Introduction à l'imagerie multispectrale – RotorDrone – Avis Drones, test et guide d’achat

Développée à l'origine pour l'identification et la reconnaissance de cibles militaires, l'imagerie multispectrale utilise des longueurs d'onde spécifiques du spectre électromagnétique pour documenter les caractéristiques environnementales d'intérêt. La première imagerie NASA de la Terre depuis l'espace a incorporé une technologie d'imagerie multispectrale pour cartographier les détails liés aux océans, aux reliefs et à la végétation. Plus récemment, les satellites météorologiques modernes produisent désormais des images de diagnostic à l'aide de capteurs multispectraux. Aujourd'hui, l'imagerie multispectrale est utilisée par l'armée américaine pour détecter les mines terrestres et les missiles souterrains. En analysant les caractéristiques du sol perturbées avec l'imagerie multispectrale, différentes propriétés physiques et chimiques peuvent être détectées. De même, l'imagerie multispectrale du rayonnement invisible émis lors des lancements de missiles balistiques intercontinentaux permet de suivre leurs trajectoires. L'imagerie multispectrale est également utilisée pour interpréter les papyrus anciens et d'autres documents anciens en imageant les documents dans la plage infrarouge. En règle générale, l'écriture sur ces documents apparaît à l'œil nu comme de l'encre noire sur du papier foncé. Mais vu avec une caméra d'imagerie multispectrale, la différence entre l'encre et le papier est plus nette en raison de la façon dont l'encre et le papier réfléchissent la lumière infrarouge. Les gestionnaires des ressources naturelles commencent à utiliser des drones avec des capteurs multispectraux pour surveiller les terres et les réserves sensibles, y compris les zones de végétation, les zones humides et les forêts. Ces données fournissent des caractéristiques d'identification uniques qui peuvent être mesurées et étudiées au fil du temps. Les agriculteurs utilisent des capteurs multispectraux sur drones pour collecter des données et aider à gérer les cultures, le sol, la fertilisation et l'irrigation. Cela fait partie d'un processus appelé «agriculture de précision». L'imagerie infrarouge couleur (CIR) rend la végétation verte rouge en raison de sa forte réflexion dans le spectre proche infrarouge (NIR). Bien que l'énergie NIR soit invisible à l'œil humain, elle est hautement diagnostique de la vigueur et de la santé des plantes. Janvier / février 2020 57 Photo par Zapp2Photo / Shutterstock FONCTIONNEMENT L'imagerie multispectrale capture la lumière d'une gamme étroite de longueurs d'onde à travers le spectre électromagnétique. Les images multispectrales sont capturées avec des caméras spéciales qui séparent ces longueurs d'onde à l'aide de filtres, ou avec des capteurs qui détectent des longueurs d'onde spécifiques. Ces longueurs d'onde comprennent des lumières provenant de fréquences invisibles à l'œil humain, telles que la lumière infrarouge et ultraviolette. Un appareil photo numérique traditionnel utilise un filtre pour bloquer la lumière invisible et ne capture que la lumière visible qui tombe sur le capteur. Le capteur utilise une mosaïque de filtres Bayer pour organiser les couleurs rouge, vert et bleu sur une grille carrée de photocapteurs. Une caméra multispectrale capture à la place des informations qui peuvent être soit dans la partie visible du spectre, soit invisibles à l'œil humain. Par exemple, à certaines longueurs d'onde, le sol réfléchit plus d'énergie que la végétation verte, tandis qu'à d'autres longueurs d'onde, il absorbe plus d'énergie. Les caméras multispectrales peuvent distinguer divers objets les uns des autres par ces différences de réflectance. Lorsque plus de deux longueurs d'onde sont utilisées pour collecter des données, les images résultantes ont tendance à montrer plus de séparation entre les objets. Un bon exemple serait de regarder différents objets à travers des lentilles rouges ou uniquement des lentilles bleues ou vertes.

