无人机遥感监测作物病虫害胁迫方法与最新研究进展.pdf

2022 年3 月 第4 卷 第1 期 Mar 2022 Vol 4 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 方 法 与 最 新 研 究 进 展 杨 国 峰 1 2 3 何 勇 1 2 3 冯 旭 萍 1 2 3 李 禧 尧 1 2 3 张 金 诺 1 2 3 俞 泽 宇 1 2 3 1 浙 江 大 学 华 南 工 业 技 术 研 究 院 广 东 广 州 5 1 0 7 0 0 2 浙 江 大 学 生 物 系 统 工 程 与 食 品 科 学 学 院 浙 江 杭 州 3 1 0 0 5 8 3 农 业 农 村 部 光 谱 检 测 重 点 实 验 室 浙 江 杭 州 3 1 0 0 5 8 摘 要 病 虫 害 是 作 物 生 产 面 临 的 主 要 胁 迫 之 一 近 年 来 随 着 无 人 机 产 业 的 快 速 发 展 无 人 机 农 业 遥 感 因 其 图 像 空 间 分 辨 率 高 数 据 获 取 时 效 性 强 和 成 本 低 等 特 点 在 作 物 病 虫 害 胁 迫 监 测 应 用 中 发 挥 了 重 要 作 用 本 文 首 先 介 绍 了 利 用 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 相 关 背 景 其 次 对 目 前 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 中 的 常 用 方 法 进 行 了 概 述 主 要 探 讨 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 数 据 获 取 方 式 和 数 据 处 理 方 法 之 后 从 可 见 光 成 像 遥 感 多 光 谱 成 像 遥 感 高 光 谱 成 像 遥 感 热 红 外 成 像 遥 感 激 光 雷 达 成 像 遥 感 和 多 遥 感 融 合 与 对 比 六 个 方 面 重 点 综 述 了 近 期 国 内 外 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 研 究 进 展 最 后 提 出 了 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 研 究 与 应 用 中 尚 未 解 决 的 关 键 技 术 问 题 与 未 来 的 发 展 方 向 本 文 为 把 握 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 研 究 热 点 应 用 瓶 颈 发 展 趋 势 提 供 借 鉴 和 参 考 以 期 助 力 中 国 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 更 加 标 准 化 信 息 化 精 准 化 和 智 能 化 关 键 词 无 人 机 遥 感 监 测 病 虫 害 胁 迫 数 据 获 取 数 据 处 理 深 度 学 习 多 遥 感 融 合 中 图 分 类 号 S 4 3 5 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 S A 2 0 2 2 0 1 0 0 8 引 用 格 式 杨 国 峰 何 勇 冯 旭 萍 李 禧 尧 张 金 诺 俞 泽 宇 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 方 法 与 最 新 研 究 进 展 J 智 慧 农 业 中 英 文 2022 4 1 1 16 YANG Guofeng HE Yong FENG Xuping LI Xiyao ZHANG Jinnuo YU Zeyu Methods and new research prog ress of remote sensing monitoring of crop disease and pest stress using unmanned aerial vehicle J SmartAgricul ture 2022 4 1 1 16 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 病 虫 害 的 爆 发 会 影 响 农 业 生 产 造 成 作 物 产 量 和 质 量 的 严 重 下 降 1 近 年 来 中 国 病 虫 害 的 发 生 和 传 播 呈 现 增 多 态 势 各 省 份 发 生 率 都 有 所 增 加 导 致 病 虫 害 的 防 治 更 加 困 难 2 目 