Гиперспектральные камеры на дронах всё чаще используют не только в научных проектах, но и в реальных промышленных задачах — от контроля полей до поиска мусора и техногенных объектов. В этой статье простым языком разбираем, что именно «видит» гиперспектральная камера с диапазоном 400–1700 нм с высоты нескольких десятков метров и для каких типов сред и предметов такие системы особенно полезны.
Гиперспектральная камера «видит» не просто картинку, а «отпечаток пальца» материала в виде спектра. Камера с диапазоном 400–1700 нм (видимый + ближний ИК + кусок SWIR, коротковолнового ИК ) на дроне с высоты десятков метров превращает каждую точку на земле в маленький спектрометрический анализ: для каждого пикселя известна отражённая энергия на десятках–сотнях длин волн.
Что вообще видно гиперспектральной камере с диапазоном 400–1700 нм с дрона?
Диапазон 400–1700 нм перекрывает сразу несколько «зон чувствительности» материалов:
400–700 нм (VIS, видимый свет) — то, что видит человеческий глаз: цвет, яркость, контраст.
700–1000 нм (NIR) — ближний ИК диапазон - уже не видим, но тут резко меняется отражение у зелёной растительности (подъём отражения после 700 нм), иначе ведут себя почвы, асфальт, вода.
1000–1700 нм (SWIR) — коротковлоновый ИК диапазон - здесь хорошо проявляются полосы поглощения воды, органики, полимеров, отдельных минералов. Именно этот диапазон особенно полезен для распознавания материалов: дерево, пластик, разные виды горных пород и т.п.
С высоты 30–80 м (типичные полёты дронов) при хорошей оптике и матрице можно получать разрешение порядка 3–10 см на пиксель. Это достаточно, чтобы:
- различать отдельные предметы: доски, трубы, контейнеры, кучки мусора;
- выделять полосы и пятна загрязнений;
- картировать участки растительности с разными состояниями, типами растений или степенью засухи.
Какие среды и объекты можно обнаруживать
1. Растительность и почвы
Для зелёных объектов (трава, кусты, лес) в ближнем ИК (700–1000 нм) резко подскакивает отражение — это классический «красный край» спектра. По форме спектра и глубине полос поглощения воды (около 970 и 1450 нм) можно судить о:
- состоянии растений (здоровые / болеющие / засушенные),
- содержании влаги,
- иногда даже о составе (видовая принадлежность культур).
Почвы и горные породы дают свои характерные спектры — за счёт минералогии и влажности. Поэтому с дрона на ГСК можно:
- картировать границы почвенных типов;
- выявлять зоны минерализации при геологоразведке и на отвалах;
- отслеживать разнос загрязнений по грунту (например, на бывших урановых объектах и хвостохранилищах).
2. Вода и загрязнения
Вода в SWIR сильно поглощает свет, спектр отражения воды очень низкий и специфический. Но:
- тонкая плёнка нефти/масла,
- взвешенные частицы (ил, глина),
- водоросли
меняют этот спектр, и по нему можно выявлять:
- пятна нефтепродуктов и химических сбросов,
- зону цветения водорослей,
- разнос загрязнений вдоль стока.
Дрон с ГСК позволяет быстро облетать акватории прудов-отстойников, каналов, береговую линию и строить карту «аномалий» по спектру.
3. Техногенные поверхности и строительные материалы
Бетон, кирпич, асфальт, металлоконструкции, кровельные материалы — всё это имеет отличающиеся спектральные подписи:
- асфальт / бетон — тёмный, относительно гладкий спектр с определённым наклоном;
- керамика, кирпич, черепица — более светлый, с другими формами в ближнем ИК;
- рубероид, битумные покрытия — ближе к асфальту, но своя характерная кривая;
- пластиковые кровли, ПВХ-мембраны — дают «полимерный» спектр.
HSI активно изучают для классификации строительных и демонтажных отходов (бетон, дерево, пластик, кирпич, гипс и др.), и уже показано, что диапазон 400–1700 нм даёт высокую точность разделения таких материалов.
Металл, дерево, пластик: как их различает ГСК
Теперь ближе к вашему конкретному запросу.
Металл
Чистый металлический блестящий объект даёт:
очень высокое отражение,
резкую зеркальную засветку под определёнными углами,
часто «выбивание» пикселей (пересвет).
Но на практике с воздуха мы обычно видим не чистый металл, а покрытие:
- краска,
- ржавчина,
- пыль, грязь.
ГСК в диапазоне 400–1700 нм отлично различает окрасочные покрытия и коррозию, а не «металл как таковой».
Где это полезно:
- выявление металлолома и металлических фрагментов среди других отходов (за счёт их яркости/спектра и формы спектра ржавчины);
- обнаружение металлургических шлаков и металлических включений на отвалах;
- контроль инфраструктуры (состояние металлокровель, резервуаров и трубопроводов, развитие коррозии).
В сортировке лома гиперспектральные камеры в диапазоне 400–1700 нм уже применяются для отделения цветных металлов от других фракций.
