Ecodrone® 多傳感器無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于果樹表型研究

易科泰光譜成像與無人機(jī)遙感技術(shù)研究中心基于自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的專業(yè)多旋翼無人機(jī)遙感平臺(tái)，引進(jìn)國(guó)際光譜成像傳感器技術(shù)，包括芬蘭Specim高光譜成像、法國(guó)YellowScan激光雷達(dá)、多光譜成像、紅外熱成像、RGB成像、激光測(cè)距等多種傳感器技術(shù)，推出系列多傳感器無人機(jī)遙感系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)觀測(cè)提供無人機(jī)遙感與近地遙感全面解決方案。

方案一：Ecodrone^® UAS-4/4Pro輕便型無人機(jī)遙感平臺(tái)

? 可同時(shí)搭載多光譜成像、Thermo-RGB成像，或多光譜成像與激光雷達(dá)

?  多光譜成像地面分辨3.4cm@50mAGL

?  科研級(jí)Thermo-RGB成像：640512像素

?  可直接得出數(shù)十種VI（植物光譜反射指數(shù)）、標(biāo)準(zhǔn)化冠層溫度、CWSI（水分脅迫指數(shù)）等

? 自主UAS-4平臺(tái)，榮獲第24屆中國(guó)楊凌農(nóng)業(yè)高新科技成果博覽會(huì)“后稷獎(jiǎng)"

方案二：Ecodrone^® UAS-8高分辨率高光譜-紅外熱成像無人機(jī)遙感平臺(tái)

?  搭載AFX高光譜成像及紅外熱成像

?  厘米級(jí)地面分辨率

?  單航帶寬36m @50m AGL；

?  科研級(jí)Thermo-RGB成像：640×512像素

?  可直接得出90多個(gè)VI（植物光譜反射指數(shù)）、F（葉綠素?zé)晒猓?biāo)準(zhǔn)化冠層溫度、CWSI等

?  榮獲2020年檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證認(rèn)可行業(yè)年度風(fēng)云榜“儀器設(shè)備新銳產(chǎn)品"

方案三：Ecodrone^® UAS-8 Pro一體式高光譜-紅外熱成像-激光雷達(dá)無人機(jī)遙感平臺(tái)

?  Ecodrone^®-LiHT ( LiDAR，Hyperspectral and Thermal remote sensing)，集高光譜-紅外熱成像-激光雷達(dá)于一體，或高光譜-激光雷達(dá)

? AFX高光譜成像傳感器，高分辨率、高信噪比、高幀頻、高分辨率、高靈敏度

?  Thermo-RGB傳感器，640×512像素，測(cè)溫靈敏度可達(dá)0.03℃

?  高密度三維點(diǎn)云，最高精確度0.5cm，最高回波15次，50m飛行高度點(diǎn)云密度700pts/m²

?  大范圍（景觀水平)、高空間分辨率（厘米級(jí))同步觀測(cè)植被結(jié)構(gòu)功能

以下為多傳感器無人機(jī)遙感技術(shù)在果樹表型研究中的應(yīng)用案例：

應(yīng)用案例一：基于多光譜-紅外熱成像無人機(jī)遙感技術(shù)的葡萄園水分狀況評(píng)估

在許多降雨稀少和蒸發(fā)量大的葡萄酒產(chǎn)區(qū)，干旱脅迫可能對(duì)葡萄的營(yíng)養(yǎng)、產(chǎn)量、成分以及葡萄酒感官評(píng)價(jià)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此，優(yōu)化灌溉是大多數(shù)葡萄酒產(chǎn)地的一項(xiàng)關(guān)鍵研究問題。

無人機(jī)遙感技術(shù)具有時(shí)間靈活，作業(yè)高效，以及高分辨率的特點(diǎn)，利用無人機(jī)遙感技術(shù)可開展作物水分和營(yíng)養(yǎng)脅迫的相關(guān)研究工作。研究人員使用機(jī)載多光譜和紅外熱成像評(píng)估了一個(gè)位于西班牙里奧哈省洛格羅尼奧市的5公頃雨養(yǎng)葡萄園的水分狀況。

