多光譜成像的優(yōu)點(diǎn)

多光譜圖像是評估土壤生產(chǎn)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(nóng)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(shù)能夠比農(nóng)民的肉眼看到更多的東西。

多光譜成像產(chǎn)生的數(shù)據(jù)有如下幾點(diǎn)好處：

1、識別有害生物，疾病和雜草。通過早期檢測優(yōu)化農(nóng)藥使用和作物噴霧。

2、提供有關(guān)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(jìn)行生產(chǎn)或轉(zhuǎn)產(chǎn)作物等。

3、計(jì)算植物并確定作物數(shù)量或種植間距問題。估計(jì)作物產(chǎn)量。

4、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(jìn)行土地改良，如安裝排水系統(tǒng)和水路。

5、查看農(nóng)業(yè)機(jī)械對作物的破壞，進(jìn)行必要的修理或更換有問題的機(jī)械。

6、調(diào)查圍欄和農(nóng)場建筑。

7、監(jiān)測牲畜。

全年解決方案

對于多光譜圖像來說，非常有效，這種傳感器技術(shù)可以在整個(gè)作物周期中使用。假使在播種，灌溉，施肥或收割期間使用，無人機(jī)提供的多光譜圖像都能夠在每個(gè)季節(jié)中幫助農(nóng)民。在每一個(gè)步驟中有效的管理作物。

通過多光譜傳感器和成像功能，可為農(nóng)民提供了增加產(chǎn)量和減少作物損害的新方法。

     農(nóng)用無人機(jī)上的多光譜成像攝像機(jī)傳感器可以使農(nóng)民更有效地管理作物，土壤，施肥和灌溉。通過限度地減少噴霧，肥料，浪費(fèi)水分，同時(shí)增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，對農(nóng)民和更廣泛的環(huán)境有巨大的好處。

多光譜相機(jī)遙感成像技術(shù)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(yīng)用程序中，這種土地遙測，土壤和作物數(shù)據(jù)使農(nóng)民能夠更有效地節(jié)省時(shí)間和金錢，同時(shí)減少農(nóng)藥的使用。

多光譜攝像機(jī)遙感無人機(jī)

調(diào)查/檢查/ 3D地圖/多光譜成像

在我們進(jìn)一步深入研究多光譜成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的主題之前，任何一個(gè)農(nóng)場的基本任務(wù)之一是明確地檢查作物，圍欄和建筑物。

這種類型的工作的無人機(jī)需要具有衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），人稱視野（FPV），穩(wěn)定的萬向節(jié)，攝像機(jī)甚至自主航點(diǎn)導(dǎo)航。

多光譜成像技術(shù)

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（包括來自超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700nm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(nóng)藝特征。

農(nóng)業(yè)多光譜圖像

多光譜圖像基礎(chǔ)

每個(gè)物體表面都能反射出一些它所接收到的光，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(biāo)用于分析各種生態(tài)。植被指數(shù)由兩個(gè)或多個(gè)波長的反射率測量構(gòu)成，以分析植被的特定特征，如葉面積和含水量。

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(jié)果，其隨波長的變化很大。

水，顏料，營養(yǎng)物質(zhì)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(xué)家能夠組合不同波長的反射率測量，以通過定義VI來增強(qiáng)特定的植被特征。

盡管已經(jīng)在科學(xué)文獻(xiàn)中發(fā)表了150多個(gè)植被指數(shù)，但只有一小部分具有重要的生物物理基礎(chǔ)或已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的測試。常用的植被指數(shù)是NDVI（歸一化差異植被指數(shù)），NDRE（歸一化差分紅邊）也非常常見。Sentra的單個(gè)傳感器具有可選的NDRE濾片。

NDVI 植被指數(shù)

歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）是植物“綠色度”或光合作用指數(shù)，是植被指數(shù)常用的指標(biāo)之一，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(shí)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(zhì)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”，歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）可能是這些植被指數(shù)中常見的。NDVI是以每像素為基礎(chǔ)計(jì)算出為來自圖像的紅色和近紅外波段之間的歸一化差異。

