無人機低空遙感技術在中藥資源領域的應用探討△

景志賢，王帥，張小波*，史婷婷，朱壽東，王慧，李夢

1.中國中醫(yī)科學院 中藥資源中心 道地藥材國家重點實驗室培育基地，北京 100070；2.山東省科學院 菏澤分院，山東 菏澤 274000；3.山東省生物工程技術創(chuàng)新中心，山東 濟南 250014

如今，遙感技術已成為人類獲取地理環(huán)境及其變化信息的必備高科技手段，3S技術(RS遙感、GPS全球定位系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng))在中藥資源領域的應用為中藥資源調(diào)查和監(jiān)測相關工作提供了便利。2004年，郭蘭萍等[1]提出利用3S技術對中藥資源進行實時監(jiān)測、長勢產(chǎn)量估測等，其快速、經(jīng)濟、方便等特點在資源調(diào)查及監(jiān)測方面顯示出極大的優(yōu)勢。隨著遙感技術不斷發(fā)展，國內(nèi)外已發(fā)布了一些優(yōu)于0.5 m的商業(yè)遙感衛(wèi)星，如美國數(shù)字地球公司的World View系列、中國航天科技集團公司的高景系列等高分辨率遙感平臺。藥用植物的栽培存在著種類繁多、分布破碎、品質(zhì)差異化等特點，使用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受限于云層、重訪周期、氣候影像等諸多因素影響，效果往往不理想。而無人機具有可在云下低空飛行獲取數(shù)據(jù)的能力，其快速機動、成本低廉、高效便捷的特性充分彌補了衛(wèi)星遙感的不足。

近年來，無人機低空遙感技術(UAV Low Altitude Remote Sensing System，簡稱UAVRS)在航拍、農(nóng)業(yè)、測繪、救災等領域得到廣泛應用，技術取得了巨大飛躍。隨著大健康產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和進步，中藥資源得到了大力發(fā)展，產(chǎn)量也在逐年增加，利用UAVRS對栽培中藥資源的種類、分布面積、產(chǎn)量、品質(zhì)、病蟲害、連作障礙等數(shù)據(jù)進行采集，可幫助提升采集數(shù)據(jù)的效率和精度。UAVRS主要以固定翼無人機、無人多旋翼機和垂直起降無人機等作為遙感平臺來獲取實時高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)[2-3]。本研究就UAVRS進展進行簡要概述，參照UAVRS在相關領域的應用情況，對其在中藥資源領域的應用進展進行探討，并對應用中出現(xiàn)的問題進行梳理，以期為基于UAVRS的中藥資源研究提供參考。

1 UAVRS技術研究

1.1 傳感器技術研究進展

隨著20世紀80年代傳感技術的興起與發(fā)展，傳感器技術已經(jīng)成為UAVRS的關鍵技術之一；同時為了進一步發(fā)展UAVRS中的監(jiān)測技術，全世界相關研究機構(gòu)在無人機遙感領域上發(fā)展了諸多新技術，如小型多光譜/超光譜成像技術、合成孔徑雷達技術、超高頻/甚高頻探測技術、Li-DAR成像技術等[4]。由此，無人機遙感傳感器在數(shù)字化、輕型化、探測精度等方面取得了重大進展，并極大地推動了UAVRS在調(diào)查監(jiān)測方面的應用。

自20世紀60年代遙感技術興起至今，我國的遙感技術及其產(chǎn)業(yè)已經(jīng)取得了長足的進步，遙感采集設備早已經(jīng)過渡到智能化、小型化的數(shù)字相機時代，設備類型涵蓋多光譜、高光譜、光電紅外傳感器、激光3D掃描儀以及合成孔徑雷達等。小型化、集成化的遙感采集設備為實現(xiàn)UAVRS提供了堅實的技術基礎，使其具有了全天候?qū)崟r遙感觀測能力。

