что такое мультиспектральный снимок
Что такое гиперспектральная съемка
Разберёмся, что такое цветопередача и на чем основана мультиспектральная съемка.
Чтобы понять, что такое гиперспектральная или мультиспектральная съемка стоит разобраться что такое цвет.
Интересно то, что любой цвет из представленного ниже спектра мы можем получить, смешав 3 основных цвета в разных пропорциях.
Красный + зелёный + синий.
Всё дело в особенностях человеческого цветного зрения, на сетчатке нашего глаза находятся светочувствительные клетки, которые называются
“колбочки”. Они воспринимают зелёный, красный и синий цвета соответственно (и некоторый диапазон вокруг этих цветов).
Из-за этого его очень легко обмануть, просто смешивая в нужных пропорциях синий и зелёный. Тогда мозг будет считать, что это голубой, хотя его там и не было. Так работают современные устройства, которые выдают нам цветные изображения.
Ученые уже давно изобрели способ, как создавать изображения, которые состоят не из 3, а из множества каналов. Изображение может быть одноканальным или многоканальным. Многоканальное изображение может быть воспроизведено посредством цветовой модели RGB, при этом неважно, состоит изображение из 1 или 1000 отдельных каналов. Это и называется гиперспектральной съемкой.
Она прежде всего используется в аэрофотосъемке и космической съемке земной поверхности.
Гиперспектральные снимки внешне не сильно отличаются от обычных снимков, но если мы возьмём обычный снимок, то любой пиксель с него можно разбить на компоненты. Каждый пиксель, это n-мерная модель, где n – это количество спектральных каналов.
Существуют съёмочные системы с различным количеством спектральных каналов.
При этом можно настроить прибор так, что эти компоненты плотно укладывались не только в видимый спектр (от красного до фиолетового), но и захватывали также и инфракрасную область, которую человеческий глаз не способен воспринять.
Гиперспектральная съёмка может быть выполнена как сканерными, так и кадровыми системами. При использовании сканерной системы, после одного прохода получается некий ряд из пикселей, причём каждый из пикселей разбит на свой спектр. В итоге у нас получается картинка, которую мы можем запомнить и перенести на карту памяти и перейти к следующему ряду. И так ряд за рядом у нас получается составить гиперспектральное изображение.
Зачем нужна мульти и гиперспектральная съемка:
Вполне логично, что любой предмет отражает свет немного по разному. При гиперспектральной съемке мы можем получить уникальное изображение каждого предмета.
Гиперспектральный мониторинг в сельском хозяйстве
СОДЕРЖАНИЕ
Приложения
Военное сопровождение целей
При обнаружении целей в ночное время тепловидение превосходит однополосное многоспектральное изображение. Цитирование. Двухдиапазонная технология MWIR и LWIR обеспечила лучшую визуализацию в ночное время, чем только MWIR. Цитирование Цитирование. Армия США сообщает, что ее двухдиапазонный LWIR / MWIR FPA продемонстрировал лучшую визуализацию тактических машин, чем только MWIR, после отслеживания их как днем, так и ночью.
Обнаружение наземных мин
Анализируя излучательную способность наземных поверхностей, многоспектральные изображения могут обнаруживать наличие подземных ракет. Поверхностные и подземные почвы обладают разными физическими и химическими свойствами, которые проявляются при спектральном анализе. Нарушенная почва имеет повышенную излучательную способность в диапазоне длин волн от 8,5 до 9,5 микрометров, при этом не наблюдается изменений в длинах волн более 10 микрометров. Двойной MWIR / LWIR FPA исследовательской лаборатории армии США использовал «красный» и «синий» детекторы для поиска областей с повышенной излучательной способностью. Красный детектор действует как фон, проверяя области ненарушенных участков почвы, поскольку он чувствителен к длине волны 10,4 микрометра. Детектор синего цвета чувствителен к длинам волн 9,3 микрометра. Если при сканировании интенсивность синего изображения изменяется, вероятно, нарушена эта область . Ученые сообщили, что объединение этих двух изображений увеличило возможности обнаружения.
Обнаружение баллистических ракет
Для перехвата межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) на этапе ее разгона требуется визуализация твердого тела, а также струй ракеты. MWIR представляет собой сильный сигнал от сильно нагретых объектов, включая ракетные шлейфы, в то время как LWIR производит выбросы от материала корпуса ракеты. Исследовательская лаборатория армии США сообщила, что с их двухдиапазонной технологией MWIR / LWIR отслеживание ракет-носителей Atlas 5 Evolved, аналогичных по конструкции межконтинентальным баллистическим ракетам, захватило как корпус ракеты, так и оперение.
