茶葉自古以來(lái)是云南省主要經(jīng)濟(jì)作物和支柱產(chǎn)業(yè)，有著其他產(chǎn)業(yè)和作物不可替代的作用。在云南發(fā)展綠色產(chǎn)業(yè)、高原特色產(chǎn)業(yè)，實(shí)施綠色經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省，推動(dòng)高質(zhì)量跨越式發(fā)展，打造世界一流“綠色食品牌”戰(zhàn)略中，茶產(chǎn)業(yè)占有非常重要的地位。隨著我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量大幅減少，并且老齡化結(jié)構(gòu)凸顯，懂農(nóng)業(yè)、懂市場(chǎng)、有知識(shí)、有能力新型職業(yè)農(nóng)民培育處于起步階段，為推動(dòng)茶葉產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備機(jī)械化、智能化應(yīng)用是必然的趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

我國(guó)人工智能技術(shù)伴隨著“國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”的提出也取得了一定的成績(jī)，浙江省麗水市、重慶市、湖南省、廣東省中山市率先探索建設(shè)智能茶園，通過(guò)茶葉數(shù)字模型標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)化的種植新模式，實(shí)時(shí)對(duì)園區(qū)進(jìn)行灌溉、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能控制，收集茶園的溫度、濕度、風(fēng)向、降雨量等基本數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)有效規(guī)避持續(xù)高溫、“倒春寒”等對(duì)茶葉生產(chǎn)的影響，降低種植成本，節(jié)約?50%?的水電、30%的肥料、90%的勞動(dòng)力和減少?50%以上的農(nóng)藥使用量，提升茶產(chǎn)量及品質(zhì)。

1高光譜影像識(shí)別技術(shù)在有機(jī)茶園病蟲(chóng)害中的應(yīng)用

1.1高光譜無(wú)人機(jī)遙感影像識(shí)別技術(shù)

高光譜遙感技術(shù)具有圖譜合一、波段較多且連續(xù)等特點(diǎn)；以無(wú)人機(jī)為載體，搭載高光譜攝像機(jī)（高光譜影像儀）等傳感器獲取地表遙感影像，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)采集的影像信息進(jìn)行處理，把高光譜數(shù)據(jù)的數(shù)字量化值（簡(jiǎn)稱DN值）轉(zhuǎn)化為反射率數(shù)據(jù)并降噪處理，獲取地表及地表附著物紅外、近紅外及可見(jiàn)光等連續(xù)光譜信息，利用高光譜遙感完整的光譜曲線描述地物的光譜特征，進(jìn)而識(shí)別出具有診斷性光譜特征的地物。高光譜數(shù)據(jù)數(shù)字量化值轉(zhuǎn)化為反射率數(shù)據(jù)具體公式如下：

其中，Reftarget為目標(biāo)物的反射率，DNtarget為目標(biāo)物的DN值，DNtarged為高光譜相機(jī)本身的暗點(diǎn)流DN值，DNwhite為參考板的DN值，Refwhite為參考板的反射率。無(wú)人機(jī)搭載高光譜相機(jī)，結(jié)合了無(wú)人機(jī)輕便、易操作和高光譜相機(jī)采集地物連續(xù)光譜信息等優(yōu)點(diǎn)，可以從近地一定高度、低成本、天氣因素影響小、方便快捷的對(duì)大面積茶園進(jìn)行監(jiān)測(cè)和病蟲(chóng)害防治。

1.2常見(jiàn)的有機(jī)茶園病蟲(chóng)害及表現(xiàn)形態(tài)

有機(jī)茶園的建設(shè)要求其中重要的一項(xiàng)指標(biāo)就是不能使用人工合成農(nóng)藥和殺蟲(chóng)劑，從而導(dǎo)致有機(jī)茶園的病蟲(chóng)害防治工作是有機(jī)茶園建設(shè)的重點(diǎn)工作。常見(jiàn)的茶園病蟲(chóng)害有假眼小綠葉蟬、茶毛蟲(chóng)、茶尺蠖、茶刺蛾、茶橙癭螨、茶葉癭螨、黑刺粉虱、茶炭疽病等病害蟲(chóng)災(zāi)。茶樹(shù)的病蟲(chóng)害絕大部分是對(duì)茶樹(shù)的葉片造成危害，并且在葉片上顯示出病蟲(chóng)害形態(tài)，最終影響有機(jī)茶園的茶葉產(chǎn)量及品質(zhì)。茶葉對(duì)不同類別的病蟲(chóng)害脅迫表現(xiàn)形態(tài)不同。如：假眼小綠葉蟬造成茶葉邊緣泛黃葉脈變紅；茶尺蠖蠶食茶樹(shù)葉片甚至吃光葉片；黑刺粉虱吸收嫩葉汁液并排泄分泌物造成煙霉病致茶樹(shù)成片枯死；茶炭疽病由病源真菌浸染引發(fā)葉尖、葉緣產(chǎn)黃褐色小點(diǎn)，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)榻裹S色直至為灰白色。

