Гиперспектралды зондтау – мониторинг жүргізу барысында ақпаратты қашықтықтан жинаудың заманауи технологияларының бірі. Бұл әдіс жүздеген тар спектрлік диапазонда шағылысқан жарықты тіркеу қабілетіне негізделген [1]. Гиперспектралды камералар кескіндегі әр пиксельден толық спектрлік мәліметтер алуға мүмкіндік береді де, бұл мультиспектралды жүйелермен салыстырғанда анағұрлым жоғары дәлдікті көрсетеді [2]. Осындай технологияның көмегімен сау және зақымданған өсімдіктер арасындағы, сондай-ақ түрлі өсімдік түрлері арасындағы айырмашылықтарды жоғары дәлдікпен анықтауға болады [3] (1-сурет) [4].

1-сурет – Спектралды кескін түрлері [4]

Гиперспектралды жүйелердің негізі «гиперкуб» деп аталатын үшөлшемді деректер жиынын құруға негізделеді [5]. Бұл деректердің екі осі – кескіннің координаттары (X және Y), ал үшінші осі – жарықтың толқын ұзындығы. Яғни, әрбір пиксель бір ғана түсті емес, оның толығымен шағылысқан спектрін сипаттайды. Мұндай ақпарат зерттелетін өсімдіктің жалпы күйін, биохимиялық және физиологиялық қасиеттерін немесе жекелеген бөліктерін жан-жақты талдауға мүмкіндік береді [6] (2-сурет) [4].

Гиперспектралды жүйелердің тиімділігі олардың техникалық параметрлеріне байланысты: спектралдық және кеңістіктік ажыратымдылық, толқын ұзындығының диапазоны мен түсірілім жиілігі. Спектралдық ажыратымдылық жүйенің спектрдің қаншалықты тар бөліктерін ажырата алатынын сипаттайды [1]. Кеңістіктік ажыратымдылық – алынатын кескіннің анықтығы мен бөлшек деңгейін көрсететін сипаттама [3]. Көп жағдайда гиперспектралды камералар 400–1000 нм аралығындағы толқын ұзындықтарында жұмыс істейді, бұл диапазон көрінетін және жақын инфрақызыл сәулелерді қамтиды [5]. Түсірілім жиілігі – уақыт бойынша өзгерістерді бақылауға мүмкіндік беретін, жүйенің суретті қандай жылдамдықпен түсіретінін көрсететін параметр [6].

2-сурет – Гиперспектралды деректер гиперкубы [4]

Өсімдіктердің әр түрі өзіндік спектралды қолтаңбаға ие екендігі гиперспектралды түсірілім кезінде маңызды фактор болып табылады. Мысалы, хлорофилл көрінетін диапазонда, әсіресе көк-жасыл бөлігінде жарықты қатты сіңіреді [5]. Ал 700–1000 нм аралығында, яғни жақын инфрақызыл спектрде, жарықтың көп бөлігі жапырақтың ішкі құрылымымен байланысты түрде шағылысады. Осы өзгерістерді бақылау арқылы өсімдікке әсер ететін аурулар, стресс факторлары немесе қоректік заттардың жетіспеушілігі сияқты мәселелерді ерте кезеңде анықтауға болады [7] (3-сурет) [4].

Бүгінгі таңда гиперспектралды түсірілім спутниктік зондтау саласында кең қолданыс тапты. PRISMA, EnMAP және болашақтағы NASA SBG сынды заманауи спутниктік платформалар гиперспектралды сенсорлармен жабдықталып, жаһандық масштабта мәлімет жинауға мүмкіндік береді [8]. Бұл жүйелер жергілікті немесе ұлттық деңгейде егістік жағдайын тұрақты түрде бақылап отыруға мүмкіндік береді. Алайда, мұндай спутниктердің кеңістіктік ажыратымдылығы әлі де шектеулі екенін ескеру қажет [3].

3-сурет – Гиперспектралды деректердің кеңістіктік және спектралдық сипаттамалары

Дала жағдайында жоғары дәлдіктегі мониторингті жүзеге асыру үшін жерүсті және жақын қашықтықтағы платформалар кеңінен қолданылады. Оларға портативті спектрометрлер, дрондар, арбалар мен штативтер жатады [6]. Портативті құрылғылар шағын аудандарда нақты зерттеулер жүргізуге ыңғайлы. Дрондар – үлкен аумақты жедел бақылауға мүмкіндік беретін ұтқыр құрал. Мұндай жүйелердің артықшылығы – жоғары дәлдікпен мәлімет жинау, нақты өсімдік үлгілерін зерттеу және жергілікті жағдайларға икемделе алу қабілеті. Олар нейрожелілерді оқыту мен диагностикаға арналған модельдер құруда үлкен рөл атқарады [9].

Қазіргі таңда гиперспектралды зондтау аграрлық салада кеңінен қолданылып келеді. Бұл технология келесі бағыттарда тиімді қолданылады:

1) өсімдік аурулары мен зиянкестерді анықтау [10];

2) азот, фосфор және басқа қоректік элементтердің жетіспеушілігін анықтау [7];

3) су тапшылығына байланысты стрессті анықтау [11];

4) дақылдар мен арамшөптердің өсуін бақылау [8];

5) өнімділік деңгейін болжау [3].

Жоғары спектралдық дәлдіктің арқасында бұл технология өсімдіктер тіндеріндегі өте нәзік биохимиялық өзгерістерді тіркеуге мүмкіндік береді. Бұл өзгерістер визуалды бақылау мен мультиспектралды талдау кезінде байқалмауы мүмкін. Сондықтан гиперспектралды зондтау дәлме-дәл егіншілікке арналған сенімді әрі тиімді технология ретінде маңызды рөл атқарады.

Осылайша, гиперспектралды зерттеу – сандық, объективті мәліметтерге сүйенетін жаңа буын мониторинг жүйесі. Ол ауыл шаруашылығында өсімдіктердің жай-күйін бағалауды визуалды тәсілдерден цифрлы форматқа көшірудің сенімді негізін қалайды.