федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»
Первый российский гиперспектрометр для кубсатов успешно решает задачи в сфере умного земледелия

Первый российский гиперспектрометр для кубсатов успешно решает задачи в сфере умного земледелия

Самарский университет

Разработка самарских ученых позволяет из космоса выявлять стресс растений на Земле

управление по формированию контингента Горяинов Сергей Сойфер Виктор Скиданов Роман кафедра технической кибернетики Институт информатики и кибернетики Наука Исследования разработки наноспутник ИСОИ РАН Национальный проект Наука и университеты
20.12.2022 2022-12-21

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

"В ходе летных испытаний, проходящих сейчас на борту наноспутника SXC3-219 ИСОИ (формат наноспутника 3U, U=10х10х10), наш гиперспектрометр продемонстрировал свой потенциал по перспективному применению в сфере умного земледелия, это означает, что гиперспектральные камеры подобных размеров и данной конструкции можно будет эффективно использовать в интересах сельскохозяйственной отрасли, - рассказал профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета им. Королёва доктор физико-математических наук Роман Скиданов. - 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".

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.

По словам 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, попавшие в объектив гиперспектрометра, 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.

Еще один рассчитанный индекс оценил физиологическое состояние растений с точки зрения наличия у них стресса. Как известно, стресс бывает и 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, с помощью гиперспектрометра эти изменения 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. Кроме того, данный эксперимент безусловно важен с образовательной точки зрения - школьники, участвующие в программе Space-Pi, получают практические навыки по работе с космическими гиперспектральными данными", - подчеркнул Роман Скиданов.

О гиперспектрометре

Первый отечественный гиперспектрометр для кубсатов - совместная разработка ученых ИСОИ РАН и Самарского университета им. Королёва. Прибор 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" с иранским спутником "Хайям" и 16 российскими малыми космическими аппаратами.

Несмотря на то, что спутник запущен в рамках научно-образовательного проекта Space-Pi ("Space π" ), установленный на нем гиперспектрометр является полноценным исследовательским прибором, позволяющим проводить гиперспектральное дистанционное зондирование Земли, то есть, 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 нм. Масса гиперспектрометра - 1,6 кг, размеры - 13 х 9,4 х 9,4 см, то есть, он занимает менее половины внутреннего пространства наноспутника формата кубсат 3U размерами 10 х 10 х 30 см.


Справочно

* Space-Pi ("Space π" ) - это научно-образовательный проект по разработке и производству малых космических аппаратов формата CubeSat на отечественных спутниковых платформах с целью формирования в течение нескольких лет на орбите группировки в составе около 100 кубсатов 3U для создания инфраструктуры по вовлечению школьников в научно-техническое творчество в области космических технологий.

** Самарский университет им. Королёва – один из мировых лидеров в области фотоники. Более 40 лет назад в вузе была создана и успешно работает школа компьютерной оптики и обработки изображений под руководством академика РАН, президента Самарского университета Виктора Сойфера. Учеными университета разработана инновационная дифракционная оптика, которая нашла свое применение в самых различных сферах — космосе, медицине, сельском хозяйстве.

Исследования в области дифракционных оптических элементов позволили ученым Самарского университета им. Королёва 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%.