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无人机高光谱技术对林业病虫害监测的可行性分析(一)

无人机高光谱技术对林业病虫害监测的可行性分析(一)

                                        四川双利合谱科技有限公司-黄宇

一、背景简介

   (一)行业简介

    林业是全国生态建设的主体, 在保持经济和社会发展中有着不可或缺的作用,我国拥有森林面积1.75亿公顷,森林蓄积量为124.56亿立方米,森林覆盖率为18.21%。森林病虫害是森林的主要灾害之一,与森林火灾,乱砍滥伐并称为林业三害。在我国,森林病虫害有8000多种,危害极其严重的200多种,近20年来,几乎每年都有3-5种过去多为零星发生的病虫害转为大面积暴发成灾,危害极其严重。每年由于病虫害引起的森林受灾面积达到800hm2 ,损失木材生长量逾1 700m3 ,造成直接经济损失超过1100亿元,严重影响了我国的森林资源利用与可持续发展。因此,迫切需要一种快捷、准确的方法来达到森林病虫害实时监测的目的。

无人机高光谱技术对林业病虫害监测的可行性分析(一)

   (二)行业需求

     1.林业面积广阔,开展林业资源监测、巡查工作,人工成本高,效率低,且无法迅速掌握全局。

     2.对于森林病虫害检测及防治,无法做到药物投放批量化,通过人工实施作业,进度慢,作业面积小,成本高。

     3. 纵观目前国内外森林病虫害监测技术,大多数需要借助高空卫星,然而高空卫星受时间分辨率、空间分辨率、光谱分辨率、外界天气等因素的影响,无法实时、定点获取森林发病前中后等不同时期的影像数据,且因缺少病虫害的特征波段导致监测森林病虫害效果并不理想而航空遥感由于空域管理制度和经费的限制等,航空遥感不可能作为我国常规的森林病虫害监测手段,只能在重大灾情发生时,作为卫星遥感的一种补充。所以有的技术方案基础实施投资太大,多达几百万美元,投入成本过高,这些都难以满足我国森林病虫害监测的实际需要。

无人机高光谱技术对林业病虫害监测的可行性分析(一)

二、高光谱技术诊断病虫害的原理

    植物的光谱特性是植物在生长过程中与环境因子(生物因子和非生物因子)相互作用的综合光谱信息。当植物遭受病虫害侵染后,主要有两种表现形式:一是植物外部形态的变化,外部形态变化包括有落叶、卷叶,叶片幼芽被吞噬,枝条枯萎,导致冠层形状发生变化:二是内部生理变化,内部生理变化则表现于叶绿素组织遭受破坏,光合作用,养分水分吸收、运输、转化等机能衰退。但无论是形态的变化或生理的变化,都必然导致植物光谱特征发生变化。

无人机高光谱技术对林业病虫害监测的可行性分析(一)

    受害绿色植物的光谱特性与健康绿色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。当植物生长健康,处于生长期高峰,叶绿素含量高时,“绿峰”向蓝光方向偏移,而植物因病虫危害或缺素而“失绿”时,“绿峰”则向红光方向偏移。在近红外波段绿色植物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。当植物受病害侵害时,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,植物细胞结构遭到破坏,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(400 nm - 700 nm)反射率升高而近红外区(720 nm - 1100 nm)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蕞大值对应的光谱位置(波长),通常位于680nm-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。由此可见红外波段的光谱特征的变化早于人用肉眼观测到的病虫危害,这对于病虫害的早期调查和测报具有极其重要的意义。

无人机高光谱技术对林业病虫害监测的可行性分析(一)

    1是健康和感病杉木的冠层光谱特征。从图1可以看出,健康杉木冠层的光谱反射率在绿光区域有一个明显的峰区,这是由于在这一波段叶绿素吸收相对较少,因此形成了一个叶绿素的绿色强反射峰区,简称“绿峰”,在视觉上表现为绿色;而在红光区域由于叶绿素强烈吸收辐射能而形成了一个吸收谷,约在680 nm附近达到蕞大,简称“红谷”;近红外区域位于植物的高反射区,与细胞结构有关,是对于病虫害变化蕞敏感的波段,其光谱差异表现也蕞突出。从图上可以看出,随着病情的加重,杉木冠层光谱发生了明显的变化,主要表现为绿光范围内的“绿峰”和红光范围内的“红谷”逐渐消失,红光到近红外陡峭的红边被逐渐拉平,在近红外区域,健康杉木的光谱反射率明显大于感病杉木的光谱反射率。这种在光谱上的差异使得应用地面高光谱遥感技术通过监测受害林木的生物化学参数变化,研究和利用受害林木生物化学参数变化引起的相应光谱特征的变化,可以探测到病虫害的早期危害,定量分析病虫害的危害程度,并为大规模监测森林病虫害的发生情况及发展动向提供了及时、可靠的信息支持。

 

              1不同程度炭疽病胁迫下的杉木冠层光谱特征

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