前 中 国 作 物 病 虫 害 监 测 主 要 依 靠 植 保 部 门 植 保 站 等 人 员 实 地 调 查 取 样 不 仅 费 时 费 力 准 确 性 低 时 效 性 差 区 域 覆 盖 小 而 且 受 人 为 因 素 影 响 无 法 实 现 大 范 围 全 覆 盖 的 作 物 病 虫 害 胁 迫 监 测 遥 感 技 术 基 于 其 精 准 快 速 大 面 积 无 破 坏 等 特 点 在 作 物 病 虫 害 胁 迫 监 测 领 域 已 经 显 示 出 了 独 特 优 势 遥 感 技 术 是 指 运 用 不 与 探 测 目 标 接 触 的 遥 感 传 感 器 收 集 记 录 目 标 物 辐 射 反 doi 10 12133 j smartag SA202201008 收 稿 日 期 2022 01 26 基 金 项 目 广 东 省 重 点 领 域 研 发 计 划 项 目 2019B020216001 国 家 自 然 科 学 基 金 31801257 作 者 简 介 杨 国 峰 1994 男 博 士 研 究 生 研 究 方 向 为 农 业 计 算 机 视 觉 与 无 人 机 植 物 表 型 E mail yangguofeng 通 信 作 者 何 勇 1963 男 博 士 教 授 研 究 方 向 为 数 字 农 业 与 精 细 农 业 农 业 物 联 网 技 术 农 业 机 械 装 备 智 能 化 检 测 与 节 能 管 理 信 息 系 统 与 农 用 航 空 等 E mail yhe Vol 4 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 射 散 射 的 电 磁 波 信 息 进 而 获 取 目 标 物 的 特 征 性 质 及 其 变 化 的 综 合 探 测 技 术 3 当 前 遥 感 监 测 方 式 可 大 致 分 为 天 基 空 基 和 地 基 三 种 方 式 其 中 天 基 监 测 如 卫 星 遥 感 监 测 容 易 受 气 象 条 件 影 响 重 访 周 期 较 长 且 空 间 分 辨 率 低 地 基 监 测 如 固 定 监 测 站 监 测 范 围 有 限 成 本 很 高 且 难 以 大 面 积 设 立 4 而 空 基 中 的 无 人 机 Un mannedAerialVehicle UAV 遥 感 监 测 具 备 运 行 成 本 低 灵 活 度 高 采 集 迅 速 覆 盖 面 广 等 特 点 可 获 得 更 高 的 空 间 时 间 和 光 谱 分 辨 率 的 影 像 弥 补 了 传 统 病 虫 害 监 测 过 程 中 存 在 的 缺 陷 被 认 为 是 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 有 效 手 段 5 近 年 来 随 着 以 无 人 机 飞 行 平 台 和 数 据 获 取 传 感 器 等 为 代 表 的 硬 件 不 断 成 熟 以 机 器 学 习 乃 至 深 度 学 习 等 为 代 表 的 数 据 处 理 技 术 快 速 发 展 基 于 无 人 机 的 遥 感 监 测 技 术 逐 渐 成 为 低 空 遥 感 领 域 的 重 要 监 测 方 式 6 在 作 物 病 虫 害 胁 迫 遥 感 监 测 领 域 基 于 无 人 机 的 遥 感 监 测 技 术 已 是 一 个 重 要 且 热 门 的 研 究 方 向 并 且 基 于 感 知 决 策 执 行 的 无 人 机 技 术 也 已 成 为 智 慧 农 业 的 关 键 核 心 技 术 本 文 围 绕 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 研 究 首 先 在 监 测 数 据 获 取 和 处 理 两 部 分 梳 理 了 无 人 机 作 物 病 虫 害 遥 感 监 测 方 法 然 后 从 可 见 光 成 像 遥 感 多 光 谱 成 像 遥 感 高 光 谱 成 像 遥 感 热 红 外 成 像 遥 感 激 光 雷 达 成 像 遥 感 和 多 遥 感 融 合 与 对 比 方 面 分 析 了 国 内 外 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 研 究 方 法 与 进 展 最 后 提 出 了 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 中 尚 未 解 决 的 关 键 技 术 问 题 与 未 来 的 发 展 方 向 2 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 方 法 2 1 概 述 目 前 基 于 无 人 机 