1. Latar Belakang Kajian

1. Teknologi Cerapan Penderia Jauh Dekat Bumi

  Dalam edisi kelima Pengenalan kepada Penderiaan Jauh,penderiaan jauhIa mempunyai definisi yang jelas: teknologi mendapatkan maklumat di permukaan bumi melalui sinaran elektromagnet yang dipancarkan atau dipantulkan dari permukaan.  

Rajah 1.1 Imej penderiaan jauh

Penderiaan jauh berhampiran tanah: Mengesan maklumat spektrum objek tanah menggunakan penderia optik yang dipasang pada tiang atau menara dalam jarak 50m dari tanah (Richardson et al., 2013). Dalam Pengenalan kepada Penderiaan Jauh Moden oleh Yin Zhan'e, konsep penderiaan jauh tanah diperjelaskan: penderiaan jauh dengan platform pada atau berhampiran tanah. Platform darat termasuk tripod, kenderaan penderiaan jauh, menara penderiaan jauh dan kapal.

Menurut pengenalan di atas, badan utama peralatan ialah sensor optik (radiasi) yang boleh menghantar atau menerima gelombang elektromagnet, memproses isyarat gelombang elektromagnet ini, dan mengekstrak maklumat permukaan yang berguna; platform pengendalian penderia termasuk platform tetap seperti menara dan tripod, serta platform mudah alih seperti dron dan kenderaan penderiaan jauh.

Rajah 1.2

2.Konsep fenologi

Fenologi, seperti namanya, bermaksud "masa biologi": pemerhatian pertumbuhan dan perkembangan tumbuhan dan haiwan. Fenologi ialah cabang biologi, yang terutamanya mengkaji hubungan antara tumbuhan, haiwan dan keadaan persekitaran yang berubah secara berkala (iklim, hidrologi, tanah, dll.) dalam alam semula jadi. Selama beribu-ribu tahun, orang yang bekerja telah memberi perhatian kepada hubungan antara fenomena semula jadi seperti pertumbuhan dan kemerosotan tumbuhan dan pokok, keluar masuk burung yang berhijrah dan iklim, dan mengatur pertanian dengan sewajarnya. Sebagai contoh, kebanyakan daripada 24 istilah suria di China diterangkan dari segi fenomena fenologi, atau malah dinamakan secara langsung selepas fenomena fenologi, seperti Jingzhe, Guyu, Mangzhong, dsb.

Rajah 1.3 Rangkaian Pemerhatian Phenologi China

3.Konsep indeks tumbuhan

Gabungan spektrum yang boleh mencirikan ciri tumbuh-tumbuhan. Tujuan menggunakan indeks tumbuh-tumbuhan adalah untuk menyerlahkan ciri tumbuh-tumbuhan dan memudahkan pengenalpastian pantas (pengekstrakan) parameter seperti struktur tumbuh-tumbuhan, pertumbuhan dan kesihatan dalam lengkung atau imej spektrum. Indeks tumbuh-tumbuhan biasa: indeks kehijauan relatif GCC, indeks tumbuh-tumbuhan ternormal NDVI, formula pengiraan adalah seperti berikut:

Rajah 1.4 Indeks Tumbuhan

4.Hubungan antara fenologi dan indeks tumbuh-tumbuhan

Indeks tumbuh-tumbuhan boleh mencerminkan status pertumbuhan dan kesihatan tumbuh-tumbuhan, jadi indeks tumbuh-tumbuhan (seperti NDVI) biasanya digunakan sebagai penunjuk kuantitatif fenologi tumbuhan. Pemerhatian indeks tumbuh-tumbuhan berterusan jangka panjang boleh mendapatkan trend perubahan pertumbuhan tumbuhan dari semasa ke semasa dan nod masa tempoh fenologi.

5.Kaedah untuk mengukur fenologi tumbuhan menggunakan kaedah penderiaan jauh dekat bumi

Fenologi tumbuhan memerlukan pemerhatian berterusan jangka panjang, jadi instrumen berdasarkan platform tetap diperlukan. Kamera fenologi ialah instrumen arus perdana semasa untuk memantau fenologi tumbuhan: berbanding dengan kaedah pemerhatian fenologi manual awal, ia mempunyai kos buruh yang lebih sedikit dan kurang gangguan alam sekitar; mereka boleh merealisasikan pemerhatian automatik, penghantaran data jauh dan fungsi lain, dan boleh mengekstrak pelbagai indeks tumbuh-tumbuhan melalui algoritma sebagai penunjuk fenologi. Kamera fenologi awal ialah kamera warna RGB biasa. Semasa mengambil foto bermasa secara automatik untuk mendapatkan gambar berwarna siri masa, mereka juga boleh dikembangkan untuk mendapatkan satu siri indeks tumbuhan jalur lebar seperti GCC, RCC, BCC dan GVI; indeks ini sering digunakan dalam penyelidikan fenologi awal.

