農(nóng)業(yè)的“千里眼”和“透視鏡”：高分辨率多光譜遙感圖像融合算法上線！

出品；科普中國(guó)

作者：張潔、何炫華（中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為展現(xiàn)智能科技動(dòng)態(tài)，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“人工智能”系列文章，一窺人工智能前沿進(jìn)展，回應(yīng)種種關(guān)切與好奇。讓我們共同探究，迎接智能時(shí)代。

AI助農(nóng)小助手名片

小助手：高分辨率多光譜遙感圖像融合算法

兩大法寶：多光譜圖像成像技術(shù)；高分辨率圖像成像技術(shù)

兩大關(guān)鍵技術(shù)：基于多專(zhuān)家系統(tǒng)的圖像融合算法；基于域無(wú)關(guān)特征學(xué)習(xí)的可泛化圖像融合算法

能量值：5顆星

證件照：

用于農(nóng)作物監(jiān)測(cè)的高分辨率多光譜圖像成像技術(shù)

（圖片來(lái)源：Gamaya）

AI助農(nóng)小助手自我介紹

很高興認(rèn)識(shí)你，我是高分辨率多光譜遙感圖像融合算法，是中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院這個(gè)大家庭的成員之一。

我們都知道，農(nóng)作物的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害分析和預(yù)警一直是種植業(yè)的“老大難”問(wèn)題。不過(guò)，有了我的幫助，這些問(wèn)題就能變得輕松簡(jiǎn)單。我的超級(jí)能力是將多光譜圖像的豐富信息和高分辨率圖像的精細(xì)細(xì)節(jié)完美結(jié)合，讓圖像更加清晰，細(xì)節(jié)更加突出。這就像是給農(nóng)作物裝上了“千里眼”和“透視鏡”，哪怕是最微小的變化也逃不過(guò)我的“法眼”。

分辨率從低到高，我這樣誕生！

面對(duì)暴雨和干旱等自然災(zāi)害，傳統(tǒng)的農(nóng)田巡查顯然已經(jīng)跟不上節(jié)奏。于是，遙感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

遙感技術(shù)，顧名思義，就是在遠(yuǎn)離地面的高處，通過(guò)衛(wèi)星、飛機(jī)或其他飛行器上的傳感器來(lái)獲取地球表面的信息。這項(xiàng)技術(shù)的歷史可以追溯到20世紀(jì)初，那時(shí)候人們開(kāi)始嘗試用飛機(jī)拍攝地面照片。到了20世紀(jì)60年代，隨著人造衛(wèi)星的成功發(fā)射，遙感技術(shù)進(jìn)入了太空時(shí)代。如今，隨著傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法的不斷進(jìn)步，遙感技術(shù)已經(jīng)變得越來(lái)越精確和高效。

遙感技術(shù)主要依靠接收地表反射或發(fā)射的電磁波來(lái)獲取信息。太陽(yáng)光照到地面上，不同的物體（如土壤、植物）會(huì)反射不同波長(zhǎng)的光線。傳感器捕捉這些反射光，形成圖像。通過(guò)分析這些圖像，我們可以了解地面的各種狀況，比如植被的健康狀態(tài)、土壤的濕度等等。

受到傳感器技術(shù)和衛(wèi)星平臺(tái)限制，遙感衛(wèi)星很難直接得到同時(shí)具備高分辨率和多光譜的成像結(jié)果。通常來(lái)說(shuō)，成像的空間分辨率越高，光譜分辨率就會(huì)越低。因此，遙感衛(wèi)星通常會(huì)捕獲高分辨率的單一光譜圖像和低分辨率的多光譜圖像。而隨后，我會(huì)通過(guò)遙感圖像融合算法，將這兩種圖像結(jié)合起來(lái)，生成高分辨率多光譜的遙感圖像。

多光譜圖像是指在多個(gè)特定波段上獲取的圖像，與普通的可見(jiàn)光圖像相比，多光譜圖像包含了更多的光譜信息。這就像是你不僅能看見(jiàn)紅、綠、藍(lán)三種顏色，還能看到紅外線、紫外線等人類(lèi)眼睛看不見(jiàn)的光。因此，多光譜圖像能夠揭示更多關(guān)于地物的信息，比如作物的生長(zhǎng)狀況、土壤的成分等。

而我所生成的高分辨率多光譜圖像能夠捕捉到肉眼難以察覺(jué)的變化，看清農(nóng)作物的生理特性，根據(jù)作物的具體屬性進(jìn)行成像，比如養(yǎng)分指標(biāo)、病蟲(chóng)害情況等，還擁有超高的成像精度，能觀察到每一棵植株的細(xì)微變化。更厲害的是，它還能在病蟲(chóng)害大規(guī)模爆發(fā)前預(yù)警，幫助農(nóng)民兄弟及時(shí)采取行動(dòng)。

而高分辨率圖像則意味著圖像的細(xì)節(jié)更加豐富。在高分辨率圖像中，每一個(gè)像素代表的地表面積更小，這意味著我們可以看到更多的細(xì)節(jié)。比如，在低分辨率圖像中，一片農(nóng)田可能只是一個(gè)模糊的綠色斑塊，但在高分辨率圖像中，你可以清楚地看到每一棵植株。

有了高分辨率多光譜圖像，農(nóng)民伯伯們不再需要每天親自下田檢查作物狀況。農(nóng)業(yè)部門(mén)可以通過(guò)遙感圖像進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就可以發(fā)布預(yù)警，立即采取措施，大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。此外，在災(zāi)害評(píng)估方面，我同樣功不可沒(méi)，能夠迅速評(píng)估受災(zāi)區(qū)域的范圍和程度，為救援工作提供寶貴的信息支持。

