BR102021013431A2 - Dispositivo e método para obtenção e análise de imagens e de índices relativos ao estado e anomalias em vegetação, veículo ou implemento agrícola compreendendo os mesmos - Google Patents

Abstract

A presente invenção se situa nos campos das Engenharias de Computação, Eletrônica, Agrícola e Ambiental. Mais especificamente, a invenção se refere a um dispositivo e a um método para avaliar o estado de vegetais ou outros organismos clorofilados, cultivados de maneira ordenada ou de crescimento natural, sobre o solo ou a água, através do emprego de câmeras que operam nas faixas de radiação visível e não visível. A detecção do estado fisiológico e eventuais anomalias é feita através da computação e análise de índices obtidos de diferentes relações entre medições de radiação visível e não visível. No método e dispositivo da presente invenção as imagens obtidas em ângulo inclinado são processadas por um subsistema, para proporcionar informação relevante sobre diversas regiões distintas de uma mesma planta, proporcionando com isso uma mais refinada avaliação do estado vegetativo. Um veículo ou implemento agrícola compreendendo o referido dispositivo também é um objeto da invenção e resolve problemas técnicos até então não resolvidos de forma satisfatória.

Description

DISPOSITIVO E MÉTODO PARA OBTENÇÃO E ANÁLISE DE IMAGENS E DE ÍNDICES RELATIVOS AO ESTADO E ANOMALIAS EM VEGETAÇÃO, VEÍCULO OU IMPLEMENTO AGRÍCOLA COMPREENDENDO OS MESMOS Campo da Invenção

[100] A presente invenção se situa nos campos das Engenharias de Computação, Eletrônica, Agrícola e Ambiental. Mais especificamente, a invenção se refere a um dispositivo e a um método para avaliar o estado de vegetais ou outros organismos clorofilados, cultivados de maneira ordenada ou de crescimento natural, sobre o solo ou a água, através do emprego de câmeras que operam nas faixas de radiação visível e não visível. A detecção do estado fisiológico e eventuais anomalias nos vegetais é feita através da computação e análise de índices obtidos de diferentes relações entre medições de radiação visível e não visível. No método e dispositivo da presente invenção as imagens obtidas em ângulo inclinado são processadas por um subsistema, para proporcionar informação relevante sobre diversas regiões distintas de uma mesma planta, proporcionando com isso uma mais refinada avaliação do estado vegetativo. Um veículo ou implemento agrícola compreendendo o referido dispositivo também é um objeto da invenção e resolve problemas técnicos até então não resolvidos de forma satisfatória.

Antecedentes da Invenção

[200] A técnica descreve métodos para analisar e classificar vegetais clorofilados através das propriedades de fluorescência das folhas. Basicamente, durante o processo de fotossíntese as plantas absorvem da luz solar os espectros visíveis azul e vermelho (VIS), usando-os como fonte de energia e refletem os comprimentos de onda verde e próximo do infravermelho (NIR, near infrared). Quanto mais clorofila, mais NIR é refletido, indicando o estado do vegetal. Assim, a análise da relação VIS e NIR permite obter informações sobre a saúde dos vegetais. Para monitorar a refletância produzida pelos vegetais clorofilados, são utilizadas câmeras que permitam capturar VIS e NIR, empregados então para calcular o chamado índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index). Ο NDVI é empregado pela técnica para estimar a cobertura vegetal de uma área, identificar padrões de anomalias e de estresse em vegetais, dentre outros.

[300] NDVI é calculado para cada pixel da imagem, e pode variar de -1 a 1 ou de 0 a 1, sendo que quanto maior, melhor o estado do vegetal. O NDVI é calculado por meio da equação: NDVI = (NIR - VIS) / (NIR + VIS).

[400] Outros índices que podem ser obtidos por diferentes combinações das radiações VIS, NIR, SWIR são: NDMI (Normalized Difference Moisture Index, índice Normalizado de Umidade de Vegetação) - obtido de SIR e NIR, e LAI (Leaf Area Index, índice de Área Foliar) - obtido de VIS.

