無人機載光譜成像儀對東北寒地水稻生長態(tài)勢的監(jiān)測研究

一、引言

無人機載多光譜成像采集東北寒地水稻的過程包括對信息的獲取、傳輸、處理及判斷分析和應(yīng)用的過程，利用無人機載多光譜設(shè)備進行水稻冠層的輻射信息的采集過程。在整個遙感過程中，輻射能量一般來源于目標的3個方面：太陽輻射、目標自身產(chǎn)生的輻射及遙感器的電磁波發(fā)射。在此過程中，會受到若干因素的影響如太陽的方位、季節(jié)的改變、地表的狀況、地理位置的選擇、遙感儀器在當天的工作性能等，從而也會影響遙感數(shù)據(jù)采集時產(chǎn)生輻射誤差和幾何誤差，因此要對影像進行相關(guān)的校正處理。

二、無人機載多光譜成像的數(shù)據(jù)采集

2.1光譜成像識別系統(tǒng)

任何物體都有其獨特的光譜特征。具體來說，它們具有不同的吸收、反射、輻射光譜。在同一光譜區(qū)域內(nèi)，不同物體的反射會不同(同譜異物)，同一物體對不同光譜的反射也可能會顯著不同(同物異譜)。此外，由于太陽輻射角度的不同，即使是同一物體，在不同的時間和地點也會表現(xiàn)出不同的反射或吸收光譜。

光譜探測技術(shù)正是依據(jù)上述基本原理，對物體光譜進行了相應(yīng)的特征識別。而把光譜探測技術(shù)和圖像識別方法運用于同一個學(xué)科領(lǐng)域就形成了一種光譜成像識別系統(tǒng)，形成的光譜成像識別系統(tǒng)可以分為三個主要組成部分：平臺、地面控制系統(tǒng)和研究分析方法系統(tǒng)。平臺主要包括地面平臺(衛(wèi)星、無人機)和成像光譜儀，成像光譜儀主要進行數(shù)據(jù)的收集和傳送；地面控制系統(tǒng)主要進行數(shù)據(jù)的接收、儲存、開發(fā)等操作；研究分析方法系統(tǒng)主要完成實驗定標、地面試驗、光譜數(shù)據(jù)的測量與分析等工作，并對地面接收到的圖像信息進行圖像融合、大氣校正、幾何校正后獲取反映地物的性質(zhì)與狀態(tài)等信息。光譜成像識別系統(tǒng)的組成部分既相互聯(lián)系又各自有分工，共同完成光譜成像識別對地面目標的探測，實現(xiàn)對目標的定位、定性或定量的目的。一般情況下，光譜成像識別系統(tǒng)又可分為以下4個組成部分：目標物、光譜成像識別的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、光譜成像識別的數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)以及光譜成像識別的數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1光譜成像識別的過程與技術(shù)系統(tǒng)

2.2無人機及多光譜設(shè)備

采用無人機多光譜對測試區(qū)域進行多光譜圖像采集。在圖像拼接過程中,將無人機多光譜圖像導(dǎo)入軟件,軟件能夠自動讀取相機配置信息和定位系統(tǒng)數(shù)據(jù),然后進行輻射校準。最后,生成數(shù)字地表模型、數(shù)字正射影像,并進行幾何校正和圖像配準。

圖2無人機高光譜成像系統(tǒng)

2.3試驗田規(guī)劃

圖3試驗區(qū)地理位置、地塊試驗小區(qū)劃分

本實驗主要隨時間演變對東北寒地水稻稻瘟病病害等級的遙感信息診斷進行研究，具體實驗方案如下：

試驗時間：試驗于2020年5-9月進行。

試驗地點：水稻稻瘟病試驗在吉林省吉林市萬昌鎮(zhèn)進行，該區(qū)域位于北緯43°44′49″，東經(jīng)125°54′11″，該地區(qū)處于吉林大黑山東麓飲馬河?xùn)|岸河谷平原區(qū)，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量適宜，四季分明，適合水稻的種植，農(nóng)業(yè)熟制為一年一熟。

試驗品種：吉粳88作為試驗品種，取自吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，全生育期150天；苗期對稻瘟病發(fā)表現(xiàn)為抗，異地田間自然誘發(fā)葉瘟鑒定表現(xiàn)中抗~高抗，異地田間自然誘發(fā)穗瘟鑒定表現(xiàn)為中抗~抗高抗，穗瘟最高發(fā)病率60%；株高100厘米，株型緊湊，葉片堅挺上舉，莖葉淺淡綠，主穗長18cm，半直立穗型，平均籽粒數(shù)120粒，籽粒橢圓，穎及穎尖均黃色，千粒重22.5g；蒙古稻作為傳播稻瘟病品種,蒙古稻可以感染大多數(shù)稻瘟病小種，且葉瘟在田間抗性極弱而且穩(wěn)定，作為較理想的感病對照。