1.2 信息獲取傳輸技術研究進展

自進入21世紀以來，伴隨著通信理論與技術、無人機技術、計算機技術的蓬勃發(fā)展，無人機遙感傳感器技術的日益成熟，無人機遙感信息獲取傳輸技術得到迅速發(fā)展和應用。無人機遙感信息的獲取與無線傳輸系統(tǒng)應具有數(shù)字化、輕型化、微型化、快速化、節(jié)能化和多功能化等特點，并通過D/A或A/D的傳輸方式，將機載遙感設備獲取的信息傳回地面控制系統(tǒng)。準確無誤地調(diào)度機載遙感傳感器的姿態(tài)，使被觀測目標始終處于監(jiān)測視野中，并實現(xiàn)遠距離操控、圖像信息獲取和傳輸，現(xiàn)已成為無人機遙感信息獲取傳輸技術的研究重點之一[5]。

1.3 圖像處理技術研究進展

無人機通過軟件控制或人工控制拍攝地面圖像，飛行方向上相鄰兩張圖片之間以及不同航線的圖片之間滿足一定的重疊率，需要通過攝像測量學方法進行圖像的匹配及拼接，重構(gòu)飛行覆蓋區(qū)域的3D模型，進一步得到正射影像等產(chǎn)品。針對無人機遙感圖像的匹配與拼接技術已經(jīng)進入到商品化階段，如PIX4D、Inpho等。

2 UAVRS在中藥資源領域的應用探討

2.1 野生中藥資源調(diào)查監(jiān)測和蘊藏量估算

野生中藥資源是指在一定的區(qū)域范圍內(nèi)分布的非人工種植的中藥資源，我國野生中藥資源種類繁多，包括植物類、動物類、礦物類。其中植物類中藥資源生境各異，根據(jù)其生活型分為木本植物(喬木、灌木、竹類、藤本植物、附生木本植物和寄生植物)、半木本植物(半灌木和小半灌木)、草本植物(多年生草本、一年生草本、寄生草本、腐生草本和水生草本)、葉狀體植物(苔蘚及地衣、藻菌植物)[6]。針對木本植物，孫志超等[7]利用無人機的地面站控制點對飛行時間進行幾何校正，采用3D工具測量立體區(qū)域樹高，用地面控制點測量數(shù)據(jù)拼接區(qū)域面積和周長，結(jié)果表明小型無人機搭載非測量相機基本能夠滿足林業(yè)調(diào)查對樹高、面積及周長等的測量精度要求，表明無人機技術適用于木本植物的分布及蘊藏量估算。而針對半木本植物及草本植物，中藥資源分布零散并且地面覆蓋范圍不規(guī)則，上述方法常常不占據(jù)主導地位。無人機遙感平臺可結(jié)合3S技術，利用分層抽樣統(tǒng)計方法識別植物生活型、精確測算面積、提高抽樣調(diào)查的精度和準確性，其影像覆蓋范圍可達幾平方米，遠遠大于傳統(tǒng)的樣方大小，且調(diào)查效率也會大大提高。利用UAVRS對不同生活型的中藥資源覆蓋地區(qū)進行無人機遙感調(diào)查，可得到不同覆蓋度地區(qū)內(nèi)的中藥資源分布及蘊藏量情況。

野生動物調(diào)查前通常需要大致掌握動物的分布位置及其習性和棲息地狀況，通過無人機熱紅外、正射拍攝或視頻錄像，實現(xiàn)對野生藥用動物種類、數(shù)量、種群結(jié)構(gòu)等項目的監(jiān)測。對動物行為的豐富經(jīng)驗和知識為指導無人機遙感監(jiān)測提供了有效保障，Chrisite等[8]測試結(jié)果表明，無人機調(diào)查通過結(jié)合圖像識別技術與分類解譯技術實現(xiàn)物種的種類、數(shù)量等情況統(tǒng)計，其相同面積針對同一物種的調(diào)查結(jié)果在經(jīng)濟成本和人力成本上是普通地面調(diào)查的50%，而物種的發(fā)現(xiàn)率則是地面調(diào)查的200%以上。目前已有調(diào)查監(jiān)測對象有非洲象、考拉、狍、藏野驢、牦牛等大型脊椎動物，監(jiān)測指標主要包括種群數(shù)量、棲息地范圍等。

