Мультиспектральная съёмка c воздуха для сельского хозяйства: основы, задачи и решения

О новом виде аэрофотосъёмки, помогающем следить за состоянием растений, предотвращать проблемы на ранних стадиях и, как следствие, повышать урожайность, слышали многие работники и руководители аграрного сектора, следящие за развитием современных технологий. В этой статье мы расскажем о физическом смысле, применении и особенностях мультиспектральной съёмки на примере профессионального дрона DJI P4 Multispectral и коснёмся моментов, до этого недостаточно освещённых в статьях на русском языке.

Для чего на одном подвесе установлены 6 камер?

Вместо привычной небольшой камеры дрона Phantom 4 мы видим на трёхосевом подвесе беспилотника массивное устройство, имеющее шесть объективов. Каждая из камер, объединённых общим затвором, имеет матрицу, чувствительную в определённой области электромагнитного спектра, также называемой каналом.

Мультиспектральная камера P4 производит съёмку в следующих каналах (в скобках указана длина волны в нанометрах):

• Красный край (RE, 730 нм ± 16 нм): в этом канале, находящемся на границе инфракрасного излучения, наиболее заметен пигмент хлорофилл, при участии которого происходит фотосинтез;
• Ближний инфракрасный (NIR, 840 нм ± 26 нм); канал используется для аналогичных целей и расположен на границе видимого света и среднего инфракрасного излучения;
• Зелёный (G 560 нм ± 16 нм): используется для визуализации вегетативной активности растений и процесса их старения, важен при созревании и подготовке к сбору сельскохозяйственных культур;
• Красный (R 650 нм ± 16 нм): в аграрном секторе имеет первостепенное значение для анализа качества и состояния почвы, также позволяет визуализировать на мультиспектральном снимке рукотворные объекты;
• Синий (B 450 нм ± 16 нм): служит для отображения на снимках воды, а также для изучения дна водоёмов;
• Видимое излучение: съёмка стандартных RGB-фотографий.

Нормализованный относительный индекс растительности (NDVI) и другие индексы

Нормализованный относительный индекс растительности (также в русском языке может назваться нормализованным относительным вегетационным индексом) вычисляется по результатам съёмки в красном и ближнем инфракрасном каналах, находится в диапазоне от 0 (отсутствие вегетации) до 1 (максимальная вегетация) и указывает относительный объём биомассы зелёных растений, в реальных условиях не может превышать 0,95. Значение индекса указывает на состояние здоровья растений и их развитие. Программное обеспечение, используемое для дрона P4 Multispectral, позволяет визуализировать NDVI на карте различными цветами, в том числе и в реальном времени. Специалист без труда найдёт проблемные участки поля на ортофотоплане и предоставит информацию своим коллегам.

Программное обеспечение DJI Terra (базовая лицензия на 1 год предоставляется при покупке дрона), работающее с дроном P4 Multispectral, также вычисляет и визуализирует следующие индексы:

• GNDVI (зелёный нормализованный относительный индекс растительности) — аналогичен NDVI, но с использованием зелёного канала вместо красного. Характеризует фотосинтетическую активность растений и применяется для поиска насаждений, испытывающих дефицит или переизбыток влаги, также определяются растения других видов (сорняки), находящиеся на территории сельхозугодий;
• NDRE (нормализованный разностный индекс красного края) — служит для определения концентрации азота в листьях путём оценки активности фотосинтеза. Используется главным образом при исследовании старых и находящихся в неудовлетворительном состоянии посевов;
• LCI (индекс цвета почвы) — предназначен для оценки плодородности почвы;
• OSAVI (индекс растительности с оптимизированном учётом почвы) — используется для исследования состояния разреженной молодой зелёной растительности с учётом влияния почвы.

Геопривязка и точность позиционирования

Поскольку главная цель мультиспектральной съёмки — заметить проблему на ранней стадии и не допустить её развития, критически важно знать точное расположение на поле участка, требующего повышенного внимания, для решения о дальнейших действиях. Для этого используется бортовой модуль Real Time Kinematic (RTK) и наземная станция D-RTK 2, использующая сигналы всех распространённых спутниковых систем и сохраняющая данные для работы в условиях помех и низкого сигнала. Система TimeSync синхронизирует работу систем позиционирования и камер, в результате обеспечивая точность привязки снимков на местности до 1 см. На практике это означает, что в процессе постобработки вы найдёте не только проблемные участки, но и отдельные растения.

Исследования на каждой стадии роста сельхозкультур

1. Подготовка к посевной кампании: на этой стадии составляются карты земельного участка, с использованием индекса LCI оценивается плодородность почвы, принимается решение о внесении удобрений на определённые участки;
2. Ранние и средние стадии роста: с использованием индексов NDVI, GNDVI и OSAVI анализируется развитие посевов, оценивается качество полива, на ранних стадиях обнаруживаются растения, поражённые болезнями и паразитами для дальнейшего их удаления, либо распыления ядохимикатов и жидких удобрений, добавляется или снижается полив выбранных участков почвы;
3. Подготовка к сбору урожая: грамотный анализ индексов NDVI и NDRE позволяет своевременно приступить к сбору урожая, не допуская перезревания и преждевременного старения сельскохозяйственных культур.

Работа в паре с сельскохозяйственным дроном DJI Agras MG-1P

Октокоптер DJI Agras MG-1P имеет бак объёмом 10 литров и регулируемые форсунки для распыления пестицидов, гербицидов и жидких удобрений с производительностью 2,8–4 га/ч. Эффективность, точность и быстроту авиахимработ можно повысить, если производить их только там, где это необходимо. Помощь, которую трудно переоценить, оказывает в этом деле анализ мультиспектральных снимков и вегетативных индексов. Чтобы координировать, планировать и отслеживать совместную работу двух и более дронов DJI, а также оценивать и архивировать её результаты, рекомендуется применение специализированного программного обеспечения DJI Flighthub.

Повышение урожайности и прибыли

Внедрение беспилотных технологий — большой шаг к появлению аграрных предприятий и ферм, на которых автоматизированные роботы возьмут на себя большую часть функционала людей. Несмотря на относительно высокую стоимость дрона для мультиспектральной съёмки DJI P4 Multispectral с наземной станцией D-RTK 2, вложения окупятся в первый же год применения благодаря росту количественных и качественных показателей урожая.

Аппарат создан на базе популярного квадрокоптера для съёмки, предназначенного в том числе и для любителей. Это означает, что P4 Multispectral, благодаря простоте управления и дружественному интерфейсу, доступен для освоения даже пользователем, не имеющим опыта эксплуатации мультикоптеров.

Возможно, вам будет интересно: