ما هو NDVI ، وكيف يتم استخدامه في الزراعة - مع أي كاميرات

في رحلتي الشخصية إلى الزراعة الدقيقة والتحليلات ، صادفت NDVI في سياق تحليل الصور. هدفي هو تحليل حقل تبلغ مساحته 45 هكتارًا من البرسيم العضوي من أجل تقييم تأثير السماد قبل وبعد التطبيق. سؤالي الأساسي هو: أين ، وما نوع وكمية السماد التي يجب أن أطبقها ، وما هو تأثيرها على محصول البرسيم؟ أمتلك كاميرا Mavic Pro بكاميرا RGB قياسية. عندما سألت على Twitter عن كيفية المتابعة ، اقترح شخص ما استخدام البيانات متعددة الأطياف لاستكشاف مجموعة من مؤشرات الغطاء النباتي للمساعدة ، بما في ذلك NDVI. لذلك ، تعمقت في حفرة الأرانب لمعرفة المزيد عن NDVI.

ما هو فهرس الغطاء النباتي للاختلاف الطبيعي (NDVI)
تاريخ NDVI
كيف تحسب NDVI؟
NDVI في الزراعة
ما نوع الكاميرا (بدون طيار) لـ NDVI؟ ترقية RGB و IR مقابل Multispectral
لماذا الصور متعددة الأطياف مهمة في agtech

مؤشر الغطاء النباتي (NDVI) هو طريقة معتمدة على نطاق واسع لتقييم كمية النباتات الحية في منطقة معينة ، وخاصة في الزراعة.

ما هو NDVI (فهرس الغطاء النباتي للاختلاف المعياري)

النباتات كائنات حية مذهلة تستخدم ضوء الشمس كطاقة لصنع طعامها. يفعلون ذلك من خلال عملية تسمى التمثيل الضوئي ، والتي تحدث في أوراقهم. ومن المثير للاهتمام أن أوراق النبات لا تمتص ضوء الشمس فحسب ، بل تعكس أيضًا بعضًا منه. هذا صحيح بشكل خاص بالنسبة لضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة ، وهو غير مرئي لأعيننا ولكنه يشكل نصف الطاقة في ضوء الشمس.

سبب هذا الانعكاس هو أن الكثير من ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة يمكن أن يكون ضارًا بالفعل بالنباتات. لذلك ، فقد تطوروا لحماية أنفسهم من خلال عكس هذا النوع من الضوء. نتيجة لذلك ، تبدو النباتات الخضراء الحية مظلمة في الضوء المرئي ، لكنها تبدو مشرقة في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. هذا يختلف عن السحب والثلج ، التي تميل إلى أن تبدو مشرقة في الضوء المرئي ولكنها مظلمة في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة.

يمكن للعلماء الاستفادة من هذه السمة الفريدة لدراسة النباتات باستخدام أداة تسمى NDVI ، أو مؤشر الغطاء النباتي للاختلاف الطبيعي. يقيس NDVI الفرق بين كمية الضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء القريبة التي تعكسها النباتات. كلما زاد عدد أوراق النبات ، كلما تأثرت هذه الأطوال الموجية للضوء ، والتي يمكن أن تعطينا معلومات مهمة حول صحة النبات وتوزيعه.

NDVI هو وسيلة للعلماء لاستخدام صور الأقمار الصناعية لدراسة النباتات والزراعة. من خلال فهم كيفية تفاعل النباتات مع ضوء الشمس ، يمكننا معرفة المزيد عن العالم من حولنا وكيفية العناية بكوكبنا.

تلخيص: NDVI هو مقياس موحد للنباتات الصحية. يقيس الغطاء النباتي عن طريق قياس الفرق بين الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) والضوء الأحمر. تعكس النباتات الصحية قدرًا أكبر من الأشعة تحت الحمراء للضوء والأخضر أكثر من الأطوال الموجية الأخرى ، لكنها تمتص المزيد من الضوء الأحمر والأزرق. تتراوح قيم NDVI دائمًا من -1 إلى +1.

