農(nóng)業(yè)光譜成像簡(jiǎn)史

在田間使用無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星和傳感器進(jìn)行遙感已經(jīng)徹底改變了世界各地的農(nóng)業(yè)，使了解作物每天和每年發(fā)生的情況成為可能。

從 20 世紀(jì) 70 年代就出現(xiàn)了，是最常用的遙感指標(biāo)。與可見(jiàn)紅色相比，無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星捕捉到反射的近紅外光多多少——NDVI 指定一個(gè)介于 -1 和 1 之間的值。較高的值 (0–1) 表示活的綠色材料，較高的數(shù)字意味著較高的植物密度和健康。較低的值對(duì)應(yīng)于非植物表面，例如土壤或水。無(wú)人機(jī)測(cè)繪軟件等行業(yè)工具將這些值轉(zhuǎn)換為易于理解的視覺(jué)圖像，使農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者能夠輕松區(qū)分裸土與草地或森林、估計(jì)生物量、檢測(cè)壓力下的植物以及區(qū)分農(nóng)作物和作物階段。

高分辨率光譜學(xué)，包括多光譜和高光譜成像，是遙感領(lǐng)域的最新發(fā)展，增強(qiáng)了我們觀察的能力，從而解決了人眼不可見(jiàn)領(lǐng)域的問(wèn)題。高光譜成像的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)分析植物和土壤在一系列窄光譜帶上的反射特性來(lái)表征植物和土壤的各種化學(xué)和生物特征。

高光譜成像可應(yīng)用于各種行業(yè)，從礦物學(xué)、醫(yī)學(xué)成像到食品質(zhì)量分析和農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)具有生物復(fù)雜性和生長(zhǎng)條件、天氣、土壤和作物類(lèi)型、作物品種等的巨大可變性，是高光譜成像技術(shù)的完美目標(biāo)。

甘蔗品種，高光譜圖像

什么是高光譜成像?

高光譜成像是現(xiàn)有遙感數(shù)據(jù)中信息最豐富的來(lái)源之一。它可以捕獲整個(gè)、連續(xù)的顏色和光的電磁光譜，而不僅僅是人眼通?？梢?jiàn)的紅、綠和藍(lán)光波段。高光譜成像最初是為軍事和太空用途而開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在正被用于解決包括農(nóng)業(yè)在內(nèi)的無(wú)數(shù)商業(yè)機(jī)會(huì)。但是，這是有代價(jià)的。這些圖像是在大量窄帶上連續(xù)收集的，這使得數(shù)據(jù)比其他類(lèi)型的多光譜數(shù)據(jù)更加龐大和復(fù)雜。巨大的數(shù)據(jù)量加上昂貴的硬件以及操作和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性通常對(duì)高光譜數(shù)據(jù)處理和分析構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。

NASA 開(kāi)發(fā)了用于軍事應(yīng)用的高光譜成像技術(shù)，該技術(shù)主要由軍事和研究機(jī)構(gòu)使用。今天，高光譜成像并沒(méi)有廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，包括農(nóng)業(yè)。

在連續(xù)光譜覆蓋的大量窄帶上收集的高光譜數(shù)據(jù)比多光譜數(shù)據(jù)龐大且復(fù)雜，給數(shù)據(jù)處理和分析帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。

高光譜成像相對(duì)于傳統(tǒng)圖像的優(yōu)勢(shì)

高光譜成像的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于能夠通過(guò)分析植物和土壤在一系列窄光譜帶上的反射特性來(lái)表征植物和土壤的各種化學(xué)和生物特征。高光譜成像擴(kuò)展了人類(lèi)的視野，可以捕捉到農(nóng)學(xué)家看不到的問(wèn)題。

高光譜分辨率提供了更多的信息內(nèi)容來(lái)描述被分析的對(duì)象。由于農(nóng)業(yè)是一個(gè)生物復(fù)雜且最多樣化的環(huán)境，光譜學(xué)是表征生物復(fù)雜性和各種作物參數(shù)的有力工具。高光譜成像技術(shù)可以捕獲各種變化(品種、天氣、土壤類(lèi)型)。高光譜成像的高光譜分辨率擴(kuò)展了幾個(gè)可以使用光譜成像解決的潛在問(wèn)題。

從理論上講，當(dāng)解決特定問(wèn)題所需的光譜帶已知時(shí)，可以開(kāi)發(fā)多光譜相機(jī)。盡管如此，它仍然不能用于截然不同的地理、氣候條件、土壤條件。不可能事先知道具有少量波段選擇的特定多光譜相機(jī)是否會(huì)捕獲有關(guān)特定感興趣現(xiàn)象的相關(guān)信息。

sinespec(賽斯拜克)在高光譜成像中的獨(dú)特地位

sinespec(賽斯拜克)采用獨(dú)特的方法來(lái)解決這些問(wèn)題，并使高光譜成像成為全球農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)的一種經(jīng)濟(jì)高效且易于使用的解決方案。

我們專(zhuān)有的輕型高光譜相機(jī)可以很容易地安裝到無(wú)人機(jī)、飛機(jī)和其他遙感設(shè)備上，以測(cè)量電磁波譜的可見(jiàn)光、近紅外光和紅外光部分——提供比以往任何時(shí)候都更深刻的關(guān)于植物和田地的洞察力。該高光譜相機(jī)專(zhuān)為農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)高倍傳感器內(nèi)數(shù)據(jù)壓縮可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上可行的農(nóng)業(yè)應(yīng)用。

HSI 數(shù)據(jù)處理——一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的部分，由sinespec(賽斯拜克)通過(guò)將我們的硬件與數(shù)據(jù)處理軟件緊密集成來(lái)解決。該相機(jī)經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可在與我們的分析軟件配合使用時(shí)有效地提供最大量的信息。HSI 數(shù)據(jù)處理包括多個(gè)步驟，包括大氣校正，以解釋太陽(yáng)輻射與大氣的相互作用。

成像數(shù)據(jù)的解釋。此外，我們還開(kāi)發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法，為我們的作物模型提供動(dòng)力，并幫助它們有效地處理所攝取數(shù)據(jù)的復(fù)雜性。通過(guò)這種方式，我們可以針對(duì)不同作物條件帶來(lái)的各種挑戰(zhàn)提供可靠的分析和作物管理建議。

我們能夠交叉校準(zhǔn)各種成像傳感器，包括可用的 RGB 和多光譜無(wú)人機(jī)以及星載成像數(shù)據(jù)源。重要的是，任何成像數(shù)據(jù)源的好壞取決于其校準(zhǔn)。在大多數(shù)情況下，少量經(jīng)過(guò)良好校準(zhǔn)的波段優(yōu)于大量未校準(zhǔn)的波段。

玉米品種，高光譜圖像

高光譜成像在農(nóng)業(yè)中的潛在應(yīng)用

作物營(yíng)養(yǎng)和施肥，包括常量和微量元素(P、K、Mg、Mn、Cu、Mn、Zn)

早期疾病檢測(cè)和壓力(例如，柑橘綠化)

用于支持植物育種實(shí)驗(yàn)的高通量表型分析的生物物理指標(biāo)。生物物理特性分析(例如，LAI、生物量、產(chǎn)量、密度)

植物物種、植被類(lèi)型及其基因型的光譜鑒別

生化特性分析(例如，花青素、類(lèi)胡蘿卜素、葉綠素)

不同施肥方式的評(píng)估，高光譜圖像