的 遥 感 监 测 技 术 已 在 作 物 病 虫 害 胁 迫 领 域 被 广 泛 应 用 与 研 究 当 作 物 受 到 病 虫 害 胁 迫 时 通 常 在 不 同 光 谱 波 段 上 表 现 出 吸 收 和 反 射 特 性 的 变 化 即 为 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 光 谱 响 应 7 作 物 由 于 病 虫 害 胁 迫 受 损 会 引 起 色 素 形 态 结 构 等 改 变 通 常 可 以 通 过 提 取 其 光 谱 响 应 特 征 并 加 以 分 析 处 理 实 现 对 病 虫 害 胁 迫 的 精 准 快 速 无 损 监 测 8 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 是 以 无 人 机 为 遥 感 监 测 平 台 利 用 搭 载 的 各 种 传 感 器 获 取 目 标 作 物 的 遥 感 影 像 视 频 点 云 等 数 据 通 过 对 数 据 的 处 理 挖 掘 和 建 模 来 获 取 作 物 病 虫 害 胁 迫 信 息 监 测 方 法 大 致 可 分 为 两 类 1 单 一 遥 感 监 测 方 法 主 要 通 过 无 人 机 搭 载 相 应 传 感 器 进 行 作 物 病 虫 害 胁 迫 数 据 获 取 处 理 及 分 析 2 综 合 遥 感 监 测 方 法 主 要 利 用 无 人 机 遥 感 监 测 技 术 与 地 面 人 工 调 查 取 样 等 方 式 综 合 进 行 作 物 病 虫 害 胁 迫 数 据 获 取 处 理 及 分 析 根 据 实 际 监 测 情 况 的 不 同 选 择 单 一 或 综 合 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 方 法 以 实 现 作 物 病 虫 害 信 息 的 精 准 获 取 和 高 效 动 态 监 测 为 作 物 病 虫 害 科 学 防 治 提 供 支 撑 其 中 主 要 涉 及 到 以 无 人 机 飞 行 平 台 和 机 载 传 感 器 为 代 表 的 无 人 机 遥 感 监 测 硬 件 系 统 以 无 人 机 测 绘 摄 影 测 量 等 专 业 处 理 软 件 和 数 据 处 理 分 析 相 关 算 法 或 模 型 为 代 表 的 无 人 机 遥 感 监 测 软 件 系 统 2 2 监 测 数 据 获 取 方 式 2 2 1 无 人 机 飞 行 平 台 无 人 机 是 利 用 无 线 电 遥 控 设 备 和 自 备 的 程 序 控 制 装 置 操 纵 的 不 载 人 飞 行 器 9 大 致 可 分 为 多 旋 翼 固 定 翼 单 旋 翼 直 升 机 和 混 合 翼 垂 直 起 降 固 定 翼 几 种 如 图1 所 示 在 使 用 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 时 关 注 的 重 点 是 无 人 机 载 荷 续 航 时 间 飞 行 高 度 监 测 精 度 和 空 间 分 辨 率 等 如 表1 所 示 为 不 同 的 无 人 机 飞 行 平 台 由 于 遥 感 监 测 数 据 获 取 过 程 中 飞 行 平 台 的 选 择 对 获 取 的 数 据 质 量 有 影 响 因 此 选 择 的 飞 行 平 台 应 具 备 可 操 控 性 高 稳 定 性 和 飞 行 持 久 性 等 特 点 以 获 取 质 量 较 好 的 数 据 目 前 多 旋 翼 无 人 2杨 国 峰 等 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 方 法 与 最 新 研 究 进 展 Vol 4 No 1 机 因 具 有 航 速 姿 态 可 调 飞 行 稳 定 能 够 定 点 悬 停 等 优 势 适 用 于 定 点 重 复 获 取 多 尺 度 高 分 辨 率 的 作 物 病 虫 害 胁 迫 数 据 在 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 研 究 与 应 用 中 最 为 广 泛 2 2 2 机 载 传 感 器 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 研 究 中 的 机 载 传 感 器 类 型 主 要 包 括 多 光 谱 相 机 高 光 谱 相 机 数 码 相 机 热 红 外 相 机 激 光 雷 达 等 18 如 图2 所 示 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 机 载 传 