تاريخ NDVI

في 1957أطلق الاتحاد السوفيتي سبوتنيك 1، أول قمر صناعي يدور حول الأرض. أدى ذلك إلى تطوير أقمار صناعية للأرصاد الجوية ، مثل برنامجي Sputnik و Cosmos في الاتحاد السوفيتي ، وبرنامج Explorer في الولايات المتحدة. سلسلة TIROS من الأقمار الصناعية التي تم إطلاقها في 1960، وتبعها أقمار Nimbus وأجهزة قياس الإشعاع المتقدمة عالية الدقة على منصات الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA). طورت وكالة ناسا أيضًا ساتل تكنولوجيا موارد الأرض (ERTS) ، والذي أصبح مقدمة لبرنامج لاندسات.

ال لاندسات برنامج تم إطلاقه في 1972 مع الماسح متعدد الطيف (MSS) ، والذي سمح باستشعار الأرض عن بعد. ركزت إحدى الدراسات المبكرة باستخدام Landsat على منطقة Great Plains في وسط الولايات المتحدة ، ووجد الباحثون أن زاوية ذروة الطاقة الشمسية عبر هذا التدرج العرضي القوي جعلت من الصعب ربط الخصائص الفيزيائية الحيوية لنباتات المراعي من الإشارات الطيفية للأقمار الصناعية. لقد طوروا فهرس الغطاء النباتي للفرق الطبيعي (NDVI) كوسيلة للتكيف مع تأثيرات زاوية ذروة الطاقة الشمسية. يعد NDVI الآن أكثر الفهرس شهرة واستخدامًا للكشف عن مظلات النباتات الخضراء الحية في بيانات الاستشعار عن بعد متعددة الأطياف. يتم استخدامه أيضًا لتحديد قدرة التمثيل الضوئي لمظلات النباتات ، ولكن هذا يمكن أن يكون مهمة معقدة.

كيف تحسب NDVI؟

NDVI يستخدم NIR والقنوات الحمراء في صيغته. الأقمار الصناعية مثل Landsat و Sentinel-2 لها النطاقات اللازمة مع NIR والأحمر. النتيجة تولد أ قيمة بين -1 و +1. إذا كان لديك انعكاس منخفض في القناة الحمراء وانعكاس عالٍ في قناة NIR ، فسوف ينتج عن ذلك قيمة NDVI عالية ، والعكس صحيح.

NDVI في الزراعة

NDVI لديه عدة تطبيقات في قطاعات مختلفة. الغابات استخدم NDVI لتقدير عرض الغابات ودليل مساحة الأوراق ، و ناسا تنص على أن NDVI مؤشر جيد للجفاف. عندما يحد الماء من نمو الغطاء النباتي ، فإنه يحتوي على NDVI أقل نسبيًا وكثافة الغطاء النباتي. تشمل القطاعات الأخرى التي تستخدم NDVI العلوم البيئية والتخطيط الحضري وإدارة الموارد الطبيعية.

NDVI هو تستخدم على نطاق واسع في الزراعة لمراقبة صحة المحاصيل وتحسين الري. يستخدم المزارعون NDVI للزراعة الدقيقة ، ولقياس الكتلة الحيوية ، ولتحديد المحاصيل التي تحتاج إلى المزيد من المياه أو الأسمدة.

كيفية استخدام NDVI؟ صور القمر الصناعي مقابل صور الطائرات بدون طيار

ما هي صور القمر الصناعي التي تحتوي على الأشعة تحت الحمراء القريبة لـ NDVI؟ كما ذكرنا سابقًا ، تنتج الأقمار الصناعية مثل Sentinel-2 و Landsat و SPOT صورًا حمراء وقريبة من الأشعة تحت الحمراء. توجد مصادر بيانات مجانية لصور الأقمار الصناعية على الويب ، والتي تحتوي على بيانات يمكن للمرء تنزيلها وإنشاء خرائط NDVI بها ArcGIS أو QGIS.

