無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)如何跟蹤分析作物和土壤？

時(shí)間：2022-01-18作者：南京躍飛智能科技有限公司瀏覽：160

無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)如何跟蹤分析作物和土壤？

無人機(jī)多光譜分析原理簡(jiǎn)述

多光譜無人機(jī)傳感器可捕獲電磁波譜可見光和近紅外部分的高分辨率影像，從而可以計(jì)算植被指數(shù)。

電磁波譜是波長(zhǎng)范圍很廣的，每個(gè)波長(zhǎng)都攜帶信息。其中只有一小部分是人眼可見的。當(dāng)我們觀察任何東西時(shí)，我們可以看到的是紅色，綠色和藍(lán)色（RGB）的反射色譜，我們將其解釋為基于波長(zhǎng)的彩虹顏色的任意組合。普通的RGB相機(jī)過濾波長(zhǎng)，以獲得我們可以看到的信息。多光譜相機(jī)配備了鏡頭和濾光片，可以拾取**出可見光譜的波長(zhǎng) - 在紅外波長(zhǎng)的方向上。

為什么這對(duì)分析作物和土壤很重要？植物和土壤根據(jù)其內(nèi)容物吸收和反射來自陽(yáng)光的波長(zhǎng)。例如，當(dāng)植物健康并進(jìn)行光合作用時(shí)，它會(huì)吸收大量的紅光和藍(lán)光，并反射綠色和更多的紅外光。

當(dāng)你觀察富含葉綠素（綠色）的植物時(shí)，你會(huì)看到植物反射的光的波長(zhǎng)，而不是它吸收的波長(zhǎng)（藍(lán)色和紅色）。葉子中葉綠素的產(chǎn)生導(dǎo)致大量的紅外光反射率，但我們看不到這一點(diǎn)。多光譜傳感器可以記錄這一點(diǎn)，因此我們可以。這是有用的，因?yàn)闇p少的紅外反射率信號(hào)在我們用肉眼看到葉綠素之前就降低了葉綠素的產(chǎn)生，所以我們可以通過多光譜無人機(jī)傳感器主動(dòng)跟蹤植物的健康狀況。

使用多光譜無人機(jī)傳感器進(jìn)行植被測(cè)量的一個(gè)基本目的是測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)特定波長(zhǎng)波段（例如，紅色和近紅外波段）的空間表面反射率，然后作為計(jì)算VI（例如NDVI）的基礎(chǔ)或通知地表覆蓋物分類。反射率是在表面界面反射的入射光的比例。VI 增強(qiáng)了不同表面（如裸露地面、稀疏或茂密植被）的特征電磁反射率特征，而分類通常根據(jù)這些差異對(duì)影像進(jìn)行分區(qū)。葉片結(jié)構(gòu)和葉綠素含量影響植物的光譜特征，VI將光譜特異性變異性轉(zhuǎn)化為可與植被生產(chǎn)力和葉面積指數(shù)的其他測(cè)量相關(guān)的單個(gè)變量。在實(shí)踐中，基于無人機(jī)的反射率地圖通常是通過收集區(qū)域內(nèi)的許多重疊圖像來創(chuàng)建的，然后將這些圖像通過攝影測(cè)量軟件處理組合成單個(gè)正射地圖。

無人機(jī)多光譜分析作物土壤優(yōu)勢(shì)

多光譜數(shù)據(jù)及其在植被分析中的應(yīng)用并不是什么新鮮事。幾十年來，由于衛(wèi)星圖像，農(nóng)學(xué)家，農(nóng)民和林業(yè)專業(yè)人員以及環(huán)境研究人員一直依賴這些信息。然而，衛(wèi)星引入了它們的局限性。即：較低的分辨率，門控訪問和云層覆蓋的中斷。然而，配備多光譜攝像頭的無人機(jī)解決了這些限制。

無人機(jī)多光譜分析案例簡(jiǎn)述

冬小麥前期的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)任務(wù)

本次農(nóng)情監(jiān)測(cè)搭載的多光譜相機(jī)總共有五個(gè)鏡頭，分別對(duì)應(yīng)近紅外、紅光、綠光、紅邊、以及RGB合成。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)選擇歸一化差分植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index， NDVI）來綜合反映冬小麥的生長(zhǎng)分布和覆蓋情況。

植物葉面在可見光紅光波段有很強(qiáng)的吸收特性，在近紅外波段有很強(qiáng)的反射特性，這是植被遙感監(jiān)測(cè)的物理基礎(chǔ)。通過這兩個(gè)波段測(cè)值組合得到的NDVI指數(shù)，對(duì)土壤背景變化敏感，能較好地識(shí)別植被和水體。在植被處于中、低覆蓋度時(shí)，該指數(shù)隨覆蓋度的增加而*增大，當(dāng)達(dá)到一定覆蓋度后增長(zhǎng)緩慢，所以適用于植被早、中期生長(zhǎng)階段的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

NDVI = （ρNIR-ρR）/（ρNIR+ρR）

式中：ρNIR是近紅外波段的反射率，ρR是紅光波段的反射率?？梢姽饧t光波段（0.58-0.68μm）位于葉綠素吸收帶，近紅外波段（0.75-1.10μm）位于綠色植物光譜高反射區(qū)。

NDVI取值范圍：-1～1，NDVI值近似為0表示無植被的裸土區(qū)；NDVI正值表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大，大于0.7表明該區(qū)域植被密度較高；而地面覆蓋水雪區(qū)域NDVI是負(fù)值。NDVI是植物空間密度和植物生長(zhǎng)狀態(tài)的zui好指示因子，與植被覆蓋的分布密度呈線性相關(guān)關(guān)系，一般應(yīng)用于檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)、植被覆蓋等領(lǐng)域。

實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)客戶需求拍攝監(jiān)測(cè)區(qū)域（57畝），每個(gè)鏡頭124張照片，共計(jì)620張。將拍攝數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件Terra，可以得到測(cè)區(qū)RGB合成正射影像圖，以及各個(gè)波段的反射地圖和指數(shù)圖。

根據(jù)不同需要可以將波段進(jìn)行組合計(jì)算得到植被指數(shù)，這邊計(jì)算的是NDVI指數(shù)圖。結(jié)合圖表可以看出：紅色區(qū)域表示有水區(qū)域，接近0值部分是道路和裸土，左邊綠色較密集區(qū)域植被覆蓋較好，右邊部分由于冬小麥正處于出苗期，葉面積小，NDVI值較小呈現(xiàn)土黃色。

補(bǔ)充

圖表體現(xiàn)了這個(gè)區(qū)域本時(shí)段植被分布情況以及植被覆蓋比值。鑒于這種情況，我們可以對(duì)這個(gè)區(qū)域作定期監(jiān)測(cè)，同樣以NDVI指數(shù)作為參評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以得到冬小麥生長(zhǎng)期的發(fā)育狀況，作為產(chǎn)量評(píng)估和蟲害評(píng)估的主要依據(jù)，對(duì)時(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)小麥生長(zhǎng)狀況，提高小麥的實(shí)際產(chǎn)量具有顯著意義。




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