高分辨率多光譜遙感圖像融合算法

（圖片來(lái)源：SATPALDA）

我可以做哪些工作？

作物的光譜特征反映了它們的健康狀況，利用我的能力，可以快速、無(wú)損地獲取作物的養(yǎng)分和生理信息，即捕捉到它們的多光譜圖像。例如，通過(guò)多光譜圖像可以監(jiān)測(cè)作物中的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的含量。這些元素對(duì)作物的生長(zhǎng)至關(guān)重要，缺少任何一種元素，作物都會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)異常。

多光譜圖像還能幫助我們檢測(cè)葉綠素含量，而葉綠素含量與作物的產(chǎn)量密切相關(guān)。通過(guò)它，我們可以清晰地看到每一棵植株的變化，進(jìn)一步分析出葉綠素?cái)?shù)據(jù)，幫助農(nóng)民及時(shí)調(diào)整施肥策略，提高作物產(chǎn)量。

除此之外，我還是農(nóng)田的“預(yù)警系統(tǒng)”，能夠協(xié)助水分脅迫與病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)。作物的生長(zhǎng)需要適宜的水分，過(guò)多或過(guò)少都會(huì)引起生長(zhǎng)問(wèn)題。而我可以快速獲取作物的水分脅迫信息，當(dāng)作物缺水時(shí)，其光譜特征會(huì)發(fā)生變化，我能精確定位缺水區(qū)域，幫助農(nóng)民及時(shí)采取灌溉措施，避免因缺水導(dǎo)致的減產(chǎn)。

早期診斷病蟲(chóng)害對(duì)科學(xué)防治病蟲(chóng)害、保證作物產(chǎn)量至關(guān)重要。我的出現(xiàn)可以幫助農(nóng)作物快速、無(wú)損、有效地檢測(cè)病蟲(chóng)害。當(dāng)作物受到病蟲(chóng)害脅迫時(shí)，其內(nèi)部生理指標(biāo)和外部形態(tài)都會(huì)發(fā)生變化，這些變化會(huì)在我生成的高分辨率多光譜圖像上表現(xiàn)出來(lái)。例如，病蟲(chóng)害會(huì)引起葉片顏色變化，通過(guò)特定波段的光譜分析和高清圖像，可以識(shí)別出病蟲(chóng)害的早期跡象，及時(shí)采取防治措施。

Figure 2左圖：WBI 值越大，植物含水量越高，越利于植物生長(zhǎng)；右圖： 病害脅迫，越黃發(fā)病越嚴(yán)重，越綠發(fā)病越輕

（圖片來(lái)源：維科網(wǎng)）

挑戰(zhàn)與未來(lái)

遙感技術(shù)的“超級(jí)X光”看似無(wú)所不能，但背后的技術(shù)挑戰(zhàn)也不容忽視。首先，遙感圖像的數(shù)據(jù)量非常龐大。想象一下，你拍了一張超高清的農(nóng)田照片，不僅有各種顏色的信息，還有不同波段的光譜數(shù)據(jù)。同時(shí)，高分辨率和多光譜圖像在成像過(guò)程中常常受到各種不利氣象條件的影響，并且這兩種圖像之間還經(jīng)常不對(duì)齊，難以得到令人滿(mǎn)意的成像結(jié)果，這些數(shù)據(jù)需要強(qiáng)大的計(jì)算能力和復(fù)雜的算法來(lái)處理。

融合后的高分辨率多光譜遙感圖像包含豐富的信息，但如何從這些數(shù)據(jù)中提取有用的農(nóng)業(yè)信息，依然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。信息提取的精度直接影響到農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)和災(zāi)害評(píng)估的效果。不同作物和病蟲(chóng)害在光譜圖像上的表現(xiàn)各異，需要精確的模型來(lái)解讀這些光譜數(shù)據(jù)。

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，遙感技術(shù)的未來(lái)發(fā)展前景依然廣闊。未來(lái)，我們可以期待更高分辨率、更多波段的遙感圖像，以及更加智能的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)。更高的分辨率將有助于更精確地監(jiān)測(cè)農(nóng)田細(xì)節(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。更多的波段信息將提高對(duì)作物健康狀況和環(huán)境脅迫的監(jiān)測(cè)精度。

人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，將使遙感圖像的數(shù)據(jù)處理和分析更加智能化，通過(guò)自動(dòng)化算法和模型，更快速、更準(zhǔn)確地提取有用信息，輔助農(nóng)業(yè)決策。

小助手寄語(yǔ)

通過(guò)今天的介紹，相信大家已經(jīng)對(duì)我有了初步的了解。當(dāng)然，我的系統(tǒng)仍在不斷迭代和升級(jí)中，逐漸增加更多功能，以提供更好的使用體驗(yàn)。而我誕生的背后，是服務(wù)于我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧農(nóng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，我的發(fā)展離不開(kāi)各位科研人員的智慧和心血。

中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的科研團(tuán)隊(duì)也希望在技術(shù)成熟后，將我以軟件接口API的形式向廣大開(kāi)發(fā)者開(kāi)放，讓更多有創(chuàng)意的團(tuán)隊(duì)將這一技術(shù)應(yīng)用到更廣泛的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，為農(nóng)民朋友們提供更加完整、專(zhuān)業(yè)、智能的服務(wù)。