多光譜、高光譜在作物信息診斷上的應用研究

1  前言

精準農業技術包含信息獲取、信息管理和決策及變量作業3個部分
，其中如何方便、快速
、準確、kekaodihuoquzuowuxinxi，yijingchengweishishijingzhunnongyezuiweiguanjiandewenti。yangfenshenglizhibiaozuoweizuowuneibuzhibiao，yuzuowushengchangdezhuangtaiyijichanliangmiqiexiangguan。rudan、磷
、鉀、鋅等營養元素與作物生長狀態密切相關
，缺少任何一種元素都可能會引起植物的不正常生長
；而氮、葉綠素含量、冠層參數等指標與作物的產量相關
，可以作為作物產量預估指標；當(dang)作(zuo)物(wu)受(shou)到(dao)環(huan)境(jing)脅(xie)迫(po)時(shi)，其(qi)生(sheng)理(li)信(xin)息(xi)和(he)外(wai)部(bu)形(xing)態(tai)都(dou)會(hui)發(fa)生(sheng)改(gai)變(bian)，如(ru)受(shou)到(dao)病(bing)蟲(chong)害(hai)侵(qin)染(ran)時(shi)
，作(zuo)物(wu)會(hui)作(zuo)出(chu)應(ying)激(ji)反(fan)應(ying)產(chan)生(sheng)酶(mei)以(yi)及(ji)某(mou)些(xie)產(chan)物(wu)。因(yin)此(ci)，作(zuo)物(wu)當(dang)中(zhong)一(yi)些(xie)特(te)定(ding)的(de)酶(mei)含(han)量(liang)
、氨基酸含量、蛋白含量的變化反映了作物在逆境中的狀況，可以作為作物逆境脅迫響應指標。目前隨著光譜傳感技術和圖像處理分析技術的日益發展,無人機與光譜軟硬件的結合也越發純熟。在農業
、林業、資源、生態、環境保護等領域都得到了廣泛應用。

作物的光譜特征是環境因子（生物因子和非生物因子）影響的結果。利用光譜和成像技術快速、無損地獲取作物的養分生理信息，間接預估作物的產量以及監測作物長勢與逆境脅迫響應，有助於實現農業精準化、數字化、信(xin)息(xi)化(hua)以(yi)及(ji)智(zhi)能(neng)化(hua)管(guan)理(li)作(zuo)業(ye)。光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)將(jiang)光(guang)譜(pu)分(fen)析(xi)技(ji)術(shu)和(he)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)結(jie)合(he)起(qi)來(lai)
，它(ta)既(ji)能(neng)獲(huo)取(qu)樣(yang)本(ben)的(de)光(guang)譜(pu)信(xin)息(xi)也(ye)能(neng)獲(huo)取(qu)空(kong)間(jian)信(xin)息(xi)，並(bing)且(qie)能(neng)同(tong)時(shi)獲(huo)取(qu)樣(yang)本(ben)的(de)物(wu)理(li)特(te)性(xing)和(he)化(hua)學(xue)特(te)性(xing)。光(guang)譜(pu)圖(tu)像(xiang)通(tong)常(chang)是(shi)三(san)維(wei)（3D）的(de)
，由(you)二(er)維(wei)的(de)空(kong)間(jian)信(xin)息(xi)和(he)一(yi)維(wei)的(de)光(guang)譜(pu)信(xin)息(xi)組(zu)成(cheng)。根(gen)據(ju)波(bo)段(duan)的(de)多(duo)少(shao)，光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)多(duo)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)和(he)高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)。通(tong)常(chang)來(lai)說(shuo)，高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)獲(huo)取(qu)的(de)圖(tu)像(xiang)由(you)大(da)量(liang)連(lian)續(xu)的(de)波(bo)段(duan)（幾十個或幾百個）組成，而多光譜成像技術的圖像由一係列離散的波段（一般少於10個）組成。