我國地域遼闊，藥用礦物資源豐富、種類繁多，分布面積廣泛、儲量大，如石膏礦、滑石礦、高嶺土礦等資源儲量位居世界前列。目前，國內(nèi)外都在加強藥用礦物的開發(fā)和利用，如麥飯石、礦泉水、含礦物質(zhì)啤酒等。林坤[9]基于無人機遙感測量的鋁土礦測繪研究，準確地分析出鋁土礦的地域位置并估算了礦床的質(zhì)量。

2.2 栽培中藥資源調(diào)查中的應用

科學合理地種植中藥材，實現(xiàn)中藥材規(guī)范化、規(guī)?；途毣呀?jīng)成為中醫(yī)藥發(fā)展必然趨勢。使用UAVRS可以獲取更高分辨率影像數(shù)據(jù)，且采集數(shù)據(jù)時效性較強，可保證計算數(shù)據(jù)的準確性和客觀性，從而提高結(jié)果數(shù)據(jù)準確性，節(jié)約了時間成本，對中藥資源動態(tài)監(jiān)測技術的發(fā)展具有重要意義。史婷婷等[10]以安徽省寧國市前胡種植為例，分別以不同分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取前胡的種植面積，結(jié)果表明高分辨率的影像提取結(jié)果精度較高。施開分[11]通過2016年開展的第三次農(nóng)業(yè)普查工作的案例和數(shù)據(jù)，論述了無人機遙感調(diào)查所需的經(jīng)費和效率均比實地調(diào)查有明顯優(yōu)勢。

2.2.1 栽培中藥資源的分布面積測算和產(chǎn)量估算 如在同一行政區(qū)域內(nèi)分散種植了多種中藥資源，若要對每種中藥資源的分布面積進行精確區(qū)分，可使用無人機遙感系統(tǒng)，獲取高分辨的無人機數(shù)據(jù)。通過紋理、光譜等特征結(jié)合地面調(diào)查，進一步精確、定量地分析，并結(jié)合地面樣本數(shù)據(jù)進行二次驗證。通過這種方法來確認無人機遙感系統(tǒng)在中藥資源分類面積的評估精度，這樣便可以在一定精度上區(qū)分不同的中藥資源種類及分布面積。2007年，Swain等[12]利用UAVRS獲取了5個不同氮素水平下水稻田高時空分辨率的遙感圖像，以用來估算水稻產(chǎn)量與生長狀況。通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)不同氮素水平下的水稻產(chǎn)量與生長狀況，在幼穗分化期，不同氮素水平下的歸一化植被指數(shù)(NDVI)與水稻產(chǎn)量和總生物量的回歸系數(shù)達到0.728和0.760，研究表明利用無人機低空遙感平臺獲取的遙感圖像能夠很好地代替衛(wèi)星圖像對水稻的產(chǎn)量和生物量進行估算。

2.2.2 中藥資源長勢監(jiān)測 對栽培藥用植物長勢的監(jiān)測和產(chǎn)量的估測，是中藥資源動態(tài)監(jiān)測的一個重要方面，而無人機遙感系統(tǒng)可精確地獲取種植區(qū)種植結(jié)構(gòu)、作物長勢等信息。裴浩杰等[13]以冬小麥為例，利用無人機高光譜影像獲取冬小麥的綜合長勢指標，能夠判斷出小麥的總體長勢差異。李昂[14]基于無人機遙感系統(tǒng)的水稻產(chǎn)量估算，結(jié)果表明水稻穗數(shù)估計平均絕對百分誤差達到10.00%，產(chǎn)量估計平均絕對百分誤差達到15.66%。Lucieer等[15]在2012年使用具有光學和高光譜相機的無人機低空遙感平臺分析南極苔蘚床的生長情況。這些研究為中藥資源的長勢監(jiān)測研究提供了很好的參考。