Важно: если металл плотно закрыт слоем краски или пластика, спектр будет соответствовать покрытию.
Дерево
Дерево — органический материал, состоящий в основном из целлюлозы, лигнина и воды. В диапазоне 400–1700 нм:
спектр дерева похож на спектр сухой растительности, но без яркого «зелёного пика» в видимом диапазоне (нет хлорофилла);
видны полосы поглощения воды около 970 и 1450 нм (чем влажнее древесина, тем они глубже);
различные породы, степени старения и обработки дают слегка разные спектры.
Из-за этого ГСК позволяет:
- различать дерево vs бетон vs металл vs пластик в составе строительного мусора;
- оценивать влажность древесины (важно для складов пиломатериалов, оценки пожароопасности);
- находить деревянные конструкции (опоры, настилы, балочные конструкции) среди других объектов.
С высоты дрона можно, например, автоматически выделять деревянные поддоны, балки и доски на открытых площадках.
Пластик
Пластики — «звёзды» ближнего ИК: органические полимеры имеют ярко выраженные полосы поглощения за счёт колебаний связей C–H, N–H, O–H. В диапазоне 1000–1700 нм:
разные типы пластика (PE, PP, PVC, PET и др.) дают свои характерные спектральные кривые;
по спектру можно не только обнаружить пластик, но и классифицировать его по типу.
На основе таких камер (900–1700 нм и 400–1700 нм) уже реализованы решения для:
- сортировки пластиковых отходов на конвейерах;
- поиска пластика в окружающей среде с дронов (пластиковый мусор на пляжах, склонах, в лесополосах);
- обнаружения микропластика в лабораторных условиях.
С дрона с высоты десятков метров камера 400–1700 нм способна:
- выделять пластиковые предметы на фоне земли/растительности (бутылки, пакеты, плёнка, панели);
- отличать пластик от дерева или камня в кучах строительного мусора;
- искать накопления пластика в труднодоступных местах (овраги, береговые линии, залежи мусора на промышленных площадках).
Ограничение: чёрные пластики с высоким содержанием сажи сильно поглощают свет и могут быть плохо различимы, даже в SWIR.
Для каких задач с дрона реально использовать ГСК 400–1700 нм
Перечислю типичные практические сценарии с учётом именно воздушной съёмки:
1.1. Мониторинг полей и лесов
стресс культур (засуха, болезни, дефицит питания),
определение содержания зелёной массы, качества травостоя.
2.2. Геологоразведка и горная промышленность
картирование минералов и изменений пород,
контроль хвостохранилищ и отвалов по влажности и минералогии.
3.3. Экологический мониторинг
поиск загрязнений почвы и воды (нефть, кислые стоки, тяжёлые металлы — по вторичным минеральным признакам),
контроль распространения хвостов и пыли вокруг предприятий.
4.4. Контроль отходов, мусорные полигоны, стройки
автоматическое разделение пластика, дерева, металла, бетона на свалках и полигонах,
поиск опасных объектов (бочки, контейнеры) среди общего массива отходов.
5.5. Поиск объектов и инспекция инфраструктуры
поиск крупных предметов (авто, металлические конструкции, лодки) по спектральному контрасту на фоне природной среды;
контроль состояния кровель (битум, металл, ПВХ), трубопроводов, резервуаров.
Важные ограничения
Чтобы не было иллюзий «волшебной камеры»:
Нужна хорошая подсветка (обычно солнечный день); в тени и при низком солнце качество спектров падает.
Высота и скорость дрона ограничивают пространственное разрешение и время экспозиции.
ГСК не «видит сквозь» непрозрачные материалы – металл под краской не различим от самого покрытия.
Для уверенного распознавания нужен спектральный «каталог» материалов и обученные алгоритмы (ML/нейросети).
Чёрные материалы (особенно пластик с сажей) и сильные блики металла могут вести себя проблемно.
Итог
Гиперспектральная камера 400–1700 нм на дроне — это инструмент, который:
различает типы материалов и сред (растительность, почвы, вода, бетон, дерево, пластик, металлы/покрытия);
позволяет находить и классифицировать дерево, пластик, металл среди других объектов;
работает не по цвету, а по спектральному «отпечатку» вещества.
Дальше всё упирается в задачу: для сельского хозяйства из этих данных выжмут одно (влага, здоровье растений), для горнодобычи — другое (минералогия), для экологии и отходов — третье (пластик, металл, дерево, загрязнения). Но базовая возможность у ГСК одна и та же: с высоты нескольких десятков метров она превращает снимок местности в многомерную карту материалов.
Компания «Радоника» поставляет на российский рынок решения на базе гиперспектральных камер, в том числе комплексы для установки на дроны и промышленные линии сортировки. Мы помогаем подобрать оптимальную гиперспектральную камеру под задачу (диапазон 400–1700 нм, оптика, платформа БПЛА), выполняем интеграцию с бортовой и наземной частью, обучаем персонал работе с данными и обеспечиваем сервисное сопровождение по всей территории России.