Τι είναι το NDVI, πώς χρησιμοποιείται στη γεωργία - με ποιες κάμερες

Στο προσωπικό μου ταξίδι στη γεωργία ακριβείας και στην ανάλυση, συνάντησα το NDVI στο πλαίσιο της ανάλυσης εικόνων. Ο στόχος μου είναι να αναλύσω ένα χωράφι 45 εκταρίων βιολογικής μηδικής προκειμένου να αξιολογήσω την επίδραση του λιπάσματος πριν και μετά την εφαρμογή. Η κύρια ερώτησή μου είναι: πού, τι είδους και πόσο λίπασμα πρέπει να βάλω και ποια επίδραση θα έχει στην καλλιέργεια της μηδικής; Είμαι κάτοχος μιας κάμερας Mavic Pro με τυπική κάμερα RGB. Όταν ρώτησα στο Twitter πώς να προχωρήσω, κάποιος πρότεινε τη χρήση πολυφασματικών δεδομένων για την εξερεύνηση μιας σειράς δεικτών βλάστησης για βοήθεια, συμπεριλαμβανομένου του NDVI. Έτσι, έψαξα βαθιά στην τρύπα του κουνελιού για να μάθω περισσότερα για το NDVI.

Τι είναι ο δείκτης κανονικοποιημένης διαφοράς βλάστησης (NDVI)
Ιστορία του NDVI
Πώς υπολογίζετε το NDVI;
NDVI στη γεωργία
Τι τύπος κάμερας (drone) για NDVI; Αναβαθμισμένο RGB & IR έναντι Πολυφασματικού
Γιατί Οι πολυφασματικές εικόνες είναι σημαντικές στην agtech

Ο Δείκτης Κανονικής Διαφοράς Βλάστησης (NDVI) είναι μια ευρέως αποδεκτή μέθοδος για την αξιολόγηση της ποσότητας ζωντανής βλάστησης σε μια συγκεκριμένη περιοχή, ειδικά στη γεωργία.

Τι είναι το NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)

Τα φυτά είναι καταπληκτικοί οργανισμοί που χρησιμοποιούν το ηλιακό φως ως ενέργεια για να φτιάξουν τη δική τους τροφή. Αυτό το κάνουν μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται φωτοσύνθεση, η οποία συμβαίνει στα φύλλα τους. Είναι ενδιαφέρον ότι τα φύλλα των φυτών όχι μόνο απορροφούν το φως του ήλιου, αλλά αντανακλούν και ένα μέρος του πίσω. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για το κοντινό υπέρυθρο φως, το οποίο είναι αόρατο στα μάτια μας αλλά αποτελεί τη μισή ενέργεια στο ηλιακό φως.

Ο λόγος για αυτήν την αντανάκλαση είναι επειδή το πολύ κοντινό υπέρυθρο φως μπορεί στην πραγματικότητα να είναι επιβλαβές για τα φυτά. Έτσι, έχουν εξελιχθεί για να προστατεύονται αντανακλώντας αυτό το είδος φωτός. Ως αποτέλεσμα, τα ζωντανά πράσινα φυτά φαίνονται σκοτεινά στο ορατό φως, αλλά φαίνονται φωτεινά στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα. Αυτό διαφέρει από τα σύννεφα και το χιόνι, τα οποία τείνουν να φαίνονται φωτεινά στο ορατό φως αλλά σκοτεινά στο φάσμα του κοντινού υπέρυθρου.

Οι επιστήμονες μπορούν να επωφεληθούν από αυτό το μοναδικό χαρακτηριστικό για να μελετήσουν τα φυτά χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο που ονομάζεται NDVI ή Normalized Difference Vegetation Index. Το NDVI μετρά τη διαφορά μεταξύ της ποσότητας του κόκκινου και του κοντινού υπέρυθρου φωτός που ανακλάται από τα φυτά. Όσο περισσότερα φύλλα έχει ένα φυτό, τόσο περισσότερο επηρεάζονται αυτά τα μήκη κύματος φωτός, γεγονός που μπορεί να μας δώσει σημαντικές πληροφορίες για την υγεία και την κατανομή των φυτών.

