荊懷龍，楊 簫，于曉鵬，張 睿

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

近年來(lái)，果樹(shù)種植業(yè)增長(zhǎng)較快，民眾對(duì)水果產(chǎn)品的需求越來(lái)越旺盛。丘陵地貌獨(dú)特的氣候條件，更有利于果樹(shù)生長(zhǎng)。然而，在果樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程中，環(huán)境等因素的變化會(huì)導(dǎo)致果樹(shù)出現(xiàn)病蟲(chóng)害的現(xiàn)象，這不僅會(huì)降低種植戶的收益，而且會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)滯后發(fā)展，及時(shí)有效地對(duì)果園的墑情進(jìn)行監(jiān)測(cè)并提供預(yù)警，有利于控制果園病蟲(chóng)害的發(fā)展，最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失，提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前，主要采用人工普查的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)果園中的病蟲(chóng)害，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且耗費(fèi)財(cái)力，普查效率低下。無(wú)人機(jī)載高光譜相機(jī)具有成本低、全天候、高效率、起降方便、方便作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用到果樹(shù)種植業(yè)中。

1 解決方案

課題組基于以上需求及問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)丘陵果園的飛行系統(tǒng)，使無(wú)人機(jī)更加能適應(yīng)丘陵地區(qū)飛行環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)對(duì)丘陵果園內(nèi)果樹(shù)無(wú)死角的監(jiān)測(cè)。將無(wú)人機(jī)與高光譜成像技術(shù)相結(jié)合，包含被測(cè)目標(biāo)的光譜數(shù)據(jù)和外部空間圖像信息，能實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹(shù)病蟲(chóng)害類型的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，提高果樹(shù)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)技術(shù)水平。

2 試驗(yàn)材料及圖像的獲取

選取丘陵部分地區(qū)已發(fā)生病蟲(chóng)害的紅富士蘋(píng)果園為試驗(yàn)研究對(duì)象，利用無(wú)人機(jī)載高光譜相機(jī)實(shí)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(shè)備也稱為高光譜相機(jī)。使用高光譜相機(jī)可測(cè)量成千上萬(wàn)的光譜，而不是單個(gè)光譜，所收集的光譜以每個(gè)圖像像素包括完整光譜的方式形成目標(biāo)的圖像。這樣就可以根據(jù)頻譜以及位置獲得有關(guān)問(wèn)題的答案[2]。

對(duì)蟲(chóng)害果園進(jìn)行低空掃描，文獻(xiàn)[3]提出了一種新型滾動(dòng)式掃描成像系統(tǒng)，選用的掃描方式為新型滾動(dòng)式。新型滾動(dòng)式的基本工作原理：先把高光譜相機(jī)固定在滾筒的表面上，跟隨滾筒進(jìn)行緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，為了維持滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的重量平衡，選取與高光譜相機(jī)同等重量的普通相機(jī)固定在滾筒的另一側(cè)，即以滾筒的中心軸為對(duì)稱軸，設(shè)置在滾筒的表面，高光譜相機(jī)能在滾動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取，如圖1所示。

圖1 新型滾動(dòng)式掃描成像系統(tǒng)

3 高光譜成像技術(shù)

高光譜成像技術(shù)是光譜技術(shù)與成像技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它可對(duì)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(jìn)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(duì)應(yīng)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(zhǎng)信息。本文所選用的成像設(shè)備的光譜范圍為400 nm～1 000 nm，共有1 024個(gè)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(shè)備中的暗電流及光照強(qiáng)度不均勻會(huì)對(duì)高光譜圖像產(chǎn)生噪聲影響，為防止此影響，需要對(duì)采集的高光譜圖像進(jìn)行黑白板校正，按照公式（1）計(jì)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(jiǎn)便地進(jìn)行計(jì)算與分析。紋理特征可以反映果樹(shù)表面的細(xì)節(jié)和灰度變化。果樹(shù)在發(fā)生病蟲(chóng)害時(shí)，樹(shù)葉和果實(shí)的顏色、所受光照強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)圖像分割出的病蟲(chóng)害位置，提取其周圍圖像80 像素×65 像素大小的區(qū)域進(jìn)行紋理特征分析[9]。文獻(xiàn)[7]分析研究了在MATLAB 中計(jì)算4 個(gè)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(gè)共生矩陣變化趨勢(shì)相同，所以選取0°方向的紋理特征計(jì)算結(jié)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(guān)性（Relevance）

其中，在選取的21 個(gè)樣本中，前11 個(gè)為病蟲(chóng)害樣本，后10 個(gè)為正常果樹(shù)樣本。根據(jù)圖2 可知，蟲(chóng)害果樹(shù)的能量值與正常果樹(shù)的能量值有重疊，正常果樹(shù)的平均能量值高于蟲(chóng)害果樹(shù)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(shù)的能量值大于蟲(chóng)害果樹(shù)的能量值。根據(jù)圖3，蟲(chóng)害果樹(shù)的熵值大于正常果樹(shù)，紋理越粗，熵值越大。根據(jù)圖4，蟲(chóng)害果樹(shù)與正常果樹(shù)的慣性矩值相當(dāng)，因?yàn)橄x(chóng)害果樹(shù)與正常果樹(shù)紋理具有相同的清晰特性。根據(jù)圖5，蟲(chóng)害果樹(shù)的相關(guān)值低于正常果樹(shù)的相關(guān)值，因?yàn)樗芯康膶?duì)象分布不均勻，所以相關(guān)值有差別，分布均勻程度越高，相關(guān)值就越大，反之則小。正常果樹(shù)紋理分布均勻，而蟲(chóng)害不均勻，所以蟲(chóng)害果樹(shù)的相關(guān)值低于正常果樹(shù)的相關(guān)值。以上就能判斷果樹(shù)哪部分發(fā)生了病蟲(chóng)害。