感 器 通 常 为 光 学 光 电 学 和 热 力 学 传 感 器 少 部 分 机 载 传 感 器 属 于 声 学 等 领 域 常 用 机 载 传 感 器 及 其 测 量 指 标 优 势 和 劣 势 如 表2 所 示 因 此 利 用 无 人 机 获 取 病 虫 害 胁 迫 数 据 时 需 要 依 据 地 域 特 征 病 虫 害 爆 发 程 度 和 作 物 种 类 等 情 况 选 择 合 适 的 传 感 器 2 2 3 数 据 获 取 流 程 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 数 据 获 取 流 程 是 保 证 每 次 飞 行 能 正 常 操 作 且 安 全 准 确 获 取 监 测 数 据 的 重 要 流 程 无 人 机 数 据 获 取 的 质 量 和 数 量 对 后 续 处 理 分 析 的 结 果 有 重 要 影 响 对 自 主 作 业 模 式 全 球 定 位 系 统 模 式 以 实 现 精 确 悬 图1 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 不 同 飞 行 平 台 Fig 1 DifferentflightplatformsforUAVremotesensing monitoringofcropdiseasesandpestsstress 表 1 不 同 无 人 机 飞 行 平 台 特 点 Table1 Characteristicsofdifferentunmannedaerialvehicle UAV flightplatforms 类 型 多 旋 翼 无 人 机 10 11 固 定 翼 无 人 机 12 13 单 旋 翼 无 人 机 14 15 混 合 翼 无 人 机 16 17 载 荷 kg 1 25 1 40 1 35 1 30 续 航 时 间 min 10 120 30 240 30 240 60 600 应 用 范 围 小 面 积 大 面 积 中 等 面 积 中 等 面 积 优 点 自 主 导 航 与 起 降 定 点 悬 停 多 载 荷 起 降 方 便 自 主 导 航 续 航 长 多 载 荷 起 降 方 便 飞 行 速 度 快 垂 直 起 降 定 点 悬 停 多 载 荷 起 降 方 便 续 航 较 长 稳 定 性 好 起 降 方 便 飞 行 速 度 较 快 缺 点 续 航 较 短 信 号 易 受 干 扰 无 法 定 点 悬 停 飞 行 速 度 无 法 快 速 改 变 起 降 要 求 较 高 续 航 较 短 稳 定 性 较 差 油 耗 高 噪 声 较 大 维 护 复 杂 速 度 较 低 维 护 复 杂 造 价 较 高 表 2 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 常 用 机 载 传 感 器 Table2 CommonlyusedairbornesensorsforUAVremotesensingtomonitorcropdiseasesandpests 传 感 器 多 光 谱 相 机 高 光 谱 相 机 数 码 相 机 热 红 外 相 机 激 光 雷 达 测 量 指 标 氮 素 水 分 覆 盖 度 叶 面 积 生 物 量 病 虫 害 胁 迫 等 覆 盖 度 叶 面 积 生 物 量 产 量 病 虫 害 胁 迫 等 倒 伏 可 见 外 部 伤 害 生 长 状 况 温 度 水 分 等 株 高 叶 面 积 生 物 量 等 优 势 波 段 较 多 信 息 量 较 多 类 型 多 波 段 多 分 辨 率 高 类 型 多 分 辨 率 高 使 用 方 便 价 格 低 类 型 多 非 接 触 测 温 使 用 较 方 便 分 辨 率 较 高 抗 干 扰 能 力 较 强 不 受 光 线 影 响 劣 势 仅 限 于 有 限 的 几 个 波 段 价 格 较 高 成 像 速 度 慢 分 辨 率 较 低 数 据 处 理 复 杂 价 格 高 信 息 量 少 波 段 少 价 格 较 高 分 辨 率 低 环 境 影 响 较 大 精 度 较 低 探 测 距 离 和 范 围 较 小 价 格 高 3Vol 4 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 停 指 点 飞 行 规 划 航 线 等 操 作 下 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 方 法 来 说 主 要 有 以 下 步 骤 1 飞 行 前 期 准 备 确 认 飞 行 任 务 区 域 及 申 请 空 域 查 询 地 理 天 气 环 境 信 息 选 择 并 调 试 飞 行 与 