1.3高光譜影像識(shí)別技術(shù)在有機(jī)茶園病蟲(chóng)害防治中的應(yīng)用研究

1.3.1植被光譜特征

綠色植物植被光譜特征明顯不同于其他地物的光譜特征，其中對(duì)植被光譜特征產(chǎn)生重要影響的化學(xué)成分主要是色素、水分、碳以及氮。通常情況下取植被生化敏感度高的波段范圍值?400~2500nm?波長(zhǎng)作為植被光譜的研究范圍，在該范圍內(nèi)又分為可見(jiàn)光（400~700nm）、近紅外光（700~1300nm）、短波紅外1（1300~1900nm）、短波紅外2（1900~2500nm）四個(gè)部分。植被光譜對(duì)不同的波長(zhǎng)存在著不同的反射特點(diǎn)?？刂迫~子反射率的因素及波長(zhǎng)如圖?1：

植被光譜在可見(jiàn)光400～700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)起主要影響作用的是茶樹(shù)葉子的花青素、葉黃素和葉綠素等色素，其中最明顯的是葉綠素。在450nm波長(zhǎng)附近是葉綠素對(duì)太陽(yáng)輻射光的強(qiáng)吸收帶；在?550nm波長(zhǎng)附近則是葉綠素對(duì)太陽(yáng)輻射光線的強(qiáng)反射區(qū)，相較于可見(jiàn)光范圍內(nèi)有較高的反射值；在670nm波長(zhǎng)附近是葉綠素光合作用轉(zhuǎn)化對(duì)太陽(yáng)輻射光的強(qiáng)吸收帶；從而植被光譜在可見(jiàn)光區(qū)域呈現(xiàn)出一個(gè)正弦波單峰波形態(tài)。

在近紅外波段700~1300nm波段范圍內(nèi)對(duì)植被光譜起影響作用的主要是細(xì)胞構(gòu)造，葉子的海綿組織對(duì)此期間范圍內(nèi)的近紅外波具有強(qiáng)烈的反射形態(tài)，在此波段區(qū)間植被光譜的反射率達(dá)到最高峰，并且反射率遠(yuǎn)大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率。由于在?700~750nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)是植被的反射率快速上升區(qū)域，從而植被光譜曲線呈陡峭的直線形狀上升至波峰，該形態(tài)特征定義為“紅邊”。“紅邊”是區(qū)別于其他地物最明顯、特有的光譜特征，其他地物都沒(méi)有“紅邊”特征的存在。在970nm和1190nm附近是植被葉子中水分的強(qiáng)吸收帶，用這兩個(gè)波段光譜特征監(jiān)測(cè)葉子中水分含量的變化。

1300~1900nm范圍稱為短波紅外1，在1900~2500nm范圍稱為短波紅外2；在這兩個(gè)波段區(qū)間主要是葉子水含量對(duì)植被光譜的影響貢獻(xiàn)大；同時(shí)在1500~1720nm范圍內(nèi)由于氮的影響和在?1830~2080nm范圍內(nèi)由于二氧化碳的影響，形成波狀起伏的光譜特征形態(tài)，并且反射率逐漸降低。

1.3.2基于光譜特征位置變量分析來(lái)診斷茶園病蟲(chóng)害

有機(jī)茶園在受到病蟲(chóng)害侵?jǐn)_時(shí)，茶樹(shù)的葉子會(huì)呈現(xiàn)出具有相應(yīng)病態(tài)特征的狀態(tài)，如顏色的改變、結(jié)構(gòu)的破壞或外形的改觀等，茶樹(shù)葉?子的光譜反射率也會(huì)隨之改變。在可見(jiàn)光波段向近紅外波段過(guò)渡區(qū)間，受病害的植被反射率比健康茶樹(shù)的反射率大，同時(shí)近紅外光譜的變化產(chǎn)生在可見(jiàn)光光譜的變化之前，通過(guò)近紅外光譜的監(jiān)測(cè)分析，提前預(yù)判評(píng)估有機(jī)茶園的病蟲(chóng)害發(fā)生情況。健康植被與病蟲(chóng)害植被光譜曲線如圖2：

茶葉病蟲(chóng)害主要表現(xiàn)在茶樹(shù)葉片上，病蟲(chóng)害通過(guò)對(duì)茶樹(shù)葉片結(jié)構(gòu)、葉綠素?cái)?shù)量和質(zhì)量等因素的危害而形成有機(jī)茶園的病害蟲(chóng)災(zāi)。茶樹(shù)葉片的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射到茶葉上的植被光譜特征產(chǎn)生變化，當(dāng)茶樹(shù)健康旺盛生長(zhǎng)時(shí)，茶葉的葉綠素含量高于葉黃素和花青素，茶葉的光譜反射率低，紅邊的位置向長(zhǎng)波方向移動(dòng)（即“紅移”）；反之，在茶樹(shù)遭受到病蟲(chóng)害脅迫狀態(tài)下時(shí)，葉黃素和花青素的含量高于葉綠素，茶葉的反射率高，紅邊向短波方向移動(dòng)（即“藍(lán)移”）。根據(jù)高光譜遙感測(cè)定的反射率數(shù)據(jù)來(lái)反演計(jì)算出茶樹(shù)冠層的葉綠素含量（SPAD）和葉面積指數(shù)（LAI），通過(guò)分析反射的光譜特征值“紅邊”“綠峰”“紅谷”?“藍(lán)邊”等色調(diào)形態(tài)以及生物量和物候的變化來(lái)推斷出有機(jī)茶園中茶樹(shù)的病蟲(chóng)害狀況。