Rajah 1.5.1 Indeks tumbuh-tumbuhan jalur lebar dan kamera warna RGB

  Disebabkan oleh ciri-ciri spektrum tumbuhan hijau (seperti yang boleh dilihat dari Rajah 1.6.2, ciri-ciri perubahan tumbuh-tumbuhan yang sihat dalam jalur inframerah dekat adalah jauh lebih kuat daripada yang terdapat dalam jalur hijau), indeks tumbuh-tumbuhan yang dinormalisasi NDVI boleh mencerminkan dengan lebih baik kehijauan dan potensi fotosintesis tumbuh-tumbuhan, dan mencerminkan keamatan metabolik tumbuh-tumbuhan dan perubahan indikasi GCC yang lain. Oleh itu, NDVI telah dinilai secara beransur-ansur dalam bidang penyelidikan tumbuhan.

Rajah 1.5.2 Ciri spektrum tumbuhan hijau

Akibatnya, kamera fenologi yang boleh mengira NDVI telah muncul secara beransur-ansur di pasaran. Berbanding dengan kamera RGB asal, terdapat peningkatan yang hebat, tetapi pada masa ini, kebanyakan kamera fenologi yang boleh mengukur imej NIR dan mengira NDVI ialah kamera fenologi jalur lebar.

Rajah 1.5.3 Lengkung spektrum tindak balas jalur lebar bagi penderia kamera 

Jalur "lebar" di sini merujuk kepada lebar jalur spektrum berbanding dengan data penderiaan jauh satelit. Sebagai contoh, data satelit Landsat8 mempunyai lebar jalur spektrum 30nm dalam jalur merah dan inframerah dekat, manakala merah dan inframerah dekat kamera NDVI jalur lebar semasa biasanya bergantung pada ciri tindak balas sensor pengimejan; sebagai contoh, julat tindak balas cahaya merah boleh memanjang daripada lebih daripada 500 nanometer kepada lebih daripada 700 nanometer, dengan lebar jalur hampir 200nm, termasuk beberapa pantulan hijau dan inframerah hampir, dan bukan merah sebenar. Oleh itu, kamera fenologi jalur lebar hanya boleh mendapatkan indeks tumbuh-tumbuhan yang serupa dengan pemantauan penderiaan jauh, dan hanya boleh digunakan untuk membuat beberapa pertimbangan kualitatif, dan tidak boleh mencapai penilaian kuantitatif fenologi penderiaan jauh. Dalam skema pemerhatian tepat indeks tumbuh-tumbuhan, terdapat juga kes aplikasi menggunakan kamera spektrum untuk memerhati fenologi: Sebagai contoh, kamera multispektral Sequoia, yang digunakan secara meluas dalam pemerhatian dan penyelidikan fenologi tumbuhan (irama pertumbuhan), pada asalnya merupakan kamera spektrum untuk dron, dan boleh mendapatkan imej spektrum jalur sempit bagi cahaya merah dan irama 660nm-franm hampir 660nm. Walau bagaimanapun, kamera jenis ini tidak sesuai untuk pemerhatian fenologi tumbuhan. Sebab utama adalah seperti berikut:

Rajah 1.5.4 Kamera berbilang spektrum PARROT SEQUOIA

1) Senario penggunaan yang berbeza: Kamera yang digunakan oleh dron tidak mempunyai keperluan yang tinggi untuk toleransi dan kestabilan dalam persekitaran liar, tetapi mempunyai keperluan yang tinggi untuk ketepatan tinggi dan ringan, yang menjadikannya tidak sesuai untuk operasi automatik jangka panjang di alam liar.

2) Mod kerja yang berbeza: Kamera yang digunakan oleh dron selalunya tidak mengambil kira sokongan teknologi berkaitan seperti operasi automatik bermasa, penghantaran data jauh dan alat kawalan jauh, jadi mereka memerlukan pembangunan yang mendalam dan keperluan teknikal yang tinggi untuk aplikasi lapangan.

3) Idea pemprosesan data yang berbeza: Kamera yang digunakan oleh dron lebih menumpukan pada pemprosesan data spatial, seperti jahitan imej; manakala kamera fenologi lebih menumpukan pada pemprosesan data siri masa, seperti mensintesis lengkung perubahan indeks tumbuh-tumbuhan.

