基于無人機的丘陵果園病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)研究*

荊懷龍，楊 簫，于曉鵬，張 睿

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

近年來，果樹種植業(yè)增長較快，民眾對水果產(chǎn)品的需求越來越旺盛。丘陵地貌獨特的氣候條件，更有利于果樹生長。然而，在果樹生長過程中，環(huán)境等因素的變化會導致果樹出現(xiàn)病蟲害的現(xiàn)象，這不僅會降低種植戶的收益，而且會導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)滯后發(fā)展，及時有效地對果園的墑情進行監(jiān)測并提供預警，有利于控制果園病蟲害的發(fā)展，最大限度地減少經(jīng)濟損失，提高經(jīng)濟效益[1]。目前，主要采用人工普查的方法來發(fā)現(xiàn)果園中的病蟲害，其勞動強度大，并且耗費財力，普查效率低下。無人機載高光譜相機具有成本低、全天候、高效率、起降方便、方便作業(yè)等優(yōu)勢，近年來被廣泛應用到果樹種植業(yè)中。

1 解決方案

課題組基于以上需求及問題，設計了一種適應丘陵果園的飛行系統(tǒng)，使無人機更加能適應丘陵地區(qū)飛行環(huán)境，可實現(xiàn)對丘陵果園內(nèi)果樹無死角的監(jiān)測。將無人機與高光譜成像技術相結合，包含被測目標的光譜數(shù)據(jù)和外部空間圖像信息，能實現(xiàn)對果樹病蟲害類型的精準監(jiān)測，提高果樹病蟲害監(jiān)測技術水平。

2 試驗材料及圖像的獲取

選取丘陵部分地區(qū)已發(fā)生病蟲害的紅富士蘋果園為試驗研究對象，利用無人機載高光譜相機實現(xiàn)圖像的獲取。高光譜成像使用成像光譜儀收集光譜信息，該設備也稱為高光譜相機。使用高光譜相機可測量成千上萬的光譜，而不是單個光譜，所收集的光譜以每個圖像像素包括完整光譜的方式形成目標的圖像。這樣就可以根據(jù)頻譜以及位置獲得有關問題的答案[2]。

對蟲害果園進行低空掃描，文獻[3]提出了一種新型滾動式掃描成像系統(tǒng)，選用的掃描方式為新型滾動式。新型滾動式的基本工作原理：先把高光譜相機固定在滾筒的表面上，跟隨滾筒進行緩慢轉動，為了維持滾筒在轉動過程中的重量平衡，選取與高光譜相機同等重量的普通相機固定在滾筒的另一側，即以滾筒的中心軸為對稱軸，設置在滾筒的表面，高光譜相機能在滾動過程中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取，如圖1所示。

圖1 新型滾動式掃描成像系統(tǒng)

3 高光譜成像技術

高光譜成像技術是光譜技術與成像技術相結合的產(chǎn)物。它可對光譜和丘陵果園二維幾何的空間信息和地面一維光譜信息進行采集分析與處理，從而獲取高光譜分辨率[4]的連續(xù)、窄波段的丘陵果園的高光譜圖像數(shù)據(jù)。高光譜圖像數(shù)據(jù)是由連續(xù)波段對應下的許多單波段圖像組成[5]，它又被稱為三維數(shù)據(jù)塊，其中X軸、Y軸為高光譜圖像的空間信息，Z軸為波長信息。本文所選用的成像設備的光譜范圍為400 nm～1 000 nm，共有1 024個波段[6]。

4 高光譜圖像數(shù)據(jù)處理方法

4.1 光譜的校正

設備中的暗電流及光照強度不均勻會對高光譜圖像產(chǎn)生噪聲影響，為防止此影響，需要對采集的高光譜圖像進行黑白板校正，按照公式（1）計算可得到校正后的圖像R[7]。

式中：IS為采集的原始高光譜圖像；ID為黑板校正后的圖像；IW為白板校正后的圖像；R為校正后的高光譜圖像。

4.2 圖像的分割與紋理特征

圖像處理最重要的步驟之一就是圖像分割，采用圖像分割可以消除背景和噪聲。采用常用的閾值分割法[8]，可以較為簡便地進行計算與分析。紋理特征可以反映果樹表面的細節(jié)和灰度變化。果樹在發(fā)生病蟲害時，樹葉和果實的顏色、所受光照強度會發(fā)生變化，根據(jù)圖像分割出的病蟲害位置，提取其周圍圖像80 像素×65 像素大小的區(qū)域進行紋理特征分析[9]。文獻[7]分析研究了在MATLAB 中計算4 個共生矩陣紋理特征，參考其分析與研究方法，取距離為1，角度分別為0°、45°、90°和135°作類似取值。4 個共生矩陣變化趨勢相同，所以選取0°方向的紋理特征計算結果，如圖2～圖5所示[10]。

