Гиперспектральные камеры для сельского хозяйства и продовольствия
Представьте технологию, которая видит невидимое. Она способна разглядеть болезнь растения до проявления или обнаружить скрытый дефект в продукте, который не заметит человеческий глаз, а в полевых условиях при совмещении с БПЛА проводит оценку состояния здоровья сельскохозяйственных культур с воздуха. Таковы возможности гиперспектральных камер – приборов, интеграция которых в производственный процесс не просто инновация, а конкурентное преимущество.
Современные системы спектральной визуализации принципиально отличаются от традиционных камер. Они не просто фиксируют изображение, а объединяют анализ спектра и визуализацию в одном устройстве.
Гиперспектральная съемка – это технология сбора и анализа данных, основанная на измерении электромагнитного излучения в множестве узких спектральных диапазонов, охватывающих видимую, инфракрасную и, в некоторых случаях, ультрафиолетовую области спектра.
Чем же гиперспектральная камера отличается от обычной? Простая камера видит мир в трёх основных цветах – красном, зелёном и синем. Гиперспектральная же разбивает свет на сотни тончайших «оттенков». Она создаёт не просто картинку, а полный спектральный отпечаток объекта, предоставляя информацию о его составе, структуре и состоянии.
Пример данных, полученных при помощи гиперспектральной камеры
Возможности применения и интеграции гиперспектральных камер
Гиперспектральная съемка в сельском хозяйстве
Для управления растениеводством и повышения урожайности спектральный анализ – полезный инструмент, который оценивает состояние растений, выявляет признаки стрессов, вызванных заболеваниями, вредителями или нехваткой питательных веществ, и помогает своевременно принимать меры. Благодаря этому фермеры могут точнее определять потребность культур в поливе и удобрениях, рационально использовать ресурсы и повышать урожайность.
Одно из наглядных применений – мониторинг пшеничных полей на предмет жёлтой ржавчины – грибкового заболевания, способного уничтожить до 40% урожая.
На рисунке ниже показано, как выглядит заболевание на листьях пшеницы.
Признаки болезни: желтые или желто-оранжевые пунктирные полосы (пустулы) вдоль жилок листьев
На изображении также представлена карта экспериментальной территории с тремя отмеченными участками, над которыми проводился эксперимент.
- Красные квадраты – зона инокуляции, над которой специально распыляли споры с заболеванием;
- Зеленый – здоровая зона, которую опрыскивали пестицидами, чтобы предотвратить заражение желтой ржавчиной;
- Желтым отмечены участки сбора проб.
Гиперспектральная визуализация поражения пшеницы желтой ржавчиной в период с 25 апреля по 30 мая
Гиперспектральная съемка в анализе состояния и здоровья растений
Но сельским хозяйством сфера применения гиперспектральных камер не ограничивается. Технология отлично зарекомендовала себя и в городской среде. Яркий пример – масштабный проект муниципалитета Варшавы по картированию более 7 миллионов деревьев. Результатом стал интерактивный картографический сервис, предоставляющий подробную информацию о городской зелени. Скриншот с официального сайта приведён на рисунке ниже.
Гиперспектральная визуализация зеленых зон в Варшаве
Карта содержит данные о видах деревьев, их состоянии, а также сведения о памятниках природы и характеристиках крон.
Используя эти данные, городская администрация может эффективно управлять зелёными насаждениями: определять участки, где требуется озеленение, планировать замену старых деревьев и своевременно проводить уход. Такой подход способствует сохранению старовозрастных деревьев и более рациональному планированию посадок новых.
Аналогичные проекты реализованы также в Германии и Норвегии, однако данные по ним находятся в закрытом доступе.
Гиперспектральная съемка в пищевой промышленности
Контроль качества в пищевой промышленности традиционно основан на визуальной оценке продукции. Однако такой метод часто оказывается субъективным, поскольку во многом зависит от опыта и внимательности проверяющего. Кроме того, процесс трудоёмкий, требует значительных временных и человеческих ресурсов и плохо масштабируется при больших объёмах производства. У разных категорий продуктов могут быть специфические особенности, незаметные человеческому глазу, и для их надёжной оценки требуются годы практики и обучения персонала.
Использование технологий гиперспектральной визуализации позволяет значительно повысить точность и объективность контроля качества. Такие системы обеспечивают детальный анализ спектральных характеристик продукта и выявляют скрытые дефекты, недоступные традиционным методам.
Примеры применения технологии:
- Оценка зрелости. Разные стадии зрелости сельскохозяйственной продукции имеют уникальные спектральные профили. Гиперспектральная визуализация помогает точно определить степень зрелости и выбрать оптимальное время для сбора урожая.
- Контроль качества фруктов и овощей. Мелкие плоды особенно чувствительны к механическим воздействиям и условиям хранения. Гиперспектральные камеры позволяют обнаруживать повреждения или начальные стадии порчи, ещё до того, как они становятся заметны визуально.
- Проверка подлинности и сортировки. Для ряда продуктов технология используется для подтверждения подлинности, выявления посторонних примесей, а также для автоматизированной сортировки по качеству, что способствует защите интересов потребителей и производителей.
Анализ данных, полученных при помощи гиперспектральной камеры. Метод может быть использован для оценки различных внешних параметров, таких как цвет, текстура, твердость, дефекты поверхности и т.д.
Спектральный анализ имеет потенциал во многих дисциплинах. Спектральные оптические приборы в сельском хозяйстве и пищевой промышленности позволяют своевременно выявлять заболевания растений, определять свежесть фруктов и овощей, проводить классификацию растений и проводить контроль качества кормов или продуктов питания.
Использование таких приборов способствует автоматизации производственных процессов, повышает эффективность контроля и качество продукции, ускоряет обработку больших массивов данных. В результате предприятия получают конкурентные преимущества и снижают издержки.
Если вы работаете над проектом, требующим подбора гиперспектральных камер или других спектральных приборов, вы можете обратиться к специалистам АО «ЛЛС» для консультации и подбора оборудования под вашу задачу.
Автор статьи: Васильева Виктория, ведущий инженер по спектрометрам и образовательным наборам
Анонсы статей, мероприятий и еще больше научно-познавательного контента по ссылке в нашем Telegram-канале.
