基于無人機(jī)高光譜技術(shù)的蝗蟲檢測(cè)方案

肆虐東非和南亞多國(guó)的沙漠蝗蟲災(zāi)害已經(jīng)持續(xù)數(shù)月，其影響仍在繼續(xù)擴(kuò)大，如果得不到有效控制，侵入我國(guó)的可能性極大，國(guó)家林業(yè)和草原局已高度重視。大規(guī)模的沙漠蝗蟲會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重破壞，其繁殖期是防控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，相比于遷徙的成蟲，蟲卵在孵化成幼蟲的過程中由于無法飛行將持續(xù)啃食農(nóng)作物，造成極大的破壞力。鑒于此，對(duì)于沙漠蝗蟲的檢測(cè)與提前防控對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)具有非常重要的意義?；认x卵在孵化前難以通過普通的成像設(shè)備捕捉識(shí)別，給防控帶來極大的難度。但是研究表明，蝗蟲成災(zāi)前會(huì)對(duì)植物表征出的光譜特征產(chǎn)生影響，多家研究機(jī)構(gòu)給出了蝗蟲數(shù)量、分布與該區(qū)域植物NDVI指數(shù)的關(guān)系。因此，通過對(duì)區(qū)域內(nèi)植物NDVI指數(shù)變化趨勢(shì)的追蹤分析可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)沙漠蝗蟲遷徙方向和數(shù)量，對(duì)于我國(guó)有針對(duì)性的部署應(yīng)對(duì)舉措具有重要的戰(zhàn)略意義。

NDVI指數(shù)由待測(cè)區(qū)域近紅外譜段光譜平均反射率和紅光譜段光譜平均反射率進(jìn)行相應(yīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算計(jì)算得出。無人機(jī)高光譜系統(tǒng)由無人機(jī)搭載高光譜成像儀及其輔助設(shè)備組成，高光譜成像儀可以獲取目標(biāo)區(qū)域的成像信息與光譜信息，其光譜分辨率較高能夠保證目標(biāo)譜段平均光譜反射率的計(jì)算精度，結(jié)合成像信息能夠?qū)Σ煌墓庾V特性進(jìn)行定位。相比于衛(wèi)星遙感高光譜系統(tǒng)和地面高光譜系統(tǒng)，無人機(jī)能夠保證高光譜成像儀工作在合適的高度，既能夠擴(kuò)大視場(chǎng)提高檢測(cè)效率又無需考慮大氣與云層吸收對(duì)光譜采集帶來的影響，故最適合應(yīng)用于蝗蟲檢測(cè)。我司的高光譜專家團(tuán)隊(duì)依據(jù)HY-90系列產(chǎn)品做了部分檢測(cè)和分析，做如下解決方案：

1、根據(jù)檢測(cè)區(qū)域和無人機(jī)高光譜系統(tǒng)參數(shù)合理設(shè)計(jì)飛行方案，采集檢測(cè)區(qū)域高光譜數(shù)據(jù)。

2、根據(jù)高光譜數(shù)據(jù)計(jì)算該區(qū)域NDVI指數(shù)，植被、地面等不同地物會(huì)反映出不同的NDVI指數(shù)數(shù)值，如下圖所示，紅色表示NDVI為接近1的正值，綠色表示NDVI為接近0的正值，藍(lán)色表示NDVI為負(fù)值。NDVI是歸一化植被指數(shù)，該值在-1到1之間，負(fù)值表示水、雪等可見光高反射區(qū)域，0表示巖石或裸土，正值表示有植被覆蓋，數(shù)值的大小可以判斷植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，通過其細(xì)微的變化可以推斷蝗蟲災(zāi)害的發(fā)生情況。

3、將NDVI指數(shù)轉(zhuǎn)化為蝗蟲災(zāi)害爆發(fā)可能性或嚴(yán)重程度的指標(biāo)后與可見光圖像進(jìn)行融合，做可視化顯示，輸出檢測(cè)區(qū)域內(nèi)蝗蟲災(zāi)害爆發(fā)可能性和嚴(yán)重程度的分布情況。以下圖為例，對(duì)圖內(nèi)中間五塊實(shí)驗(yàn)田進(jìn)行蝗蟲災(zāi)害推測(cè)結(jié)果可視化輸出。

設(shè)備系統(tǒng)

我司研制的無人機(jī)高光譜系統(tǒng)iSpecHyper系列如下圖所示，主要載荷包括高光譜相機(jī)、可見光相機(jī)、穩(wěn)定云臺(tái)、機(jī)載控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、POS系統(tǒng)和機(jī)載電源。

本系統(tǒng)中所有探測(cè)器和POS模塊采用同步觸發(fā)控制，記錄的高光譜數(shù)據(jù)、可見光照片、姿態(tài)信息和GPS信息具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，便于后期幾何校正與數(shù)據(jù)拼接。地面站不僅為機(jī)載GPS系統(tǒng)提供差分站以提高精度，還可以遠(yuǎn)程控制載荷進(jìn)行各種操作，提升用戶體驗(yàn)。

采集的高光譜數(shù)據(jù)可以處理成反射率進(jìn)行植被指數(shù)計(jì)算用于蝗蟲遷徙、流行性病蟲害、草地貪夜蛾等病蟲害趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和定位?？梢姽庹掌梢蕴峁z測(cè)區(qū)域高清圖像，可以用于三維建模、拼接正射影像。

無人機(jī)高光譜系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

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審核編輯 黃昊宇