農業(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

作者：張潔、何炫華（中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為展現(xiàn)智能科技動態(tài)，科普中國前沿科技項目推出“人工智能”系列文章，一窺人工智能前沿進展，回應種種關切與好奇。讓我們共同探究，迎接智能時代。

AI助農小助手名片

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；高分辨率圖像成像技術

兩大關鍵技術：基于多專家系統(tǒng)的圖像融合算法；基于域無關特征學習的可泛化圖像融合算法

能量值：5顆星

證件照：

用于農作物監(jiān)測的高分辨率多光譜圖像成像技術

（圖片來源：Gamaya）

AI助農小助手自我介紹

很高興認識你，我是高分辨率多光譜遙感圖像融合算法，是中國科學院合肥物質科學研究院這個大家庭的成員之一。

我們都知道，農作物的生長監(jiān)測、災害分析和預警一直是種植業(yè)的“老大難”問題。不過，有了我的幫助，這些問題就能變得輕松簡單。我的超級能力是將多光譜圖像的豐富信息和高分辨率圖像的精細細節(jié)完美結合，讓圖像更加清晰，細節(jié)更加突出。這就像是給農作物裝上了“千里眼”和“透視鏡”，哪怕是最微小的變化也逃不過我的“法眼”。

分辨率從低到高，我這樣誕生！

面對暴雨和干旱等自然災害，傳統(tǒng)的農田巡查顯然已經跟不上節(jié)奏。于是，遙感技術應運而生。

遙感技術，顧名思義，就是在遠離地面的高處，通過衛(wèi)星、飛機或其他飛行器上的傳感器來獲取地球表面的信息。這項技術的歷史可以追溯到20世紀初，那時候人們開始嘗試用飛機拍攝地面照片。到了20世紀60年代，隨著人造衛(wèi)星的成功發(fā)射，遙感技術進入了太空時代。如今，隨著傳感器技術和數(shù)據(jù)分析方法的不斷進步，遙感技術已經變得越來越精確和高效。

遙感技術主要依靠接收地表反射或發(fā)射的電磁波來獲取信息。太陽光照到地面上，不同的物體（如土壤、植物）會反射不同波長的光線。傳感器捕捉這些反射光，形成圖像。通過分析這些圖像，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。

受到傳感器技術和衛(wèi)星平臺限制，遙感衛(wèi)星很難直接得到同時具備高分辨率和多光譜的成像結果。通常來說，成像的空間分辨率越高，光譜分辨率就會越低。因此，遙感衛(wèi)星通常會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，我會通過遙感圖像融合算法，將這兩種圖像結合起來，生成高分辨率多光譜的遙感圖像。

多光譜圖像是指在多個特定波段上獲取的圖像，與普通的可見光圖像相比，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紅、綠、藍三種顏色，還能看到紅外線、紫外線等人類眼睛看不見的光。因此，多光譜圖像能夠揭示更多關于地物的信息，比如作物的生長狀況、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的變化，看清農作物的生理特性，根據(jù)作物的具體屬性進行成像，比如養(yǎng)分指標、病蟲害情況等，還擁有超高的成像精度，能觀察到每一棵植株的細微變化。更厲害的是，它還能在病蟲害大規(guī)模爆發(fā)前預警，幫助農民兄弟及時采取行動。

而高分辨率圖像則意味著圖像的細節(jié)更加豐富。在高分辨率圖像中，每一個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節(jié)。比如，在低分辨率圖像中，一片農田可能只是一個模糊的綠色斑塊，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，農民伯伯們不再需要每天親自下田檢查作物狀況。農業(yè)部門可以通過遙感圖像進行遠程監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)問題，就可以發(fā)布預警，立即采取措施，大大提高了農業(yè)生產的效率和質量。此外，在災害評估方面，我同樣功不可沒，能夠迅速評估受災區(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，通過多光譜圖像可以監(jiān)測作物中的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的含量。這些元素對作物的生長至關重要，缺少任何一種元素，作物都會出現(xiàn)生長異常。

多光譜圖像還能幫助我們檢測葉綠素含量，而葉綠素含量與作物的產量密切相關。通過它，我們可以清晰地看到每一棵植株的變化，進一步分析出葉綠素數(shù)據(jù)，幫助農民及時調整施肥策略，提高作物產量。

除此之外，我還是農田的“預警系統(tǒng)”，能夠協(xié)助水分脅迫與病蟲害監(jiān)測。作物的生長需要適宜的水分，過多或過少都會引起生長問題。而我可以快速獲取作物的水分脅迫信息，當作物缺水時，其光譜特征會發(fā)生變化，我能精確定位缺水區(qū)域，幫助農民及時采取灌溉措施，避免因缺水導致的減產。

早期診斷病蟲害對科學防治病蟲害、保證作物產量至關重要。我的出現(xiàn)可以幫助農作物快速、無損、有效地檢測病蟲害。當作物受到病蟲害脅迫時，其內部生理指標和外部形態(tài)都會發(fā)生變化，這些變化會在我生成的高分辨率多光譜圖像上表現(xiàn)出來。例如，病蟲害會引起葉片顏色變化，通過特定波段的光譜分析和高清圖像，可以識別出病蟲害的早期跡象，及時采取防治措施。

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

（圖片來源：維科網）

挑戰(zhàn)與未來

遙感技術的“超級X光”看似無所不能，但背后的技術挑戰(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，高分辨率和多光譜圖像在成像過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常不對齊，難以得到令人滿意的成像結果，這些數(shù)據(jù)需要強大的計算能力和復雜的算法來處理。

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)中提取有用的農業(yè)信息，依然是一個巨大的挑戰(zhàn)。信息提取的精度直接影響到農業(yè)監(jiān)測和災害評估的效果。不同作物和病蟲害在光譜圖像上的表現(xiàn)各異，需要精確的模型來解讀這些光譜數(shù)據(jù)。

盡管面臨這些挑戰(zhàn)，遙感技術的未來發(fā)展前景依然廣闊。未來，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。更高的分辨率將有助于更精確地監(jiān)測農田細節(jié)，及時發(fā)現(xiàn)問題。更多的波段信息將提高對作物健康狀況和環(huán)境脅迫的監(jiān)測精度。

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

小助手寄語

通過今天的介紹，相信大家已經對我有了初步的了解。當然，我的系統(tǒng)仍在不斷迭代和升級中，逐漸增加更多功能，以提供更好的使用體驗。而我誕生的背后，是服務于我國農業(yè)生產的智慧農業(yè)團隊，我的發(fā)展離不開各位科研人員的智慧和心血。

中國科學院合肥物質科學研究院的科研團隊也希望在技術成熟后，將我以軟件接口API的形式向廣大開發(fā)者開放，讓更多有創(chuàng)意的團隊將這一技術應用到更廣泛的農業(yè)領域，為農民朋友們提供更加完整、專業(yè)、智能的服務。