Gamaya Visions: Imagens hiperespectrais na agricultura
As oportunidades, benefícios e perspectivas dessa tecnologia, segundo Igor Ivanov, fundador e CEO da Gamaya
Uma breve história de imagem espectral na agricultura
O sensoriamento remoto usando drones, satélites e sensores no campo revolucionou a agricultura em todo o mundo, tornando possível entender o que está acontecendo com as culturas dia a dia e ano a ano.
O NDVI (índice de vegetação por diferença normalizada) existe desde a década de 1970 e é o indicador de sensoriamento remoto mais usado. Drones e satélites capturam o quanto mais luz infravermelha é refletida em comparação com o vermelho visível — e o NDVI atribui um valor entre -1 e 1. Os valores mais elevados (entre 0 e 1) indicam material verde vivo, com maior número significando maior densidade e saúde da planta. Valores mais baixos correspondem a superfícies não vegetais, como solo ou água. Ferramentas da indústria, como os softwares de mapeamento por drones, convertem esses valores em imagens visuais fáceis de entender, o que torna simples para os operadores agrícolas diferenciar o solo nu das gramíneas ou florestas, estimar a biomassa, detectar plantas sob estresse e distinguir entre culturas e estágios de cultura.
Espectroscopia de alta resolução, incluindo imagens multi e hiperespectrais, é a mais recente evolução em sensoriamento remoto, melhorando nossas capacidades de ver e, portanto, abordando problemas em campos que não são visíveis ao olho humano. O benefício único da imagem hiperespectral é a capacidade de caracterizar uma ampla gama de traços químicos e biológicos de plantas e solos, por meio da análise de suas propriedades reflexivas em uma gama de bandas espectrais estreitas.
A imagem hiperespectral pode ser aplicada a diversas indústrias, desde mineração e medicina por imagem até análise da qualidade dos alimentos e agricultura. A agricultura, com sua complexidade biológica e enorme variabilidade de condições de crescimento, clima, tipos de solo e culturas, variedades de culturas etc., é um alvo perfeito para a tecnologia de imagem hiperespectral.
O que é imagem hiperespectral?
A imagem hiperespectral é uma das fontes mais ricas em informação de dados de sensoriamento remoto que existem. Ele pode capturar todo o espectro eletromagnético contínuo de cor e luz, e não apenas as faixas de luz vermelha, verde e azul que geralmente são visíveis aos olhos humanos. Inicialmente desenvolvida para uso militar e espacial, a imagem hiperespectral está sendo aplicada em uma miríade de oportunidades comerciais, inclusive na agricultura. Mas isso tem um custo. Essas imagens são coletadas continuamente sobre um grande número de bandas estreitas, tornando os dados mais volumosos e complicados do que outros tipos de dados multiespectrais. Grandes volumes de dados, combinados com hardware caro e complexidade operacional e de processamento, normalmente representam desafios significativos para o manuseio e análise de imagens hiperespectrais.
A NASA desenvolveu tecnologia de imagem hiperespectral para aplicações militares e a tecnologia é usada principalmente por organizações militares e de pesquisa. Hoje, a imagem hiperespectral não é amplamente adotada em domínios comerciais, incluindo a agricultura.
Benefícios da imagem hiperespectral sobre imagens tradicionais
· A imagem hiperespectral tem a capacidade única de caracterizar uma ampla gama de traços químicos e biológicos de plantas e solo por meio da análise de suas propriedades reflexivas em uma gama de bandas espectrais estreitas. A imagem hiperespectral amplia a visão humana e pode capturar questões que não são visíveis aos agrônomos.
· A alta resolução espectral fornece muito mais conteúdo informativo para descrever o objeto analisado. Como a agricultura é um ambiente biologicamente complexo e diverso, a espectroscopia é uma ferramenta poderosa para caracterizar essa complexidade biológica e os vários parâmetros de cultura. A tecnologia de imagem hiperespectral permite capturar todos os tipos de variabilidade (variedades de plantas, clima, tipos de solo). A alta resolução das imagens hiperespectrais permite ampliar a quantidade de problemas potenciais que podem ser abordados usando imagens espectrais.