[500] O processo usual de obtenção de imagens para cálculo do NDVI e demais índices consiste no emprego de câmeras multiespectrais, geralmente embarcadas em satélites voando a grande altitude. Mais recentemente, Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) passaram a ser empregados também, por possuírem baixo custo e serem mais acessíveis do que satélites.

[600] Apesar da redução do custo de obtenção dos índices com o uso de VANTs, ainda assim é necessário passar sobre a área de interesse com um equipamento específico e em momentos específicos. Consequentemente, algumas abordagens foram desenvolvidas para, por exemplo, aproveitar os movimentos já programados de máquinas agrícolas para obtenção de imagens.

[700] Nesse sentido, o documento US10115158B2, intitulado “Generating a Crop Recommendation”, revela um sistema para receber uma pluralidade de conjuntos de dados de fontes diferentes, empregar esse dados para descrever fatores que afetam uma colheita, criando um referencial para definir como o valor de mercado dessa colheita é afetado. Por fim, gera um modelo que descreve a colheita com base nesses referenciais, inclusive usando dados de posicionamento geográfico, e então recomendações para aumentar o valor de mercado dessa colheita. A abordagem revelada no referido documento emprega o NDVI como um descritor da colheita, bem como outros índices, e também possibilita o uso em closed loop com atuadores diversos de implementos agrícolas, como de pulverizadores. Adicionalmente, prevê também que os dados podem ser transmitidos para outros dispositivos empregando redes sem fio. A abordagem revelada no referido documento, embora abrangente, não detalha um dispositivo específico, nem a forma exata de obtenção dos índices, em especial do NDVI, que é medido através da obtenção de imagens perpendiculares em relação ao solo.

[800] O documento US20170223947A1 “Apparatus and Methods for In-Field Data Collection and Sampling” revela um dispositivo especificamente projetado para coletar índices de uma plantação. Tal dispositivo consiste de uma plataforma móvel estruturada e operável para realizar: aquisição de dados de fenótipo e/ou genótipo em campo; aquisição de dados através de imagens: amostragem de tecido; seleção e/ou contagem de plantas crescendo em uma parcela, medição da altura da planta; produto e aplicação de tratamento em plantas que crescem na parcela (por exemplo, produtos prescritivos e inseticidas localizados); amostragem do solo onde tais plantas estão crescendo; remoção de ervas daninhas em tais parcelas; e análise em tempo real de todos esses dados e/ou amostras adquiridas/coletadas. Além disso, quando com combinado com tecnologia de posicionamento de localização e planejamento de caminho, tal veículo é ainda mais estruturado e operável para entrar novamente em um campo várias vezes ao longo de uma safra para monitorar de forma precisa e repetida as condições de cultivo, resposta da planta ou aplicação prescritiva de um produto. A abordagem revelada no referido documento é de maneira sistêmica o emprego de diversos sensores, como câmera, lidar (Light Detection and Ranging) e outros para obter índices diversos, bem como atuadores para coletar amostras do solo e das plantas automaticamente. Porém, nada revela sobre um método para obter imagens para emprego no cômputo dos índices como NDVI, como a descrita na presente invenção.

[900] Outros documentos revelam o emprego de dispositivos portáteis de baixo custo, adaptados ou especificamente desenvolvidos. Nesse sentido, o documento US 8902413B2, intitulado “Cell Phone NVDI Sensor”, revela métodos e aparatos que permitem o emprego de telefones celulares e outros dispositivos portáteis como tablets e assistentes pessoais que possuam câmera compatível no cômputo do índice NDVI. O referido documento considera que empregar um telefone celular para computar NDVI consiste em iluminar a planta, capturando imagens em VIS e NIR, e processar as imagens. O referido documento, após ajustar a intensidade da iluminação para VIS e NIR, associa as informações de posicionamento geográfico do próprio celular às imagens e as enviar, opcionalmente, através de uma rede sem fio, também do próprio celular. A última etapa consiste em processar as imagens para obter o NDVI, pelos métodos já conhecidos da técnica, como intensidade média ou percentual da intensidade de VIS e NIR. Especificamente, o dispositivo revelado no referido documento pode operar com um separador de imagens, onde imagens VIS e NIR são obtidas separadamente, ou numa única imagem através do uso de filtros de banda. A contribuição do referido documento se limita a caracterizar o uso de celular e dispositivos assemelhados para obter, usando as técnicas já estabelecidas, VIS e NIR e computador o NDVI.

