Зіниця повітряного ока – обладнуємо дрон для оцінки посівів

Досвідчений агроном за кольором рослин може з високою точністю визначити проблемні ділянки посівів та, з певною вірогідністю, інтерпретувати причини їх виникнення.

Зараз повітряні дрони здатні підняти цифрову камеру на кілька сотень метрів й цим стають звичайним знаряддям в аграрному виробництві.

Проте при виборі обладнання виникає питання щодо потрібного спектрального діапазону. Для пшениці оптичного діапазону від звичайної камери може виявитись достатнім щоб визначати потребу в азотному живленні, проте для кукурудзи цього замало.

На рисунку представлено фото дослідного стаціонару НУБіП України щодо вивчення систем застосування добрив, і дозування добрив зростає починаючи від дороги. В оптичному діапазоні не було виявлено істотної різниці в спектральних показниках при різних значеннях азотного живлення.

Виходячи з досвіду космічних досліджень інфрачервоний діапазон також придатний для визначення зволоження рослин, моніторингу захворювань, виявлення осередків шкідників тощо. Як отримати цей додатковий діапазон на звичайні цифровій фотокамері?

Використовуємо оптичні фільтри для звичайних камер

Стандартна конструкція цифрового фотоапарату передбачає послідовне використання інфрачервоного фільтру, після якого розташовані оптичні фільтри. В разі демонтажу інфрачервоного (hot mirror) фільтру апарат буде фіксувати й інфрачервоне випромінювання, оскільки оптичні світлофільтри дещо прозорі для нього.

В деяких моделях камер захисний інфрачервоний фільтр нанесено на об’єктив, і заміна об’єктиву перетворює камеру в інфрачервону. Як приклад екшн-камера GoPro HERO4. Вартість такого обладнання на ринку України складає порядку 150-220 $, що є цілком доступним для аграрної галузі..

Екшн камера GoPro HERO4 та спеціалізований об’єктив для фіксації інфрачервоного випромінювання

Як і у випадку оптичного об’єктиву, за використання ІЧ об’єктиву будуть фіксуватись три складові кольору, які отримали назву псевдокольори, що складаються з різної комбінації червоної та інфрачервоної складових спектру. У фотознімках із iR об’єктивом формату jpeg канали iR1, iR2 та iR3 будуть сприйняті як червоний, зелений та синій відповідно.

Залежність інтенсивності спектральних каналів залежно від довжини хвилі фотокамера GoPro HERO4 з оптичним та ІЧ об’єктивами

Незважаючи на присутність в складі зафіксованого випромінювання як інфрачервоної, так і червоної складової, їх безпосереднє значення можливо вирахувати з допомогою простої пропорції на базі наведених на графіку експериментальних рівнянь.

Проте на практиці можна використовувати і дані отримані із інфрачервоним об’єктивом безпосередньо без перерахунків. Отримане кольорове зображення називають псевдокольововим.

Знімок того ж стаціонарного досліду для посівів кукурудзи в псевдокольорах вже більш придатний для ідентифікації стану азотного живлення

Для деяких сільськогосподарських культур інфрачервоний діапазон є необхідним. При цьому можливі й інші варіанти спектрального складу для псевдокольорів, залежно від складу світлофільтрів.

Доступні рішення в серійному обладнанні

Такі відносно прості рішення вже реалізовані в серійному обладнанні. Починаючи з 2015 року під торговою маркою MAPIR було розпочато випуск компактних «бюджетних» сенсорів, доступних для невеликих господарств. В 2015 році під назвою Survey1 було випущено апарат, що фіксував синій та інфрачервоний канали. Для випущеного в 2016 році зразка Survey2 були доступні вже 6 світлофільтрів – RGB, NDVI Red + NIR, Near infrared + NIR, а також окремо червоний, синій та зелений. Починаючи з 2017 року, разом із появою апарату Survey3 було розпочато поставки спеціалізовані світлофільтрів під маркою Kernel, зі збільшеною кількістю варіантів спектральних каналів.

Камера Survey3W із змінним об’єктивом ([url="https://www.mapir.camera/pages/survey3-cameras"]https://www.mapir.camera/pages/survey3-cameras[/url])

Станом на 2018 рік, випускаються наступні комбінації спектральних каналів: RGB, Orange+Cyan+NIR, Red+Green+NIR, NIR+Green+Blue, Red-Edge, NIR. Фактично камери серії Survey побудовані на базі звичайної камери оптичного діапазону і можуть модернізуватись «на місці» за потребою користувача. Завдяки цьому користувачу доступні такі вегетаційні індекси: NDVI, GNDVI, OSAVI, TVI, CV, ENDVI та інші. До того ж номенклатура світофільтрів постійно оновлюється і стають доступні нові варіанти вегетаційних індексів.

В Україні вартість такого обладнання становить порядку 900-1000 $, що відносно недорого для професійного обладнання. Звісно, можливо зекономити бюджет і самому замінити світофільтри на фотокамері, щоб виявити проблемні ділянки на полі. Але при використанні серійного обладнання можна ефективно використовувати як вітчизняні, так і закордонні консалтингові сервіси для аналізу зображень.

На сьогодні цілком можливо отримати універсальне обладнання придатне для керування врожаєм при визначенні стану живлення. Певні, що ці цифрові технології на сьогодні вже прийнятні по співвідношенню «ціна/функціональні можливості» та можуть бути ефективно використані навіть в невеликих фермерських господарствах.