· Teoricamente, pode-se desenvolver uma câmera multiespectral, quando as bandas espectrais necessárias para abordar um problema específico são conhecidas. Ainda assim, não pode ser usado para geografias, condições climáticas, condições do solo drasticamente diferentes. É impossível saber com antecedência se uma determinada câmera multiespectral, com sua pequena seleção de bandas, capturaria as informações relevantes sobre um fenômeno específico de interesse.
A posição única da Gamaya em imagens hiperespectrais
A Gamaya adota uma abordagem única para resolver esses problemas e tornar a imagem hiperespectral uma solução econômica e acessível para operações agrícolas em todo o mundo.
Nossa câmera hiperespectral proprietária leve pode ser conectada facilmente a drones, aeronaves e outros dispositivos de sensoriamento remoto para medir as porções de luz visível, próxima e infravermelha do espectro eletromagnético — fornecendo insights mais profundos sobre plantas e campos do que jamais foi possível. A Gamaya desenvolveu a menor e mais leve câmera HSI totalmente integrada do mundo para implantação baseada em drones. O equipamento foi projetado especificamente para agricultura. A compactação de dados em 20 vezes no sensor permite aplicações economicamente viáveis na agricultura.
Sistema de calibração de sensores HSI patenteado. Pesquisadores usam a HSI há anos para caracterizar problemas específicos de culturas e fisiologia da cultura com base nas medições do solo das propriedades das culturas. Muitos deles conseguiram estabelecer uma correlação, desenvolveram modelos para diagnosticar um determinado problema de cultura usando HSI e publicaram inúmeras publicações e artigos de pesquisa. No entanto, a maioria desses modelos falha quando são aplicados em um ambiente comercial e em larga escala, afetados por vários fatores, como tipos de solo, condições climáticas, variedade de culturas, práticas de cultivo, etc. A calibração das câmeras HSI não foi levada em conta tanto por pesquisadores quanto também por algumas empresas de satélite e organizações bem estabelecidas.
Processamento de dados HSI. Uma peça muito desafiadora, abordada pela Gamaya, através de uma grande integração do nosso hardware com um software exclusivo de processamento de dados. A câmera foi projetada especificamente para fornecer eficientemente uma quantidade máxima de informações quando emparelhada com nosso software analítico. O processamento de dados da HSI inclui múltiplas etapas, incluindo a correção atmosférica, para explicar a interação da radiação solar com a atmosfera.
Interpretação dos dados de imagem. Além disso, desenvolvemos algoritmos de aprendizado de máquina e visão computacional que alimentam nossos modelos de cultura e os ajudam a lidar efetivamente com a complexidade dos dados ingeridos. Dessa forma, podemos fornecer análise robusta e assessoria de manejo de culturas para todos os tipos de desafios apresentados pelas diversas condições agronômicas.
Nossa capacidade de calibrar de forma cruzada uma ampla gama de sensores de imagem, incluindo o RGB disponível e drones multiespectrais e fontes de dados de imagem transmitidas pelo espaço. É importante ressaltar que qualquer fonte de dados de imagem será tão boa quanto sua calibração. Na maioria dos cenários, um pequeno número de bandas bem calibradas é superior a um grande número de não calibradas. Esta é uma troca crucial que poucas empresas no mundo entendem.
Aplicações potenciais de imagens hiperespectrais na agricultura
1. Nutrição e fertilização da cultura, incluindo macro e micronutrientes (P, K, Mg, Mn,, Mn, Zn)
2. Detecção precoce de doenças e estresses (por exemplo, o greening dos cítricos)
3. Indicadores biofísicos para fenotipagem de alto rendimento para apoiar experimentos de reprodução de plantas. Análise de propriedades biofísicas (por exemplo, LAI, biomassa, rendimento, densidade)
4. Discriminação espectral de espécies vegetais, tipos de vegetação e seus genótipos
5. Análise de propriedades bioquímicas (por exemplo, Antocianinas, Carotenoides, Clorofila)
Para conhecer melhor as soluções de agricultura digital da GAMAYA, viste o novo site da empresa.
