Мультиспектральная камера: каналы, калибровка и индексы

Из чего складывается набор каналов

Типовой агрономический набор — пять каналов: синий около 450 нм, зелёный 560, красный 650, красный край (red edge) 730 и ближний ИК 840 нм. Как правило, каждый канал снимается отдельной матрицей с узкополосным фильтром; камеры с одной матрицей и мозаичным фильтром легче, но каналы у них шире и разделены хуже.

Ключевые для растительности — красный, красный край и ближний ИК. Здоровый лист сильно поглощает красный и сильно отражает ближний ИК; по соотношению этих величин и строят вегетационные индексы.

Красный край — самый чувствительный к раннему стрессу: он реагирует на изменение содержания хлорофилла раньше, чем это становится видно в обычном красном канале и тем более глазом.

Почему без калибровки результат бессмыслен

Камера меряет яркость, а индексы требуют отражательной способности — доли падающего света, которую вернул объект. Между ними стоит освещённость, которая меняется от облака к облаку.

Поэтому в комплекте идут две вещи: верхний датчик освещённости, снимающий падающий свет одновременно с кадром, и калибровочная панель с известным коэффициентом отражения, которую снимают до и после полёта.

Без этого сравнивать два вылета между собой нельзя: одно и то же поле в разную погоду даст разные индексы, и вывод об изменении состояния окажется выводом об изменении облачности.

Индексы и что они означают

NDVI = (NIR − Red) / (NIR + Red) — классический индекс биомассы. Хорошо работает на разреженном покрове, но насыщается при сомкнутом пологе: после определённой плотности перестаёт различать состояния.

NDRE = (NIR − RedEdge) / (NIR + RedEdge) — то же по красному краю. Не насыщается на густом покрове и потому информативнее во второй половине вегетации.

Индексы — инструмент сравнения, а не абсолютная шкала. Значение имеет карта различий по полю и динамика от вылета к вылету, а не само число.

Что требует съёмка

Перекрытие кадров 75–80 % вдоль маршрута и 65–70 % поперёк — меньше даёт дыры при сшивке и ошибки геопривязки.

Время съёмки — в пределах пары часов около солнечного полудня. Низкое солнце даёт длинные тени и косой угол падения, и индексы поплывут по краям поля.

Постоянная высота над рельефом. Изменение расстояния меняет разрешение на местности, а при сшивке — вес каждого кадра; на неровном поле полёт по рельефу даёт заметно более чистый результат.

И отдельно — синхронизация: кадр, датчик освещённости и метка положения должны относиться к одному моменту, иначе привязка индексов к координатам поплывёт.

Сколько каналов нужно

Для NDVI хватает красного и ближнего ИК, для NDRE нужен ещё красный край — это пятиканальные камеры вроде Yusense MS200. Шесть каналов, как у Yusense MS600, добавляют второй красный край или дополнительную полосу для собственных индексов. Восемь каналов у FD500 — уже под специальные задачи вроде съёмки флуоресценции.

Камеры с RGB-модулем рядом со спектральными каналами (MS400, AQ600) удобны тем, что сразу дают и ортофотоплан для глаза, и индексы. Исполнения «для DJI» отличаются креплением и питанием под платформу, а не набором каналов.