高gao光guang譜pu圖tu像xiang的de光guang譜pu分fen辨bian率lv更geng高gao，能neng夠gou更geng好hao地di獲huo取qu樣yang本ben的de信xin息xi
，對dui於yu監jian測ce作zuo物wu信xin息xi精jing度du更geng高gao。然ran而er，由you於yu高gao光guang譜pu圖tu像xiang通tong常chang攜xie帶dai有you大da量liang的de信xin息xi
，因yin此ci需xu要yao對dui數shu據ju進jin行xing降jiang維wei，去qu除chu冗rong餘yu信xin息xi。高gao光guang譜pu成cheng像xiang技ji術shu也ye有you它ta的de局ju限xian性xing，如ru成cheng本ben高gao，處chu理li速su度du慢man等deng。因yin此ci，高gao光guang譜pu成cheng像xiang技ji術shu主zhu要yao用yong於yu基ji礎chu研yan究jiu。相xiang比bi高gao光guang譜pu成cheng像xiang技ji術shu，多duo光guang譜pu成cheng像xiang技ji術shu更geng適shi合he田tian間jian的de大da麵mian積ji監jian測ce。

2  植被指數

植被指數是一類具有一定生化意義的不同波段光譜值的組合
，通常有比值植被指數、線性組合植被指數、修正植被指數、差值植被指數等。不同波段組合的植被指數對於不同指標預測效果不同。在農業上，基於光譜技術檢測作物生理指數的波段範圍一般在400～2 500 nm之間，涉及到色素（葉綠素、類胡蘿卜素等）

、氮、水分等吸收和葉片細胞的內部結構。在400～740 nm 可見光波段，葉綠素在480
、650、670～680、740 nm 處有吸收峰
，類胡蘿卜素在 420、425、440
、450
、470、480 nm均有吸收峰，葉黃素在 425
、445、475 nm 有吸收峰。而在 740～1 300 nm 近紅外波段由於健康的葉肉細胞反射作用，其反射率急劇升高
；作物水分的吸收峰主要集中在970、1 450、1 944 nm 處。因此當作物受到脅迫作用時，相應的氮
、色素
、酶等發生變化，通過應用各種植被指數監測這些生理指標變化
，可判斷作物脅迫情況、生sheng長chang狀zhuang況kuang以yi及ji產chan量liang情qing況kuang。然ran而er，多duo光guang譜pu隻zhi有you區qu區qu幾ji個ge波bo段duan，雖sui然ran能neng構gou建jian一yi些xie植zhi被bei指zhi數shu，但dan是shi構gou建jian的de植zhi被bei指zhi數shu未wei必bi能neng反fan映ying作zuo物wu的de生sheng理li生sheng化hua信xin息xi及ji長chang勢shi狀zhuang態tai。高gao光guang譜pu則ze不bu同tong，其qi數shu百bai上shang千qian個ge波bo段duan信xin息xi，即ji使shi同tong一yi植zhi被bei指zhi數shu，也ye能neng有you成cheng千qian上shang萬wan種zhong組zu合he，而er這zhe麼me多duo種zhong組zu合he以yi及ji這zhe麼me多duo的de植zhi被bei指zhi數shu，總zong能neng找zhao到dao適shi合he監jian測ce作zuo物wu的de生sheng理li生sheng化hua信xin息xi及ji長chang勢shi狀zhuang態tai的de敏min感gan指zhi數shu。

圖1 無人機高光譜影像下作物長勢分布圖

3  養分指標檢測

氮dan和he葉ye綠lv素su類lei含han量liang是shi作zuo物wu重zhong要yao的de養yang分fen指zhi標biao
，與yu作zuo物wu產chan量liang密mi切qie相xiang關guan。基ji於yu光guang譜pu和he成cheng像xiang技ji術shu作zuo物wu養yang分fen信xin息xi的de獲huo取qu根gen據ju是shi否fou直zhi接jie利li用yong光guang譜pu信xin息xi可ke分fen為wei基ji於yu直zhi接jie光guang譜pu信xin息xi作zuo物wu養yang分fen信xin息xi快kuai速su獲huo取qu（如逐步多元回歸、偏最小二乘、權重係數

