Multispektralni a termograficke snimkovani

Snímek 1© W-Technika Group s.r.o. Multispektrální a termografické snímkování
MULTISPEKTRÁLNÍ A TERMOGRAFICKÉ
SNÍMKOVÁNÍ
JAN SOVA

FYZIKA

TEPELNÉ ZÁŘENÍ

SVĚTLO A ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ
 Vystavíme-li své tělo slunečnímu záření, cítíme intenzivně jeho
tepelné účinky a dokonce i se zavázanýma očima jsme schopni
poměrně přesně určit polohu Slunce. Stejné pocity v nás
vyvolává např. zářeni nahřátých kamen. Vnímáme, že záření
kamen je stejně „tepelné“ jako to sluneční.
 Tělesa všech skupenství s teplotou vyšší než je absolutní nula
vyzařuji elektromagnetické záření, které má původ v tepelných
(termických) pohybech nabitých částic, z nichž jsou tato tělesa
složena. Vzhledem k tomu, že příčinou zářeni je teplo,
nazýváme jej tepelným zářením, v angličtině pak hovoříme o
thermal radiation.

 Proč k tepelnému záření dochází?
 Fyzikální tělesa vyzařuji tepelné záření, neboť obsahují velké
množství elektricky nabitých částic s nenulovou kinetickou
energií.
 Tepelné zařeni je statistickým vysledkem velkeho množství
událostí, při nichž v blízkosti povrchu objektu vzniká
elektromagnetické záření zapříčiněné chaotickým pohybem
elektricky nabitých částic.

 Pomocí Planckova vyzařovacího zákona lze určit množství
energie vyzářené černým tělesem v oblasti viditelného světla.

ELEKTROMAGNETICKÉ SPEKTRUM
 Je třeba si uvědomit, že nás nyní zajímá jen velmi úzká část z
celého spektra!
Rozdělení elektromagnetického spektra na jednotlivá pásma RGB, NIR, SWIR, MWIR
a LWIR

ELEKTROMAGNETICKÉ SPEKTRUM
 Elektromagnetické spektrum lze rozdělit do mnoha různých
pásem. Nás v této aplikační doméně zajímá pásmo v rozsahu
0.4 až 14µm.
Přibližné dělení jednotlivých pásem
RGB 0.4 až 0.8 µm viditelné vlastnosti (CCD/CMOS)
NIR 0.8 až 1.2 µm mat. vlastnosti (CDD/CMOS)
SWIR 1.2 až 3 µm spektroskopie, mat. vlastnosti (InGaAs)
MWIR 3 až 5 µm termografie, mat. vlastnosti (QWIP)
LWIR 7 až 14µm termografie, vodní stres (bolometry)

INTERAKCE ZÁŘENÍ S TĚLESEM
 Dopadající záření je buď pohlceno, nebo odraženo, nebo je
tělesem propuštěno.
Uvedené
zjednodušení je
platné jen pro
dostatečně vysoké
frekvence záření!

 Z této úvahy lze odvodit následující vztah:
Φ = Φ 𝑝𝑜ℎ𝑙 + Φ 𝑜𝑑𝑟𝑎ž + Φ 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑢𝑠
 Jedná se o zákon zachování energie. Normalizací hodnotou Φ
dostaneme pojmy: pohltivost, odrazivost a propustnost.
Φ = Φ 𝑝𝑜ℎ𝑙 + Φ 𝑜𝑑𝑟𝑎ž + Φ 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑢𝑠 /Φ
1 =
Φ 𝑝𝑜ℎ𝑙
Φ
+
Φ 𝑜𝑑𝑟𝑎ž
Φ
+
Φ 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑢𝑠
Φ
1 = α + β + γ.

