Первый российский гиперспектрометр помог оценить из космоса урожайность озимых в Самарской области

Российские ученые с помощью отечественного гиперспектрометра для наноспутников научились определять вегетационные индексы сельхозкультур, что позволяет дистанционно оценивать состояние посевов, не отправляя на анализы образцы почвы или растений.

«Первый отечественный гиперспектрометр для наноспутников формата CubeSat (кубсат), разработанный учеными Самарского университета им. Королева и Института систем обработки изображений РАН, в ходе испытаний в космосе успешно решил поставленные задачи, показав свои возможности по получению данных, используемых в сфере умного земледелия», — говорится в сообщении Самарского университета.

По словам профессора кафедры технической кибернетики Самарского университета им. Королева доктора физико-математических наук Романа Скиданова, снимки, полученные в ходе эксперимента с самарского гиперспектрометра, позволили, например, определить участки озимых посевов с наибольшей зеленой массой, с высоким количеством хлорофилла, а также проверить сельхозугодья на наличие проблемных посевов. Данные показали уровень запасов влаги в растениях и помогли рассчитать вегетационный индекс, моделирующий будущую продуктивность растений — то есть дающий предварительный прогноз урожайности.

«Конечно, в силу компактности наноспутника передача данных на Землю ведется в УКВ-диапазоне, что существенно снижает объем и детализацию получаемых данных в отличие от больших спутников. Тем не менее результаты четырех месяцев эксперимента на орбите подтверждают, что данный гиперспектрометр позволяет нам получать данные, которых вполне достаточно для определения спектральных вегетационных индексов, применяемых в сельском хозяйстве для решения задач умного земледелия», — рассказал профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета им. Королева доктор физико-математических наук Роман Скиданов.

Вегетационные индексы — всего их более 150 — высчитываются на основе спектральных данных и показывают самые различные параметры и свойства растений, необходимые сельхозпроизводителю для правильного ухода за посевами культур.

«В зависимости от своего состояния, количества витаминов и влаги, температуры окружающей среды и других факторов растения по-разному поглощают и отражают электромагнитные волны в разных диапазонах, в разных спектрах. Сопоставляя эти данные в едином комплексе с помощью мульти- или гиперспектральной съемки, можно дистанционно, оперативно и более точно оценивать состояние посевов той или иной культуры, не отправляя выборочно на лабораторный анализ отдельные растения или образцы почвы», — отмечают ученые.

Еще один рассчитанный индекс оценил уровень стресса у растений. Его вызывают неблагоприятные явления — засуха или переизбыток влаги, сильный ветер, перепады температур, внезапные заморозки, нашествие насекомых-вредителей. Из-за стресса в растениях происходят метаболические изменения, а с помощью гиперспектрометра их можно выявить и из космоса.

«Гиперспектральные данные с наноспутника можно принимать самостоятельно, с помощью УКВ-радиостанций, или получать данные через Институт систем обработки изображений РАН. Разумеется, следует понимать, что этот космический аппарат с гиперспектральной камерой нужно рассматривать как демонстратор технологии, за ним последуют запуски более совершенных, возможно, даже серийных моделей компактного гиперспектрометра для кубсатов различных конфигураций», — подчеркнул Скиданов.

По его мнению, эксперимент важен с образовательной точки зрения: школьники, участвующие в программе Space-Pi (научно-образовательный проект по разработке и производству малых космических аппаратов), получают практические навыки по работе с космическими гиперспектральными данными.

_{Наноспутник SXC3-219 ИСОИ, менее половины которого занимает гиперспектрометр. Источник фото: Самарский университет им. Королёва}

О гиперспектрометре

Первый отечественный гиперспектрометр для кубсатов проходит испытания на борту наноспутника SXC3-219 ИСОИ, выведенного на орбиту 9 августа 2022 года в рамках запуска с космодрома Байконур ракеты-носителя «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат» и иранским спутником «Хайям», а также 16 российскими малыми космическими аппаратами.

Гиперспектрометр позволяет проводить дистанционное зондирование Земли: осуществлять экологический мониторинг, следить за состоянием лесов и сельскохозяйственных посевов, отслеживать возникновение лесных пожаров и выполнять другие задачи.

Ранее гиперспектрометры на отечественных космических аппаратах такого класса — наноспутниках формата кубсат 3U — не устанавливались из-за сложностей создания компактного прибора с характеристиками, необходимыми для гиперспектральной съемки из космоса. Миниатюрные гиперспектрометры, применяемые, например, для съемки с беспилотников, по своим характеристикам не подходят для съемок с орбиты, поэтому космические гиперспектрометры обычно устанавливаются на относительно больших спутниках дистанционного зондирования Земли.

Гиперспектрометр разработан на основе схемы Оффнера. Снимает прибор в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Количество спектральных каналов — от 150 до 300, спектральное разрешение — от 2 до 4 нанометров. Масса гиперспектрометра — 1,6 кг, размеры — 13×9,4×9,4 см, то есть он занимает менее половины внутреннего пространства наноспутника формата кубсат 3U размерами 10×10×30 см.

Исследования в области дифракционных оптических элементов позволили ученым Самарского университета им. Королева создать компактные гиперспектральные устройства для применения в системах интеллектуального земледелия. Мобильные агромелиоративные комплексы способны самостоятельно анализировать состояние почвы и регулировать интенсивность полива и внесения удобрений, что может повысить урожайность сельскохозяйственных культур в среднем на 25–30%.