[1000] O documento BR1020190176369A2, intitulado “Dispositivo para Análise de Imagens Capturadas em Tempo Real por Câmeras Infravermelho”, revela um dispositivo portátil, tendo como função analisar imagens capturadas em tempo real por câmeras infravermelho para diagnosticar vegetações através de imagens. Nesse sentido são utilizados índices de vegetação NDVI e diversas técnicas de processamento de imagens em sistemas incorporados, mas não especificados. A plataforma é constituída por um servidor remoto, que demarca as áreas a serem analisadas e grava os resultados do diagnóstico de uma planta, além de um dispositivo composto por um pequeno computador de placa única responsável por todo o processamento; uma câmera sem filtro infravermelho para capturar a imagem da planta a ser analisada; um módulo GPS para adquirir dados de localização geográfica; e uma tela LCD para realizar a interface entre o usuário e o sistema. Tal dispositivo é transportado manualmente e captura as imagens e calcula o NDVI, enviando os resultados para um servidor remoto.

[1100] Estudos realizados por Z.-H. Mao, et al. no artigo "Angle effects of vegetation indices and the influence on prediction of SPAD values in soybean and maize", publicado no Int J Appl. Earth Obs. Geoinformation 93 (2020), mostram que ο efeito angular dos diferentes índices de vegetação foi marcadamente diferente. NDVI, GOSAVI (green optimal soil adjusted vegetation index) e GNDVI (green normalized difference vegetation index) dificilmente mostraram ο efeito do ângulo para milho e soja - quando considerados até 50° de inclinação em relação ao solo, enquanto GRVI (green ratio vegetation index), RVI (ratio vegetation index), ClRE (red edge chlorophyll index) e MCARI/OSAVI (modified chlorophyll absorption in reflectance index/optimized soil-adjusted vegetation index) eram sensíveis ao ângulo de obtenção das imagens.

[1200] Entretanto, nenhum dos métodos descritos acima proporciona um dispositivo e método de leitura de índices de espectro vegetativo em ângulo inclinado, em vez de perpendicular ao solo, em veículos úteis no manejo agrícola ou ambiental. A abordagem da presente invenção proporciona diversas vantagens técnicas sobre as congêneres conhecidas, notadamente no que se refere à leitura do espectro visual de várias partes de uma planta, incluindo a parte mais próxima ao solo, o caule, folhas e parte aérea superior.

[1300] O estado da técnica considera somente a utilização de leituras de topo, ou seja, em ângulo perpendicular ao solo. Em parte isso deriva do fato de que as primeiras leituras eram feitas por satélites e em parte devido ao fato de que a leitura em ângulo traz dificuldades técnicas quanto ao processamento da imagem.

[1400] No método da presente invenção as imagens obtidas em ângulo inclinado são processadas por um subsistema, para proporcionar informação relevante sobre regiões distintas de uma mesma planta, proporcionando com isso uma mais refinada avaliação do estado vegetativo.

[1500] Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente criação/segredo/invenção. A invenção ora revelada possui, aos olhos dos inventores, novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.

Sumário da Invenção

[1600] A presente invenção resolve um problema recorrente da técnica relativo á análise do estado e/ou do estresse de vegetais clorofilados referente á leitura do espectro visual de várias partes de uma planta. A presente invenção resolve este problema mediante um dispositivo compreendendo uma câmera configurada para detectar radiação VIS, NIR, SWIR e/ou IR de plantas em uma posição em ângulo, de forma a detectar o espectro vegetativo de várias partes de uma planta, incluindo a parte junto ao solo, o caule, folhas e parte aérea superior.

