基于高光谱遥感技术的农作物病虫害应用研究现状_罗红霞

基于高光谱遥感技术的农作物病虫害应用研究现状罗红霞，阚应波，王玲玲，方纪华，戴声佩（海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室/中国热带农业科学院科技信息研究所，海南儋州571737）摘要：近年来，随着信息技术的迅猛发展，高光谱遥感作为一种快速监测手段已经被广泛应用于农业病虫害监测中，高光谱遥感在农业中主要的应用领域之一。

通过分析近5年来高光谱技术在农作物病虫害研究情况，阐述了应用高光谱遥感技术进行农作物病虫害监测的原理，主要从原始光谱的导数变换及对数变换、光谱位置和面积的特征参数提取、光谱吸收特征参数提取、基于连续同去除的特征参数提取4种方法回顾了国内外应用高光谱进行农作物病虫害监测的研究进展，在此基础上，总结了高光谱遥感技术应用于农作物病虫害监测亟待解决的问题及相应的解决途径。

关键词：高光谱；病虫害监测；农作物；监测中图分类号：S127文献标识码：A文章编号：1004-874X（2012）18-0076-05Hyperspectral remote sensing for crop diseases and pest dectectionLUO Hong-xia,KAN Ying-bo,WANG Ling-ling,FANG Ji-hua,DAI Sheng-pei(Key Laboratory of Practical Research on Tropical Crops Information Technology In Hainan/Institute of Scientific and Technical Information,China Academy of Tropical Agricultural Sciences,Danzhou571737,China)Abstract:With the advances in electronic and information technologies,Hyperspectral remote sensing have been developed for crop diseases and pest detecting around the world.Hyperspectral remote sensing for crop diseases and pest detection included two aspects which were canopy spectral detection and Hyperspectral image.This paper describes the principle of the application of hyperspectral in monitoring crop diseases and pest in detail,then summarizes the research progresses at home and abroad area,including spectral derivation,feature parameter extraction based on spectral areas and wavelengths’position,spectral absorption feature parameters extraction,and feature parameter extraction based on continuum removal four aspects.At the end,some of the problems and solutions on the use of hyperspectral remote sensing for crop diseases and pest dectecting are also discussed.Key words:hyperspectral remote sensing;diseases and pests;crop;monitoring作物病虫害是农业生产的主要障碍，是限制作物产量的主要因素之一，同时也是制约优质、高效益农业持续发展的主导因素之一[1-2]。

尽早发现农作物病虫害，并掌握病虫害的发生发展过程中的特点，对提高农作物产量，减少因病虫害对农业生产造成经济损失有较为重要的作用。

传统的作物病虫害监测方法因为受到当时生产条件及科技水平的限制，只能在实地采用人工自测或者手查等方法进行；这些监测方法不仅费时费力，而且效率较低，其获取信息的滞后性也严重影响了对农作物病虫害预报的准确率，给农业生产造成了不可估量的损失。

遥感技术以其方便、快捷、实时性、周期性等优点，越来越广泛应用于农业生产各个环节当中，并逐渐成为农业遥感应用的重要前沿技术手段之一[3]。

高光谱遥感又称成像遥感，主要是指在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区域获取许多非常窄且光谱连续的图像数据技术，高光谱遥感技术的出现也使得采用遥感技术监测农作物病虫害成为可能；高光谱遥感技术能准确获得作物病虫害发生、发展的定性和定量空间分布信息，为农业生产决策者在病虫害未对农作物造成严重危害时采取一定的预防措施提供数据支撑。

也为农业生产管理部门政策实施提供科学支持。

1高光谱进行病虫害监测的原理高光谱分辨率高，并具有波段多、信息量丰富的特点。

其数据是3维图谱形式———空间信息、辐射信息和光谱维信息，其中光谱维的信息正是普通光学遥感所欠缺的。

采用高光谱技术进行农业病虫害监测主要是利用其光谱维的相关信息对感染病虫害的农作物进行分析研究。

农作物光谱维方向的特征信息主要集中在作物叶片中生物化学成分的变化而形成的吸收波形处，通过对采集的作物光谱数据进行相关的处理分析，可以反映出作物内部物质的吸收波形变化，即作物的各种生化组分的吸收光谱信息[4-5]。

作物受到病虫害感染后会呈现许多的症状，诸如卷叶、叶片枯萎、作物矮小、叶片大面积凋落以及影响作物的正常光合作用等[6]，而这些特征的出现也会导致感染病虫害的农作物光谱特征的改变。

一般健康的植物其光谱曲线总是呈现明显的“峰和谷”特征[7-8]，当作物发生病虫害时，其光谱特征会出现在可见光区域的作物反射率明显上升，而在近红外区域其反射率明显下降的现象。