2結(jié)論

隨著科技的發(fā)展遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越多，但是高光譜無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域仍處于起步階段，?目前大部分是在水稻、玉米、小麥、棉花等作物中進(jìn)行了研究應(yīng)用，其他農(nóng)作物中處于起步或空白的狀況，高光譜無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中仍有廣闊的研究空間和應(yīng)用實(shí)踐領(lǐng)域。

在勞動(dòng)密集型的有機(jī)茶園管理中，病蟲(chóng)害防治是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工作，應(yīng)用高光譜無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)進(jìn)行有機(jī)茶園的智能化管理，對(duì)茶園管理從業(yè)者提出了更高的素質(zhì)要求，不僅要有茶樹(shù)栽培管理技術(shù)，而且還要有對(duì)計(jì)算機(jī)、無(wú)人機(jī)、專家管理系統(tǒng)等現(xiàn)代信息化設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用能力。

通過(guò)對(duì)高光譜無(wú)人機(jī)遙感影像技術(shù)的深入研究，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理規(guī)律，科學(xué)構(gòu)建有機(jī)茶園病蟲(chóng)害防治智能管理專家系統(tǒng)，針對(duì)大面積茶山，利用茶樹(shù)的植被光譜特性，在肉眼無(wú)法識(shí)別的情況下，盡早的、方便快捷的發(fā)現(xiàn)茶葉病蟲(chóng)害，再結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，識(shí)別出病害類別后對(duì)癥制定防治措施。

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萊森光學(xué)-iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機(jī)/便攜式高光譜成像系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

光譜范圍400-1000nm或900-1700nm，分辨率優(yōu)于3nm

獨(dú)有高光通量分光成像設(shè)計(jì)、信噪比靈敏度高

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全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計(jì)，點(diǎn)列斑直徑小于0.5像元

多種焦距物鏡鏡頭（12.5/25mm/35mm/75mm）可根據(jù)用戶需求更換物鏡

多種光學(xué)附件可選：戶外太陽(yáng)光源、實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)勻化光源工作臺(tái)、三腳架（野外專用）、數(shù)據(jù)線、電源線、電源（外置電源模塊）、儀器便攜式手提箱（定制三防箱）、專業(yè)高光譜采集軟件

萊森光學(xué)-iSpecField-系列手持式/便攜式地物光譜儀

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萊森光學(xué)-iSpecField系列地物光譜儀主要技術(shù)特點(diǎn)

光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm，固定全息光柵一次性快速掃描分光

2048像素面陣BT-CCD，256/512像元InGaAs，高像素雙路探測(cè)器同步測(cè)量，光譜精度高、分辨率高

主機(jī)與工業(yè)級(jí)觸控顯示手柄探頭一體化結(jié)構(gòu)，野外測(cè)量無(wú)需額外電腦，操作靈活

最短積分時(shí)間30微秒，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大，7吋高清觸控顯示遠(yuǎn)程觸發(fā)一鍵測(cè)量

內(nèi)置＞800萬(wàn)像素自動(dòng)對(duì)焦攝像頭（相機(jī)）、GPS、激光指示器、內(nèi)置光學(xué)快門(mén)控制

GPS定位、地物圖像、角度測(cè)量、距離測(cè)量、空氣溫濕度測(cè)量與光譜實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)同步

SpecAnalysis專用地物分析軟件，兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具軟件，嵌入了USGS數(shù)據(jù)庫(kù)和NDVI等13個(gè)植被指數(shù)

豐富測(cè)量光學(xué)配件：標(biāo)準(zhǔn)白板/灰板、葉片透射夾、礦物土壤專用探頭、手槍式光纖探頭、室內(nèi)太陽(yáng)光源、視場(chǎng)角鏡頭、BRDF測(cè)量附件、透反射實(shí)驗(yàn)室支架裝置、遠(yuǎn)程觸發(fā)器等可滿足野外和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量需求，可實(shí)現(xiàn)透射反射率、輻照度、輻亮度等測(cè)試

大容量電池，續(xù)航時(shí)間4-5小時(shí)，供電電池模塊可拆卸，可配置備用電池模塊，滿足長(zhǎng)時(shí)間野外測(cè)量
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審核編輯：湯梓紅