在地面測(cè)得葉片氣孔導(dǎo)度（gs）和莖水勢(shì)（Ψstem）數(shù)據(jù)，研究人員使用分水嶺算法，發(fā)現(xiàn)葉片溫度與冠層溫度數(shù)據(jù)顯著正相關(guān)，莖水勢(shì)和氣孔導(dǎo)度與紅外熱成像數(shù)據(jù)呈負(fù)相關(guān)，如圖1.1所示。由多光譜數(shù)據(jù)得到的NDVI、MSR和SRI植被指數(shù)與gs和Ψstem有明顯相關(guān)性，其中Ψstem與這三個(gè)指數(shù)的最佳決定系數(shù)R²分別為0.68，0.66和0.64，同時(shí)gs決定系數(shù)在0.75-0.84之間。這些結(jié)果表明，作物生理數(shù)據(jù)和由多光譜和熱成像得出的遙感數(shù)據(jù)之間的線性回歸得到的決定系數(shù)，使多光譜和熱紅外方法應(yīng)用于葡萄生理評(píng)估具有可行性。

研究揭示了紅外熱成像和多光譜數(shù)據(jù)的相關(guān)指數(shù)與葡萄園水分狀況之間存在高度相關(guān)性，表明無人機(jī)遙感技術(shù)可用于評(píng)估葡萄園的水分狀況，并繪制葡萄園內(nèi)的水分狀況的空間分布及變化圖，這對(duì)灌溉工作非常有用，有助于繪制地圖或優(yōu)化葡萄園灌溉站的數(shù)量和位置，并且能夠基于這一數(shù)據(jù)開發(fā)新的水分調(diào)度模型。

應(yīng)用案例二：基于高光譜-紅外熱成像無人機(jī)遙感技術(shù)的橄欖樹苛養(yǎng)木桿菌監(jiān)測(cè)

苛養(yǎng)木桿菌(Xylella fastidiosa,Xf)是一種有害的植物致病菌，可感染全球500多種植物，已被我國(guó)列入檢疫性有害生物名錄之中。因此，沒有表現(xiàn)出明顯癥狀前遏制和受感染植物至關(guān)重要，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，航空遙感技術(shù)無疑是一種高效的方法。

T.Poblete等研究人員選取意大利南部阿普利亞的Xf感染區(qū)，分別在2016和2017年采集了三個(gè)面積共1200公頃的區(qū)域(圖1.1左)的高光譜和熱成像數(shù)據(jù)，同步采集了地面葉片數(shù)據(jù)。將從高光譜和熱成像相機(jī)獲取的VI、太陽誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?/span>(SIF)和基于溫度數(shù)據(jù)的作物水分脅迫指數(shù)(CWSI)的貢獻(xiàn)進(jìn)行了評(píng)估，在不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法的結(jié)果中，使用精細(xì)高斯(徑向基)函數(shù)的支持向量機(jī)能夠最準(zhǔn)確地區(qū)分感染和未感染樹，并且在所有迭代中具有最小的標(biāo)準(zhǔn)差(s.d.=0.1)，使用高斯函數(shù)(高斯核為0.56)的支持向量機(jī)結(jié)果(總體精度OA為~ 80%，κ=0.42)

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)400-450nm波段的反射數(shù)據(jù)和CWSI是對(duì)橄欖樹Xf癥狀敏感的最關(guān)鍵光譜數(shù)據(jù)，將波段連續(xù)的高光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為10nm半波寬的6個(gè)光譜帶集模擬多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，當(dāng)6個(gè)多光譜信息與熱成像數(shù)據(jù)組合時(shí)，預(yù)測(cè)模型的OA高達(dá)74% (κ= 0.36)，同時(shí)，據(jù)研究感染Xf的植物需要10-12個(gè)月才能出現(xiàn)明顯癥狀，因此，更加說明光譜成像和熱成像的結(jié)合對(duì)于苛養(yǎng)木桿菌疫區(qū)大規(guī)模先期監(jiān)測(cè)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] Baluja J , Diago M P , Balda P , et al. Assessment of vineyard water status variability by thermal and multispectral imagery using an unmanned aerial vehicle (UAV)[J]. Irrigation Science, 2012(6).

[2] Poblete T ,  Camino C ,  Beck P , et al. Detection of Xylella fastidiosa infection symptoms with airborne multispectral and thermal imagery: Assessing bandset reduction performance from hyperspectral analysis[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2020, 162:27-40.