[1700] O dispositivo e método da invenção proporcionam a medição de diferentes índices baseados na detecção de Radiação Visual (VIS), que é uma composição de Vermelho, Verde e Azul (RGB, Red, Green, Blue), bem como Radiação Não Visual, que pode ser na forma Próximo do Infravermelho (NIR, Near Infrared), Infravermelho de Onda Curta (SWIR, Short Wave Infrared) ou Infravermelho (IR, Infrared). Tais radiações são obtidas de imagens e vídeos feitos por câmeras equipadas com lentes e filtros apropriados.

[1800] Na presente invenção, Radiação Visual (VIS) é considerada uma composição de Vermelho, Verde e Azul (RGB, Red, Green, Blue), bem como Radiação Não Visual é considerada na forma Próximo do Infravermelho (NIR, Near Infrared), Infravermelho de Onda Curta (SWIR, Short Wave Infrared) ou Infravermelho (IR, Infrared).

[1900] Exemplos de índices que podem ser obtidos por diferentes combinações das radiações VIS, NIR, SWIR são: NDVI (Normalized Difference Vegetation Index, índice Normalizado de Diferença de Vegetação) - obtido de VIS e NIR, NDMI (Normalized Difference Moisture Index, índice Normalizado de Umidade de Vegetação) - obtido de SWIR e NIR, e LAI (Leaf Area Index, índice de Área Foliar) - obtido de VIS.

[2000] Outros índices baseados em VIS, NIR, SWIR e IR são obtidos através do tratamento computacional de imagens obtidas de câmeras que detectam estas faixas de radiação, bem como inferências mais complexas, como por exemplo, mas não limitadas a, Inteligência Artificial ou Aprendizado de Máquina.

[2100] Estes índices independem do tipo de cultivo ou vegetal, ou ainda se os vegetais crescem naturalmente, se aplicando de uma maneira geral aos chamados vegetais clorofilados.

[2200] O dispositivo para avaliar o estado de vegetais ou outros organismos clorofilados da invenção compreende: uma câmera configurada para detectar radiação VIS, NIR, SWIR e/ou IR de plantas em uma posição em ângulo inclinado; opcionalmente uma lente ou um conjunto de lentes que ampliam o campo de visão desta câmera (caso se mostre necessário); e um microcomputador configurado para calcular um ou mais índices com base nas radiações detectadas.

[2300] Em uma concretização, o dispositivo da invenção compreende: um microcomputador de pequeno porte; uma câmera configurada para detectar radiação VIS, NIR, SWIR e/ou IR de plantas em uma posição em ângulo, de forma a detectar o espectro visual de várias partes de uma planta, incluindo a parte junto ao solo, o caule, folhas e parte aérea superior; um conjunto de lentes que ampliam o campo de visão desta câmera; e um invólucro (case) especialmente projetado, preferencialmente com sistema de estabilização, exaustão de calor e proteção contra choques.

[2400] Em uma concretização, o dispositivo compreende filtros ou lentes ópticas ou digitais e meios computacionais para corrigir a leitura de acordo com o ângulo inclinado em questão.

[2500] Em uma concretização, o dispositivo compreende um case estabilizado e antichoque.

[2600] Em uma concretização, ο dispositivo é integrado em instalação fixa, como um poste de monitoramento agrícola ou ambiental.

[2700] O método para avaliar o estado de vegetais ou outros organismos clorofilados da invenção compreende os passos de: obter imagens dos vegetais em ângulo inclinado; computar um ou mais índices derivados das imagens ou vídeos capturados; e correlacionar o referido índice com o estado do fisiológico dos vegetais analisados.

[2800] Em uma concretização o método da invenção compreende as etapas de: preparar uma representação poligonal da área de vegetação a ser analisada, como área de plantio ou de preservação; configurar a rede de dados do dispositivo, quando necessário; obter os parâmetros de campo de visão da câmera e usar subsistema específico para determinar o ângulo de inclinação da câmera; afixar o dispositivo em veículo terrestre, aquático ou aéreo; operar o dispositivo de forma automática para captura de imagens e/ou vídeos nas diferentes faixas de frequência; e obter dados e computar os diferentes índices obtidos das imagens ou vídeos capturados durante a operação.