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

許多因素影響NDVI值，如植物光合作用，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(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)屬性相關(guān)（例如，凈初級生產(chǎn)力，冠層覆蓋率，裸地面覆蓋率）。

此外，由于它是兩個(gè)頻帶的比例，NDVI有助于補(bǔ)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(dāng)獲取圖像時(shí)的時(shí)間或時(shí)間。因此，像NDVI這樣的植被指數(shù)使得隨著時(shí)間的推移可以比較圖像，尋找農(nóng)業(yè)和生態(tài)重要的變化。

NDVI 作物管理優(yōu)勢

冠層覆蓋和密度檢測

NDVI隨時(shí)間提供準(zhǔn)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(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間

生態(tài)效益

隨著時(shí)間的推移，植被動(dòng)力學(xué)或植物物候變化

生物質(zhì)生產(chǎn)（Biomass production）

與放牧管理相關(guān)的放牧影響或?qū)傩裕ɡ绶硼B(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 se 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(yùn)動(dòng)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(biāo)，是評估生物修復(fù)工作效能和不斷變化的農(nóng)業(yè)實(shí)踐影響的工具。）

NDRE 植被指數(shù)

歸一化差異紅色邊緣指數(shù)（NDRE）是一種度量，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。它類似于歸一化差異植被指數(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過渡帶中的一個(gè)區(qū)域，標(biāo)志著紅色可見區(qū)域葉綠素吸收與NIR區(qū)葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)散射的界限。這個(gè)東西可以讓您通過確定作物的很多不同變量對其進(jìn)行管理。我們只要了解葉綠素的水平，可以擁有監(jiān)測光合作用活動(dòng)的能力。

有了這些信息，您可以根據(jù)光合作用活動(dòng)的改變并優(yōu)化收割的時(shí)間。作物到了收獲期間會(huì)出現(xiàn)如下類似情況：杏仁中分離的殼體或葡萄中的糖分含量，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(jiān)果已經(jīng)達(dá)到成熟時(shí)，由于光合作用產(chǎn)生的糖

分子不再需要這么高的需求。正是這種變化關(guān)系為您提供了收獲調(diào)度的作物管理工具，以獲得質(zhì)量的產(chǎn)品。

其它因素，如昆蟲的侵襲也可能會(huì)改變?nèi)~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(yán)重，然后使用的方法終止侵染。這不僅可以監(jiān)控疫情，還可以降低與病蟲害防治相關(guān)的成本。

多光譜軟件應(yīng)用

現(xiàn)在已經(jīng)圍繞VI建立了許多精密農(nóng)業(yè)和農(nóng)作物脅迫工具和應(yīng)用，以提供包括多光譜數(shù)據(jù)的處理，存儲(chǔ)，呈現(xiàn)和分析的完整解決方案。下面講一計(jì)相關(guān)多光譜軟件應(yīng)用的一些信息。

植被光譜

物體的反射特性取決于具體材料及其物理和化學(xué)狀態(tài)（如水分），表面粗糙度以及幾何環(huán)境（例如陽光的入射角）。重要的表面特征是顏色，結(jié)構(gòu)和表面紋理，物體感知的顏色對應(yīng)于具有反射率的可見光譜的波長。

這些差異使得可以通過分析其光譜反射率模式或光譜特征來識別不同的地球表面特征或材料。這些特征可以以所謂的光譜反射曲線作為波長的函數(shù)來顯現(xiàn)。

下圖顯示了三種基本類型的地球特征的典型光譜反射曲線：綠色植被，干燥的裸土和清水。綠色，紅色和紅外線是農(nóng)業(yè)中主要的。紅邊（對應(yīng)于近紅外線入口點(diǎn)的短波段）也有時(shí)用于獲得附加指標(biāo)。植被光譜圖像來自Markelowitz，有關(guān)下面反射率和植被波段的更多細(xì)節(jié)和解釋。

植被曲線

健康綠色植被的光譜反射率曲線在植物葉片中的顏料產(chǎn)生的電磁光譜的可見部分具有顯著的反射率。健康的植被將在藍(lán)色和紅色的波段吸收，產(chǎn)生所謂的“綠色健康植被”。