AGRICULTURE DE PRÉCISION

Des caméras multispectrales montées sur des drones capturent la lumière dans les longueurs d'onde verte, rouge et proche infrarouge pour produire des images couleur et infrarouge couleur des cultures et de la végétation. L'imagerie multispectrale aide les agriculteurs à minimiser l'utilisation de pesticides, d'engrais et d'irrigation tout en augmentant le rendement de leurs champs. Les changements de réflectance peuvent indiquer que les cultures sont devenues stressées, ce qui a incité les équipes de terrain à enquêter et à intervenir avant qu'un problème à petite échelle ne se généralise. Il y a d'énormes avantages à la fois pour l'agriculteur et pour l'environnement, en particulier lorsque l'utilisation de pesticides, d'engrais et d'eau est minimisée tandis que le rendement des cultures est simultanément augmenté. Les données d'image multispectrales sont traitées avec un logiciel spécialisé en informations utiles telles que la couverture de la canopée, la verdure et les cartes de perturbation. Ces données sur le sol et les cultures permettent au producteur de surveiller, planifier et gérer la ferme plus efficacement, économisant du temps et de l'argent tout en réduisant les coûts associés à l'utilisation de l'excès d'eau, de pesticides et d'engrais. L'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) est une transformation mathématique de la réflexion rouge et proche infrarouge (NIR) utilisée pour évaluer la densité du couvert végétal vert. Simulation informatique de la santé relative des cultures basée sur des données multispectrales collectées avec un drone. 58 RotorDronePro.com Les images multispectrales sont un outil très efficace pour évaluer la productivité du sol et analyser la santé des plantes. Lorsqu'il s'agit de grandes exploitations agricoles, la surveillance de la santé du sol et des cultures et la détermination des zones problématiques sont une tâche difficile à l'œil nu. La technologie des capteurs multispectraux permet aux agriculteurs de voir les problèmes invisibles avant qu'ils ne deviennent des problèmes critiques. Les informations dérivées des données d'images multispectrales peuvent identifier les ravageurs, les maladies et les mauvaises herbes. Il peut également aider à la gestion des terres pour déterminer quand mettre des terres agricoles en production ou hors production, passer à des cultures arables ou faire tourner les cultures. L'analyse des données multispectrales peut être utilisée pour compter les plantes et déterminer les problèmes de population ou d'espacement, estimer le rendement des cultures et mesurer l'irrigation. L'imagerie multispectrale peut également détecter les cultures qui peuvent avoir été endommagées par les machines agricoles et ainsi déterminer quelles machines problématiques doivent être remplacées ou réparées.

