2 Агромониторингке арналған мультиспектрлік сенсорлар мен ұшқышсыз авиациялық жүйелер

Мультиспектрлік түсірілім технологиясы ең алдымен арнайы аппараттық құралдарды қолдануға және спектроскопия мен оптика заңдарына негізделген. Бұл ретте әрбір объектінің өзіндік бірегей спектрлік ізі болады. Спектрлік камера шағылысқан сәулеленуді жекелеген спектрлік диапазондарға бөліп, олардың қарқындылығын тіркейді. Нәтижесінде камера әрбір спектрлік арна үшін бөлек монохромды суретті (сұр реңктерде) қалыптастырады, ал ақпараттың өзін талдау ГАЖ-бағдарламаларында бұл кескіндерді түрлі-түсті немесе жалған композициялық кескіндерге біріктіру, сондай-ақ вегетациялық индекстерді есептеу арқылы орындалады.

Агромониторингтің әртүрлі міндеттерін шешу үшін түрлі спектрлік диапазондар қолданылады:

- көрінетін жасыл (520-600 нм) – өсімдіктердің жай-күйін талдау, өсімдік жамылғысы мен жалпы биомассаны бағалау үшін қолданылады;

- көрінетін қызыл (630-690 нм) – хлорофиллдің белсенді сіңіру аймағына сәйкес келеді, сондықтан өсімдіктердің жай-күйін бағалау және өсімдік жамылғысы мен топырақ арасындағы шекараны бөліп көрсету үшін қолданылады;

- жақын инфрақызыл диапазон (NIR) (760-900 нм) – өсімдіктердің жай-күйі мен биомассасына барынша сезімтал, сондықтан дақылдардың стресстік жағдайларын анықтау және олардың өнімділігін бағалау үшін қолданылады;

- қысқа толқынды инфрақызыл диапазон (SWIR) (1550-2500 нм) – өсімдіктер мен топырақтағы ылғал мөлшеріне сезімтал;

- жылулық инфрақызыл диапазон – негізінен төсеніш бетінің температурасын бағалау үшін қолданылады (7-сурет) [7].

Зондтау жүйелері көбінесе олардың орналасу деңгейіне қарай жіктеледі, ал алынатын деректердің дәлдігі мен ауқымы сенсорды тасымалдаушы платформаға тікелей тәуелді. Үш негізгі деңгей бөліп көрсетіледі:

1) ғарыштық (спутниктік) жүйелер – аумақтарды жаһандық қамтуды қамтамасыз етеді, бірақ әдетте бір пиксельге 10 м-ден басталатын салыстырмалы түрде төмен кеңістіктік ажыратымдылықпен сипатталады және ауа райы жағдайларына тәуелді;

2) авиациялық жүйелер (ҰҰА) – қамту ауданы мен бөлшектеудің оңтайлы үйлесімін қамтамасыз ете отырып, бір пиксельге бірнеше сантиметрге жететін өте жоғары кеңістіктік ажыратымдылықпен дала ауқымындағы деректерді алуға мүмкіндік береді;

3) жердегі жүйелер – негізінен жекелеген өсімдіктер, жапырақтар немесе масақтар деңгейінде пайдаланылады және көбінесе ғылыми зерттеулерде, сондай-ақ эталондық спектрлік дерекқорларды құру барысында қолданылады.

7-сурет – Электромагниттік спектрдің толқындық диапазоны [7]

Жүргізілетін оптикалық зерттеулер әдетте растауды талап етеді, осы барыста деректерді валидациялау және фитопатологиялық процестерді жан-жақты зерттеу үшін ҰҰА базасында арнайы спектрлік камералар қолданылады. Бұл камералар ұшқышсыз ұшу аппараттарына орнатылатын және әуеден сканерлеу кезінде тек кескіндерді ғана емес, сонымен қатар жоғары спектрлік ажыратымдылығы бар көп арналы спектрлік деректерді алуға мүмкіндік беретін жоғары дәлдіктегі құрылғылар болып табылады.

Агромониторингте қолданылатын мультиспектрлік камералардың кеңінен таралған мысалдарының бірі – FigSpec FS-50 сериясы, оның ішінде FS-50/30 моделі (8-сурет) [8]. Бұл камера төрт жүзден бір мың нанометрге дейінгі диапазонда жұмыс істейді. Спектрлік ажыратымдылық шамамен үш жарым нанометрді құрайды, ал арналар саны отызға жетеді және арналар қадамы шамамен жиырма нанометрге тең. Мұндай камералар дәл егіншілікте, спектрлік карталарды құру үшін және өсімдіктердің жай-күйі мен стресстік жағдайларын талдауда қолданылады.