تعد صحة المحاصيل جانبًا مهمًا من جوانب الزراعة الدقيقة ، و بيانات NDVI هي أداة قيمة للقياس هو - هي. اليوم ، أصبح استخدام الطائرات بدون طيار الزراعية ممارسة شائعة في إقران بيانات NDVI لمقارنة القياسات وتحديد المشكلات الصحية المحتملة للمحاصيل. من خلال قياس الفرق بين الأشعة تحت الحمراء القريبة والضوء الأحمر ، يمكن لـ NDVI مساعدة المزارعين على تحسين الري وتحديد المحاصيل التي تحتاج إلى المزيد من المياه أو الأسمدة.

على سبيل المثال، PrecisionHawk و سينترا توفير طائرات بدون طيار للزراعة يمكنها التقاط بيانات NDVI ومعالجتها في غضون يوم واحد ، وهو تحسن كبير مقارنة بتقنيات NDVI التقليدية التي تتطلب غالبًا أوقات انتظار طويلة. وجد الباحثون ذلك يمكن الحصول على صور NDVI باستخدام كاميرات RGB الرقمية القياسية مع بعض التعديلات، ويمكن دمج هذا النهج في أنظمة مراقبة صحة المحاصيل.

انتشرت تطبيقات الهاتف المحمول في السنوات الأخيرة ، استخدام بيانات NDVI كوسيلة لمراقبة صحة المحاصيل. مدار دقطار هو أحد هذه التطبيقات التي تزود المزارعين ببيانات NDVI المقدمة كخرائط صحية لتحديد أي حالات شاذة في حقولهم. تهدف هذه التطبيقات إلى إحداث ثورة في الممارسات الزراعية من خلال توفير طرق جديدة للكشف الميداني ورقمنة الزراعة. يمكن لأدوات المراقبة الميدانية عن بعد القائمة على تقنية NDVI أن توفر على المزارعين تكاليف الوقود الكبيرة عن طريق تقليل الحاجة إلى الزيارات الميدانية المتكررة ، ويمكن أن تساعد في إدارة الري الفعالة.

ما نوع الكاميرا (بدون طيار) لـ NDVI؟ ترقية RGB و IR مقابل Multispectral

حسنًا .. هذا نوع من الحقول الساخنة التي لاحظتها ، وحفر الأرانب يتعمق أكثر فأكثر.

معيار RGB تم تصميم الكاميرات لالتقاط الضوء الأحمر والأخضر والأزرق ، في حين الكاميرات المعدلة يمكن التقاط مجموعة من بالقرب من الأشعة تحت الحمراء والأحمر والأخضر والأزرق ضوء حسب الطراز. لتوليد صحة نبات RGB خرائط توضح "خضرة" المحاصيليمكن للمرء استخدم كاميرا RGB قياسية مع خوارزميات محددة في البرنامج.

تبيع بعض الشركات "مزيف” اي جي أو NDVI الكاميرات، وهي عبارة عن كاميرات عادية تمت إزالة مرشح الأشعة تحت الحمراء وتركيب مرشح أزرق. ومع ذلك ، فإن هذه الكاميرات غير دقيقة للقياسات الإشعاعية مثل NDVI نظرًا لوجود الكثير من التداخل بين قنوات الألوان ، ولا تحتوي على مستشعر لحساب الاختلافات في الإضاءة بين الزيارات. نتيجة لذلك ، يمكن لهذه الكاميرات أن تظهر فقط الاختلافات النسبية في منطقة معينة ، ولكن لا تقيس بدقة NDVI.

ستأخذ كاميرا NDVI الحقيقية والمعايرة في الاعتبار اختلافات الإضاءة وتوفر مخرجات متسقة بين الزيارات المتعددة إلى نفس الموقع. لذا كن حذرًا عند شراء أ تعديل "كاميرا NDVI" التي تلتقط الأشعة تحت الحمراء القريبة، لترقية الطائرات بدون طيار (بالفعل لـ $400) لالتقاط صور الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) من أجل إجراء تحليل صحة الغطاء النباتي بواسطة حساب NDVI. لكن يرجى الانتباه: هذا هو ليست كاميرا NDVI حقيقية، وقد يكون هذا مضللًا. أ سينترا تعد الكاميرا بالفعل خيارًا أفضل لأنها مصممة خصيصًا ويمكن معايرتها ، لكنها لا تزال أقل من نظام NDVI الكامل. كاميرات متعددة الأطياف, فِعلي كاميرات NDVI نكون غالي، أكثر تكلفة بكثير من "كاميرات RGB / IR التي تمت ترقيتها". سيكويا الببغاء في $3500. TetraCam ADC Snap $4500، RedEdge من MicaSense $6000+.

