Пятиглазая камера для БПЛА: как она работает и зачем нужна фермерам
Face-контроль
Как и любой другой современный фотоаппарат, камера работает по фотоэлектрическому принципу, при котором световая энергия преобразуется в цифровую информацию. Однако существует важное отличие: в ней пять объективов, а под ними пять монохромных матриц, или сенсоров.
Электромагнитное излучение (это видимый свет, ультрафиолет и другие участки спектра) проходит через объективы, и, прежде чем зафиксироваться на матрицах, сталкивается со светофильтрами. Для каждого сенсора он свой: красный, зеленый, синий, дальний красный или инфракрасный. Через фильтр, как через face-контроль, проходит только один участок спектра: то есть из всего электромагнитного пучка до матрицы добирается либо синий, либо красный и т.д. Таким образом, на каждом сенсоре сохраняется цифровая информация только по одному из участков спектра.
Итог: один щелчок — пять фотографий одного и того же, но с разными данными.
Немного ботаники
Зеленое растение — здоровое растение. В нем активно проходит процесс фотосинтеза, при котором молекула хлорофилла поглощает световую энергию и на пару с углекислым газом и водой использует ее для образования органических веществ. Это основа жизнедеятельности всех цветов, кустарников и деревьев. Однако не все участки спектра нужны для поддержания этого сложного процесса. Растение интенсивно поглощает весь видимый свет (от красного до фиолетового участков спектра из считалки про охотника), кроме зеленого. Отраженный от клеток зеленый свет затем воспринимается нашим глазом, поэтому растения и видятся нам такими.
Инфракрасное излучение (оно тоже является частью электромагнитного излучения) отражается от растения на пару с зеленым участком спектра. Так сложилась эволюция.
Что могут рассказать фотографии растений?
Теперь мы знаем, что зеленое (а в нашем случае и здоровое) растение активно поглощает красный и отражает инфракрасный свет. Когда оно угнетено, процесс фотосинтеза нарушается, и степень взаимодействия с электромагнитным излучением меняется: красный поглощается меньше, а инфракрасный — больше. Эти изменения как раз и фиксирует мультиспектральная камера, прикрепленная к беспилотнику. При обработке изображений, полученных с «красных» и «инфракрасных» матриц, в специальной программе Agisoft Metashape участки с угнетенной растительностью будут отличаться цветом.
Важно подчеркнуть, что колебания на «световом» уровне происходят намного раньше, чем растение начнет фактически желтеть. Так, оценка состояния сельскохозяйственных культур с БПЛА может заранее предсказать, что растение нуждается в подкормке или поливе.
Самый популярный вегетационный индекс — NDVI. Он как раз и работает с красным и инфракрасным участками спектра. Информация с других трех каналов позволяет создать карты в естественных цветах (так называемые RGB-изображения) и рассчитать другие индексы (SAVI, NDVI, NDRE, LAI). Например, данные фиксации дальнего красного участка спектра могут указать на угнетенность растения из-за нехватки в почве кислорода. Причем поломка в способности отражать этот диапазон может сообщить о проблеме намного раньше, чем появятся видимые изменения (например, пожелтение листьев).
Задача по экономике
Возьмем ситуацию: июнь, 5 средних полей общей площадью 250 га засеяно пшеницей. Ей может не хватает то влаги, то питательных веществ, или вообще произошла атака вредителей. Чтобы за всем уследить, надо много времени на обходы. Как оптимизировать процесс? Использовать БПЛА с мультиспектральной камерой.
Чтобы обойти все поля, фермеру необходимо потратить несколько часов или даже дней, ведь работать на солнцепеке то еще удовольствие. Другой вариант — облететь ту же территорию за час на беспилотнике, загрузить полученную информацию в программу, выявить на картах проблемные участки и отправиться туда на осмотр.
Такое дробление сельскохозяйственных земель позволит дифференцированно вносить удобрения, гербициды (средства от сорняков), десиканты (вещества, специально подсушивающие растения, — нужны для улучшения качества механической уборки урожая). Это не только экономия средств, но и забота об экологии: избыточные азотные удобрения не вымываются с дождями в канавы и дальше в другие водоемы. Отслеживать результаты внесения препаратов можно также в программе, так как у фермера есть возможность строить внутри поля карты неоднородности.
Задача решена.
Бонус
Мультиспектральная съемка не только про сельское хозяйство. Она широко применяется для определения объема срубленных и растущих деревьев, а также для мониторинга их заболеваний.
Многие исследователи активно используют мультиспектральные камеры и при решении таких задач:
- прогнозирование содержания сахара в винограде или сахарном тростнике;
- оценка нефтяных разливов;
- анализ ущерба от торнадо.
Материал подготовлен компанией «Геоскан»
В этой статье вы познакомитесь с Geoscan Pollux — мультиспектральной камерой, совместимой с БПЛА. Мы расскажем, на чем строится принцип ее работы и как она может быть полезна фермеру.