BANDES SPECTRALES

L'œil humain typique n'est sensible qu'aux longueurs d'onde comprises entre 380 et 740 nm, ce que l'on appelle le spectre visible. Les humains peuvent percevoir une variété de couleurs allant du violet au rouge. Dans cette partie visible du spectre de la végétation, la courbe de réflectance d'une plante saine présente la réflectance la plus élevée dans une bande d'ondes verte (dans la gamme de 550 nm). C'est pourquoi les plantes nous apparaissent vertes. Un composé chimique dans les feuilles appelé chlorophylle absorbe fortement le rayonnement dans les longueurs d'onde rouge et bleu, mais reflète les longueurs d'onde vertes. Les feuilles nous apparaissent les plus vertes en été, lorsque la teneur en chlorophylle est à son maximum. En automne, moins de chlorophylle dans les feuilles signifie qu'il y a moins d'absorption et plus de réflexion des longueurs d'onde rouges. C'est pourquoi les feuilles apparaissent rouges ou jaunes (le jaune est une combinaison de longueurs d'onde rouges et vertes) à l'œil nu à l'automne. Une végétation saine absorbe l'énergie lumineuse bleue et rouge pour alimenter la photosynthèse et créer de la chlorophylle. Une plante avec plus de chlorophylle réfléchira plus d'énergie verte et proche infrarouge qu'une plante malsaine. Ainsi, l’analyse du spectre d’absorption et de réflexion des longueurs d’onde visible et infrarouge d’une plante peut fournir des informations sur la santé et la productivité de la plante. Un capteur d'image multispectral capture des données d'image à des fréquences spécifiques à travers le spectre électromagnétique. Les longueurs d'onde peuvent être séparées par des filtres ou à l'aide d'instruments sensibles à des longueurs d'onde particulières, y compris la lumière provenant de fréquences au-delà de notre spectre visible, comme l'infrarouge. Parallèlement à l'imagerie visible aux longueurs d'onde rouge, verte et bleue, la caméra enregistre des données dans le proche infrarouge et la région du bord rouge. Cette bande spectrale de bord rouge est particulièrement importante pour détecter les changements dans la réflectance de la végétation, car la chlorophylle dans les feuilles absorbe la lumière visible mais devient presque transparente à des longueurs d'onde supérieures à 700 nm. Le bord rouge est une bande très étroite (700 à 730 nm) qui correspond au point d'entrée du proche infrarouge. C'est le point d'un changement soudain de réflectance, d'une forte absorption du rouge à une réflexion substantielle du proche infrarouge. Cette bande est très sensible au stress des plantes et fournit des informations sur la chlorophylle. Les bandes spectrales proche infrarouge correspondent aux longueurs d'onde dans la gamme 700 à 1300 nm et ont la plus forte réflectance des bandes étudiées. Il existe une très forte corrélation entre cette réflectance et le niveau de chlorophylle dans la plante. Une variation très significative de la réflectance dans cette bande est produite lorsqu'une plante est soumise à une contrainte. Parallèlement à la bande spectrale rouge, le proche infrarouge est largement utilisé pour compiler la plupart des indices de végétation en agriculture. Les bandes spectrales proche infrarouge sont également utiles pour analyser les propriétés du sol et la teneur en humidité.

INDICES DE VÉGÉTATION

Les indices de végétation sont construits à partir de mesures de réflectance dans deux longueurs d'onde ou plus. Ces calculs mathématiques sont utilisés pour analyser les caractéristiques spécifiques de la végétation, telles que la surface foliaire totale et la teneur en eau. L'indice de végétation le plus populaire est l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI). Le NDVI est un indice de verdure des plantes, ou activité photosynthétique, et est l'un des indices de végétation les plus couramment utilisés. Les indices de végétation sont basés sur l'observation que différentes surfaces reflètent différemment les types de lumière. Une végétation saine absorbe la majeure partie de la lumière rouge qui la frappe tout en réfléchissant une grande partie de la lumière proche infrarouge. La végétation morte ou stressée reflète plus de lumière rouge et moins de lumière proche infrarouge. En prenant le rapport des bandes rouges et proche infrarouge d'une image télédétectée, un indice de «verdure» de la végétation peut être défini. Des indices de végétation comme le NDVI permettent de comparer les images dans le temps afin de détecter des changements agricoles et écologiques importants.

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Chacun des modules de caméra Kernel de MAPIR est connecté par ses cartes de liaison de matrice de distribution de signaux brevetées.

DRONES MULTISPECTRAUX

Plusieurs sociétés conçoivent et fabriquent désormais des capteurs multispectraux pour drones. MicaSense, Parrot, Sentera et SlantRange, pour n'en nommer que quelques-uns, ont développé des capteurs multispectraux spécialement conçus pour l'agriculture de précision. Certains de leurs produits peuvent être intégrés dans les drones disponibles dans le commerce par DJI, tandis que d'autres sociétés ont émergé avec des plates-formes à voilure fixe, hybrides et multirotors pour ces capteurs. Récemment, DJI a annoncé son drone multispectral P4, signe de la demande croissante pour ce type de technologie. Le réseau de caméras multispectrales de DJI est intégré dans un cardan stabilisé à trois axes, conçu pour collecter des données dès la sortie de la boîte à l'aide de leur nouveau système TimeSync, les données de positionnement en temps réel sur les images capturées par les six caméras offrent une précision spatiale au centimètre près. Alors que toutes ces sociétés proposent des capteurs multispectraux à longueurs d'onde fixes conçus pour l'agriculture de précision, MAPIR, Inc., basée à San Diego, propose également une caméra multispectrale modulaire pour d'autres applications. Avec de nouvelles applications d'imagerie multispectrale, comme l'inspection des infrastructures, en évolution, j'ai voulu en savoir plus sur cette entreprise.