基于此种变化也使得应用高光谱实施监测病害作物成为可能。

收稿日期：2012-07-25基金项目：海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室开放基金（rdzwkfjj014）；国家星火计划项目（2011GA800001）；2012年“三电合一”农业信息服务项目；中国热带农业科学院院本级中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（1630022012018）作者简介：罗红霞（1985-），女，硕士，研究实习员，E-mail：12008 1008@通讯作者：阚应波（1970-），男，副研究员，E-mail：ybkan0625@ 广东农业科学2012年第18期76为了研究作物吸收反射光谱的特征，通常情况下是通过提取作物光谱的一些特征参数，达到增强有用信息而抑制无用信息的目的，并以这些参数来鉴别目标物的各组分及模拟、反演它的生物物理、化学参数进行病虫害的监测。

本文主要针对目前国内外常用的光谱变换及特征提取参数的方法主要有原始光谱的导数变换及对数变换、光谱位置和面积的特征参数提取、光谱吸收特征参数提取、基于连续同去除的特征参数提取4种方法研究现状进行总结回顾。

2地面高光谱技术应用于农业病虫害监测的研究现状2.1导数变换及对数变换导数变换是最常用的高光谱变换形式之一，通过导数变换可以减弱或消除背景及大气散射的影响，并提高不同吸收特征的对比度。

在实际分析处理过程中，鉴于实际光谱数据的离散型，导数变换一般是用差分方法来进行近似计算[9]。

一阶导数光谱：ρ＇（λi）＝dρ（λi）ρλ＝ρ（λi＋1）－ρ（λi－1）2△λ二阶导数光谱：ρ＂＝d2ρ（λi）ρλ2＝ρ＇（λi＋1）－ρ＇（λi－1）2△λ＝ρ（λi＋2）－2ρ（λi）＋ρ（λi－1）4（△λ）2式中，λi是波段i的波长值，ρ（λi）是波长λi的光谱值（如反射率、透射率），△λ是波长λi－1到λ的差值。

一阶导数可以部分消除线性和二次型背景噪声光谱；二阶导数光谱可以完全消除线性噪声光谱影响，能基本消除二次型背景噪声光谱。

对数变换一般是对原始光谱反射率ρ直接求对数lgρ或求ρ倒数的对数lg（1/ρ），原始光谱经lg（1/ρ）变换可以反映作物的吸收特征，称为伪吸收数。

由于在可见光区域一般植被原始光谱反射率值较低，经对数变换之后，不仅可以增强可见光区域的光谱差异，而且还能减少因光照条件变化引起的乘性因素影响。

通常情况下，对数变换可以和导数变化一起使用，可以同时达到增强某些特定的光谱信息而消除背景噪声光谱的作用。

黄敬峰等[10]对健康水稻和受病虫害胁迫的水稻进行一阶导数光谱和二阶导数光谱分析研究，以期获得不同数据形式的光谱敏感区域和敏感波段。

研究表明，蓝光450~515nm、绿光550~590nm、红光650~690nm和近红外725~790nm一阶导数光谱对病虫害胁迫敏感，其中以750nm为中心的近红外区域一届倒数光谱变异最大；对于二阶导数而言，在530、550、670、730nm等4个吸收特征区域内，CRSSDR在各个区域内的变异较小，受害水稻叶片原始光谱二阶导数的光谱在710～750nm极小值远小于健康叶片。

乔红波等[11-12]利用光谱微分技术，对受麦蚜、白粉病危害的小麦反射率求一阶导数，得到红边斜率，结果表明：麦蚜、白粉危害后，小麦冠层的红边斜率在近红外波段（650～780nm）发生剧烈变化；采用一阶微分、对数数据变换方法对感染白粉病、条锈病人工接种诱发和麦长管蚜自然危害条件下的冬小麦进行了光谱研究识别，通过对比分析表明采用对数-微分变换处理比其他方法能较好地识别冬小麦病虫害情况。

导数变换及对数变换能较好消除土壤低频背景噪声，提高应用高光谱技术实施作物病虫害监测的精度。

导数变换及对数变换能较好地消除土壤低频背景噪声对光谱特征信息的影响，提高应用高光谱技术实施农作物病虫害监测的精度。

但研究中较少有针对同一作物不同病害的文献，而且在分析农作物光谱特征是较少考虑病虫害对作物体内生理变化的影响。

如果能够建立感染病虫害的农作物与其对应生理参数的模型，将会更有助于高光谱遥感技术应用于农作物病虫害研究中的定量化发展。

2.2基于光谱位置和面积的特征参数在导数变换的基础上，可以提取基于光谱位置和面积的特征参数，其中基于光谱位置的参数主要包括“红边”、“蓝边”、“黄边”（称为“三边”），是指在一定光谱区域内最大一阶导数值所在波长位置几位相应的“边”位置，区域内所有波段的一阶导数值的综合即为相应的面积。