、支持向量機等）和(he)基(ji)於(yu)植(zhi)被(bei)指(zhi)數(shu)作(zuo)物(wu)養(yang)分(fen)信(xin)息(xi)快(kuai)速(su)獲(huo)取(qu)。基(ji)於(yu)直(zhi)接(jie)光(guang)譜(pu)信(xin)息(xi)作(zuo)物(wu)養(yang)分(fen)獲(huo)取(qu)即(ji)通(tong)過(guo)原(yuan)始(shi)光(guang)譜(pu)處(chu)理(li)建(jian)模(mo)檢(jian)測(ce)作(zuo)物(wu)養(yang)分(fen)信(xin)息(xi)，而(er)基(ji)於(yu)植(zhi)被(bei)指(zhi)數(shu)的(de)養(yang)分(fen)檢(jian)測(ce)是(shi)通(tong)過(guo)建(jian)立(li)植(zhi)被(bei)指(zhi)數(shu)與(yu)養(yang)分(fen)的(de)模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。

圖2 無人機高光譜影像作物葉綠素a分布

圖3 無人機高光譜影像作物氮素分布

4  水分脅迫監測

tongguoguangpuhechengxiangjishuduizuowushuifenxiepoxinxijinxingkuaisuhuoqu

，youliyuzuowufeishuiguanlidejingzhunhuakongzhi。yanjiuzhezhangxiaodongdengyingyongleduoguangpuchengxiangjishuhegaoguangpujishuyanjiushuifenxiepoxiayoucaiyepiandehanshuilv。jiyugaoguangpujianlidemoxingyucejieguoyouyujiyuduoguangpuchengxiangjianlidemoxing。

圖4  WBI 指數變化（WBI 值越大，植物含水量越高，越利於植物生長）

5  病害脅迫監測

zaoqizuowubingchonghaizhenduanduikexuefangzhibingchonghai，baozhengzuowuchanliangjuyouzhongyaoyiyi。muqian
，bingchonghaizhenduankefenweizhijiefangfahejianjiefangfa。zhijiefangxiangzhuyaoshiyihuaxuefenxifangfaweizhu，

包含聚合酶鏈反應
、DNA 陣列等方法。而間接方法主要是以電子鼻、光譜儀等為主的傳感器技術。光譜和成像技術是一種病蟲害診斷的快速、無損
、有效檢測技術。當作物受到病蟲害脅迫時，作物內部的生理指標以及外部形態均會發生變化，在光譜和成像技術上以光譜響應與紋理、顏色等特征呈現。因此，光譜和成像技術通過分析某一波段或者多個波段光譜以

及作物圖像信息對作物病蟲害脅迫作出診斷。此外，用於診斷病蟲害的植被指數主要有歸一化植被指數、綠色歸一化植被指數、比值植被指數
、光化學反射
、葉片水分植被指數1、水分指數

、水分波段指數等。

圖5 病害脅迫，越黃發病越嚴重，越綠發病越輕

6  綜述

盡管多光譜、高光譜技術已經成為精準農業信息獲取中關鍵技術
，然而仍存在一些問題。

1）基於光譜成像技術作物指標檢測模型的穩健性
、傳遞性不高。由於受到作物生理因素（品種、生長階段等）、環境因素（光照、土壤
、溫度

、降水等）、檢測參數、田間管理因素（灌溉、施肥等）
、指標之間互相幹擾等因素影響
，作物指標模型很難涵蓋適用所有情況。

2）針對作物脅迫水平的診斷仍存在問題。由於作物病蟲害、雜草、水分等脅迫沒有統一的評價指標
，很難建立定量診斷模型。

農作物生理信息的感知和獲取，已經在農業生產、決jue策ce和he作zuo物wu生sheng長chang狀zhuang態tai的de檢jian測ce中zhong發fa揮hui了le重zhong要yao的de作zuo用yong，已yi成cheng為wei精jing準zhun農nong業ye和he農nong業ye信xin息xi化hua發fa展zhan的de重zhong要yao內nei容rong。在zai精jing準zhun農nong業ye中zhong，快kuai速su無wu損sun地di獲huo取qu農nong作zuo物wu養yang分fen生sheng理li信xin息xi（氮
、葉綠素類、蛋白類

、酶類等）仍是農業生產的精準管理和作業研究的重點和難點
，相關方法和技術的突破，對實現農業的精準化
、數字化、信息化和智能化管理和作業具有重要意義。