 Pohltivost (α) – α =
Φ 𝑝𝑜ℎ𝑙
Φ
, určuje schopnost tělesa pohlcovat
dopadající záření, to je přeměněno na teplo a využito ke
zvýšení vnitřní energie
 Odrazivost (β) – β =
Φ 𝑜𝑑𝑟𝑎ž
Φ
, určuje schopnost látky odrážet
dopadající záření
 Propustnost (γ) – γ =
Φ 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑢𝑠
Φ
, určuje schopnost látky
propouštět dopadající záření

DALŠÍ POHLED NA ROZDĚLENÍ SPEKTRA

PŘENOST ATMOSFÉROU
□ Přenos atmosférou je ovlivněn především množstvím molekul
vody, kyslíku O2, oxidu uhličitého a ozonu O3.
□ Dva přenosy: (a) l = 10 m, (b) l = 1000m

POHLTIVOST ATMOSFÉRY

TECHNIKA

UKÁZKY PŘÍSTROJŮ
DJI Phantom P4 – multispektrál FLIR X6500Sc– MWIR
Workswell WIRIS Pro – LWIR HinaLea Model 4200M – multispektrál

MWIR SENZORY
Citlivost různých materiálů pro různé vlnové délky.
Čím je větší detektivita, tím větší citlivosti lze
dosáhnout.
𝐷∗
=
𝐴∆𝑓
𝑁𝐸𝑃
∆𝑓 =
1
2𝜋𝑓
• NEP – Noise Equivalent
Power, tj. optický vstup,
který v detektoru vyvolá
signál, který je větší než
jeho vlastní šum
• A – plocha detektoru v cm2

MWIR SENZORY
 Přechodový děj - při skokové změně
tepelného toku. Modelujeme
přechodovým dějem prvního řádu. Čím
kratší přechodový děj, tím větší obrazová
frekvence.
 První řád lze aproximovat obvodem
prvního s jedním kondenzátorem a
rezistorem.
𝑢 𝑅 + 𝑢 𝐶 − 𝑈 = 0
𝑅𝐶
𝑑𝑢 𝐶
𝑑𝑡
+ 𝑢 𝐶 = U
𝑢 𝑅 = 𝑈(1 − 𝑒−
1
𝑅𝐶)

LWIR-MIKROBOLOMETRICKÉ POLE
Mikrobolometrické pole je
složeno z 2D matice
mikrobolometrů, dnes až
1024 x 768.

IČ OKÉNKO - NACL

IČ OKÉNKO - SAFÍR

APLIKACE

CWSI – VODNÍ STRES
 Fyziologickou reakce k omezené dostupnosti vody v rostlině.
Vodní stres v rostlině vzniká, pokud dojde k jakékoli
nevyváženosti ve vodní bilanci rostliny, tedy pokud rostlina
vodu absorbuje pomaleji, než ji transpiruje, nebo naopak.

CWSI – VODNÍ STRES
 Z teploty vzduchu a rostlin a relativní vlhkosti vzduchu
lze vypočítat index CWSI, který porovnává rozdíl teploty
vzduchu a rostlin s hodnotami nejvyššího možného
rozdílu teplot porostu a vzduchu u netranspirujících
rostlin, bez vody, a nejnižší rozdíl teplot plně
transpirujícího (ochlazovaného) povrchu a teploty
vzduchu - to vše pro danou aktuální úroveň sytostního
doplňku. Hodnota CWSI se nejčastěji pohybuje od 0 do
1, přičemž hodnoty stoupající k jedna indikují rostoucí
stres (rostliny omezují transpiraci, neochlazují se).

CWSI SNÍMEK

CWSI – SVĚTOVÁ MAPA

CWSI X NDVI

VODNÍ STRES - FENOTYPOVÁNÍ
 Fenotypovací experiment ve Výzkumném ústavu
bramborářském – Havlíčkův Brod. Hledají se odrůdy brambor,
které jsou odolné (málo sensitivní) vůči vodnímu stresu, tj. s
malou stanovenou hodnotou CWSI.

MIKROKLIMATICKÁ KRIZE

ZÁVLAHOVÉ EXPERIMENTY
Závlahový
experiment - tam
kde je závlaha
dostatečná,
dochází k poklesu
vodního stresu –
rostliny jsou
modřejší.