Космическая съемка
Прогноз погоды
Современные метеорологические спутники создают изображения в самых разных спектрах.
В случае спутников Landsat использовалось несколько различных обозначений диапазонов, причем целых 11 диапазонов ( Landsat 8 ) составляли мультиспектральное изображение. Спектральное изображение с более высоким радиометрическим разрешением (включая сотни или тысячи полос), более тонким спектральным разрешением (включая меньшие полосы) или более широким спектральным охватом можно назвать гиперспектральным или ультраспектральным.
Документы и произведения искусства
Мультиспектральная визуализация также использовалась для изучения изменений цвета и пятен на старых книгах и рукописях. Сравнение «спектрального отпечатка пальца» пятна с характеристиками известных химических веществ может позволить идентифицировать пятно. Этот метод использовался для изучения медицинских и алхимических текстов в поисках подсказок о деятельности первых химиков и возможных химических веществах, которые они, возможно, использовали в своих экспериментах. Подобно повару, проливающему муку или уксус на поваренную книгу, ранний химик мог оставить на страницах материальные доказательства ингредиентов, используемых для изготовления лекарств.
Спектральные полосы
Длины волн являются приблизительными; точные значения зависят от инструментов конкретного спутника:
Использование спектрального диапазона
Для разных целей могут использоваться разные комбинации спектральных диапазонов. Обычно они представлены красным, зеленым и синим каналами. Привязка полос к цветам зависит от цели изображения и личных предпочтений аналитиков. Тепловой инфракрасный свет часто не учитывается из-за плохого пространственного разрешения, за исключением специальных целей.
Используются многие другие комбинации. NIR часто отображается красным цветом, в результате чего участки, покрытые растительностью, становятся красными.
Классификация
Такая классификация представляет собой сложную задачу, которая включает в себя строгую проверку обучающих выборок в зависимости от используемого алгоритма классификации. Техники можно разделить в основном на два типа.
СОДЕРЖАНИЕ
Приложения
Военное сопровождение целей
При обнаружении целей в ночное время тепловидение превосходит однополосное многоспектральное изображение. Цитирование. Двухдиапазонная технология MWIR и LWIR обеспечила лучшую визуализацию в ночное время, чем только MWIR. Цитирование Цитирование. Армия США сообщает, что ее двухдиапазонный LWIR / MWIR FPA продемонстрировал лучшую визуализацию тактических машин, чем только MWIR, после отслеживания их как днем, так и ночью.
Обнаружение наземных мин
Анализируя излучательную способность наземных поверхностей, многоспектральные изображения могут обнаруживать наличие подземных ракет. Поверхностные и подземные почвы обладают разными физическими и химическими свойствами, которые проявляются при спектральном анализе. Нарушенная почва имеет повышенную излучательную способность в диапазоне длин волн от 8,5 до 9,5 микрометров, при этом не наблюдается изменений в длинах волн более 10 микрометров. Двойной MWIR / LWIR FPA исследовательской лаборатории армии США использовал «красный» и «синий» детекторы для поиска областей с повышенной излучательной способностью. Красный детектор действует как фон, проверяя области ненарушенных участков почвы, поскольку он чувствителен к длине волны 10,4 микрометра. Детектор синего цвета чувствителен к длинам волн 9,3 микрометра. Если при сканировании интенсивность синего изображения изменяется, вероятно, нарушена эта область . Ученые сообщили, что объединение этих двух изображений увеличило возможности обнаружения.
Обнаружение баллистических ракет
Для перехвата межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) на этапе ее разгона требуется визуализация твердого тела, а также струй ракеты. MWIR представляет собой сильный сигнал от сильно нагретых объектов, включая ракетные шлейфы, в то время как LWIR производит выбросы от материала корпуса ракеты. Исследовательская лаборатория армии США сообщила, что с их двухдиапазонной технологией MWIR / LWIR отслеживание ракет-носителей Atlas 5 Evolved, аналогичных по конструкции межконтинентальным баллистическим ракетам, захватило как корпус ракеты, так и оперение.
Космическая съемка
Прогноз погоды
Современные метеорологические спутники создают изображения в самых разных спектрах.
В случае спутников Landsat использовалось несколько различных обозначений диапазонов, причем целых 11 диапазонов ( Landsat 8 ) составляли мультиспектральное изображение. Спектральное изображение с более высоким радиометрическим разрешением (включая сотни или тысячи полос), более тонким спектральным разрешением (включая меньшие полосы) или более широким спектральным охватом можно назвать гиперспектральным или ультраспектральным.
