Мультиспектральная съемка и подходы к ее обработке с использованием DJI P4M

Автор: Рыльский Илья Аркадьевич

«Умное» или «Точное» земледелие в наши дни – один из важнейших трендов и залог возможности планеты прокормить миллиарды людей без дальнейшего разрушения природной среды. Помимо прочего, умное земледелие трудно представить себе без возможности быстро и регулярно отслеживать состояние посевов и адекватно решать каждодневные задачи: обеспечение водой, удобрениями, борьба с вредителями. 

Стоимость зерновых культур, собираемых всего лишь с одного квадратного километра составляет несколько миллионов рублей. Ставка в данном бизнесе оправдывает затраты на применение дронов полностью. Что же предлагает в этой области DJI?

Ответ DJI – дрон P4M. Компактное решение весом около 1.5 килограмм, с временем полета в 27 минут, технологией передачи видео OcuSync и дальностью полета до 7 километров, встроенный RTK-приемник (обеспечивает точность определения координат фотоснимков на уровне 1-1.5 см) – эти характеристики с лихвой покрывают любые сельхоз задачи даже в крупных хозяйствах. Что же идет в роли полезной нагрузки? 

image1

Многозональная камера с 6-ю каналами съемки, а также расположенный сверху дрона и синхронизированный с ней датчик солнечного освещения. Шах и мат в одном устройстве. 

Что представляет собой многозональная камера и зачем она нужна? Как мы знаем еще со школы, весь электромагнитный спектр гораздо шире того, что мы видим глазами (видимый спектр), и очень больша часть информации о свойствах объектов содержится в невидимых глазом диапазонах спектра. В контексте сельского хозяйства, наиболее значимыми являются диапазоны RedEdge («почти красный»), и NIR (Near-Infrared, ближний инфракрасный).

image2

Спектральная яркость растительности в различных диапазонах длин волн света.

Именно для этой цели в камере Р4М предусмотрено 6 каналов съемки: синий (450 нм), зеленый (560 нм), красный (650 нм), RedEdge (730 нм), NIR (ближний инфракрасный, 840 нм), а также RGB-камера для быстрого создания ортофото.

image3

Работа затворов всех 6-ти камер синхронизирована между собой и с ГНСС-приемником (RTK). С помощью OcuSyns 

Камера находится в 3-осевом подвесе, что позволяет ей давать идеально вертикальное изобюражение и избегать нежелательных разворотов (ведут к засветкам). Встроенный в дрон датчик солнечного освещения вносит соответствующие поправки в каждый кадр, позволяя избежать смены освещенности (и качества результатов) в процессе съемки большой миссии. 

Датчик освещенности – архиважная деталь для многозональной съемки. Подавляющее большинство решений подобного рода (не от DJI) требуют калибровки солнечной освещенности до начала полета. Последствия захода солнца за облака в процессе вылета сразу же значительно ухудшают качество итоговых материалов. Но Р4М избавлен от этих проблем. 

image4-2

Каждая из камер имеет 2-мегапиксельную матрицу и обеспечивает разрешение на уровне H/18.9 см, при этом Н – высота полета в метрах. Так, при полете на высоте 100 м разрешение составит 53 мм/пиксел, а ширина охвата будет также около 100 м. 

Управление полетом, планирование и пост-обработка в целом не отличаются от P4RTK, но имеют ряд особенностей, связанных именно с земледелием.

image5-2

После полета обработка идет с использованием ПО DJI TERRA. 

Многоканальные снимки используются для расчета так называемых вегетационных индексов. Наиболее известный из них – NDVI – показывает распределение хлорофилла в листьях культур. Зоны, где значение NDVI низкое относительно общего фона – требуют более тщательного изучения, там есть проблемы. Аналогичным является использование и других индексов.

image6

image7

Краткое назначение видов индексных изображений, создаваемых в ходе постобработки:

RGB – обычное изображение, для визуального дешифрирования;

NDVI – описан выше, определяет количество хлорофилла в листьях;

GNDVI – то же, что NDVI, но дает более стабильные результаты;

NDRE — то же, что NDVI, но работает лучше тогда, когда рост биомассы завершился («зрелые» листья);
LCI – показывает одновременное содержание хлорофилла и соединений азота в растениях

OSAVI – то же что NDVI, но с поправкой за влияние грунта, просвечивающего между редко растущими растениями (устраняет влияние грунта при анализе); незаменим при работе с молодыми всходами посевов.

Дальнейшая обработка в DJI TERRA позволяет с высочайшей скоростью получить ортофотоплан (стандартная 2Д-миссия) во всех из вышеперечисленных видах синтеза изображений. Более того, решения от  DJI обеспечивают возможность получения ортфотоплана в желаемом (в одном из желаемых) режиме прямо в реальном времени, без выезда в офис. Прямо в поле возможна локализация участков с недостаточно благоприятными условиями и работа по их устранению без трат драгоценного времени роста на работу в офисе.

image8

Что такое DJI TERRA?  Как сейчас модно выражаться – это убийца «однокнопочных»  фотограмметрических решений сторонних производителей.  DJI TERRA предназначена для обработки исходных  фотосъемок  (неважно, с дронов DJI или сторонних съемочных платформ) и создания 3Д-моделей и текстур для них. Отличительные особенности: 

гораздо более быстрая обработка данных  (до 8 раз быстрее чем Metashape);

— сегментация задач, что не приводит к переполнению оперативной памяти и позволяет обсчитывать на одном компьютере со 128 Гб RAM блок с 50000 фотоснимков (20 мПикс);

автоматическое использование координат центров съемки и углов ориентации изображений для фототриангуляции и уравнивания блока;

— удобный интерфейс по добавлению контрольных и проверочных точек на местности;

очень плотные облака 3Д-точек, получаемые без риска «зависания» компьютера на неопределенное количество дней;

— улучшенный алгоритм фильтрации 3Д-поверхностей, который дает возможность корректно отрисовать грани сооружений, сохранив при этом тонкие и/или мелкие элементы конструкции;

автоматическая сегментация на небольшие фрагменты (и 3Д модели, и текстур) при экспорте во внешние 3Д-форматы; это позволяет гораздо удобнее и легче использовать данные для создания виртуальных сред;

— интуитивно-простой интерфейс, позволяющий освоить программное обеспечение за 1-2 дня;

Р4М – интеллектуальный помощник не только для отдельных фермеров, но и для крупных агрохолдингов. Высокая производительность одного дрона (до нескольких десятков га за один полет и до 10-15 полетов за один день), а также возможность для одной бригады использовать несколько дронов, работающих каждый в автономном режиме, позволяют оперативно обслуживать более 1000 га сельхозугодий в сутки.