地 面 设 备 无 人 机 飞 行 平 台 机 载 传 感 器 遥 控 器 导 航 等 以 及 检 查 电 量 是 否 能 正 常 工 作 等 是 否 携 带 其 他 设 备 如 辐 射 定 标 板 等 2 正 式 飞 行 前 准 备 现 场 组 装 调 试 连 接 飞 行 与 地 面 设 备 根 据 任 务 区 域 地 形 作 物 病 虫 害 续 航 载 荷 等 情 况 设 计 飞 行 任 务 方 案 如 起 降 点 航 线 高 度 架 次 重 叠 率 等 19 20 3 飞 行 作 业 执 行 实 时 关 注 无 人 机 飞 行 平 台 的 速 度 位 置 电 量 电 压 任 务 时 间 等 飞 行 情 况 监 督 飞 行 时 稳 定 安 全 作 业 必 要 时 可 以 手 动 接 管 飞 行 4 飞 行 作 业 结 束 自 主 返 航 或 操 控 返 航 返 航 完 毕 可 关 闭 飞 行 与 地 面 设 备 电 源 回 收 飞 行 与 地 面 设 备 读 取 储 存 卡 数 据 或 在 飞 行 作 业 时 通 过 地 面 设 备 实 时 获 取 遥 感 监 测 数 据 2 3 监 测 数 据 处 理 方 法 如 何 从 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 获 取 的 大 量 数 据 中 高 效 提 取 表 型 特 征 十 分 重 要 并 且 很 大 程 度 决 定 处 理 分 析 的 结 果 表 型 特 征 主 要 包 括 光 谱 特 征 纹 理 特 征 颜 色 特 征 形 状 特 征 和 生 理 特 征 等 目 前 对 这 些 表 型 特 征 的 分 析 处 理 是 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 研 究 的 热 点 21 22 现 阶 段 主 流 的 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 数 据 处 理 的 方 法 可 以 大 致 分 为 统 计 分 析 方 法 和 机 器 学 习 方 法 两 类 目 前 监 测 数 据 处 理 方 法 的 流 程 主 要 为 遥 感 影 像 的 格 式 调 整 清 洗 预 处 理 拼 接 校 正 特 征 提 取 特 征 选 择 设 计 方 法 模 型 评 价 指 标 与 调 优 等 对 于 遥 感 影 像 格 式 调 整 一 般 使 用 机 载 传 感 器 配 套 软 件 处 理 对 于 遥 感 影 像 拼 接 和 校 正 等 则 使 用 无 人 机 测 绘 摄 影 测 量 软 件 如 Metashape 软 件 Agisoft 公 司 PIX4Dmapper 软 件 Pix4D 公 司 和 Inpho 软 件 Trimble 公 司 等 2 3 1 统 计 分 析 方 法 在 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 相 关 研 究 中 常 用 描 述 统 计 相 关 分 析 回 归 分 析 判 别 分 析 方 差 分 析 和 聚 类 分 析 等 统 计 分 析 方 法 通 常 借 助 上 述 方 法 使 用 植 被 的 光 谱 特 征 进 行 作 物 病 虫 害 胁 迫 遥 感 监 测 通 过 对 光 谱 曲 线 进 行 分 析 可 以 发 现 不 同 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 光 谱 曲 线 变 化 特 征 一 般 基 于 特 定 光 谱 波 段 波 段 计 算 与 组 合 以 及 植 被 指 数 Vegetation Index VI 等 方 法 进 行 光 谱 特 征 提 取 因 为 不 同 病 虫 害 胁 迫 对 作 物 生 长 造 成 的 影 响 程 度 不 一 致 所 以 特 定 光 谱 波 段 更 有 利 于 对 不 同 病 虫 害 胁 迫 进 行 监 测 光 谱 波 段 经 运 算 组 合 后 可 以 得 到 反 映 植 被 生 长 状 况 植 被 覆 盖 度 等 有 相 关 意 义 的 值 即VI VI 已 广 泛 用 来 定 性 和 定 量 评 价 植 被 覆 盖 及 其 生 长 活 力 常 用 于 作 物 病 虫 害 胁 迫 监 测 的VI 主 要 由2 3 个 波 段 构 成 23 利 用VI 进 行 回 归 或 相 关 分 析 可 以 图2 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 机 载 传 感 器 Fig 2 