Документы и произведения искусства
Мультиспектральная визуализация также использовалась для изучения изменений цвета и пятен на старых книгах и рукописях. Сравнение «спектрального отпечатка пальца» пятна с характеристиками известных химических веществ может позволить идентифицировать пятно. Этот метод использовался для изучения медицинских и алхимических текстов в поисках подсказок о деятельности первых химиков и возможных химических веществах, которые они, возможно, использовали в своих экспериментах. Подобно повару, проливающему муку или уксус на поваренную книгу, ранний химик мог оставить на страницах материальные доказательства ингредиентов, используемых для изготовления лекарств.
Спектральные полосы
Длины волн являются приблизительными; точные значения зависят от инструментов конкретного спутника:
Использование спектрального диапазона
Для разных целей могут использоваться разные комбинации спектральных диапазонов. Обычно они представлены красным, зеленым и синим каналами. Привязка полос к цветам зависит от цели изображения и личных предпочтений аналитиков. Тепловой инфракрасный свет часто не учитывается из-за плохого пространственного разрешения, за исключением специальных целей.
Используются многие другие комбинации. NIR часто отображается красным цветом, в результате чего участки, покрытые растительностью, становятся красными.
Классификация
Такая классификация представляет собой сложную задачу, которая включает в себя строгую проверку обучающих выборок в зависимости от используемого алгоритма классификации. Техники можно разделить в основном на два типа.
Мультиспектральное изображение
Военное сопровождение целей
При обнаружении целей в ночное время тепловидение превосходит однополосное многоспектральное изображение. Цитирование. Двухдиапазонная технология MWIR и LWIR обеспечила лучшую визуализацию в ночное время, чем только MWIR. Цитирование Цитирование. Армия США сообщает, что ее двухдиапазонный LWIR / MWIR FPA продемонстрировал лучшую визуализацию тактических машин, чем только MWIR, после отслеживания их как днем, так и ночью.
Обнаружение наземных мин
Анализируя излучательную способность наземных поверхностей, многоспектральные изображения могут обнаруживать наличие подземных ракет. Поверхностные и подземные почвы обладают разными физическими и химическими свойствами, которые проявляются при спектральном анализе. [6] Нарушенная почва имеет повышенную излучательную способность в диапазоне длин волн от 8,5 до 9,5 микрометров, при этом не наблюдается изменений в длинах волн более 10 микрометров. [4] Двойной MWIR / LWIR FPA исследовательской лаборатории армии США использовал «красный» и «синий» детекторы для поиска областей с повышенной излучательной способностью. Красный детектор действует как фон, проверяя области ненарушенных участков почвы, поскольку он чувствителен к длине волны 10,4 микрометра. Детектор синего цвета чувствителен к длинам волн 9,3 микрометра. Если при сканировании интенсивность синего изображения изменяется, вероятно, нарушена эта область . Ученые сообщили, что объединение этих двух изображений увеличило возможности обнаружения. [4]
Обнаружение баллистических ракет
Для перехвата межконтинентальной баллистической ракеты (МБР) на этапе ее разгона требуется визуализация твердого тела, а также струй ракеты. MWIR представляет собой сильный сигнал от сильно нагретых объектов, включая ракетные шлейфы, в то время как LWIR производит выбросы от материала корпуса ракеты. Исследовательская лаборатория армии США сообщила, что с их двухдиапазонной технологией MWIR / LWIR отслеживание ракет-носителей Atlas 5 Evolved, аналогичных по конструкции межконтинентальным баллистическим ракетам, захватило как корпус ракеты, так и оперение. [4]
Космическая съемка
Прогноз погоды
Современные метеорологические спутники создают изображения в самых разных спектрах. [10]
В случае спутников Landsat использовалось несколько различных обозначений диапазонов, причем целых 11 диапазонов ( Landsat 8 ) составляли мультиспектральное изображение. [12] [13] [14] Спектральное изображение с более высоким радиометрическим разрешением (включая сотни или тысячи полос), более тонким спектральным разрешением (включая меньшие полосы) или более широким спектральным покрытием можно назвать гиперспектральным или ультраспектральным. [15] [14]
Документы и произведения искусства
Мультиспектральная визуализация также использовалась для изучения изменений цвета и пятен на старых книгах и рукописях. Сравнение «спектрального отпечатка пальца» пятна с характеристиками известных химических веществ может позволить идентифицировать пятно. Этот метод использовался для изучения медицинских и алхимических текстов в поисках подсказок о деятельности первых химиков и возможных химических веществах, которые они, возможно, использовали в своих экспериментах. Подобно повару, проливающему муку или уксус на поваренную книгу, ранний химик мог оставить на страницах материальные доказательства ингредиентов, используемых для изготовления лекарств. [20]
Длины волн указаны приблизительно; точные значения зависят от инструментов конкретного спутника:
Для разных целей могут использоваться разные комбинации спектральных диапазонов. Обычно они представлены красным, зеленым и синим каналами. Преобразование полос в цвета зависит от цели изображения и личных предпочтений аналитиков. Тепловой инфракрасный свет часто не учитывается из-за плохого пространственного разрешения, за исключением специальных целей.
