無人機多光譜相機在農業(yè)應用介紹

農用無人機上的多光譜成像攝像機傳感器可以使農民更有效地管理作物，土壤，施肥和灌溉。通過大限度地減少噴霧，肥料，浪費水分，同時增加農作物的產量，對農民和更廣泛的環(huán)境有巨大的好處。

多光譜相機遙感成像技術使用綠色，紅色，紅邊和近紅外波段捕獲作物和植被的可見和不可見的圖像。多光譜圖像集成到那些能將信息輸出成有意義數(shù)據(jù)的軟件應用程序中，這種土地遙測，土壤和作物數(shù)據(jù)使農民能夠更有效地節(jié)省時間和金錢，同時減少農藥的使用。

在本文中，我們將介紹多光譜成像技術，反射率，波段和植被指數(shù)（如NDVI和NDRE）的基礎知識，展示了這些信息如何使農民對土壤和植物的健康狀況非常了解。

我們還向您展示了多光譜傳感器以及可以安裝多光譜傳感器的農業(yè)無人機。還有些非常好的視頻介紹，但由于國內無法使用Youtube的問題，我們有機會再另行展示。

多光譜成像農用無人機

多光譜成像的優(yōu)點

多光譜圖像是評估土壤生產力和分析植物健康的非常有效的工具。以肉眼觀察土壤和農作物的健康狀況非常有限，落后不可取的。多光譜傳感器技術能夠比農民的肉眼看到更多的東西。

多光譜成像產生的數(shù)據(jù)有如下幾點好處：

• 識別有害生物，疾病和雜草。通過早期檢測優(yōu)化農藥使用和作物噴霧。
• 提供有關土壤肥力的數(shù)據(jù)，并通過檢測營養(yǎng)缺乏來優(yōu)化施肥。幫助土地管理，是否進行生產或轉產作物等。
• 計算植物并確定作物數(shù)量或種植間距問題。估計作物產量。
• 測量灌溉。通過識別懷疑水分脅迫的地區(qū)來控制作物灌溉。根據(jù)多光譜數(shù)據(jù)進行土地改良，如安裝排水系統(tǒng)和水路。
• 查看農業(yè)機械對作物的破壞，進行必要的修理或更換有問題的機械。
• 調查圍欄和農場建筑。
• 監(jiān)測牲畜

多光譜成像技術

什么是多光譜圖像

多光譜圖像傳感器通過電磁光譜捕獲特定頻率的圖像數(shù)據(jù)。這些波長可以通過濾光器或通過使用對特定波長敏感的儀器（包括來自出我們可見視線的頻率的光），例如紅外線來分離。光譜成像還可以提取人眼未能捕獲的其它附加信息。

多光譜圖像的重要性

人眼僅對400和700 nm之間的波長敏感，這被稱為可見光譜。人們可以感受到從紫色到紅色的各種顏色。然而，光的波長可以比我們可見的視力更短（紫外）或更長（紅外）。

盡管我們看不到它們，但這些看不見的波段很好的顯示了土壤，植物和作物的農藝特征。

農業(yè)多光譜圖像

多光譜圖像基礎

每個物體表面都能反射出些它所接收到的光，具有不同表面特征的物體以不同的方式反射或吸收太陽的輻射。反射光與入射光的比例稱為反射率，并以百分比表示。

植被指數(shù)

植被反射率屬性用于得出植被指數(shù)（VI），這些指標用于分析各種生態(tài)。植被指數(shù)由兩個或多個波長的反射率測量構成，以分析植被的特定特征，如總葉面積和含水量。

植被與太陽輻射相互作用與其他天然材料（如土壤和水體）不同。太陽輻射的吸收和反射是與不同植物材料的許多相互作用的結果，其隨波長的變化很大。

水，顏料，營養(yǎng)物質和碳分別在400nm至2500nm的反射光譜中表現(xiàn)，具有經(jīng)常重疊但光譜不同的反射行為。這些已知的特性，使科學家能夠組合不同波長的反射率測量，以通過定義VI來增強特定的植被特征。