NDVI A JINÉ INDEXY

NDVI A JINÉ INDEXY
□ Pro zpracování a zvýraznění dat získaných pomocí dronů
nebo DPZ se používají tzv. vegetační indexy, které pomocí
odrazivosti určují stavy rostliny. Indexů je velké množství a
každý určuje něco jiného. Jedním z těchto indexů je
normalizovaný rozdílový vegetační index (NDVI).

NDVI A JINÉ INDEXY
□ Pro zpracování a zvýraznění dat získaných pomocí DPZ se
používají tzv. vegetační indexy, které pomocí odrazivosti a
určují stavy rostliny. Indexů je velké množství a každý určuje
něco jiného. Jedním z těchto indexů je normalizovaný
rozdílový vegetační index (NDVI).

SPEKTRÁLNÍ ODRAZIVOST
□ Na obrázku je spektrální křivka odrazivosti listu, která se v
oblasti viditelného a blízkého infračerveného záření dělí
do tří hlavních částí, které odpovídají faktorům určujícím
velikost spektrální odrazivosti.

SPEKTRÁLNÍ ODRAZIVOST

ROVNICE TERMOGRAFIE

ROVNICE TERMOGRAFIE
1. tepelné záření z okolí, které se bude odrážet od měřeného povrchu, 2. povrch
měřeného objektu, který je zdrojem měřeného tepelného záření, 3. atmosféra, která
jednak utlumuje (vlastní i odražení) tepelné záření z měřeného povrchu, jednak sama
vyzařuje tepelné záření, 4. objektiv termokamery

ROVNICE TERMOGRAFIE
Vlastní záření objektu, utlumené
atmosférou. Jediná část rovnice,
kterou měřit CHCEME!
Odražené zdánlivé záření z
okolního objektu, odražené od
povrchu měřeného objektu.
Celkový zářivý
tok, který
dopadá na
detektor
termokamery
Vlastní vyzařování
atmosféry

ROVNICE TERMOGRAFIE
Vliv atmosféry je
pro řadu aplikací
zanedbatelný
(podržené
symboly)
Odražené tepelné
záření
Vlastní tepelné
záření měřeného
objektu
Vlastní tepelné záření objektu je to, co měřit CHCEME, odražené (tepelné) záření je
to, co nám způsobuje problémy a snahou je, co nejvíce jej ELIMINOVAT. Čím méně
je v celkovém součtu vlastní tepelné záření měřeného objektu, tím větší chyby se
při měření můžeme dopustit navzdory snahy o její korekci stanovení odražené
zdánlivé teploty, viz měření dále.

REFERENCE

REFERENCES
□ [1] Carlos Poblete-Echeverría et. al, Analysis of crop water stress index (CWSI) for estimating
stem water potential in grapevines: Comparison between natural reference and baseline
approaches, January 2017 Acta horticulturae
□ [2] Reginato, R.J., J. Howe, Irrigation scheduling using crop indicators, Journal of Irrigation
and Drainage Engineering 111(2): 125-133
□ [3] N. Agam et. al, An insight to the performance of crop water stress index for olive trees,
Agricultural Water Management 118 (2013) 79–86
□ [4] Tanriverdi, C. , Atilgan, A. , Degirmenci, H. , Akyuz, A., Comparasion of Crop Water Stress
Index (CWSI) and Water Deficit Index (WDI) by using Remote Sensing (RS), Infrastruktura i
Ekologia Terenów Wiejskich, 2017 | nr III/1 | 879—894
□ [5] Ehrler, W.L., Idso, S.B., Jackson, R.D., Reginato, R.J. Wheat canopy temperature: relation
to plant water potential. Agron. J. 70, 251±256, 1978
□ [6] Idso, S. B. et al., Non-water-stressed baseline: a key to measuring and interpreting plant
water stress. Agriculture Meteorolgy; 27: 59-70

DĚKUJI ZA POZORNOST

Multispektralni a termograficke snimkovani

Recommended

Recommended

More Related Content

More from W-Technika.cz

More from W-Technika.cz (6)

Multispektralni a termograficke snimkovani