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基于无人机高光谱技术的蝗虫检测方案  


1  背景与技术原理

肆虐东非和南亚多国的沙漠蝗虫灾害已经持续数月,其影响仍在继续扩大,如果得不到有效控制,侵入我国的可能性极大,国家林业和草原局已高度重视。大规模的沙漠蝗虫会对农业生产造成严重破坏,其繁殖期是防控的关键节点,相比于迁徙的成虫,虫卵在孵化成幼虫的过程中由于无法飞行将持续啃食农作物,造成极大的破坏力。

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鉴于此,对于沙漠蝗虫的检测与提前防控对我国农业具有非常重要的意义。蝗虫卵在孵化前难以通过普通的成像设备捕捉识别,给防控带来极大的难度。但是研究表明,蝗虫成灾前会对植物表征出的光谱特征产生影响,多家研究机构给出了蝗虫数量、分布与该区域植物NDVI指数的关系。因此,通过对区域内植物NDVI指数变化趋势的追踪分析可以准确预测沙漠蝗虫迁徙方向和数量,对于我国有针对性的部署应对举措具有重要的战略意义。


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NDVI指数由待测区域近红外谱段光谱平均反射率和红光谱段光谱平均反射率进行相应数学运算计算得出。无人机高光谱系统由无人机搭载高光谱成像仪及其辅助设备组成,高光谱成像仪可以获取目标区域的成像信息与光谱信息,其光谱分辨率较高能够保证目标谱段平均光谱反射率的计算精度,结合成像信息能够对不同的光谱特性进行定位。相比于卫星遥感高光谱系统和地面高光谱系统,无人机能够保证高光谱成像仪工作在合适的高度,既能够扩大视场提高检测效率又无需考虑大气与云层吸收对光谱采集带来的影响,故最适合应用于蝗虫检测。

2 蝗虫预测/检测方案

我司的高光谱专家团队依据HY-90系列产品做了部分检测和分析,做如下解决方案:

1、根据检测区域和无人机高光谱系统参数合理设计飞行方案,采集检测区域高光谱数据。

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2、根据高光谱数据计算该区域NDVI指数,植被、地面等不同地物会反映出不同的NDVI指数数值,如下图所示,红色表示NDVI为接近1的正值,绿色表示NDVI为接近0的正值,蓝色表示NDVI为负值。NDVI是归一化植被指数,该值在-1到1之间,负值表示水、雪等可见光高反射区域,0表示岩石或裸土,正值表示有植被覆盖,数值的大小可以判断植物的生长状态,通过其细微的变化可以推断蝗虫灾害的发生情况。

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3、将NDVI指数转化为蝗虫灾害爆发可能性或严重程度的指标后与可见光图像进行融合,做可视化显示,输出检测区域内蝗虫灾害爆发可能性和严重程度的分布情况。以下图为例,对图内中间五块实验田进行蝗虫灾害推测结果可视化输出。

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                                     设备系统

我司研制的无人机高光谱系统iSpecHyper系列如下图所示,主要载荷包括高光谱相机、可见光相机、稳定云台、机载控制与数据采集系统、POS系统和机载电源。

本系统中所有探测器和POS模块采用同步触发控制,记录的高光谱数据、可见光照片、姿态信息和GPS信息具有一一对应关系,便于后期几何校正与数据拼接。地面站不仅为机载GPS系统提供差分站以提高精度,还可以远程控制载荷进行各种操作,提升用户体验。

采集的高光谱数据可以处理成反射率进行植被指数计算用于蝗虫迁徙、流行性病虫害、草地贪夜蛾等病虫害趋势的预测和定位。可见光照片可以提供检测区域高清图像,可以用于三维建模、拼接正射影像。

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                                                               无人机高光谱系统技术指标

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