盡管已經(jīng)在科學文獻中發(fā)表了150多個植被指數(shù)，但只有小部分具有重要的生物物理基礎或已經(jīng)進行了系統(tǒng)的測試。植被指數(shù)是NDVI（歸化差異植被指數(shù)），NDRE（歸化差分紅邊）也非常常見。Sentra的單個傳感器具有可選的NDRE濾片。

NDVI 植被指數(shù)

歸化差異植被指數(shù)（NDVI）是植物“綠色度”或光合作用指數(shù)，是植被指數(shù)的指標之，植被指數(shù)是基于不同的表面反射不同類型的光的觀察。

特別是光合作用活躍的植被吸收了大部分紅光，同時反射出大部分近紅外光。死亡或受到脅迫（不健康）的植被反射了更多的紅光和更少的近紅外光。同樣地，非植被物質表面在光譜上具有更均勻的反射率。

通過從遙感圖像中獲取紅色和近紅外波段的比例，可以定義植被指數(shù)“綠色度”，歸化差異植被指數(shù)（NDVI）可能是這些植被指數(shù)中。NDVI是以每像素為基礎計算出為來自圖像的紅色和近紅外波段之間的歸化差異。

NDVI可以由任何具有紅色和近紅外波段的圖像計算出來，NDVI的生物物理解釋是吸收的光合有效輻射的分數(shù)。

許多因素影響NDVI值，如植物光合作用，總植物覆蓋，生物量，植物和土壤水分以及植物脅迫，因此，NDVI與研究人員和管理者感興趣的許多農業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)屬性相關（例如，凈初生產力，冠層覆蓋率，裸地面覆蓋率）。

此外，由于它是兩個頻帶的比例，NDVI有助于補償圖像中由于斜率和方面而在照明中的差異，以及圖像之間的差異，例如當獲取圖像時的時間或時間。因此，像NDVI這樣的植被指數(shù)使得隨著時間的推移可以比較圖像，尋找農業(yè)和生態(tài)重要的變化。無人機多光譜相機在農業(yè)應用介紹

NDVI 作物管理優(yōu)勢

• 冠層覆蓋和密度檢測
• NDVI隨時間提供準確的增長趨勢
• 冰霜傷害檢測
• 大規(guī)模病蟲害
• 優(yōu)化作物流轉持續(xù)時間
• 生態(tài)效益
• 隨著時間的推移，植被動力學或植物物候變化
• 生物質生產（Biomass production）
• 與放牧管理相關的放牧影響或屬性（例如放養(yǎng)率）
• 牧場條件的變化
• 植被或土地覆蓋分類
• 土壤濕度
• 碳匯量或CO2通量（Carbon sequestration or CO2 flux ，雖然還有其他物理過程在土壤呼吸中起作用，但CO2運動或CO2通量在土壤中是土壤呼吸的主要功能。土壤二氧化碳通量是大氣碳平衡總量的重要組成部分，在氣候變化研究中是非常重要的變數(shù)。土壤呼吸也是土壤生物健康和活力的重要指標，是評估生物修復工作效能和不斷變化的農業(yè)實踐影響的工具。）

NDRE 植被指數(shù)

歸化差異紅色邊緣指數(shù)（NDRE）是種度量，可用于分析從多光譜圖像傳感器獲得的圖像中的植被健康與否。它類似于歸化差異植被指數(shù)（NDVI），但使用近紅外和紅色邊緣的比例。

NDRE使用紅色邊緣濾光片來查看作物華蓋的反射率。紅色邊緣是植被反射光譜紅光到近紅外NIR過渡帶中的個區(qū)域，標志著紅色可見區(qū)域葉綠素吸收與NIR區(qū)葉片內部結構散射的界限。這個東西可以讓您通過確定作物的很多不同變量對其進行管理。我們只要了解葉綠素的水平，就可以擁有監(jiān)測光合作用活動的能力。

