Пленарное заседание «Тенденции развития оптических технологий»
13.09.202311:35
Мониторинг сельскохозяйственных полей в видимом, инфракрасном и гиперспектральном режимах съемки
Николай Львович Казанский1, 2, Р. В. Скиданов1, 2, А. Н. Бабичев1, 3, Н. А. Ивлиев1, 2, А. В. Никоноров1, 2, В. В. Подлипнов1, 2, В. А. Сойфер1, 2, В. А. Фурсов1, 2
1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королёва, Самара, Россия
2 ИСОИ РАН - филиал ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук, Самара, Россия
3 Российский НИИ проблем мелиорации (РосНИИПМ), Новочеркасск, Россия
Для мониторинга сельскохозяйственных полей разработана линейка компактных гиперспектрометров, предназначенных для размещения: на малых космических спутниках (массой 5 кг), на наноспутниках формата 3U (массой 0,8 кг; U=10×10×10 см3) и 6U (массой 1,2 кг), на дождевальной машине, на малых беспилотных летательных аппаратах, на наземной поворотной платформе (массой 0,34 кг). Первые три типа гиперспетрометров созданы на базе оптической схемы Оффнера, основным элементом которой является выпуклое зеркало с дифракционным рельефом. Предложена адаптивная температурно-независимая оптическая схема таких гиперспектрометров, основанная на ее настройке путем перемещения всего двух коаксиальных оптических компонентов, что позволяет гиперспектрометру работать в космосе в диапазоне температур от -40°C до + 45°C без ухудшения его оптических характеристик. Предложен конструкционно простой тип оптических сенсоров для прямого формирования индексных изображений на основе использования нового типа спектральных элементов, в структуре которых интегрированы фазовые функции дифракционной линзы и светоделительной решетки. Использование этих спектральных оптических элементов позволяет реализовать режим съемки промежуточный между полнокадровым режимом и режимом сканирования. Это существенно увеличивает скорость формирования индексных изображений и обеспечивает работу в режиме реального времени. С помощью созданной аппаратуры проведена серия экспериментов по использованию гиперспектральных изображений для оценки целевых параметров точного сельского хозяйства на базе опытных участков РосНИИПМ, а также при съемках из космоса с помощью аппаратуры, размещенной на наноспутнике «ИСОИ». На основе данных космической съемки получены оценки ряда вегетационных индексов. Для данных гиперспектральной съемки с помощью беспилотных летательных аппаратов разработана информационная технология распознавания сорняков среди культурных растений и получены индексные изображения для основных вегетационных индексов. Проведен спектральный анализ черноземов обыкновенных (почва после традиционной пропашной технологии возделывания сои, почва после почвосберегающей технологии "Ноутилл" для подсолнечника, почва после традиционной пропашной технологии для подсолнечника, почва из лесного насаждения смешанного типа из той же агроклиматической зоны). Показано, что наиболее сильное отличие в спектре наблюдается для почвы после сои (почва обогащена азотом). Разработана технология определения влажности почв по гиперспектральным изображениям растений в диапазоне длин волн 0,4-1 мкм, в рамках совместной работы ИСОИ РАН и РосНИИПМ по созданию "умной" дождевальной машины. Разработанные оптико-цифровые системы на основе новых типов сенсоров и информационных технологий открывают возможность создания сельскохозяйственных машин следующего поколения, в которых получение индексных изображений будет осуществляться непосредственно на борту и использоваться в системе управления, что является необходимым для высококачественного решения задач точного земледелия.
Ключевые слова: гиперспектрометр, схема Оффнера, дистанционное зондирование Земли.