無人機(jī)多光譜相機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用介紹

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。通過大限度地減少噴霧，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。

在本文中，我們將介紹多光譜成像技術(shù)，反射率，波段和植被指數(shù)（如NDVI和NDRE）的基礎(chǔ)知識，展示了這些信息如何使農(nóng)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(nóng)業(yè)無人機(jī)。還有些非常好的視頻介紹，但由于國內(nèi)無法使用Youtube的問題，我們有機(jī)會(huì)再另行展示。

多光譜成像農(nóng)用無人機(jī)

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：

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 調(diào)查圍欄和農(nóng)場建筑。
• 監(jiān)測牲畜

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(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，如總?cè)~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。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(gè)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(biāo)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(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(chǔ)計(jì)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(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，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(nóng)業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)屬性相關(guān)（例如，凈初生產(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。無人機(jī)多光譜相機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用介紹

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 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(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(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(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，就可以擁有監(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。作物到了收獲期間就會(huì)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(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，以獲得高質(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(guān)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(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多光譜傳感器。其中些好處如下：

• 確定需要注意和進(jìn)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(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
• 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(gè)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(dá)920 nm的近紅外波長。

Tetracam多光譜軟件

PixelWrench2：是多光譜攝像機(jī)附帶的圖像處理軟件，可以從捕獲的圖像中提取標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)大。

這是款用于農(nóng)業(yè)無人機(jī)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(gè)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(gè)窄的光譜帶。

高圖像分辨率；120 m（400 ft）時(shí)每像素8 cm。

單個(gè)SD卡，可存儲(chǔ)帶地理標(biāo)志的所有圖像。

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

可以從任何支持Wi-Fi的設(shè)備，訪問基于網(wǎng)絡(luò)的配置頁面。

嵌入式安裝點(diǎn)，集成更簡單。

域快門成像儀-不需要萬向的常平架

無人機(jī)多光譜相機(jī)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用介紹

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