Το NDVI είναι ένας τρόπος για τους επιστήμονες να χρησιμοποιούν δορυφορικές εικόνες για να μελετήσουν τα φυτά και τη γεωργία. Κατανοώντας πώς αλληλεπιδρούν τα φυτά με το φως του ήλιου, μπορούμε να μάθουμε περισσότερα για τον κόσμο γύρω μας και πώς να φροντίζουμε τον πλανήτη μας.

Συνοπτικά: Το NDVI είναι ένα τυποποιημένο μέτρο της υγιούς βλάστησης. Ποσοτικοποιεί τη βλάστηση μετρώντας τη διαφορά μεταξύ του εγγύς υπέρυθρου (NIR) και του κόκκινου φωτός. Η υγιής βλάστηση αντανακλά περισσότερο NIR και πράσινο φως από άλλα μήκη κύματος, αλλά απορροφά περισσότερο κόκκινο και μπλε φως. Οι τιμές NDVI κυμαίνονται πάντα από -1 έως +1.

Ιστορία του NDVI

Σε 1957, ξεκίνησε η Σοβιετική Ένωση Σπούτνικ 1, ο πρώτος τεχνητός δορυφόρος σε τροχιά γύρω από τη Γη. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη μετεωρολογικών δορυφόρων, όπως τα προγράμματα Sputnik και Cosmos στη Σοβιετική Ένωση και το πρόγραμμα Explorer στις ΗΠΑ. Σειρά TIROS δορυφόρων εκτοξεύτηκαν σε 1960, και ακολούθησαν οι δορυφόροι Nimbus και τα όργανα Advanced Very High Resolution Radiometer στις πλατφόρμες της Εθνικής Υπηρεσίας Ωκεανών και Ατμόσφαιρας (NOAA). Η NASA ανέπτυξε επίσης το Earth Resources Technology Satellite (ERTS), ο οποίος έγινε ο πρόδρομος του προγράμματος Landsat.

ο Landsat πρόγραμμα εκτοξεύτηκε σε 1972 με το MultiSpectral Scanner (MSS), που επέτρεπε την τηλεπισκόπηση της Γης. Μια πρώιμη μελέτη που χρησιμοποιούσε το Landsat επικεντρώθηκε στην περιοχή των Μεγάλων Πεδιάδων των κεντρικών ΗΠΑ. Ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ηλιακή γωνία ζενίθ κατά μήκος αυτής της ισχυρής γεωγραφικής κλίσης καθιστούσε δύσκολη τη συσχέτιση των βιοφυσικών χαρακτηριστικών της βλάστησης των λιβαδιών από τα δορυφορικά φασματικά σήματα. Ανέπτυξαν τον κανονικοποιημένο δείκτη βλάστησης διαφοράς (NDVI) ως μέσο προσαρμογής για τις επιπτώσεις της ηλιακής γωνίας ζενίθ. Το NDVI είναι πλέον ο πιο γνωστός και χρησιμοποιούμενος δείκτης για την ανίχνευση ζωντανών πρασίνων φυτών σε πολυφασματικά δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιείται επίσης για την ποσοτικοποίηση της φωτοσυνθετικής ικανότητας των θόλων των φυτών, αλλά αυτό μπορεί να είναι ένα πολύπλοκο εγχείρημα.

Πώς υπολογίζετε το NDVI;

NDVI χρησιμοποιεί τα κανάλια NIR και κόκκινο στον τύπο του. Δορυφόροι όπως ο Landsat και ο Sentinel-2 έχουν τις απαραίτητες ζώνες με NIR και κόκκινο. Το αποτέλεσμα δημιουργεί α τιμή μεταξύ -1 και +1. Εάν έχετε χαμηλή ανάκλαση στο κόκκινο κανάλι και υψηλή ανάκλαση στο κανάλι NIR, αυτό θα αποφέρει υψηλή τιμή NDVI και αντίστροφα.