與此同時(shí)，近紅外線的反射率急劇增加。受脅迫的植被也可以被檢測出來，因?yàn)槭苊{迫植被的紅外線反射率要低得多。

土壤曲線

裸土的光譜反射曲線變化不大。反射率曲線受水分含量，土壤質(zhì)地，表面粗糙度，氧化鐵和有機(jī)物的存在的影響。這些因子不如在植被反射光譜中觀察到的吸光度特征明顯。

水曲線

水曲線的特征在于在近紅外波長范圍及以上的高吸收。由于這種吸收性能，水體以及含水特征可以通過遙感數(shù)據(jù)輕松檢測，定位和描繪?；鞚崴诳梢姽鈪^(qū)域比透明水具有更高的

反射率。

對于含有高葉綠素濃度的水分也是如此。這些反射率模式用于檢測藻類菌落。

多光譜植被波段

綠色

綠色對應(yīng)于500-600nm光譜帶中的反射能量，并且在該帶中具有的反射率。反射峰在550nm左右。已經(jīng)證明，該光譜帶與植物中所含的葉綠素的量密切相關(guān)。

在植被光譜的這個(gè)可見部分，健康植物的反射曲線在綠色波段（在550nm的范圍內(nèi)）具有的反射率。這是為什么植物對我們來說是綠色的。

稱為葉綠素的葉子中的化合物強(qiáng)烈地吸收紅色和藍(lán)色波長的輻射，但反射出綠色波長。葉片在夏天對我們來說為“綠色”，葉綠素含量。

秋天，葉片中的葉綠素較少，因此紅色波長的吸收和比例反射較少，使得葉子呈紅色或黃色（黃色是紅色和綠色波長的組合）。

健康作物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)作為近紅外波長的優(yōu)良漫反射器。測量和監(jiān)測近紅外線反射率是確定植被如何健康（或不健康）的一種方法。

植物在脅迫下反射的可見光譜中的大部分光線都處于綠色范圍。因此，肉眼看來，脅迫下的植物與健康的植物無法區(qū)分。另一方面，在紅外范圍內(nèi)的光的反射率中可以看出差異，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

紅色

它對應(yīng)于600-700nm光譜帶中的反射能量，被該波段中的葉綠素大量吸收導(dǎo)致低反射率。相對于生物量，LAI（葉面積指數(shù)），土壤歷史，作物類型，濕度和植物脅迫等因素，反射率差異很大。對于大多數(shù)作物，這一波段對植物和土壤之間有很好的對比，廣泛用于編制農(nóng)業(yè)中大多數(shù)植被指數(shù)。

紅邊

這是一個(gè)非常窄的帶（700-730nm），對應(yīng)于近紅外線的入口點(diǎn)。這是反射率突然變化的點(diǎn)，從紅色的強(qiáng)烈吸收到近紅外的大量反射。該帶對植物脅迫非常敏感，并提供關(guān)于綠藻的信息。

作物健康分析

作物點(diǎn)數(shù)

水管理

近紅外（NIR）

對應(yīng)于700nm至1.3μm范圍內(nèi)的波長，具有研究波段的強(qiáng)反射率。該反射率與植物葉綠素含量之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生該帶中反射率的非常顯著的變化。伴隨紅色光譜帶一起使用，紅外線廣泛用于編制農(nóng)業(yè)中大多數(shù)植被指數(shù)。

NIR對葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)敏感，并提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)來監(jiān)測作物健康狀況。

土壤性質(zhì)和水分分析

作物健康和脅迫分析

侵蝕分析

健康植被吸收藍(lán)色和紅光能量來燃燒光合作用并產(chǎn)生葉綠素。具有更多葉綠素的植物將比不健康的植物反射更多的近紅外能量。因此，分析可見光和紅外波長的吸收和反射的植物光譜可以提供有關(guān)植物健康和生產(chǎn)力的信息。

