Гиперспектральная съёмка и NDVI для обнаружения самшитовой огнёвки
Самшитовая огнёвка представляет серьёзную угрозу для декоративных посадок и ценных топиарных растений. Гусеницы этого вредителя способны всего за несколько дней вызвать значительную потерю листвы вплоть до полной дефолиации самшита.
Поэтому особенно важным становится раннее обнаружение заражения. Если выявить поражение своевременно, можно принять необходимые меры до того, как растению будет нанесён необратимый ущерб.
Одним из перспективных методов мониторинга является гиперспектральная съёмка. В отличие от обычных изображений, гиперспектральные данные содержат подробную информацию о спектральных характеристиках объекта и позволяют регистрировать изменения состояния растений, в том числе связанные со снижением фотосинтетической активности.
Рисунок 1 – Обследование растений самшита с признаками поражения самшитовой огнёвкой в полевых условиях.
Последствия поражения самшита
Гусеницы самшитовой огнёвки – личинки бабочки, питающиеся листьями самшита. Эти густые вечнозелёные кустарники широко применяются в декоративном озеленении и особенно ценятся при создании топиарных форм благодаря медленному росту и хорошей переносимости формирующей обрезки.
Поражение гусеницами может иметь несколько последствий:
- Эстетический ущерб. Сильная дефолиация и отмирание побегов приводят к потере декоративного вида растений.
- Экономический ущерб. Повреждённые топиарные растения теряют ценность для ландшафтного дизайна, а их восстановление или замена могут потребовать значительных затрат.
- Ослабление растений. Быстрая потеря листвы снижает жизнеспособность самшита, а повторные атаки вредителя могут привести к его гибели.
К ранним признакам заражения относятся появление паутины и скелетирование листьев в местах питания гусениц. Именно поэтому своевременная диагностика имеет большое значение для предотвращения серьёзного повреждения растений.
Использование NDVI для оценки состояния растений
Для оценки состояния растительности может использоваться NDVI (нормализованный разностный вегетационный индекс).
NDVI применяется для мониторинга растительности и позволяет отслеживать изменения, связанные с содержанием хлорофилла и состоянием структуры листьев. Анализ таких изменений помогает обнаруживать участки с пониженной фотосинтетической активностью и определять зоны, требующие дополнительного обследования.
В случае поражения самшитовой огнёвкой это даёт возможность быстрее локализовать повреждённые области и своевременно принять меры.
Гиперспектральная съёмка в полевых условиях
Для исследования использовалась портативная Snapshot-гиперспектральная камера Living Optics, позволяющая регистрировать спектральные данные непосредственно на месте проведения обследования.
Камера была установлена на монопод, что обеспечивало удобное и оперативное сканирование топиарных растений. С помощью системы были получены данные от кустов самшита с ранними признаками поражения гусеницами.
Рисунок 2 – Получение гиперспектральных данных самшита непосредственно в полевых условиях с помощью Snapshot-камеры Living Optics. На увеличенном фрагменте отмечены участки с признаками поражения.
Перед началом измерений выполнялась съёмка белого эталона, необходимая для радиометрической калибровки. Это позволяло преобразовать зарегистрированные камерой значения сияния в коэффициенты спектрального отражения.
Съёмка проводилась при естественном солнечном освещении со скоростью 30 кадров в секунду (FPS).
Спектральные различия между гусеницами и здоровыми листьями
Анализ гиперспектрального видео показал наличие спектральных различий между гусеницами и здоровой листвой.
Наиболее заметные различия наблюдались в ближней инфракрасной области спектра. На графике спектрального отражения кривые листа и гусеницы начинают особенно заметно расходиться примерно после 700 нм.
Это показывает, что гиперспектральная съёмка позволяет регистрировать характеристики объектов, которые невозможно определить только по обычному цветному изображению.
Рисунок 3 – Спектры отражения гусеницы самшитовой огнёвки и листа самшита. Наиболее выраженные спектральные различия наблюдаются в ближней инфракрасной области.
Выявление повреждённых участков с помощью NDVI
На основе одного кадра гиперспектрального видео исследователи рассчитали карту NDVI.
Повреждённые или засыхающие листья демонстрировали более низкие значения NDVI, что указывает на снижение или практически полное отсутствие фотосинтетической активности. На карте такие области отображаются более серыми.
Здоровая растительность характеризуется более высокими значениями NDVI и отображается более яркими областями.
Кроме того, на изображении были отмечены непосредственно гусеницы и участки засыхающих листьев, что позволяет сопоставить визуальные признаки поражения с результатами спектрального анализа.
Рисунок 4 – Карта NDVI, рассчитанная по одному кадру гиперспектрального видео. Красными рамками отмечены гусеницы, оранжевыми окружностями – повреждённые и засыхающие листья с пониженной фотосинтетической активностью.
Особенно важным преимуществом метода является скорость получения результатов. Карты NDVI могут формироваться в реальном или близком к реальному времени, что позволяет оперативно выявлять стрессовые участки и оценивать степень повреждения растений.
Гиперспектральный мониторинг для раннего обнаружения вредителей
Исследование демонстрирует потенциал совместного использования Snapshot-гиперспектральной съёмки и анализа NDVI для мониторинга ценных декоративных растений и выявления поражения самшитовой огнёвкой.
Способность обнаруживать небольшие спектральные изменения, связанные со снижением фотосинтетической активности, позволяет раньше локализовать проблемные участки и проводить целенаправленные мероприятия по защите растений.
Использование гиперспектральных систем в регулярном мониторинге может стать эффективным и масштабируемым методом для оценки состояния декоративных насаждений непосредственно в полевых условиях, помогая сохранять их эстетическую и экономическую ценность.
Источник: Living Optics, Snapshot Hyperspectral Imaging and NDVI: A New Approach to Detecting Box Tree Caterpillars. Case Study, Living Optics. Изображения и исходные материалы предоставлены Living Optics.