2.2.3 中藥材品質(zhì)監(jiān)測 藥用植物人工種植，核心目的是生產(chǎn)出滿足臨床用藥需要的中藥材。臨床用藥對每種中藥材均有特定的要求?；诘涂諢o人機搭載高光譜等設備可以有效獲取地面藥用植物的光譜數(shù)據(jù)信息，基于植物光譜和中藥材品質(zhì)之間的關系模型可對中藥材品質(zhì)進行檢測和預測，還可以系統(tǒng)分析指標含量與光譜之間的相關關系、篩選指標含量的顯著相關光譜參量、建立相應的模型，進而評價各種中藥材品質(zhì)合格性。李佛琳[16]利用煙葉不同光譜的特性及影響因素，建立了總糖、煙堿、鉀的光譜預測估算模型，實現(xiàn)了煙草的生長與品質(zhì)監(jiān)測。王琦等[17]利用衛(wèi)星光譜參數(shù)等影響因素實現(xiàn)了對冬小麥凝膠滲透色譜(GPC)的預測并構(gòu)建了相關的預測模型。

2.2.4 中藥資源病蟲害監(jiān)測 藥用植物在遭受到病蟲害時，其植物葉片在不同光譜、波段上會表現(xiàn)出不同程度的吸收和反射特性，與正常植物葉片也有著顯著性差異和變化?；诖嗽恚梢允褂脽o人機系統(tǒng)搭載多光譜或高光譜設備，進行中藥資源的病蟲害監(jiān)測。通過對采集數(shù)據(jù)的分析得到精確結(jié)果，及時準確地采取防治措施，從而降低損失，從巡診防治全過程保障中藥材的品質(zhì)和產(chǎn)量。蘭玉彬等[18]利用無人機搭載高光譜設備對柑橘的黃龍病情況進行監(jiān)測和分類，分類準確率為94.7%，誤判率為3.36%，表明了無人機低空高光譜遙感監(jiān)測手段用于中藥資源病蟲害監(jiān)測的可行性。

2.3 中藥資源區(qū)劃研究

中藥資源區(qū)劃是在中藥資源調(diào)查的基礎上，按照中藥資源的自然規(guī)律和社會經(jīng)濟客觀規(guī)律，因地制宜地指導中藥資源開發(fā)和生產(chǎn)，為中藥資源的保護和開發(fā)規(guī)劃提供科學依據(jù)。從2011年開始第四次全國中藥資源普查工作已經(jīng)在全國31個省(區(qū)、市)，1300多個縣級行政區(qū)劃單元開展了工作[19]，基于某種中藥資源位置與生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的大尺度區(qū)劃研究已有很多，如黨參、穿龍薯蕷、五味子等[20-22]，其在中藥資源區(qū)劃中應用能夠達到區(qū)縣級。

基于現(xiàn)有空間數(shù)據(jù)，進行大尺度的區(qū)劃研究，形成大尺度、小比例尺的區(qū)劃結(jié)果相對容易。但實際上，縣域或更小尺度范圍內(nèi)，影響中藥材生產(chǎn)活動因素的差異性不僅明顯，而且往往是錯綜復雜的。中藥材的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐是在具體地塊上開展。小區(qū)域之間土壤微環(huán)境、耕作習慣等，表現(xiàn)出復雜的差異性，因此進行縣級以下或更小區(qū)域范圍的區(qū)劃，對指導中藥材具體的生產(chǎn)實踐活動非常有必要。

為更好地服務優(yōu)質(zhì)中藥材生產(chǎn)，需要將區(qū)劃研究范圍落實到地塊級，中小尺度或地塊級的區(qū)劃研究是今后中藥區(qū)劃研究的一個發(fā)展方向。小尺度和微觀方面的區(qū)劃工作，需要進行細致、深入和具體的調(diào)查，力求掌握每一地塊的位置、生產(chǎn)條件、特點和問題等。基礎情況、空間范圍清晰明確，在此基礎上的區(qū)劃方案才能切合實際、因地制宜，指導生產(chǎn)實踐。

區(qū)劃單元最小粒度劃分到地塊級，需要借助現(xiàn)代化的技術手段，獲取區(qū)劃所需的基礎數(shù)據(jù)，UAVRS具有這方面的優(yōu)勢。而無人機遙感技術在中藥資源區(qū)劃中的應用能明顯提高區(qū)劃的效率和精確度，達到村級和種植地塊級，可以突破其他區(qū)劃方法中的不足。

