位置(波長)，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，延波長軸方向移動。當葉綠素含量高、生長活力旺盛時，“紅邊”會向紅外方向偏移;當植物由于感染病蟲害或因污染、物候變化而“失綠”時，則“紅邊”會向藍光方向移動。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。這是因為在這段時間內(nèi)，細胞組織中的葉綠素的數(shù)量和質(zhì)量還沒有發(fā)生改變。
中達瑞和機載光譜成像系統(tǒng)MAX-S8800
由深圳市中達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、無人機、應用軟件的一體化全光譜視頻成像系統(tǒng)，主要應用于高清機載場景，快速、精準、大面積獲取各類地面光譜信息，可用于實時測量植物、水體、土壤等地物的光譜信息，并獲得光譜圖像，通過分析光譜圖像，用于，植被生長狀況監(jiān)測、植被分類等研究。整個系統(tǒng)設計緊湊，光譜分辨率高，其覆蓋400-1000nm全波段光譜范圍，可并行采集7個光譜通道的圖像數(shù)據(jù)和1個可見光通道圖像，幫助用戶獲取更多目標光譜數(shù)據(jù)。尤其是系統(tǒng)支持實時圖傳，實時查看計算結果，方便作業(yè)人員針對異常狀況快速做出針對性決策。
主要產(chǎn)品特點：
l l操作簡單，工作穩(wěn)定
l l光譜通道數(shù)多達8路，采集豐富光譜信息
l l多種光譜波段選擇，提供強大數(shù)據(jù)基礎
l l支持多光譜+彩色RGB同時成像
l l高清圖像分辨率
l l保持空間分辨率的同時具有更大視野，提高飛行作業(yè)的工作效率
l l全國產(chǎn)自主可控
光譜成像技術在農(nóng)業(yè)上的應用研究已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中的重點，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，可為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究提供精準的技術手段。隨著其探測設備、影像系統(tǒng)、軟件處理能力等軟硬件不斷發(fā)展，結合農(nóng)業(yè)相關各類“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，建立完整的應用技術體系，提高監(jiān)測預測的準確性，加強通用性和移植性，光譜成像技術在農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測預警中將具有更加廣闊的前景。