Airbornesensorsforunmannedaerialvehicleremote sensingmonitoringofcropdiseasesandpestsstress 4杨 国 峰 等 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 方 法 与 最 新 研 究 进 展 Vol 4 No 1 建 立 遥 感 监 测 数 据 与 作 物 生 长 信 息 的 反 演 模 型 即 经 验 模 型 由 于 经 验 模 型 需 要 大 量 的 实 测 数 据 为 基 础 而 实 测 数 据 的 精 度 如 何 很 大 程 度 取 决 于 实 测 数 据 的 测 量 精 度 经 验 模 型 存 在 区 域 适 用 性 的 限 制 常 常 在 实 测 数 据 采 集 的 区 域 模 型 的 适 用 性 较 高 在 其 他 区 域 适 用 性 较 低 地 表 粗 糙 度 的 变 化 经 验 模 型 无 法 考 虑 目 前 由 于 植 被 参 数 的 遥 感 反 演 物 理 模 型 具 有 因 果 关 系 和 数 学 物 理 基 础 24 25 因 而 正 成 为 遥 感 反 演 作 物 病 虫 害 胁 迫 研 究 的 主 要 方 向 但 主 要 集 中 在 辐 射 传 输 模 型 26 27 尚 无 几 何 光 学 模 型 和 混 合 模 型 等 在 作 物 病 虫 害 胁 迫 中 研 究 与 应 用 2 3 2 机 器 学 习 方 法 当 前 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 的 数 据 处 理 方 法 主 要 集 中 于 机 器 学 习 方 法 机 器 学 习 最 基 本 的 做 法 是 使 用 算 法 来 解 析 遥 感 监 测 数 据 然 后 对 真 实 世 界 中 的 病 虫 害 胁 迫 做 出 决 策 和 预 测 机 器 学 习 传 统 的 算 法 包 括 决 策 树 聚 类 贝 叶 斯 分 类 随 机 森 林 Random Forest RF 支 持 向 量 机 Support Vector Machine SVM k 近 邻 k Nearest Neighbor kNN 算 法 等 从 学 习 方 法 上 划 分 机 器 学 习 算 法 可 以 分 为 监 督 学 习 无 监 督 学 习 半 监 督 学 习 集 成 学 习 深 度 学 习 和 强 化 学 习 等 28 在 机 器 学 习 传 统 的 算 法 中 如 何 最 大 限 度 地 在 数 据 中 提 取 有 用 的 特 征 以 供 算 法 和 模 型 使 用 至 关 重 要 当 作 物 受 到 一 定 程 度 病 虫 害 胁 迫 后 患 病 虫 害 的 作 物 外 部 形 态 叶 面 积 株 高 颜 色 等 与 内 部 生 理 均 会 发 生 较 为 明 显 的 改 变 因 此 除 了 使 用 无 人 机 遥 感 监 测 获 取 作 物 病 虫 害 胁 迫 影 像 的 光 谱 特 征 之 外 颜 色 特 征 如 颜 色 直 方 图 颜 色 熵 颜 色 矩 颜 色 聚 合 向 量 等 纹 理 特 征 如 局 部 二 值 模 式 灰 度 直 方 图 灰 度 共 生 矩 阵 小 波 变 换 等 和 形 状 特 征 如 傅 立 叶 变 换 形 状 不 变 矩 小 波 轮 廓 描 述 符 等 等 也 常 被 提 取 使 用 此 外 还 可 以 结 合 实 地 调 查 取 样 获 取 作 物 病 虫 害 胁 迫 下 的 株 高 叶 绿 素 含 量 生 物 量 和 含 水 量 等 各 项 指 标 特 别 地 作 物 受 病 虫 害 胁 迫 的 环 境 温 度 湿 度 海 拔 土 壤 含 水 量 养 分 等 也 会 对 病 虫 害 胁 迫 有 影 响 也 是 需 要 重 点 关 注 与 开 展 长 期 性 周 期 性 的 研 究 近 年 来 随 着 数 据 的 高 速 增 长 算 力 的 迅 猛 增 强 算 法 的 完 善 成 熟 深 度 学 习 逐 渐 在 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 领 域 得 以 大 量 应 用 29 使 用 传 统 的 机 器 学 习 方 法 提 取 特 征 往 往 需 要 进 行 手 工 提 取 或 特 征 工 程 并 且 需 要 大 量 的 时 间 优 化 而 深 度 学 习 减 少 人 为 设 计 特 征 的 过 程 将 自 动 学 习 与 任 务 相 关 的 特 征 即 特 征 学 习 融 入 建 立 模 型 的 过 程 不 过 使 用 深 度 学 习 方 法 面 临 需 要 