4) Konsep reka bentuk yang berbeza: Kamera spektrum dron menggunakan kamera berbilang mata (lensa berbilang penderia), yang memudahkannya untuk mendapatkan berbilang data spektrum serentak semasa bergerak; manakala kamera fenologi tidak bergerak, dan reka bentuk berbilang mata bukan sahaja mahal, tetapi juga mempunyai bidang pandangan yang berbeza kerana kedudukan yang berbeza bagi setiap lensa sensor kamera. Semasa penggunaan dron, hampir tiada kesan akibat jarak pemerhatian yang panjang, tetapi dalam pemerhatian fenologi, disebabkan jarak dekat dengan sasaran yang disebabkan oleh pemasangan tanah, sisihan medan pandangan akan menjadi sangat jelas, seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, yang akan membawa kepada ralat koresponden kedudukan dalam pemprosesan tempatan data berbilang jalur di peringkat kemudian.

Rajah 1.5.5 Diagram skematik perbezaan dalam medan pandangan pengimejan yang disebabkan oleh berbilang kamera

2. Kamera fenologi spektrum jalur sempit

Untuk menyelesaikan masalah di atas, Beijing Star View Technology Co., Ltd. secara bebas membangunkan kamera fenologi spektrum jalur sempit monokular.

1.Data diperolehi oleh kamera spektrum jalur sempit

Kamera memperoleh dua jenis data dengan setiap tangkapan:1)Data imej warna RGB biasa secara automatik boleh mengira indeks tumbuhan jalur lebar seperti GCC dan GVI.2)Data imej spektrum jalur sempit (jalur boleh disesuaikan, yang lebih matang ialah 650±10nm merah dan 850±10nm berhampiran inframerah) boleh disintesis ke dalam imej NDVI campuran, yang termasuk: imej skala kelabu spektrum 650nm, imej skala kelabu spektrum 850nm dan imej skala kelabu NDVI. Imej skala kelabu NDVI dikira daripada nilai DN setiap piksel dua imej lain mengikut formula NDVI. Piksel terang dalam imej mempunyai nilai NDVI yang tinggi, dan sebaliknya.

Rajah 2.1.1

2.Ciri-ciri Kamera Fenologi Spektroskopi StarView

Nilai NDVI yang diperolehi hampir tidak terjejas oleh bayang-bayang, dan imej NDVI boleh mencerminkan taburan dan pertumbuhan tumbuh-tumbuhan.

Rajah 2.2.1 Imej RGB dan imej NDVI diperoleh secara serentak oleh Kamera Fenologi Spektrum Pandangan Bintang

Mengimport imej campuran NDVI ke dalam perisian sistem pemprosesan imej fenologi SmartViewer Syarikat Beijing Star View boleh membahagikannya kepada tiga imej skala kelabu, iaitu imej skala kelabu spektrum 650nm, imej skala kelabu spektrum 850nm dan imej skala kelabu NDVI.
Bayangan menara dalam adegan asal tidak lagi dalam imej berskala kelabu NDVI terbelah. Ini menunjukkan bahawa pengiraan instrumen bagi nilai NDVI tidak dipengaruhi oleh perubahan dalam keamatan cahaya dalam persekitaran penggunaan biasa dan mempunyai keupayaan anti-gangguan yang kuat. Pada masa yang sama, disebabkan oleh reka bentuk kamera monokular, pengimejan dua imej skala kelabu 650nm dan 850nm adalah betul-betul sama, jadi imej NDVI yang disintesis juga betul-betul sama dengan pembingkaian imej asal, yang merupakan imej pengedaran NDVI sebenar. Dari segi ketepatan indeks tumbuh-tumbuhan, indeks tumbuhan NDVI jalur sempit adalah lebih stabil dan tepat berbanding indeks tumbuhan GCC jalur lebar.

Rajah 2.2.3 Perbandingan indeks spektrum jalur lebar GCC dan indeks komposit jalur sempit NDVI 

Kamera fenologi spektrum Pandangan Bintang mempunyai ciri-ciri berikut: 1) Kekonsistenan jalur: tetapan jalur adalah sama persis dengan satelit penderiaan jauh; 2) Ketekalan sinaran: melalui penentukuran sinaran, produk sinaran yang konsisten dengan pemerhatian penderiaan jauh boleh diperolehi; 3) Konsistensi parameter: kamera fenologi jalur sempit boleh mendapatkan indeks tumbuh-tumbuhan sebenar (NDVI) untuk memenuhi keperluan penyelidikan saintifik.  Ringkasan: Pengenalan teknologi pengimejan spektrum jalur sempit telah meningkatkan prestasi kamera fenologi tontonan bintang dengan ketara berbanding kamera fenologi tradisional, yang merupakan lonjakan kualitatif.