5 無(wú)人機(jī)在丘陵地形的飛行的關(guān)鍵技術(shù)研究

無(wú)人機(jī)的飛行控制問(wèn)題是無(wú)人機(jī)飛行控制研究領(lǐng)域主要問(wèn)題之一，在飛行過(guò)程中無(wú)人機(jī)會(huì)受到各種干擾。嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)飛行的穩(wěn)定狀態(tài)的因素有很多，如地形、強(qiáng)風(fēng)、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(duì)速度、航向、位置、軌跡和高度的控制。選用多旋翼無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)上，通過(guò)實(shí)時(shí)比對(duì)無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)周圍氣流擾動(dòng)數(shù)據(jù)信息等各數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合處理，同時(shí)在實(shí)際飛行作業(yè)中實(shí)時(shí)接收無(wú)人機(jī)回傳的位置坐標(biāo)，使無(wú)人機(jī)更適應(yīng)丘陵地區(qū)飛行。相較于平原地區(qū)，丘陵地區(qū)地勢(shì)起伏不便于無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定飛行，這就會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)在丘陵的復(fù)雜地形獲取影像產(chǎn)生影響，要實(shí)現(xiàn)高光譜圖像的獲取，達(dá)到對(duì)果園病蟲(chóng)害的監(jiān)測(cè)效果，有必要對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行航線進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。基于此，通過(guò)研究影響無(wú)人機(jī)載高光譜相機(jī)成像質(zhì)量的因素，設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的航線。

5.1 航線設(shè)計(jì)主要參數(shù)

在無(wú)人機(jī)航線的設(shè)計(jì)中要確定圖像的分辨率、相對(duì)的航高、攝影的基線等必要的參數(shù)，其航高、基線、間隔計(jì)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(chǎng)角，°；A1、A2為航向度、重疊度。

5.2 航線設(shè)計(jì)的主要步驟

第一，根據(jù)丘陵果園的面積分布，對(duì)果園待測(cè)區(qū)進(jìn)行劃區(qū)，確定劃區(qū)基準(zhǔn)面的高程。第二，確定測(cè)得圖像的分辨率，選擇滿足要求的高光譜相機(jī)。第三，考慮重疊度影響。第四，根據(jù)前面談到的航線設(shè)計(jì)影響因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。第五，根據(jù)前三步求取的值設(shè)計(jì)出無(wú)人機(jī)在丘陵果園飛行的整個(gè)飛行航線。

5.3 航線優(yōu)化

無(wú)人機(jī)飛行航線在設(shè)計(jì)完成后還需要對(duì)其優(yōu)化。丘陵地區(qū)的地形起伏會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)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(zhǎng)的鏡頭和高像素的高光譜相機(jī)克服其影響。無(wú)人機(jī)航線的網(wǎng)布點(diǎn)根據(jù)航線對(duì)每段設(shè)計(jì)平高點(diǎn)。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(lái)開(kāi)展多旋翼無(wú)人機(jī)的航線設(shè)計(jì)，確保航攝區(qū)域的高差不超過(guò)航高的17%，以達(dá)到航線的最優(yōu)設(shè)計(jì)[3]。

5.4 航線設(shè)計(jì)

航線綜合考慮了各種因素，并且進(jìn)行了優(yōu)化，以增強(qiáng)穩(wěn)定性、安全性。對(duì)于地形起伏較大、重疊度、有噪聲或強(qiáng)風(fēng)的區(qū)域選用高像素、長(zhǎng)焦距的相機(jī)。這能克服環(huán)境影響以獲取高質(zhì)量的高光譜圖像。通過(guò)對(duì)相對(duì)行高的計(jì)算設(shè)計(jì)平高點(diǎn)，使無(wú)人機(jī)飛行不偏移，始終保持飛行在一條基線上。

6 結(jié)論

1）以無(wú)人機(jī)搭載的高光譜相機(jī)作為果樹(shù)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用高光譜成像技術(shù)，針對(duì)在丘陵地區(qū)果樹(shù)種植過(guò)程中出現(xiàn)的對(duì)相關(guān)病蟲(chóng)害預(yù)防難、監(jiān)測(cè)效率低等問(wèn)題，提出了對(duì)丘陵果園病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)方案。通過(guò)高光譜相機(jī)成像，先是對(duì)光譜的校正，然后是對(duì)圖像的分割處理，之后分析紋理特征，根據(jù)蟲(chóng)害區(qū)域與正常區(qū)域的光譜曲線，蟲(chóng)害果樹(shù)與正常果樹(shù)的能量值、熵值、相對(duì)值有明顯差異，可判斷果樹(shù)哪一部分發(fā)生了病蟲(chóng)害。

2）本文還利用無(wú)人機(jī)可全天候監(jiān)測(cè)、方便、高效率、高靈活的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)在丘陵地區(qū)的能穩(wěn)定飛行的航線，確保其實(shí)現(xiàn)對(duì)果園病蟲(chóng)害的有效監(jiān)測(cè)。

3）由于果樹(shù)類別繁多，試驗(yàn)只針對(duì)患有病蟲(chóng)害果樹(shù)與正常果樹(shù)進(jìn)行識(shí)別與監(jiān)測(cè)，對(duì)于繁多的病蟲(chóng)害類型還不能精準(zhǔn)判斷。在接下來(lái)的研究中將探究病蟲(chóng)害圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，以達(dá)到既能精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)又能精準(zhǔn)識(shí)別的目的。