NDVI στη γεωργία

Το NDVI έχει αρκετές εφαρμογές σε διαφορετικούς τομείς. Δασολόγοι χρησιμοποιήστε το NDVI για να ποσοτικοποιήσετε την προσφορά δασών και τον δείκτη φυλλικής έκτασης και NASA δηλώνει ότι το NDVI είναι καλός δείκτης ξηρασίας. Όταν το νερό περιορίζει την ανάπτυξη της βλάστησης, έχει χαμηλότερο σχετικό NDVI και πυκνότητα βλάστησης. Άλλοι τομείς που χρησιμοποιούν NDVI περιλαμβάνουν περιβαλλοντική επιστήμη, πολεοδομικός σχεδιασμός και διαχείριση φυσικών πόρων.

NDVI είναι χρησιμοποιείται ευρέως στη γεωργία για την παρακολούθηση της υγείας των καλλιεργειών και τη βελτιστοποίηση της άρδευσης. Οι αγρότες χρησιμοποιούν το NDVI για γεωργία ακριβείας, για τη μέτρηση της βιομάζας και για τον εντοπισμό των καλλιεργειών που χρειάζονται περισσότερο νερό ή λιπάσματα.

Πώς να χρησιμοποιήσετε το NDVI; Δορυφορικές εικόνες εναντίον εικόνων drone

Ποιες δορυφορικές εικόνες έχουν εγγύς υπέρυθρες για NDVI; Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, δορυφόροι όπως οι Sentinel-2, Landsat και SPOT παράγουν κόκκινες και σχεδόν υπέρυθρες εικόνες. Υπάρχουν δωρεάν πηγές δεδομένων δορυφορικών εικόνων στον Ιστό, που έχουν δεδομένα που μπορεί κανείς να κατεβάσει και να δημιουργήσει χάρτες NDVI ArcGIS ή QGIS.

Η υγεία των καλλιεργειών είναι μια κρίσιμη πτυχή της γεωργίας ακριβείας και Τα δεδομένα NDVI είναι ένα πολύτιμο εργαλείο μέτρησης το. Σήμερα, η χρήση γεωργικών drones έχει γίνει κοινή πρακτική για τη σύζευξη δεδομένων NDVI για σύγκριση μετρήσεων και εντοπισμό πιθανών προβλημάτων υγείας των καλλιεργειών. Μετρώντας τη διαφορά μεταξύ του κοντινού υπέρυθρου και του κόκκινου φωτός, το NDVI μπορεί να βοηθήσει τους αγρότες να βελτιστοποιήσουν την άρδευση και να εντοπίσουν καλλιέργειες που χρειάζονται περισσότερο νερό ή λιπάσματα.

Για παράδειγμα, PrecisionHawk και Sentera παρέχει γεωργικά drones που μπορούν να συλλάβουν και να επεξεργαστούν δεδομένα NDVI μέσα σε μία ημέρα, κάτι που αποτελεί σημαντική βελτίωση σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνικές NDVI που απαιτούν συχνά μεγάλους χρόνους αναμονής. Οι ερευνητές βρήκαν ότι Οι εικόνες NDVI μπορούν να ληφθούν ακόμη και με τη χρήση τυπικών ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών RGB με μερικοί τροποποιήσεις, και αυτή η προσέγγιση μπορεί να ενσωματωθεί σε συστήματα παρακολούθησης της υγείας των καλλιεργειών.

Οι εφαρμογές για κινητά έχουν πολλαπλασιαστεί τα τελευταία χρόνια, χρησιμοποιώντας δεδομένα NDVI ως μέσο παρακολούθησης της υγείας των καλλιεργειών. Doktar' Orbit είναι μια τέτοια εφαρμογή που παρέχει στους αγρότες δεδομένα NDVI που παρουσιάζονται ως χάρτες υγείας για τον εντοπισμό τυχόν ανωμαλιών στα χωράφια τους. Αυτές οι εφαρμογές στοχεύουν να φέρουν επανάσταση στις γεωργικές πρακτικές παρέχοντας νέους τρόπους εντοπισμού και ψηφιοποίησης της γεωργίας. Τα εργαλεία απομακρυσμένης παρακολούθησης πεδίου που βασίζονται στην τεχνολογία NDVI μπορούν να εξοικονομήσουν σημαντικά κόστη καυσίμων στους αγρότες μειώνοντας την ανάγκη για συχνές επισκέψεις στο αγρό και μπορούν να βοηθήσουν στην αποτελεσματική διαχείριση της άρδευσης.