大 量 训 练 数 据 和 性 能 较 高 的 计 算 机 硬 件 支 持 以 及 更 优 的 模 型 等 主 要 限 制 30 尽 管 如 此 相 关 研 究 表 明 使 用 深 度 学 习 方 法 比 机 器 学 习 传 统 的 算 法 能 获 得 更 好 的 分 类 检 测 识 别 和 分 割 性 能 因 此 未 来 也 需 要 不 断 深 入 研 究 与 改 进 同 时 随 着 高 光 谱 机 载 传 感 器 和 深 度 学 习 技 术 的 不 断 发 展 利 用 深 度 学 习 技 术 可 以 充 分 挖 掘 高 光 谱 影 像 的 潜 在 特 征 实 现 更 好 地 对 各 种 作 物 病 虫 害 胁 迫 进 行 监 测 3 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 最 新 研 究 进 展 本 节 主 要 针 对2019 2021 年 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 相 关 研 究 从 可 见 光 成 像 遥 感 多 光 谱 成 像 遥 感 高 光 谱 成 像 遥 感 热 红 外 成 像 遥 感 激 光 雷 达 成 像 遥 感 和 多 遥 感 融 合 与 对 比 方 面 进 行 综 述 3 1 可 见 光 成 像 遥 感 使 用 基 于 无 人 机 搭 载 可 见 光 传 感 器 如 数 码 相 机 与RGB Red Green Blue 传 感 器 可 以 获 得 可 见 光 影 像 红 蓝 绿 波 段 目 前 可 见 光 成 像 遥 感 在 作 物 病 虫 害 胁 迫 领 域 已 被 广 泛 应 用 研 究 在 利 用 统 计 分 析 方 法 方 面 有 研 究 提 取 红 绿 蓝 波 段 的 特 征 信 息 后 构 建VI 和 分 类 模 型 识 别 病 虫 害 胁 迫 程 度 Nazir 等 31 为 监 测 种 植 园 生 长 5Vol 4 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 的 桉 树 健 康 状 况 利 用 冠 层 叶 片 的 可 见 光 波 段 开 发 视 觉 大 气 阻 力 指 数 VisualAtmospheric Resis tance Index VARI 并 基 于VARI green 将 病 虫 害 胁 迫 程 度 分 为 四 级 将VARI green 指 数 和 与 NDVI 进 行 相 关 性 分 析 平 均 相 关 系 数 为0 73 该 研 究 展 示 了 利 用 无 人 机 和RGB 相 机 对 大 规 模 工 业 林 场 作 业 区 域 进 行 航 空 调 查 的 实 际 应 用 Dutta 等 32 使 用 植 被 指 数 和Otsu 阈 值 分 割 方 法 对 十 字 花 科 作 物 进 行 早 期 病 害 检 测 利 用 在 两 种 不 同 的 阳 光 条 件 下 收 集 的RGB 图 像 区 分 健 康 叶 片 患 病 叶 片 和 背 景 研 究 表 明 需 要 根 据 作 物 类 型 调 整 植 被 指 数 以 便 通 过 图 像 处 理 方 法 准 确 识 别 作 物 的 感 染 部 位 在 使 用 机 器 学 习 方 法 方 面 对 于 可 见 光 成 像 遥 感 主 要 利 用 提 取 的 可 见 光 影 像 的 颜 色 纹 理 光 谱 和 形 状 等 特 征 开 展 如 分 类 识 别 检 测 等 监 测 任 务 33 在 利 用 机 器 学 习 方 法 提 取 特 征 方 面 Calou 等 34 使 用 五 种 传 统 机 器 学 习 分 类 算 法 来 识 别 和 量 化 香 蕉 黄 斑 病 SVM 算 法 取 得 了 最 佳 分 类 性 能 类 似 地 Dang 等 35 基 于 一 系 列 颜 色 特 征 进 行 阈 值 检 测 以 对 萝 卜 枯 萎 病 的 严 重 程 度 进 行 分 类 并 使 用k means 聚 类 算 法 实 现 将 萝 卜 区 域 与 田 地 的 其 他 区 域 例 如 土 地 和 地 膜 分 割 为 评 估 无 人 机 遥 感 监 测 方 法 在 小 麦 蠕 孢 叶 枯 病 检 测 方 面 的 潜 力 Huang 等 36 使 用 无 人 机 进 行 可 见 光 影 像 采 集 同 时 进 行 地 面 调 查 根 据 不 同 的 病 害 胁 迫 程 度 建 立 了 正 常 轻 度 中 度 和 重 度 四 种 病 害 类 别 构 建 了 基 于LeNet 5 的 卷 积 神 经 网 络 准 确 区 分 了 小 麦 蠕 孢 叶 