[2900] Em uma concretização, o método proporciona um sinal de comando para acionamento de um ou mais bicos de injeção de uma pulverizadora terrestre ou de um avião de pulverização, de acordo com as leituras realizadas durante a passagem do referido implemento agrícola.

[3000] O veículo ou implemento agrícola da invenção compreende: o dispositivo da presente invenção; e um sistema em closed loop que converte os índices computados pelo dispositivo em comandos para implementos mudar o regime de operação do veículo ou implemento agrícola.

[3100] Em uma concretização, o veículo ou implemento agrícola dotado do dispositivo da invenção proporciona o imageamento do plantio, gera um índice a partir da referida leitura (por exemplo NDVI, identifica uma área do cultivo onde 0 nível de clorofila está abaixo do esperado), converte o referido índice em um valor numérico que é usado como parâmetro para controlar o ajuste de dosagem de um insumo, como por exemplo a pulverização de um ou mais agroquímicos para o controle de pragas.

[3200] Em uma concretização, o implemento agrícola da invenção compreende um acionador que recebe sinal advindo do referido dispositivo para comandar uma pulverizadora para: ajustar a quantidade de defensivo agrícola ou fertilizante e a localização relativa dos bicos a serem acionados; escolher a substância a ser pulverizada nos referidos bicos; e/ou combinar duas ou mais substâncias diretamente nos bicos que serão acionados, ou ainda de água ou solução aquosa para irrigação ou fertirrigação.

[3300] Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução, na descrição a seguir.

Breve Descrição das Figuras

[3400] São apresentadas as seguintes figuras:

[3500] A figura 1 representa o subsistema de configuração da inclinação da câmera

[3600] A figura 2 apresenta o fluxo representativo do método da presente invenção.

[3700] A figura 3 apresenta uma visão em três dimensões do dispositivo da presente invenção, apresentando sua lateral e parte frontal, de onde se pode ver a janela que permite a visualização do conjunto câmera e lentes (opcionais) acopladas ao dispositivo de estabilização desse conjunto (gimbal).

[3800] A figura 4 apresenta uma visão em três dimensões em corte de uma concretização do dispositivo, destacando 100 o conjunto de lentes acopladas à lente da câmera digital, 200 o conjunto sensor da câmera digital acoplado ao sistema de estabilização tipo gimbal - em posição angulada, 300 sensor inercial, 400 o elemento computador com suas interfaces de rede e USB e 500 elementos estruturais e de proteção ao choque mecânico.

[3900] A figura 5 apresenta esquematicamente uma concretização de configuração na qual a presente invenção desempenha sua função, com seu dispositivo afixado ao para-brisas de um veículo agrícola.

[4000] A figura 6 apresenta uma concretização do dispositivo em aplicação real, instalado no para-brisas de uma pulverizadora do tipo uniport, em operação em uma plantação de algodão na região de Água Boa/MT.

[4100] A figura 7 apresenta uma imagem com NDVI computado pelo dispositivo instalado no para-brisas de uma pulverizadora do tipo uniport, em operação em uma plantação de algodão na região de Água Boa/MT.

[4200] A figura 8 apresenta esquematicamente outra concretização de configuração na qual a presente invenção desempenha sua função. Na figura 8, 0 dispositivo está afixado a uma haste em uma embarcação e imageia simultaneamente as margens e a vegetação flutuante.

[4300] A figura 9 apresenta esquematicamente outra concretização de configuração na qual a presente invenção desempenha sua função. Na figura 9, 0 dispositivo está afixado a um poste de observação que pode girar o dispositivo em 360° de maneira a analisar toda área a seu redor. Esta área pode ser tanto de cultivo ordenado, quanto de preservação ambiental.

Descrição Detalhada da Invenção

[4400] Atualmente a técnica apresenta basicamente três maneiras automatizadas de obter imagens e vídeos para análise de vegetais clorofilados: via satélite, via VANTs e via dispositivos instalados em máquinas agrícolas.