圖2 能量值（Energy value）

圖3 熵（Entropy）

圖4 慣性矩（Moment of intertia）

圖5 相關性（Relevance）

其中，在選取的21 個樣本中，前11 個為病蟲害樣本，后10 個為正常果樹樣本。根據(jù)圖2 可知，蟲害果樹的能量值與正常果樹的能量值有重疊，正常果樹的平均能量值高于蟲害果樹的平均能量值，這一判斷依據(jù)紋理特征，可得出紋理越粗能量值就越大，反之則小，而正常果樹的能量值大于蟲害果樹的能量值。根據(jù)圖3，蟲害果樹的熵值大于正常果樹，紋理越粗，熵值越大。根據(jù)圖4，蟲害果樹與正常果樹的慣性矩值相當，因為蟲害果樹與正常果樹紋理具有相同的清晰特性。根據(jù)圖5，蟲害果樹的相關值低于正常果樹的相關值，因為所研究的對象分布不均勻，所以相關值有差別，分布均勻程度越高，相關值就越大，反之則小。正常果樹紋理分布均勻，而蟲害不均勻，所以蟲害果樹的相關值低于正常果樹的相關值。以上就能判斷果樹哪部分發(fā)生了病蟲害。

5 無人機在丘陵地形的飛行的關鍵技術研究

無人機的飛行控制問題是無人機飛行控制研究領域主要問題之一，在飛行過程中無人機會受到各種干擾。嚴重影響無人機飛行的穩(wěn)定狀態(tài)的因素有很多，如地形、強風、不穩(wěn)定氣流、噪聲、安全航程及周邊環(huán)境等等。傳統(tǒng)的控制方式主要集中于對速度、航向、位置、軌跡和高度的控制。選用多旋翼無人機的控制方法，將控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等模塊安裝于無人機上，通過實時比對無人機在果園中的飛行位置與姿態(tài)，將數(shù)據(jù)信息、飛行參數(shù)數(shù)據(jù)信息及無人機周圍氣流擾動數(shù)據(jù)信息等各數(shù)據(jù)信息進行綜合處理，同時在實際飛行作業(yè)中實時接收無人機回傳的位置坐標，使無人機更適應丘陵地區(qū)飛行。相較于平原地區(qū)，丘陵地區(qū)地勢起伏不便于無人機的穩(wěn)定飛行，這就會對無人機在丘陵的復雜地形獲取影像產(chǎn)生影響，要實現(xiàn)高光譜圖像的獲取，達到對果園病蟲害的監(jiān)測效果，有必要對無人機的飛行航線進行系統(tǒng)設計?；诖?，通過研究影響無人機載高光譜相機成像質(zhì)量的因素，設計出優(yōu)質(zhì)的航線。

5.1 航線設計主要參數(shù)

在無人機航線的設計中要確定圖像的分辨率、相對的航高、攝影的基線等必要的參數(shù)，其航高、基線、間隔計算公式分別如下：

式中，H為航高，m；f為焦距，mm；a為尺寸，mm；GSD 為分辨率，m；S1為基線，m；S2為間隔，m；θ1、θ2為航向角、視場角，°；A1、A2為航向度、重疊度。

5.2 航線設計的主要步驟

第一，根據(jù)丘陵果園的面積分布，對果園待測區(qū)進行劃區(qū)，確定劃區(qū)基準面的高程。第二，確定測得圖像的分辨率，選擇滿足要求的高光譜相機。第三，考慮重疊度影響。第四，根據(jù)前面談到的航線設計影響因素進行設計。第五，根據(jù)前三步求取的值設計出無人機在丘陵果園飛行的整個飛行航線。

5.3 航線優(yōu)化

無人機飛行航線在設計完成后還需要對其優(yōu)化。丘陵地區(qū)的地形起伏會對無人機航線的分辨率、重疊度產(chǎn)生影響，避免這一影響可選用焦距較長的鏡頭和高像素的高光譜相機克服其影響。無人機航線的網(wǎng)布點根據(jù)航線對每段設計平高點。并根據(jù)所選區(qū)域范圍、劃定提供的劃區(qū)所有的平均面高程來開展多旋翼無人機的航線設計，確保航攝區(qū)域的高差不超過航高的17%，以達到航線的最優(yōu)設計[3]。

5.4 航線設計

航線綜合考慮了各種因素，并且進行了優(yōu)化，以增強穩(wěn)定性、安全性。對于地形起伏較大、重疊度、有噪聲或強風的區(qū)域選用高像素、長焦距的相機。這能克服環(huán)境影響以獲取高質(zhì)量的高光譜圖像。通過對相對行高的計算設計平高點，使無人機飛行不偏移，始終保持飛行在一條基線上。

6 結論

1）以無人機搭載的高光譜相機作為果樹病蟲害監(jiān)測設備，利用高光譜成像技術，針對在丘陵地區(qū)果樹種植過程中出現(xiàn)的對相關病蟲害預防難、監(jiān)測效率低等問題，提出了對丘陵果園病蟲害監(jiān)測的系統(tǒng)方案。通過高光譜相機成像，先是對光譜的校正，然后是對圖像的分割處理，之后分析紋理特征，根據(jù)蟲害區(qū)域與正常區(qū)域的光譜曲線，蟲害果樹與正常果樹的能量值、熵值、相對值有明顯差異，可判斷果樹哪一部分發(fā)生了病蟲害。

2）本文還利用無人機可全天候監(jiān)測、方便、高效率、高靈活的優(yōu)勢，設計無人機在丘陵地區(qū)的能穩(wěn)定飛行的航線，確保其實現(xiàn)對果園病蟲害的有效監(jiān)測。

3）由于果樹類別繁多，試驗只針對患有病蟲害果樹與正常果樹進行識別與監(jiān)測，對于繁多的病蟲害類型還不能精準判斷。在接下來的研究中將探究病蟲害圖譜數(shù)據(jù)庫，以達到既能精準監(jiān)測又能精準識別的目的。