枯 病 的 感 染 区 和 健 康 区 为 量 化 非 洲 叶 蝉 对 葡 萄 园 的 影 响 并 开 发 害 虫 胁 迫 严 重 程 度 的 专 题 图 del Campo San 等 37 使 用 RGB 图 像 构 建 基 于 人 工 神 经 网 络 与 几 何 技 术 相 结 合 的 计 算 视 觉 算 法 该 算 法 与 从RGB 图 像 生 成 的 地 理 产 品 相 结 合 改 进 了 受 影 响 植 被 健 康 植 被 和 地 面 的 图 像 分 割 效 果 并 通 过 消 除 土 壤 的 影 响 提 高 了 检 测 的 效 果 Tetila 等 38 使 用 无 人 机 拍 摄 的 大 豆 害 虫 图 像 进 行 五 种 深 度 学 习 模 型 的 评 估 发 现 经 过 微 调 训 练 的 深 度 学 习 模 型 可 以 获 得 更 高 的 分 类 准 确 率93 82 此 外 也 展 示 了 深 度 学 习 模 型 的 性 能 优 于 传 统 的 特 征 提 取 方 法 上 述 研 究 表 明 采 用 较 低 成 本 的 可 见 光 成 像 遥 感 可 以 方 便 快 捷 地 对 作 物 病 虫 害 胁 迫 进 行 监 测 并 且 也 能 取 得 不 错 的 识 别 效 果 开 发 基 于 可 见 光 成 像 的 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 系 统 能 以 更 大 经 济 优 势 进 行 推 广 普 及 从 而 助 力 农 业 高 效 生 产 3 2 多 光 谱 成 像 遥 感 多 光 谱 成 像 遥 感 是 指 用2 个 以 上 光 谱 通 道 传 感 器 进 行 地 物 同 步 成 像 接 收 和 记 录 目 标 物 反 射 辐 射 的 电 磁 波 信 息 被 分 成 若 干 个 窄 波 段 的 光 束 在 利 用 无 人 机 搭 载 多 光 谱 传 感 器 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 时 通 常 获 取 不 同 时 空 冠 层 等2 5 个 波 段 遥 感 影 像 开 展 相 关 研 究 在 使 用 统 计 分 析 方 法 方 面 国 内 外 研 究 通 常 在 提 取 光 谱 特 征 后 再 筛 选 组 合 与 作 物 病 虫 害 胁 迫 遥 感 监 测 任 务 相 关 的VI 如 归 一 化 植 被 指 数 Normalized Difference Vegetation Index NDVI 增 强 型 植 被 指 数 和 垂 直 植 被 指 数 等 常 用 VI 或 提 出 新 的 植 被 指 数 如ExcessNear Infrared 和 Excess Red Edge 39 同 时 结 合 地 面 调 查 的 方 式 人 工 采 集 相 关 数 据 基 于 上 述VI 主 要 通 过 指 数 统 计 相 关 性 方 差 分 析 线 性 回 归 二 元 逻 辑 回 归 等 统 计 分 析 方 法 识 别 敏 感 指 数 以 及 结 合 多 时 空 变 化 进 行 小 麦 40 辣 椒 41 香 蕉 42 西 瓜 43 大 豆 44 和 油 棕 45 作 物 病 虫 害 的 定 量 评 估 和 分 析 部 分 研 究 建 立 了 不 同 的 机 器 学 习 分 类 模 型 对 梨 10 槟 榔 46 47 柑 橘 48 49 花 生 50 柠 檬 51 和 马 铃 薯 52 等 病 虫 害 发 生 情 况 进 行 了 有 效 地 监 测 其 中 使 用SVM 和RF 的 方 法 占 多 数 还 有 使 用 径 向 基 函 数 Radical Basis Function RBF 和kNN 等 部 分 研 究 测 试 不 同 的 输 入 波 段 组 合 改 进 分 割 算 法U net 进 行 小 麦 黄 锈 病 检 测 53 以 及 开 发 新 的 分 割 算 法 处 理 获 取 的RGB CIR Color and Infrared 和NDVI 图 像 随 后 使 用 线 性 判 别 分 析 对 受 木 质 部 难 养 菌 Xylella Fas 6杨 国 峰 等 无 人 机 遥 感 监 测 作 物 病 虫 害 胁 迫 方 法 与 最 新 研 究 进 展 Vol 4 No 1 tidiosa 影 响 的 橄 榄 树 进 行 分 类 54 一 些 研 究 将 统 计 分 析 方 法 和 机 器 学 习 方 法 相 结 合 如Lan 等 11 先 计 算VI 然 后 使 用 主 成 分 分 析 和Auto Encoder 进 行 相 关 分 析 和 特