Получение вегетационного индекса NDVI с помощью беспилотников (БПЛА)

Использование беспилотных летальных аппаратов (БПЛА) сельском хозяйстве относительно новое направление, но уже широко зарекомендовавшее себя.

Для начала хочу разобраться в терминологии и дать определение БПЛА под которым мы подразумеваем: дроны (квадрокоптеры, октокоптеры, гексакоптеры и др.), самолеты (летающее крыло и др.) оснащенные специальным оборудованием для проведения фотосъемки в различных спектральных диапазонах.

Современные задачи диктуют достаточно высокие требования как к качеству получаемых данных (фотографий), также без внимания не оставлен вопрос скорости их обработки. В связи с этим к современные беспилотники (БПЛА) представляют собой не просто летательные аппараты, а целый комплекс аппаратных и программных решений. При этом сами устройства должны быть просты в эксплуатации и обслуживании.

Одним из ключевых являться параметр времени, проведенного в полете, для дронов этот параметр может достигать до 30-40 минут, для самолетов от 40 до 180 минут. Также не маловажным параметром остается разрешение установленной на борт фотоаппаратуры, минимальным стандартом на сегодня есть 10 Мп, кроме того для получения мультиспектральных снимков (изображений) необходимо иметь модифицирование светофильтрами объективы или специализированную мультиспектральную камеру. Но тут важно понимать, что каждый снимок должен нести в себе информацию не только об изображении, но и о его координатах центра фотографирования. Для этого фотоаппаратура должна иметь собственный встроенный GPS-приемник или быть связана с контроллером полета (автопилотом).  Далее полученные геопривязаные снимки обрабатывают с помощью специального программного обеспечения которое из них формирует ортофотопланы,  трехмерные модели местности и так далее. Производительность дронов в сельском хозяйстве различна и зависит от нескольких факторов: высоты полета – чем больше высота, тем выше охват площади, но при этом важно не забывать, что с высотой уменьшается пространственное разрешение снимков. Оптимальным на наш взгляд есть пространственное разрешение до 10 см./пиксель, но решать Вам так как различные задачи требуют различного качества получаемых данных.

С помощью беспилотников агрономы получат ценную и полезную для ведения сельского хозяйства информацию. После обработки исходных снимков, снятых БПЛА сельскохозяйственного назначения, получают три базовых типа данных: ортофотоплан, цифровую модель местности (ЦММ) и карту высот, а также карты вегетационных индексов таких как NDVI, SAVI, WI, NDWI, WDRVI, ARI, TCARI, MSAVI и др.

Конечно же самым актуальным сегодня является вопрос получения карты вегетационных индексов таких как NDVI, SAVI, WI, NDWI, WDRVI, ARI, TCARI, MSAVI и др., особенное место занимает вегетационный индекс NDVI.

NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) — нормализованный относительный индекс растительности — простой количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы (обычно называемый вегетационным индексом). Один из самых распространенных и используемых индексов для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова.

Вычисляется по следующей формуле:

где,

NearIR (NIR) — отражение в ближней инфракрасной области спектра

RGB (VIS) — отражение в видимой области спектра

Согласно этой формуле, плотность растительности (NDVI) в определенной точке изображения равна разнице интенсивностей отраженного света в видимом и инфракрасном диапазоне, деленной на сумму их интенсивностей.

Расчет NDVI базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках спектральной кривой отражения сосудистых растений. В видимой области спектра (0,4-0,7 мкм) лежит максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом высших сосудистых растений, а в инфракрасной области (0,7-1,0 мкм) находится область максимального отражения клеточных структур листа. То есть высокая фотосинтетическая активность (связанная, как правило, с густой растительностью) ведет к меньшему отражению в красной области спектра и большему в инфракрасной. Отношение этих показателей друг к другу позволяет четко отделять и анализировать растительные от прочих природных объектов. Использование же не простого отношения, а нормализованной разности между минимумом и максимумом отражений увеличивает точность измерения, позволяет уменьшить влияние таких явлений как различия в освещенности снимка, облачности, дымки, поглощение радиации атмосферой и пр.

Следует отметить, что источником данных для расчета NDVI могут быть: спутниковой снимки, информация, полученная с наземных датчиков, а также снимки с БПЛА (дрона, самолета). Большая часть современных беспилотных комплексов может быть оснащена камерой для съемки в видимом и инфракрасном диапазонах, с помощью которой есть возможность получать набор данных для NDVI за один полет.

Обращаем внимание наших читателей что применение беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве является достаточно наукоемким и требует современной и модифицированной техники, в частности разбрасывателей удобрений и опрыскивателей, способных выполнять внесение дифференцированным способом. Однако полученный эффект от использования беспилотников в сельском хозяйстве можно получить, всего лишь уточнив площади посевов. Актуальное значение фактически обрабатываемой площади позволит наиболее верно рассчитать затраты на семена, минеральные удобрения и средства защиты растений, а при уборке урожая получить более точное значение урожайности. Работы по уточнению фактически обрабатываемых площадей показывают, что расхождение заявленной и обрабатываемой территории составляет порядка 2–5% даже в том случае, если цифровые карты полей созданы не более пяти лет назад — по спутниковым снимкам либо объездом на тракторе или квадроцикле. Если сравнивать площади, определенные по результатам аэрофотосъемки, и из бумажных планов или кадастровых документов, то разница может достигать 20%. Как следствие, расчет затрат на покупку семян и пестицидов будет содержать ту же погрешность.

Современный уровень развития информационных технологий достаточно высок, и повсеместное использование электронных карт полей — вопрос времени. При их составлении не просто уточняются реальные границы и площади земельных участков — все полученные данные являются обязательными при внедрении современных систем управления агропредприятием, которые предполагают учет состояния территорий, севооборота, урожайности по отдельным полям, проведенных агротехнических мероприятий и тому подобного.

Существует несколько способов построения границ полей разной степени точности и трудоемкости, и картография на основе аэрофотосъемки с БПЛА — один из наиболее точных и быстрых. Для современных беспилотных аппаратов это стандартная задача. Предприятия, уже имеющие цифровые карты полей, могут применять актуальный и детализированный ортофотоплан с БПЛА в качестве подложки или одного из тайловых слоев.

Автор: Alexander 

Источник: ndvi.com.ua/obtaining-vegetation-index-ndvi-using-drones