試驗處理：于2020年5-9月種植試驗品種水稻，試驗區(qū)總面積約10000m²，試驗田為3組重復(fù)試驗，每組試驗田下又分為8個不同氮含量處理下的小區(qū)，每次都設(shè)有對照組及不同施肥的氮量對應(yīng)的試驗小區(qū)，表1為試驗小區(qū)(N0-N6)中施氮含量，每個試驗小區(qū)中央插有易感病且對稻瘟病抗性很差的蒙古稻，7-8月對蒙古稻噴稻瘟病菌，開展稻瘟病試驗，對照組則不接種蒙古稻，試驗田的管理方式按照大田模式進行，最大限度的模擬自然發(fā)病情況。并統(tǒng)計了試驗田的病害率。

病害率(%)=病害株樹/水稻總株數(shù)×100%

試驗區(qū)地理位置、地塊試驗小區(qū)劃分如圖4所示，地塊中白色區(qū)域為人工采樣區(qū)域，采樣區(qū)域按國家標準(1m×1m)進行采樣，十次一組，共計480個；水稻田的RGB與假彩色圖如圖4所示。采集時間：水稻生長中的分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期

表1水稻地塊規(guī)劃

圖4萬昌水稻田原始圖與假彩色圖

2.4無人機載多光譜相機的飛行與采集方式

無人機多光譜影像的獲取會在中午進行，時間選取為上午10點到下午2點之間，在晴朗無云的天氣，保證太陽輻射的充足與穩(wěn)定，而太陽高度角的變化可能會改變光照條件，它會隨著時間的變化而變化，會引起圖像輻射值的誤差，為避免太陽高度角對水稻冠層輻射的誤差，采用太陽高度角計算器，在同一太陽高度角下采集水稻冠層數(shù)據(jù)。采集時風(fēng)力的要求不超過4級，以保證無人機飛行的安全性及云臺的穩(wěn)定性，且航測時，平行的航線，左右相鄰的影像不低于50%的重疊率，在航向的方向上，前后相鄰的影像具有不低于60%的重疊率，以保證圖像拼接的完整性。同時需要考慮禁飛區(qū)域、周邊建筑與電線高度、電磁干擾等環(huán)境因素。無人機在起飛前進行安全檢查，確保設(shè)備的正常運行。

三、結(jié)果與討論

水稻葉片在生長初期，葉綠素的含量與輻射能吸收會呈現(xiàn)很大的相關(guān)性，隨著葉綠素含量的增加，健康的葉片中會充滿了水分而膨脹，對任何輻射能都是一種較好的反射體，因此藍、紅波段的吸收會增強，綠波段的反射率降低，近紅外波段的反射率增強，植被指數(shù)大體呈上升趨勢，而隨著葉綠素含量增加一定程度后，吸收率會近于飽和狀態(tài)，反射率變化較小，植被指數(shù)的變化會變得不明顯；當水稻葉片在被稻瘟病破壞后，水分代謝受到阻礙，其葉內(nèi)組織隨之被破壞，葉片逐漸枯死，葉綠素的含量降低，導(dǎo)致藍、綠、近紅外波段的反射率降低，紅波段的反射率會增加，植被指數(shù)的差異變得明顯。

圖5水稻在不同時間下稻瘟病害程度占比

通過對水稻試驗田做氮脅迫處理后，采集四次試驗田的多光譜影像的植被指數(shù)(RVI、EVI、NDVI、NDRE、GNDVI、BNDVI)結(jié)合水稻冠層的地物光譜儀的標定數(shù)據(jù)進行稻瘟病的動態(tài)監(jiān)測，在分蘗期采集多光譜的植被指數(shù)影像進行稻瘟病等級分析，RVI、NDVI、GNDVI、BNDVI都比較準確；而到了拔節(jié)期，RVI、NDVI的信息能夠?qū)Φ疚敛〉燃売休^好的指示意義，NDRE、GNDVI、BNDVI在判斷是否有病害的情況可以做輔佐手段；在孕穗期，由于水稻生長茂密，葉片覆蓋度較高，RVI、NDVI的指示意義降低，BNDVI的信息具有對水稻試驗田的稻瘟病等級準確的分級，GNDVI、NDRE可作為輔佐判斷病害信息；在灌漿期，NDRE最為準確的反映水稻試驗田的稻瘟病最終病害情況，地塊1，2，3都呈現(xiàn)了水稻試驗田的稻瘟病害情況隨著氮含量的增加，其得病的概率與病的程度成正比，每個地塊中N2與N3試驗田的稻瘟病是由于風(fēng)向(自西南向東北)以及與N5，N6共水渠原因，導(dǎo)致其病害較為嚴重。在整體植被指數(shù)中，EVI的指示意義較低，原因為其大氣與土壤的校正因子與東北寒地不太匹配。