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Un utilisateur peut facilement personnaliser son réseau de caméras MAPIR Kernel. On voit ici trois modules de capteur en trois couleurs et trois en noir et blanc.

MAPIR

J'ai contacté le PDG de MAPIR, Nolan Ramseyer, qui a généreusement accepté d'organiser une visite des installations de fabrication de l'entreprise. L'une des premières choses qui a attiré mon attention a été une copie encadrée du film RotorDrone 2015 sur la première entreprise de Ramseyer, Peau Productions, accrochée au mur du bureau. Pendant les premiers jours du développement multirotor, Ramseyer a vu le besoin d'une meilleure imagerie aérienne, et a donc créé des objectifs non-fisheye de haute qualité pour les caméras GoPro. Peau a commencé à modifier GoPro et d'autres caméras, mais à l'été 2015, il a évolué vers la fondation de MAPIR avec le lancement de la caméra Survey de MAPIR. Ramseyer avait reconnu la nécessité d’une caméra multispectrale abordable et le fait de fournir ce produit au marché a ouvert la voie à la croissance future de son entreprise. À l'automne 2017, MAPIR a commencé à expédier Kernel, une caméra modulaire multi-spectrale. La conception unique du noyau permet à un utilisateur de sélectionner le capteur, l'objectif et le filtre de chaque module pour personnaliser l'ensemble de caméras en fonction de leurs besoins spécifiques. Au lieu de connecter un ensemble de capteurs à un seul ordinateur, chaque capteur a son propre cerveau et la capacité de se connecter facilement aux autres. La possibilité de changer rapidement les modules de leur caméra multispectrale ouvre un monde de nouvelles possibilités pour les prestataires de services et les chercheurs dans le domaine. Alors que d'autres fabricants ont des capteurs, des filtres et des lentilles non réglables, MAPIR propose un outil très personnalisable. Cette approche présente de nombreux avantages car il existe certainement des applications d'imagerie multispectrale qui n'ont pas encore été découvertes. La philosophie de MAPIR de personnalisation et de modularité se reflète dans leur utilisation de la fabrication en «petit lot» et de l'impression 3D. MAPIR reconnaît que les clients peuvent avoir besoin de flexibilité dans leurs caméras avec toutes les applications en développement pour cette technologie. Chaque «module» est une caméra complète avec ordinateur Linux et stockage embarqué. La modularité est importante en ce qu'elle offre à l'utilisateur la possibilité de personnaliser avec les outils exacts nécessaires à son application. De nouveaux modules peuvent être introduits à l'avenir avec la même architecture.

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Chaque caméra MAPIR Kernel peut être configurée avec plus de 30 options de filtre.

LE TAKEAWAY

L'imagerie multispectrale à l'aide de drones est une technologie relativement nouvelle qui s'appuie sur une longue histoire de télédétection aérienne et satellite. Alimenté par un coût relativement faible et une meilleure accessibilité pour les utilisateurs, il opère des changements radicaux dans l'agriculture, la conservation des terres et d'autres domaines. La capacité de collecter et d'analyser des données invisibles à l'œil humain a un énorme potentiel dans de nombreux domaines. De nombreuses tâches chronophages effectuées de la même manière depuis des décennies peuvent désormais être accomplies à partir de l'air à une fraction du temps et des coûts. Il existe un certain nombre de capteurs et de drones multispectraux sur le marché, et la tendance et les sélections vont certainement se poursuivre. Alors que les nouvelles industries reconnaissent les avantages de l'imagerie multispectrale, il y aura une demande croissante pour cette technologie à l'avenir.

PAR GUS CALDERON; PHOTOS DE GUS CALDERON & RICHARD MCCREIGHT

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