[4500] Quando em satélites, as imagens cobrem uma grande área, porém perdem em definição, devido à distância, bem como precisam corrigir problemas causados, por exemplo, por formações de nuvens.

[4600] Quando em VANTs, são obtidas imagens de áreas menores, porém com maior definição que as obtidas por satélites. Por outro lado, é necessário fazer voos específicos desses VANTs, gerando custos operacionais extras, além de aumentar ο risco operacional, em especial em regiões onde existem outras aeronaves, como aviões agrícolas, em operação.

[4700] Quando em máquinas agrícolas, se obtém maior definição das imagens e o emprego pode ser simultâneo a atividades de plantio, pulverização ou colheita, economizando recursos. Porém, a técnica atual emprega câmeras externas à máquina e colocadas em paralelo ao solo. Se por um lado tal técnica evita possíveis distorções nas medições das diferentes radiações, por um outro reduz o campo de visão da câmera e, portanto, a área coberta.

[4800] Para a agricultura, ainda são desejáveis ferramentas para analisar constantemente e automaticamente o estado da vegetação sendo cultivada, para proporcionar decisões mais precisas e menor uso de recursos, como água para irrigação e/ou agroquímicos, aumentando a produtividade, reduzindo custos e diminuindo impactos ambientais. A presente invenção resolve estes problemas

[4900] Semelhantemente, a presente invenção proporciona uma solução para o monitoramento de áreas de preservação ou de manejo sustentável, por proporcionar a análise constante e automática do estado da vegetação sendo preservada ou manejada, o que resulta em um melhor controle do estado da vegetação da área em questão e maior eficiência de preservação.

[5000] A presente invenção proporciona a obtenção simultânea de imagens tanto da parte superior, quanto das laterais da vegetação, proporcionando que qualquer anomalia ser detectada mais eficientemente, independentemente do início da anomalia ocorrer no topo ou em qualquer outro ponto do vegetal.

[5100] O dispositivo da invenção compreende: uma câmera configurada para detectar radiação VIS, NIR, SWIR e/ou IR de plantas em uma posição em ângulo inclinado; uma lente ou um conjunto de lentes que ampliam o campo de visão desta câmera; e um microcomputador configurado para proporcionar um ou mais índices com base na radiação detectada.

[5200] Em uma concretização, a análise fornecida pelo dispositivo e método da invenção é associada ao uso simultâneo com operações usuais de plantio, colheita ou pulverização.

[5300] Em uma concretização, ο dispositivo da invenção é usado no exterior ou no interior da cabine de veículos terrestres, aquáticos, ou em veículos aéreos ou ainda fixo em uma instalação que proporciona movimentos de azimute e de elevação.

[5400] Em uma concretização, o dispositivo da invenção consiste de um microcomputador de pequeno porte com memória secundária, uma câmera com capacidade de detectar radiação VIS, NIR, SWIR e IR, um conjunto de lentes que ampliam o campo de visão desta câmera, e um invólucro (case) especialmente projetado, com sistema de estabilização, exaustão de calor e proteção contra choques, e que acondiciona e proporciona energia e exaustão térmica para a computador e a câmera.

[5500] A presente invenção proporciona, dentre outras vantagens, a obtenção de imagens ou vídeos em ângulo inclinado em relação ao solo. Realizar a obtenção em ângulo inclinado proporciona também um campo de visão ampliado, proporcionando que uma maior área seja imageada e posteriormente analisada. Adicionalmente, como o dispositivo pode ser empregado dentro da cabine de veículos terrestres ou aquáticos, oferece simplicidade de uso e de instalação.

[5600] Para garantir o imageamento tanto do topo quanto das laterais da vegetação o dispositivo da invenção obtém as imagens e/ou vídeo de uma certa altura do solo e em ângulo com o plano do solo diferente de 0° (topo) ou 90° (lateral). A angulação escolhida determina o campo de visão obtido à frente da câmera, desde que o ângulo de abertura dessa câmera seja compatível.