熱紅外

熱紅外輻射是波長在3.0和20微米之間的電磁光譜的一部分，大多數(shù)遙感應(yīng)用使用8到13微米的范圍。熱紅外和紅外線（彩色紅外線 -CIR）的主要區(qū)別在于熱紅外線是以數(shù)字方式

感測的發(fā)射能量，而近紅外（也稱為照相紅外線）是反射能量。

熱成像快速增長，在農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：

苗圃監(jiān)測

植物生理分析

灌溉調(diào)度

土壤鹽分脅迫檢測

植物病害檢測

成熟度評估

水果的瘀傷檢測

產(chǎn)量預(yù)測

RGB (Red/Green/Blue)

可見光被定義為具有在400至700nm范圍內(nèi)的波長。在農(nóng)業(yè)中，可以使用具有優(yōu)良萬向架和攝像頭的優(yōu)質(zhì)無人機(jī)進(jìn)行視覺農(nóng)場檢查，高程建模，甚至植物計(jì)數(shù)。

農(nóng)用多光譜攝像機(jī)傳感器

現(xiàn)在來看看一些的多光譜成像遙感器，分析，處理和輸出數(shù)據(jù)的傳感器所需的軟件以及安裝傳感器的兼容的無人機(jī)。

Parrot Sequoia多光譜傳感器是目前市場上和輕的多光譜UAS遙感器之一。它通過四個(gè)高分辨率的，可見和不可見波段，增強(qiáng)RGB圖像的傳感器捕獲作物的圖像。該方案使用兩個(gè)傳感器。

第二個(gè)傳感器是陽光傳感器，并安裝在無人機(jī)背面。在飛行過程中，陽光傳感器將連續(xù)感應(yīng)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(jì)，因此它不依賴于無人機(jī)的位置數(shù)據(jù)。這可能是目前市場上的多光譜傳感器。其中一些好處如下：

確定需要注意和進(jìn)一步偵察的領(lǐng)域中的問題領(lǐng)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(nóng)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(nóng)藝指標(biāo)估算作物產(chǎn)量

Sequoia Sensor 兼容的無人機(jī)

SenseFly ebee Ag

Parrot Disco Pro-Ag

DJI Phantom 3 / 4

DJI Inspire 1

DJI Inspire 2

MicaSense 紅邊傳感器

RedEdge多光譜感測系統(tǒng)同時(shí)捕獲五個(gè)離散的光譜帶，從而為定制應(yīng)用創(chuàng)建定制的指標(biāo)。全局快門設(shè)計(jì)在每個(gè)平臺(tái)上創(chuàng)建無失真的圖像。各種接口選項(xiàng)，包括獨(dú)立模式，串行，以太網(wǎng)和WiFi，使RedEdge集成商擴(kuò)大了靈活性。

RedEdge的下流光傳感器（DLS）可以測量飛行中的環(huán)境光線條件，以便在不同光線條件下獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

RedEdge 無人機(jī)

RedEdge已經(jīng)準(zhǔn)備好與任何無人機(jī)進(jìn)行集成。它具有靈活的接口，包括以太網(wǎng)，串行和PWM /GPIO觸發(fā)，MicraSense是分析RedEdge多光譜傳感器數(shù)據(jù)的軟件解決方案。

多光譜成像公司

Pix4DMappterAG：該軟件允許您采取多光譜圖像，并將其轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確的索引圖，如您的領(lǐng)域的NDVI和正交圖，為您提供快速反應(yīng)，更好的產(chǎn)量和運(yùn)營效率的重要信息。

MicaSense：為多光譜數(shù)據(jù)的處理，存儲(chǔ)，呈現(xiàn)和分析提供完整的解決方案。他們提供技術(shù)，經(jīng)濟(jì)有效地收集作物健康信息，而無需等待衛(wèi)星通行證或支付高昂的載人飛機(jī)費(fèi)用。

可以以每像素幾英寸測量的分辨率來收集圖像。頻繁捕獲的數(shù)據(jù)使種植者和農(nóng)藝師能夠繪制作物的健康和活力，并觀察作物健康隨時(shí)間的變化。