Система мониторинга сельскохозяйственных показателей в видимом, инфракрасном и гиперспектральном режимах съемки

Разработан аппаратно-программный комплекс определения основных сельскохозяйственных параметров по комплексированным цветным и гиперспектральным изображениям. Комплекс содержит набор гиперспектральных сенсоров и реализует методы обработки гиперспектральных изображений на основе индексных изображений и нейронной сети глубокого обучения. Изготовлен набор спектральных линз для формирования следующих узкополосных вегетационных индексов: модифицированный относительный водный индекс для области ближнего инфракрасного склона (Modified Red Edge Simple Ratio Index), водный индекс (Water Band Index), NDVI0.705, модифицированный индекс простого соотношения красного края mSR705, первый индекс красного края Вогельмана (VOG1), второй индекс красного края Вогельмана (VOG2), третий индекс красного края Вогельмана (VOG3), фотохимический индекс отражения (PRI), индекс структурно-нечувствительного пигмента (SIPI), индекс отражения старения растений (PSRI), первый индекс отражения каротиноидов (CRI1), второй индекс отражения каротиноидов (CRI2), первый индекс отражения антоцианов (ARI1), второй индекс отражения антоцианов (ARI2). Реализована нейронная сеть для выполнения следующих задач: классификация растительности, определение степень влажности зелени культурных растений в трех градациях, определение содержания углерода в почве, при естественном и искусственном освещении в трех градациях, определение содержание кальция в почве, при естественном и искусственном освещении в трех градациях. Разработана модель нормирования водопотребления. Модель построена на использовании двух гидрометеорологических факторах: суммы дефицитов влажности и суммы температур воздуха. Модель позволяет аргументировать фактический расчет соответствующих норм и сроков полива сельскохозяйственных культур, произвести прогноз водопотребления как на ближайшую, так и дальнюю перспективу. Разработана система управления элементами технологии выращивания сельскохозяйственных культур на орошаемых землях при использовании алгоритмов планирования агрокомплекса. В структуре алгоритмов основными элементами для расчета принятия решений о поливных и оросительных нормах полива являются данные о влажности почвы, оперативно полученные гиперспектральным оборудованием. В отчетном периоде завершено формирование спектрально-консистентного подхода, объединяющего метод спектральной эквализации, методы гармонизации и метод компенсации цветной дымки. Исследовалась задача компенсации цветной дымки на данных дистанционного зондирования. Для мультиспектрального случая предложен новый метод аугментации цветной дымки с использованием реальных измерений оптической толщины аэрозоля, сделанных в условиях пожаров, песчаных бурь и индустриальных загрязнений. Проведено расширенное тестирование предложенного ранее метода компенсации цветной дымки, включающее дымки различных окрасок, а также четыре типа пространственного распределения плотности дымки различной сложности. В результате тестирования установлено, что предложенный нами метод превосходит другие известные в литературе методы, причем как для цветных, так и для бесцветных дымок. Предложен новый метод классификации сельскохозяйственных культур на основе анализа временных рядов вегетационного индекса NDVI. Показано что предложенный метод превосходит альтернативные в среднем в 1.5 раза по метрике F1. Предложен новый нейросетевой метод сопоставления оптических и радиолокационных изображений, не требующий детекции особых точек и устойчивый к поворотам и масштабированию. Разработан метод гармонизации данных мультиспектрального мониторинга и данных съемки, выполненной сканирующей гиперспектральной камерой. Новый метод ориентирован на вычисление вегетационных индексов и не требует для настройки параметров ни попиксельного сопоставления, ни калибровочных мишеней. Показано, что предложенный метод позволяет сократить смещение среднего значения NDVI на 76%. Распределение гиперспектрального индекса WBI, в отсутствии гармонизации находящееся в границах допустимого диапазона значений на 64%, после гармонизации предложенным методом попадает в нужный диапазон уже на 75%. Подготовлены и опубликованы программы, реализующие методы оконтуривания, компенсации теней, спектральной эквализации, гармонизации и компенсации дымки, разработанные в рамках проекта.