[5700] Desta forma, a presente invenção proporciona o imageamento de forma inclinada em relação ao plano do solo, seja para a frente (paralelo ao movimento do veículo), seja para o lado (perpendicular ao movimento do veículo).

[5800] Em uma concretização, o dispositivo da invenção é usado individualmente ou ainda em pares, trios ou quádruplas, posicionados com visadas a 180°, 120° ou 90° um do outro, para obter imagens 360° do topo e da lateral dos vegetais.

[5900] Em uma concretização, as imagens e vídeos obtidos pelo dispositivo da invenção são tratados por métodos de Visão Computacional, Inteligência Artificial ou Aprendizado de Máquina para obtenção de informações diferentes daquelas usualmente fornecidas pelos índices como NDVI e demais índices.

[6000] Em algumas concretizações, a invenção proporciona portabilidade, baixo custo, e medições em movimento quando instalado em máquinas agrícolas. A invenção é também útil para aplicações relacionadas ao monitoramento da preservação e análise de reservas florestais e outras estruturas, como matas ciliares; e aplicações relacionadas à computação de créditos de carbono ou de conservação.

[6100] A presente invenção é particularmente útil em implementos agrícolas como Máquinas Pulverizadoras ou tratores, proporcionando a realização de análise do estado vegetativo/fisiológico de várias partes de plantas e maior área de cobertura durante o processo de pulverização, dispensado o uso de veículos extras e/ou passagens específicas sobre a plantação para fazer as análises, economizando recursos como tempo, combustível e pessoal.

[6200] Além de ser empregado durante o processo de pulverização, o dispositivo é também útil em quadriciclos ou qualquer outro veículo empregado no manejo do cultivo em geral.

[6300] No caso de veículos terrestres, o emprego pode ser durante operações usuais de pulverização, plantio ou colheita, bem como de maneira ad hoc, quando se julgar necessário.

[6400] Entende-se por maneira ad hoc aquela que é feita com objetivo específico de monitorar a área de interesse, ao invés de ser empregada concomitantemente com outra operação.

[6500] A presente invenção é também útil em veículos aquáticos, por exemplo, por embarcações autônomas ou não, que trafeguem em corpos hídricos, verificando o estado da vegetação das margens ou ainda de vegetais clorofilados sobre a superfície da água.

[6600] No caso de veículos aquáticos, o emprego se dá de maneira ad hoc, com a embarcação, tripulada ou remotamente pilotada, se movimentando próxima ou pela área de interesse.

[6700] Independentemente do emprego durante uma outra operação, ou de maneira ad hoc, a presente invenção pode ser empregada de forma interativa, em laço fechado (closed loop) para acionar atuadores diversos em um implemento agrícola.

[6800] O método e dispositivo da presente invenção são úteis também na análise de áreas de preservação ambiental, em especial, mas não limitado a, aquelas que estejam sendo empregadas em atividades de Conservometria, como descrito pelo pedido de patente pendente BR 102019021409-0, intitulado “Conservômetro, Equipamento e Sistema para a Transdução de Sinal em Créditos de Conservação e para a Documentação de Métricas de Conservação ou Recuperação de Ativos Ambientais”, constituindo uma das concretizações nas quais a presente invenção é vantajosamente aplicada.

[6900] Em uma concretização, o dispositivo da presente invenção é empregado de forma estática, por exemplo, em postes de observação de áreas de plantio ou de preservação ambiental, ou ainda em tanques de água ou corpos hídricos naturais ou artificiais que possuam vegetação na superfície da água.

[7000] Em uma concretização, a invenção fornece um subsistema que proporciona a determinação do ângulo de inclinação da câmera baseado em conjunto de parâmetros de entrada, como por exemplo, a Altura do Solo em que câmera é instalada e parâmetros como Campo de Visão do conjunto câmera e lentes acopladas à mesma.

[7100] Em uma concretização, a invenção fornece um subsistema que, em função dos requisitos de altura de posicionamento da câmera e de largura e profundidade da área que se deseja cobrir pela imagem, proporciona definir os ângulos de abertura vertical e horizontal da câmera necessários. Afigura 1 ilustra uma concretização como esta.