有了這些信息，您可以根據(jù)光合作用活動的改變并優(yōu)化收割的時間。作物到了收獲期間就會出現(xiàn)如下類似情況：杏仁中分離的殼體或葡萄中的大糖分含量，正隨著著NDRE值發(fā)生著顯著的變化。發(fā)生這種變化究其原因是水果/堅果已經(jīng)達到成熟時，由于光合作用產生的糖分子不再需要這么高的需求。正是這種變化關系為您提供了收獲調度的作物管理工具，以獲得高質量的產品。

其它因素，如昆蟲的侵襲也可能會改變葉綠素含量并引起作物脅迫。因此，通過使用NDRE，您可以確定杏仁區(qū)域的螨蟲爆發(fā)有多嚴重，然后使用精確的方法終止侵染。這不僅可以監(jiān)控疫情，還可以降低與病蟲害防治相關的成本。

Parrot Sequoia 多光譜傳感器

是目前市場上小和輕的多光譜UAS遙感器之。它通過四個高分辨率的，可見和不可見波段，增強RGB圖像的傳感器捕獲作物的圖像。該方案使用兩個傳感器。

第二個傳感器是陽光傳感器，并安裝在無人機背面。在飛行過程中，陽光傳感器將連續(xù)感應并記錄與多光譜傳感器相同的光譜帶中的光線條件。如此收集的光數(shù)據(jù)允許確定所識別的光譜特征的值。

Sequoia 傳感器具有自己的GPS，IMU和磁力計，因此它不依賴于無人機的位置數(shù)據(jù)。這可能是目前市場上多光譜傳感器。其中些好處如下：

• 確定需要注意和進步偵察的域中的問題域
• 通過檢測營養(yǎng)缺乏癥狀來優(yōu)化施肥
• 通過早期發(fā)現(xiàn)生物脅迫來優(yōu)化農藥投入
• 通過識別懷疑水分脅迫的地區(qū)來控制作物灌溉
• 通過加工和利用農藝指標估算作物產量

Sequoia Sensor 兼容的無人機

• SenseFly ebee Ag
• 3DR Solo
• DJI Phantom 3 / 4
• DJI Inspire 1
• Yuneec Typhoon H

Tetracam的ADC Lite傳感器

來自Tetracam的ADC Lite是種輕型（7盎司）多光譜遙感系統(tǒng)，可作為無人駕駛飛行器的理想解決方案。 ADC Lite包含個320萬像素的傳感器，用于捕獲長于520 nm的可見光波長和高達920 nm的近紅外波長。

Tetracam多光譜軟件

PixelWrench2：是多光譜攝像機附帶的圖像處理軟件，可以從捕獲的圖像中提取標準植被指數(shù)（如NDVI，SAVI，冠層分割和NIR /綠色比例）。

MicaSense 紅邊傳感器

RRedEdge-MX：緊湊、靈活和強大。

這是款用于農業(yè)無人機測繪的、緊湊的、經(jīng)久不衰的、專業(yè)的多光譜傳感器。它可以捕捉5個光譜帶，是市場上靈活的解決方案之。

主要特色

飛行期間，可以捕捉5個窄的光譜帶。

高圖像分辨率；120 m（400 ft）時每像素8 cm。

單個SD卡，可存儲帶地理標志的所有圖像。

可獨立操作，帶可選的外部觸發(fā)器，和來自主機的數(shù)據(jù)。

可以從任何支持Wi-Fi的設備，訪問基于網(wǎng)絡的配置頁面。

嵌入式安裝點，集成更簡單。

域快門成像儀-不需要萬向的常平架

無人機多光譜相機在農業(yè)應用介紹

深圳市鵬錦科技有限公司，型號：sequoia/altum,名稱：無人機多光譜相機