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光譜成像技術在農業病蟲害監測中的應用優勢
作物病蟲害是我國農業生產的主要災害之一，具有種類多、影響大、時常暴發成災等特點，會降低作物產量和品質，同時也是制約優質、低碳、循環農業持續發展的主導因素之一。及時、快速、無損、精準的遠程監控，對掌握作物病蟲害發生發展特點、病蟲害鑒別及危害程度、防治效果等方面有重要的支撐作用，對提高農作物產量和品質、減少農業經濟損失具有重要意義。
光譜成像技術，是近年來迅速發展起來的一種全新技術，*早應用于航天、地質測繪等領域，結合其技術優勢可將其應用于農業監測中，特別是對作物長勢評估和病蟲害監測預警等方面。利用光譜影像能準確地反映田間作物本身的光譜特征以及作物間的光譜差異，通過影像數據可以更加精準地獲取作物含水量、葉綠素含量、葉面積指數等生理生化參數，從而準確地監測作物長勢及預測產量。近年來，光譜成像技術應用于農業病蟲害的監測及防治，也取得了較大進展，解決了農業生產管理中長期存在的病蟲害等有害生物農情信息大尺度監測不及時、監測水平以定性為主、監測精度無法實現定量等難題。國內外在該領域的研究開展較早，基于光譜影像分析了作物病害光譜響應、光譜信息探測與識別研究，病蟲害識別效果較好。隨著光譜成像硬件設備的升級和大數據系統的不斷完善，光譜成像技術在農業病蟲害監測研究和應用中將越來越普遍。
農業病蟲害光譜成像技術監測原理
在農業有害生物監測系統中，病蟲害對農作物生長的影響主要有農作物外部形態變化和內部生理變化2種表現形式。外部形態變化主要表現在冠層形狀的改變，如落葉、葉片卷曲、葉片幼芽被吞食、倒伏等；內部生理變化則表現為葉綠素組織遭到破壞后，光合作用、養分與水分吸收、運輸、轉化等生理生化機制發生改變。無論外部形態或內部生理發生變化，都將不可避免地導致作物光譜特征發生變化。
受害植被的光譜特性與健康植物的光譜特性相比，某些特征波長的值總會發生不同程度的變化，光譜成像技術正是利用兩者光譜差異，進行植被狀態監測。當植被生長健康，處于生長期高峰，葉綠素含量高時，“綠峰”向藍光方向偏移，而植被病蟲危害時，“綠峰”則向紅光方向偏移。在近紅外波段植被的光譜反射率取決于葉片內部的細胞結構。一般認為健康葉片的海綿狀葉肉組織的所有空間都充滿水分而膨脹時，對任何輻射都是一種良好的反射體，間插在葉肉組織的柵狀柔軟網胞組織，吸收可見光中的藍光和紅光而反射綠光。
當植被受病害侵害時，葉片組織的水分代謝受到阻礙，此后隨著病蟲害危害的加重，植被細胞結構遭到破壞，各種色素的含量也隨之減少，導致葉片對近紅外輻射的反射能力減少。在光譜特征上表現為可見光區(400nm - 700nm)反射率升高而近紅外區(720nm - 1100nm)反射率降低。近紅外區研究的重點是“紅邊”。
紅邊的定義是反射光譜的一階微分的*大值對應的光譜位置(波長)，通常位于680 nm-750 nm之間。“紅邊”位置依據葉綠素含量、生物量和物候變化，延波長軸方向移動。當葉綠素含量高、生長活力旺盛時，“紅邊”會向紅外方向偏移;當植物由于感染病蟲害或因污染、物候變化而“失綠”時，則“紅邊”會向藍光方向移動。研究發現近紅外部分反射率的改變是發生在可見光部分的反射率發生改變之前。這是因為在這段時間內，細胞組織中的葉綠素的數量和質量還沒有發生改變。
中達瑞和機載光譜成像系統MAX-S8800
由深圳市中達瑞和科技有限公司自主研發和生產制造的，集成了全光譜相機、無人機、應用軟件的一體化全光譜視頻成像系統，主要應用于高清機載場景，快速、精準、大面積獲取各類地面光譜信息，可用于實時測量植物、水體、土壤等地物的光譜信息，并獲得光譜圖像，通過分析光譜圖像，用于，植被生長狀況監測、植被分類等研究。整個系統設計緊湊，光譜分辨率高，其覆蓋400-1000nm全波段光譜范圍，可并行采集7個光譜通道的圖像數據和1個可見光通道圖像，幫助用戶獲取更多目標光譜數據。尤其是系統支持實時圖傳，實時查看計算結果，方便作業人員針對異常狀況快速做出針對性決策。
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光譜成像技術在農業上的應用研究已經逐漸成為現代農業研究中的重點，光譜成像具有光譜連續、波段多以及數據量大等特點，可為現代農業研究提供精準的技術手段。隨著其探測設備、影像系統、軟件處理能力等軟硬件不斷發展，結合農業相關各類“大數據”系統的逐步完善。另外，在有足夠的高光譜數據保障下，建立完整的應用技術體系，提高監測預測的準確性，加強通用性和移植性，光譜成像技術在農業病蟲害監測預警中將具有更加廣闊的前景。