Τι τύπος κάμερας (drone) για NDVI; Αναβαθμισμένο RGB & IR έναντι Πολυφασματικού

Εντάξει.. λοιπόν, αυτό είναι κάπως καυτό πεδίο που παρατήρησα, και η τρύπα του κουνελιού πηγαίνει όλο και πιο βαθιά.

Τυπικό RGB Οι κάμερες έχουν σχεδιαστεί για να καταγράφουν κόκκινο, πράσινο και μπλε φως, ενώ τροποποιημένες κάμερες μπορεί να συλλάβει έναν συνδυασμό από Κοντά στο υπέρυθρο, το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε φως ανάλογα με το μοντέλο. Για να δημιουργήσετε υγεία των φυτών RGB χάρτες που δείχνουν το «πράσινο» των καλλιεργειών, ένας μπορεί χρησιμοποιήστε μια τυπική κάμερα RGB με συγκεκριμένους αλγόριθμους σε λογισμικό.

Κάποιες εταιρείες πουλάνε "απομίμηση” Αγ ή NDVI κάμερες, οι οποίες είναι απλώς κανονικές κάμερες με αφαιρεμένο φίλτρο υπέρυθρων και εγκατεστημένο ένα μπλε φίλτρο. Ωστόσο, αυτές οι κάμερες είναι ανακριβείς για ραδιομετρικές μετρήσεις όπως το NDVI, επειδή υπάρχει υπερβολική αλληλεπικάλυψη μεταξύ των έγχρωμων καναλιών και δεν διαθέτουν αισθητήρα που να εξηγεί τις διαφορές στο φωτισμό μεταξύ των επισκέψεων. Ως αποτέλεσμα, αυτές οι κάμερες μπορούν να δείχνουν μόνο σχετικές διαφορές σε μια δεδομένη περιοχή, αλλά όχι να μετρούν με ακρίβεια το NDVI.

Μια πραγματική και βαθμονομημένη κάμερα NDVI θα λαμβάνει υπόψη τις διαφορές φωτισμού και θα παρέχει σταθερά αποτελέσματα μεταξύ πολλαπλών επισκέψεων στον ίδιο ιστότοπο. Προσοχή λοιπόν όταν αγοράζετε ένα τροποποιημένη "κάμερα NDVI" που συλλαμβάνει φως κοντά στο υπέρυθρο, για αναβάθμιση drones (ήδη για $400) για τη λήψη εικόνων κοντά στο υπέρυθρο (NIR) προκειμένου να πραγματοποιηθεί ανάλυση υγείας της βλάστησης από Υπολογισμός NDVI. Αλλά σας παρακαλώ να γνωρίζετε: Αυτό είναι δεν είναι πραγματική κάμερα NDVI, και αυτό μπορεί να είναι παραπλανητικό. ΕΝΑ Sentera Η κάμερα είναι ήδη μια καλύτερη επιλογή, επειδή είναι ειδικά κατασκευασμένες και μπορούν να βαθμονομηθούν, αλλά εξακολουθούν να υστερούν σε ένα πλήρες σύστημα NDVI. Πολυφασματικές κάμερες, πραγματικός Κάμερες NDVI είναι ακριβός, πολύ πιο δαπανηρή από τις «αναβαθμισμένες κάμερες RGB/IR». Parrot's Sequoia στο $3500. TetraCam ADC Snap $4500, MicaSense's RedEdge $6000+.

Οι πολυφασματικές εικόνες είναι σημαντικές στη γεωργία επειδή μπορούν να παρέχουν πιο λεπτομερείς και ακριβείς πληροφορίες για τις καλλιέργειες και το έδαφος από τις παραδοσιακές κάμερες RGB.

