П'ятиглаза камера для БПЛА: як вона працює і навіщо потрібна фермерам

Технології 01 грудня 2023

Мати на борту фото- або відеокамеру для безпілотника норма - вже нікого не здивуєш послугою зі зйомки об'єктів з повітря або цілодобового відстеження будівництва нафтопроводу. Куди перспективніше розробляти для квадрокоптерів нові корисні навантаження.

Face-контроль
Трохи ботаніки
Що можуть розповісти фотографії рослин?
Завдання з економіки
Бонус
Багато дослідників активно використовують мультиспектральні камери і при вирішенні таких завдань:

У цій статті ви познайомитеся з Geoscan Pollux - мультиспектральною камерою, сумісною з БПЛА. Ми розповімо, на чому будується принцип її роботи і як вона може бути корисна фермеру.

Face-контроль

Як і будь-який інший сучасний фотоапарат, камера працює за фотоелектричним принципом, при якому світлова енергія перетворюється на цифрову інформацію. Однак існує важлива відмінність: в ній п'ять об'єктивів, а під ними п'ять монохромних матриць, або сенсорів.

Електромагнітне випромінювання (це видиме світло, ультрафіолет та інші ділянки спектру) проходить через об'єктиви, і, перш ніж зафіксуватися на матрицах, стикається зі світлофільтрами. Для кожного сенсора він свій: червоний, зелений, синій, дальній червоний або інфрачервоний. Через фільтр, як через face-контроль, проходить тільки одна ділянка спектра: тобто з усього електромагнітного пучка до матриці добирається або синій, або червоний тощо. Таким чином, на кожному сенсорі зберігається цифрова інформація тільки по одній з ділянок спектру.

Підсумок: один клацання - п'ять фотографій одного і того ж, але з різними даними.

Трохи ботаніки

Зелена рослина - це здорова рослина. У ньому активно проходить процес фотосинтезу, при якому молекула хлорофілу поглинає світлову енергію і на пару з вуглекислим газом і водою використовує її для утворення органічних речовин. Це основа життєдіяльності всіх квітів, чагарників і дерев. Однак не всі ділянки спектра потрібні для підтримки цього складного процесу. Рослина інтенсивно поглинає все видиме світло (від червоного до фіолетового ділянок спектра з лічильника про мисливця), крім зеленого. Відображене від клітин зелене світло потім сприймається нашим оком, тому рослини і бачаться нам такими.

Інфрачервоне випромінювання (воно теж є частиною електромагнітного випромінювання) відбивається від рослини на пару із зеленою ділянкою спектра. Так склалася еволюція.

Що можуть розповісти фотографії рослин?

Тепер ми знаємо, що зелена (а в нашому випадку і здорова) рослина активно поглинає червоне і відображає інфрачервоне світло. Коли воно пригнічене, процес фотосинтезу порушується, і ступінь взаємодії з електромагнітним випромінюванням змінюється: червоний поглинається менше, а інфрачервоний - більше. Ці зміни якраз і фіксує мультиспектральна камера, прикріплена до безпілотника. Під час обробки зображень, отриманих з «червоних» та «інфрачервоних» матриць, у спеціальній програмі Agisoft Metashape ділянки з пригніченою рослинністю відрізнятимуться кольором.

Важливо підкреслити, що коливання на «світловому» рівні відбуваються набагато раніше, ніж рослина почне фактично жовтіти. Так, оцінка стану сільськогосподарських культур з БПЛА може заздалегідь передбачити, що рослина потребує підживлення або поливу.

На карті NDVI відтінки коричневого означають відкритий ґрунт, відтінки зеленої - рослини. Чим зеленіша, тим інтенсивніше вегетація (більше рослин на квадратний метр та/або краще їх стан)

Найпопулярніший вегетаційний індекс - NDVI. Він якраз і працює з червоним та інфрачервоним ділянками спектру. Інформація з інших трьох каналів дозволяє створити карти в природних кольорах (так звані RGB-зображення) і розрахувати інші індекси (SAVI, NDVI, NDRE, LAI). Наприклад, дані фіксації далекої червоної ділянки спектра можуть вказати на пригніченість рослини через брак у ґрунті кисню. Причому поломка в здатності відображати цей діапазон може повідомити про проблему набагато раніше, ніж з'являться видимі зміни (наприклад, побажання листя).

Завдання з економіки

Візьмемо ситуацію: червень, 5 середніх полів загальною площею 250 га засіяно пшеницею. Їй може не вистачає то вологи, то поживних речовин, або взагалі сталася атака шкідників. Щоб за всім встежити, треба багато часу на обходи. Як оптимізувати процес? Використовувати БПЛА з мультиспектральною камерою.

Щоб обійти всі поля, фермеру необхідно витратити кілька годин або навіть днів, адже працювати на сонцепеку то ще задоволення. Інший варіант - облетіти ту ж територію за годину на безпілотнику, завантажити отриману інформацію в програму, виявити на картах проблемні ділянки і відправитися туди на огляд.

Таке дроблення сільськогосподарських земель дозволить диференційовано вносити добрива, гербіциди (засоби від бур'янів), десиканти (речовини, що спеціально підсушують рослини, - потрібні для поліпшення якості механічного збирання врожаю). Це не тільки економія коштів, а й турбота про екологію: надлишкові азотні добрива не вимиваються з дощами в канави і далі в інші водойми. Відстежувати результати внесення препаратів можна також у програмі, оскільки у фермера є можливість будувати всередині поля карти неоднорідності.

Завдання вирішене.

Бонус

Мультиспектральна зйомка не тільки про сільське господарство. Вона широко застосовується для визначення обсягу зрубаних і зростаючих дерев, а також для моніторингу їх захворювань.