Определение засоренности сельскохозяйственных культур по самолетным гиперспектральным изображениям

В весеннее-летний период этого года кафедрой СУМГ МФТИ совместно с НПО «Лептон» выполнялись экспериментальные работы по изучению возможностей использования гиперспектральных изображений высокого разрешения для оценки состояния сельскохозяйственных культур. Работы включали самолетные гиперспектральные съемки и полевое спектрометрирование сельскохозяйственных культур на тестовых участках ГНУ ВНИИБЗР г.Краснодара и Учебного хозяйства ст.Елизаветинская Краснодарского края. Сельскохозяйственные культуры были преимущественно представлены озимой пшеницей и люцерной второго года. Гиперспектральная аэросъемка выполнялась в 290 каналах диапазона 400-1000 нм с пространственным разрешением около 0.5 м на пиксель, полевое спектрометрирование – спектрорадиометром в диапазоне 350-2500 нм. Полевое спектрометрирование выполнялось по всем типичным на момент съемки состояниям культур, а также основным типам сорной растительности и почвы. Анализ полученных материалов выполнялся в специализированном пакете обработки гиперспектральных изображений, разработанном на кафедре СУМГФ МФТИ. Предварительная обработка изображений включала приведение исходных значений регистрируемого сигнала к энергетическим единицам и низкочастотную адаптивную фильтрацию гиперкуба яркостей по спектральной координате с целью подавления шумов в коротковолновой зоне спектра. Это позволило провести корректное сопоставление спектральных характеристик сельхозкультур на гиперспектральных изображениях с аналогичными данными, полученными полевыми методами.
Анализ гиперспектральных данных, полученных в конце апреля, показал, что в весенний период, на ранних стадиях вегетации озимых культур, наиболее успешно может быть решена задача оценки их засоренности. Оценка засоренности культур по материалам аэросъемки позволяет локализовать засоренные участки и, таким образом, ограничить области обработки сельскохозяйственных угодий инсекцидами, что чрезвычайно важно для экологического благополучия региона. Однако, поскольку применение инсекцидов против злаковых сорняков приводит к пагубным последствиям для основной культуры, задача решалась только применительно к основным типам сорной растительности класса двудольных. В весенний период съемки для сорных растений этого класса характерна более высокая яркость во всем видимом диапазоне длин волн 400-670 , чем у всех типичных состояний озимых культур, и менее высокая – в ближнем ИК диапазоне. Характерные особенности поведения спектров сорной растительности класса двудольных особенно ярко выражены в диапазоне 350-500 нм. Форма и относительное положение спектральных кривых на изображениях тестовых участков хорошо согласуются со спектральными кривыми, полученными полевыми методами.
Выделение участков сорной растительности на изображениях по прямым спектральным признакам затруднительно вследствие большой дисперсии спектров озимой пшеницы, обусловленной различными агротехническими факторами. Более удачные результаты дает использование индексов – комбинаций разностей и отношений определенных каналов. Однако возможность использования определенных индексов зависит от спектрального разрешения и калибровочных характеристик съемочной аппаратуры. Использование индексов, рассчитанных по материалам полевого спектрометрирования, не всегда возможно. Так, согласно данным полевого спектрометрирования, выделение всех обнаруженных типов сорной растительности обеспечивает индекс с использованием узких спектральных зон на длинах волн 405, 420, 632 и 643 нм. Но апробация индекса на гиперспектральных изображениях тестовых участков не дала ожидаемого результата вследствие низкой спектральной чувствительности аппаратуры в коротковолновой зоне. Наилучшие результаты выделения сорной растительности с учетом калибровочных характеристик конкретной съемочной аппаратуры позволил получить индекс с использованием каналов на длинах волн 450, 550, 675 и 740 нм. Индекс оценивает высоту пика спектральной кривой в зеленой зоне относительно величины «красного порога». Комбинация этих каналов позволила выделить участки с засоренностью от 30% и более с точностью 80-90%. Однако проверка индекса на материалах полевого спектрометрирования показала, что индекс позволяет надежно выделять только два вида сорной растительности, хотя и наиболее распространенных.
Полученные результаты по оценке засоренности озимых культур, как и другие материалы проведенных экспериментов, в целом подтверждают необходимость использования гиперспектральной аппаратуры авиационного базирования для решения актуальных задач сельского хозяйства. Однако для повышения практической ценности гиперспектральной съемки при решении определенных типов задач необходим учет требований к калибровочным характеристикам съемочной аппаратуры. Эти требования предполагается разработать при проведении дальнейших экспериментов и детального анализа уже имеющихся материалов.