تعد الصور متعددة الأطياف مهمة في الزراعة لأنها يمكن أن توفر معلومات أكثر تفصيلاً ودقة حول المحاصيل والتربة من كاميرات RGB التقليدية.

لماذا متعدد الأطياف الصور مهمة في agtech

التصوير متعدد الأطياف يلتقط بيانات الصورة داخل يتراوح الطول الموجي المحدد عبر الطيف الكهرومغناطيسيباستخدام مرشحات أو أدوات حساسة لأطوال موجية محددة. يمتد إلى ما بعد نطاق الضوء المرئي ليشمل الأشعة تحت الحمراء و فوق بنفسجي ضوء، مما يتيح استخراج معلومات إضافية وَرَاءَ ما يمكن للعين البشرية أن تكتشفه بمستقبلاتها المرئية الأحمر والأخضر والأزرق. تم تطوير التصوير متعدد الأطياف ، الذي تم تطويره في الأصل لتحديد الهدف العسكري والاستطلاع ، في التصوير الفضائي لرسم خريطة تفصيلية للحدود الساحلية والغطاء النباتي والتضاريس. كما وجدت تطبيقات في تحليل المستندات والرسم.

فيما يلي بعض الأسباب التي تجعل الصور متعددة الأطياف مناسبة بشكل أفضل للتطبيقات الزراعية:

1. دقة طيفية أكبر: تلتقط الكاميرات متعددة الأطياف صورًا في نطاقات ضيقة متعددة من الطيف الكهرومغناطيسي ، مما يسمح بتحليل أكثر تفصيلاً للأطوال الموجية المحددة للضوء التي تمتصها النباتات أو تعكسها. يمكن أن يساعد ذلك في تحديد مشكلات مثل نقص المغذيات أو المرض قبل رؤيتها بالعين المجردة.
2. مؤشرات الغطاء النباتي المحسنة: بمقارنة قيم الانعكاس لأطوال موجية مختلفة للضوء ، يمكن للكاميرات متعددة الأطياف إنشاء مؤشرات نباتية أكثر تعقيدًا من كاميرات RGB التقليدية. يمكن استخدام هذه المؤشرات لقياس صحة النبات والنمو ومستويات الإجهاد بشكل أكثر دقة.
3. التمايز بين أنواع التربة: يمكن للصور متعددة الأطياف أيضًا التمييز بين أنواع التربة بشكل أكثر فعالية ، وهو أمر مهم للزراعة الدقيقة. يمكن أن يساعد ذلك المزارعين على اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن ممارسات الري والتسميد وإدارة المحاصيل.
4. الكشف عن الإجهاد المائي: يمكن للكاميرات متعددة الأطياف أيضًا اكتشاف الإجهاد المائي في المحاصيل عن طريق قياس كمية الأشعة تحت الحمراء التي تنبعث منها. يمكن أن يساعد هذا المزارعين في تحديد وقت الري وكميته.

متعدد الأطياف التصوير عادة يقيس الضوء في عدد صغير من النطاقات الطيفية، تتراوح من 3 إلى 15.

فائق الطيفية التصوير هو شكل متخصص من أشكال التصوير الطيفي ، حيث تتوفر المئات من النطاقات الطيفية المتجاورة للتحليل. من خلال التقاط بيانات الصورة عبر العديد من النطاقات الطيفية ، يتيح التصوير الفائق الطيف تحديد المواد وتحليلها بشكل أكثر دقة من التصوير متعدد الأطياف.

أعتقد أنني بحاجة إلى وقف هذا صاحب الحق في الغوص. أتمنى أن تكون قد تعلمت بقدر ما تعلمت.