Разработка самарских ученых позволяет из космоса выявлять стресс растений на Земле

Ученые Самарского национального исследовательского университета им. С. П. Королёва модернизировали и усовершенствовали известную программную платформу OpenNFT, применяемую в ряде ведущих университетов и научно-исследовательских центров мира для проведения исследований в области работы мозга.

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 %.