同時將每日的水稻遙感影像結(jié)合最佳植被指數(shù)分析水稻稻瘟病的程度占比，如圖5，其中綠色代表健康水稻，黃色代表輕度患稻瘟病水稻，橙色代表中度病害水稻，紅色代表中度病害水稻，根據(jù)這種動態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，健康水稻所占全部試驗田趨于50%，水稻的感病率在降低，原因是東北地區(qū)隨著季節(jié)的推移，病菌所處的環(huán)境溫度降低，導(dǎo)致其活性降低，且選取的水稻為抗病品種。

對不同時期的遙感影像做植被指數(shù)變換的數(shù)值作為參量代入LDA與決策樹分類模型中，可以較好的對水稻是否感病且病害程度進行分類，可以發(fā)現(xiàn)：在分蘗期的數(shù)據(jù)中，采用LDA結(jié)合GNDVI的效果最好，準確率為97.66%；在拔節(jié)期，采用決策樹結(jié)合NDVI的效果較好，準確率為96.65%；在孕穗期，采用決策樹結(jié)合BNDVI的效果較好，準確率為96.96%；在灌漿期，采用決策樹結(jié)合NDRE的效果最好，準確率為99.90%。

綜上所述，在水稻生長前期，可以采用RVI、NDVI的遙感影像對水稻的生長狀態(tài)做出判斷，而由于葉片對綠色波段的敏感性，GNDVI可作為前期對水稻稻瘟病害判斷的依據(jù)；水稻生長中期，水稻葉片的冠層覆蓋度高，RVI與NDVI的判別會出現(xiàn)誤差，稻瘟病害會破壞水稻葉片內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，藍色波段的敏感性提高，BNDVI可作為中期對水稻稻瘟病病害判斷的依據(jù)，并進行合理性的噴灑農(nóng)藥；而到了水稻生長的后期，受稻瘟病影響，水稻葉片大面積受損，近紅外、紅波段的敏感性大幅度提高，NDRE可作為后期對水稻病害判斷的依據(jù)。以上這貫穿寒地水稻整個生長期在不同階段的不同的植被指數(shù)作為水稻監(jiān)測指標參數(shù)，具有實踐價值。

四、總論

本文主要針對水稻稻瘟病難以大面積監(jiān)測的難題，以無人機載多光譜成像技術(shù)，開展水稻稻瘟病的光譜特性研究，為奠定“智慧農(nóng)業(yè)、精準農(nóng)業(yè)”中的水稻生長和病蟲害檢測服務(wù)。主要開展的工作為：選取適用于水稻光譜識別研究的無人機多光譜成像設(shè)備，依據(jù)水稻葉片冠層的反射原理，獲取了分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期的東北寒地水稻冠層地面光譜數(shù)據(jù)與無人機載遙感影像數(shù)據(jù)，對遙感影像數(shù)據(jù)做大氣校正、幾何校正和幾何裁剪等遙感預(yù)處理后提取光譜信息進行植被指數(shù)的稻瘟病等級的反演。獲得結(jié)論：在水稻生長的分蘗期與拔節(jié)期，采用RVI、NDVI的遙感影像可對水稻的稻瘟病的態(tài)勢做出判斷；在水稻生長的孕穗期，BNDVI可作為中期對水稻稻瘟病病害判斷的依據(jù)；水稻生長的灌漿期，NDRE作為后期對水稻病害判斷的依據(jù)。最后將植被指數(shù)結(jié)合LDA與決策樹分類模型分析后，可以較好識別水稻在不同生長期的稻瘟病的態(tài)勢，實現(xiàn)了對稻瘟病的快速監(jiān)測。

以上研究工作通過光譜學(xué)的探測方法識別東北寒地水稻稻瘟病的態(tài)勢，經(jīng)過對比，用無人機載多光譜成像進行稻瘟病識別可行性很高，不會受較多因素的影響，實驗過程中也可以根據(jù)實驗需要對光譜相機的各個光通道以及內(nèi)部的指標進行調(diào)整，實驗中也可以對不同方位、角度等進行探測，即使參照量不同，獲得的不同遙感圖像也可以作為識別的數(shù)據(jù)源。

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