Γιατί Πολυφασματική Οι εικόνες είναι σημαντικές στο agtech

Πολυφασματική απεικόνιση συλλαμβάνει δεδομένα εικόνας μέσα συγκεκριμένες περιοχές μήκους κύματος σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, χρησιμοποιώντας φίλτρα ή όργανα που είναι ευαίσθητα σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Επεκτείνεται πέρα από το εύρος του ορατού φωτός για να το συμπεριλάβει υπέρυθρες και υπεριώδης φως, επιτρέποντας την εξαγωγή πρόσθετων πληροφοριών πέρα τι μπορεί να ανιχνεύσει το ανθρώπινο μάτι με τους ορατούς υποδοχείς του κόκκινο, πράσινο και μπλε. Αρχικά αναπτύχθηκε για στρατιωτική αναγνώριση και αναγνώριση στόχων, η πολυφασματική απεικόνιση έχει χρησιμοποιηθεί σε διαστημική απεικόνιση για τη χαρτογράφηση λεπτομερειών των παράκτιων ορίων, της βλάστησης και των μορφών εδάφους της Γης. Έχει επίσης βρει εφαρμογές στην ανάλυση εγγράφων και ζωγραφικής.

Ακολουθούν μερικοί λόγοι για τους οποίους οι πολυφασματικές εικόνες είναι πιο κατάλληλες για γεωργικές εφαρμογές:

1. Μεγαλύτερη φασματική ανάλυση: Οι πολυφασματικές κάμερες καταγράφουν εικόνες σε πολλαπλές στενές ζώνες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, γεγονός που επιτρέπει πιο λεπτομερή ανάλυση των συγκεκριμένων μηκών κύματος φωτός που απορροφούν ή αντανακλούν τα φυτά. Αυτό μπορεί να βοηθήσει στον εντοπισμό ζητημάτων όπως οι ανεπάρκειες θρεπτικών συστατικών ή οι ασθένειες πριν γίνουν ορατές με γυμνό μάτι.
2. Ενισχυμένοι δείκτες βλάστησης: Συγκρίνοντας τις τιμές ανάκλασης διαφορετικών μηκών κύματος φωτός, οι πολυφασματικές κάμερες μπορούν να δημιουργήσουν πιο εξελιγμένους δείκτες βλάστησης από τις παραδοσιακές κάμερες RGB. Αυτοί οι δείκτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της υγείας των φυτών, της ανάπτυξης και των επιπέδων στρες με μεγαλύτερη ακρίβεια.
3. Διαφοροποίηση τύπων εδάφους: Οι πολυφασματικές εικόνες μπορούν επίσης να διαφοροποιήσουν τους τύπους εδάφους πιο αποτελεσματικά, κάτι που είναι σημαντικό για τη γεωργία ακριβείας. Αυτό μπορεί να βοηθήσει τους αγρότες να λάβουν πιο ενημερωμένες αποφάσεις σχετικά με τις πρακτικές άρδευσης, λίπανσης και διαχείρισης των καλλιεργειών.
4. Ανίχνευση υδατικού στρες: Οι πολυφασματικές κάμερες μπορούν επίσης να ανιχνεύσουν το στρες του νερού στις καλλιέργειες μετρώντας την ποσότητα της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπουν. Αυτό μπορεί να βοηθήσει τους αγρότες να καθορίσουν πότε και πόσο να ποτίσουν.

Πολυφασματική απεικόνισης τυπικά μετρά το φως σε μικρό αριθμό φασματικών ζωνών, που κυμαίνονται από 3 έως 15.

Υπερφασματική απεικόνισης είναι μια εξειδικευμένη μορφή φασματικής απεικόνισης, όπου εκατοντάδες συνεχόμενες φασματικές ζώνες είναι διαθέσιμες για ανάλυση. Με τη λήψη δεδομένων εικόνας σε πολλές φασματικές ζώνες, η υπερφασματική απεικόνιση επιτρέπει την ακριβέστερη αναγνώριση και ανάλυση των υλικών από την πολυφασματική απεικόνιση.

Νομίζω ότι πρέπει να σταματήσω αυτή την κατάδυση εδώ. Ελπίζω να μάθατε όσα και εγώ.