Используются многие другие комбинации. NIR часто отображается красным цветом, в результате чего участки, покрытые растительностью, становятся красными.
Такая классификация представляет собой сложную задачу, которая включает в себя строгую проверку обучающих выборок в зависимости от используемого алгоритма классификации. Техники можно разделить в основном на два типа.
Виды и применение спектральной съёмки
Виды и применение спектральной съёмки
Использование спектральной съемки — новшество для сельского хозяйства. Съёмка показывает максимально точную и детализированную информацию о том, как выглядит поле.
Каждый сезон фермеры теряют прибыль из-за отсутствия или неточных данных о состоянии на полях.
Спектральная съёмка позволит сократить потери.
Оперативный поиск зараженных растений
Анализ спектральных данных помогает определить зараженные участки или же вредителей, чтобы в дальнейшем они не распространялись.
Качественное определение почвы на полях
Применение спектральных данных помогает составить карты качества почв, что может понадобиться в дальнейшей организации внесения удобрений.
Оптимизация опрыскивания полей
При аэрофотосъемке, полученные данные используют для оптимизации внесения СЗР и работу техники, при условии комплексной оценки состояния растительности на основе полученных изображений и рассчитанных вегетационных индексов.
Прогнозирование урожая
С помощью спектральной съемки рассчитывают и определяют зрелость, а также урожайность.
Технология
Мультиспектральные камеры
На БПЛА возможно установить два типа камер: модифицированные или мультиспектральные.
Модифицированная камера отличается измененной линзой, которая фиксирует отражение в ближней инфракрасной области спектра. Такие камеры более доступны, но качество данных не такое точное.
В мультиспектральной камере возможное количество линз доходит до 12. Каждая из них воспринимает излучение в узкой области спектра, что позволяет получать более точные данные. Так возможно получать больше изображений и точнее рассчитвать индексы.
Parrot Sequoia
Ближний ИК: 770-810 нм
Пространственное разрешение снимков:
MicaSense RedEdge
Ближний ИК: 717-727 нм
Пространственное разрешение снимков:
Гиперспектральные камеры
Количество спектральных каналов > 100
Пространственное разрешение снимков Resonon Pika L
Спектральный диапазон: 400-1000 нм
Количество каналов: 185
Пространственное разрешение снимков:
Cubert S185 FireFly
Количество каналов: 125
Пространственное разрешение снимков:
Сравнение спектральных камер
Анализ данных
При спектральной съемке формируются одновременно несколько изображений одной и той же территории в различных зонах спектра электромагнитного излучения.
Ключевую роль играет аналитика этих данных. Различные комбинации спектральных изображений позволяют выявить процессы и явления, которые сложно или невозможно определить на снимке в видимом спектре.
Нормализованный индекс биомассы
Улучшенный Нормализованный индекс биомассы
Зеленый нормализованный индекс биомассы
Дифференцированный вегетационный индекс
Автоматический анализ данных
Pix4 AD
Pix4D Capture
Выводы:
Информативность
Спектральная съёмка даёт много полезной информации о состоянии полей.
Изучение и анализ этой информации может привести к значительному увеличению урожая.
Развитие рынка
Существуют мульти и гиперспектральные камеры. Гиперспектральные камеры дороже, но в них больше каналов и выше точность
Постоянный мониторинг полей беспилотниками с использованием спектральных камер приводит к увеличению урожая и прибыли.
Спектральные камеры делают беспилотные технологии максимально информативными и значительно расширяют их спектр применения. Использование БПЛА в сельском хозяйстве уже активно развиваться и нет никаких сомнений, что в скором времени эти технологии будут внедрены в производство.