8-сурет – FS-50/30 мультиспектрлік камерасы [8]

Жедел әуе мониторингі сегментінде жұмысы «барлығы бір жерде» форматына негізделген интеграцияланған шешімдер кеңінен таралуда. Агромониторинг міндеттерін шешуге арналған ең көп таралған аппараттық кешендердің бірі – DJI Mavic 3M (9-сурет) [9].

9-сурет – DJI Mavic 3M дроны [9]

DJI Mavic 3M-ның құрылымының құрамында визуалды тексеру және жоғары ажыратымдылықтағы ортофотожоспарларды жасау үшін қолданылатын 20 мегапиксельді RGB-камера бар. Сонымен қатар, жасыл (Green), қызыл (Red), қызыл жиек (Red Edge) және жақын инфрақызыл (NIR) диапазонда жұмыс істейтін, әрқайсысының ажыратымдылығы 5 мегапиксель болатын төрт камерадан тұратын мультиспектрлік блок бөліп көрсетіледі. Кіріктірілген DLS (күн сәулесінің датчигі) жарықтылықты тіркеу үшін қолданылады және өңдеу кезінде мультиспектрлік деректердің радиометриялық түзетілуін қамтамасыз етеді. Сондай-ақ геобайланыстырудың сантиметрлік дәлдігін қамтамасыз ететін RTK модулі бар, бұл жерүсті бақылау нүктелерінің (GCP) санын айтарлықтай азайтуға мүмкіндік береді.

Мультиспектрлік деректерді өңдеу үшін мамандандырылған бағдарламалық кешендер қолданылады. Қашықтықтан зондтауға арналған мамандандырылған бағдарламалық жасақтамалардың қатарында ENVI және ERDAS Imagine сияқты бағдарламалар белгілі, олар деректерді спектрлік талдауға арналған қуатты бағдарламалық кешендер болып табылады және ауыл мен орман шаруашылығында, сондай-ақ экологиялық зерттеулерде кеңінен қолданылады. ArcGIS және QGIS кеңістіктік талдау, картографиялау және суреттерді зерттелетін аумақтарға байланыстыру үшін пайдаланылатын геоақпараттық жүйелер (ГАЖ) болып табылады. Математикалық модельдеу және есептеулер құралы ретінде Matlab бағдарламасы қолданылады, ол кескіндерді өңдеу үшін пайдаланылатын меншікті алгоритмдерді әзірлеуге және машиналық оқыту әдістерін қолдануға арналған. Фотограмметриялық өңдеу және объектіге бағдарланған талдау бастапқы суреттерді сапалы тігу, бедердің дәл цифрлық модельдерін құру және объектілерді жіктеу үшін пайдаланылатын Pix4Dmapper, Global Mapper және eCognition бағдарламалық жасақтамаларында жүргізіледі.

Цифрлық ауыл шаруашылығы міндеттерін шешу үшін ұшқышсыз ұшу аппаратынан алынған көптеген монохромды кескіндер Pix4Dfields сияқты мамандандырылған фотограмметриялық бағдарламалық жасақтамада кейінгі нүктелік тігуді және егжей-тегжейлі талдауды қажет етеді. Бұл бағдарламаның негізгі ерекшеліктері ең алдымен мыналар:

- жылдамдық (бірегей тікелей тігу алгоритмінің мүмкіндіктері арқасында жүздеген гектар санаулы минуттар ішінде өңделеді);

- аналитика мүмкіндігі (индекстерді есептеуге (мысалы, NDVI немесе NDRE) және жекелеген аймақтарды автоматты түрде бөліп көрсетуге арналған кіріктірілген құралдар);

- қажетті деректер мен есептерді экспорттау (нашарлау аймақтарын анықтауды, өсімдік жамылғысының тығыздығын мониторингтеуді және оған әсер ететін стресстік факторларды талдауды қоса алғанда, алқаптардың жай-күйі карталарын тікелей генерациялау мүмкіндігі).

Осылайша, заманауи агромониторинг сенсордың шағылысқан сәулеленуді тіркеуінен бастап мамандандырылған бағдарламалық жасақтамада егістіктердің жай-күйінің толыққанды карталарын қалыптастыруға дейінгі біртұтас технологиялық тізбекті білдіреді. Дәл осы құралдарды, сондай-ақ олардың негізінде алынатын объективті цифрлық деректерді кешенді пайдалану агроценоздарды басқаруды жүзеге асыруға мүмкіндік береді.