3 UAVRS在中藥資源領域應用挑戰(zhàn)

3.1 UAVRS標準有待完善

中藥資源的分布特點決定其遙感分析需要利用低空遙感手段獲得高清晰度數(shù)據(jù)，UAVRS主要以無人機遙感技術為主，目前還沒有面向中藥資源調(diào)查需求的標準，需要相關的設備和數(shù)據(jù)標準來規(guī)范無人機低空數(shù)據(jù)采集，以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3.2 海量數(shù)據(jù)存儲和處理能力有待提升

無人機遙感會產(chǎn)生大量高清的圖片數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲需求會隨著時間不斷增長，需要適當?shù)拇鎯夹g手段來組織存儲數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的高效、有序存儲和存儲容量的動態(tài)增長，為數(shù)據(jù)分析建立基礎。

目前中藥資源遙感應用主要通過人工利用單機軟件進行數(shù)據(jù)分析和提取，沒有系統(tǒng)化的分析平臺支持，分析結(jié)果很難迅速推廣到更大的空間和時間尺度。同時由于通用的遙感分析軟件沒有針對中藥資源分布特點進行優(yōu)化，處理結(jié)果準確性受到一定影響。

目前無人機設備多采用鋰電池做為動力來源，鋰電池能量存儲密度有限，造成無人機續(xù)航時間短，通常在1 h以內(nèi)，一次飛行覆蓋的地面范圍較小，制約其應用推廣。

3.3 UAVRS在中藥資源領域應用技術有待創(chuàng)新

隨著大數(shù)據(jù)、云計算、5G技術的發(fā)展，無人機飛控技術將會更加成熟，無人機的航程和有效載荷也會增加，數(shù)據(jù)的運算和傳輸?shù)榷紩M一步擴展。由于部分中藥資源分布在地形復雜的山區(qū)，利用無人機低空遙感技術進行中藥資源的監(jiān)測等作業(yè)，需要根據(jù)中藥資源的特點，提高無人機遙感平臺的高穩(wěn)定性、擴展性；同時對機載傳感器獲取的遙感圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)的實時傳輸以及高精度的圖像處理算法提出了更高的要求。因此，UAVRS在中藥資源領域應用技術有待提高創(chuàng)新。其中包括：1)研究基于低空無人機獲取遙感數(shù)據(jù)的軟件自動處理方法，包括遙感數(shù)據(jù)的校正算法、觀測目標識別及中藥資源生長信息快速提取與分析方法、中藥資源精準管理快速決策支持算法等，開發(fā)具有較高實時性、穩(wěn)定性、可擴展的中藥資源遙感監(jiān)測管理平臺。2)研發(fā)基于無人機遙感平臺的中藥資源智能識別技術，搭載智能化設備，實時監(jiān)測中藥資源長勢、病蟲害、重金屬污染等因子，并開發(fā)多種內(nèi)業(yè)智能化平臺，實現(xiàn)中藥資源智能化工作。3)構(gòu)建基于三維立體遙感的數(shù)字化中藥資源可持續(xù)發(fā)展利用平臺，開發(fā)或者利用三維模型軟件，將無人機遙感數(shù)據(jù)制作成三維動態(tài)的可視化產(chǎn)品。

3.4 專業(yè)技術人員數(shù)量有待提高

培養(yǎng)更多既懂中藥資源，又懂計算機技術、遙感技術，既懂中藥資源外業(yè)調(diào)查，又懂內(nèi)業(yè)處理的優(yōu)秀人才，在高校創(chuàng)建二者結(jié)合的交叉學科，形成梯隊人才隊伍和架構(gòu)模式。

綜上，無人機技術在中藥資源調(diào)查領域具有廣闊的應用前景，而目前UAVRS在中藥資源普查中的應用還缺乏專用平臺系統(tǒng)的支持，沒有形成專業(yè)化、常態(tài)化的應用模式，而建立基于大數(shù)據(jù)的無人機低空遙感中藥資源監(jiān)測平臺，提供數(shù)據(jù)存儲和分析支持，對于推動中藥資源精準監(jiān)測的全面發(fā)展、建立健全中藥材生產(chǎn)統(tǒng)計制度等，具有重要的研究意義和實際應用價值。