[7200] Em uma outra concretização, o mesmo subsistema de cálculo é empregado para, dada altura de instalação da câmera e seus ângulos de abertura vertical e horizontal, determinar o ângulo de inclinação da câmera que leva às maiores largura e profundidade da área a ser coberta pela imagem.

[7300] Em ambas situações, o referido subsistema proporciona a consideração/escolha dos ângulos máximos de inclinação aplicados, para evitar ou minimizar distorção no cálculo dos índices desejados.

[7400] O subsistema de cálculo é ilustrado em conjunto com a figura 1, que mostra a formulação é interpretada da seguinte maneira: a Área de Cobertura (AC) do dispositivo se refere à área útil da imagem, que efetivamente é armazenada e analisada. O dispositivo é fixado na frente, lateral, ou traseira do veículo - desde que não existam obstáculos ao campo de visão, como por exemplo, motor (à frente ou traseira) ou implementos que se projetem na direção da imagem (laterais). O seu ângulo de inclinação é determinado pelo gimbal, independentemente da inclinação do vidro da janela do veículo. A figura 1 apresenta as dimensões de interesse. Como dimensões básicas de configuração, deseja-se fotografar um retângulo de largura “a+b”. A outra dimensão básica assume que o centro da lente do dispositivo estará situado a “c” de altura do solo.

[7500] Combinadas as três dimensões iniciais (ângulo de inclinação, largura e altura) se obtém todas as outras dimensões de interesse de acordo com as formulações a seguir.
Seja:
Y o ângulo que a bissetriz de β faz com a superfície do solo
β o ângulo de abertura vertical mínimo da lente do dispositivo
β/2 o semiãngulo que indica a inclinação máxima da visada do dispositivo
φ o ângulo de inclinação da câmera a ser determinado
Θ o ângulo que delimita a distância máxima capturada pelo sensor
δ o ângulo entre a janela do veículo e a direção vertical
a um segmento de reta gerado pela bissetriz de β
b outro segmento de reta que gerado pela bissetriz de β
c a altura que o centro da lente se encontra, em relação ao solo
Pela observação da figura 1 é possível estabelecer que:

α = bcοs(β) (2)

β + θ=90° (4)

[7600] De posse das expressões acima e dimensões físicas do veículo, calcula-se a lente a usar e que ângulo, em relação ã janela do veículo se deve fixar o dispositivo. Por exemplo, quando se considera: a + b = 30m, c = 3m e δ = 15°. Desta forma, pela expressão (1) dada:

E por (3):

Gama está dentro do limite máximo válido de ser menor ou igual a 50°. Então, usando (5):

[7700] Desta forma, para os parâmetros passados no exemplo acima, um ângulo de inclinação de 32,8° atenderia o requisito de imagear um retângulo de 30m de profundidade. Adicionalmente, como a formulação emprega todo o campo de aquisição do sensor do dispositivo, sem desprezar nenhuma região coberta pela lente, basta uma lente com campo de visão vertical (Vertical Field of Vision) de cerca de 85° de abertura para atender aos requisitos do exemplo.

[7800] Inversamente, em uma situação onde são conhecidos os campos de visão vertical e horizontal (VFOV e HFOV) e a altura da instalação, obtêm-se o melhor ângulo de inclinação para a câmera de maneira a maior área de imageamento e sem provocar distorção no índice, de acordo com as fórmulas derivadas a seguir.
Seja:
φ o ângulo de inclinação da câmera a ser determinado
β o ângulo de abertura vertical da lente do dispositivo
ε o ângulo de abertura horizontal da lente do dispositivo
η o ângulo máximo de inclinação do foco central da câmera, determinado experimentalmente e variando de acordo com o índice
c a altura que o centro da lente se encontra, em relação ao solo
p a profundidade da imagem em metros
I a largura da imagem em metros

Na equação (10) deve se considerar que o ângulo máximo de inclinação final da imagem é calculado sobre o centro da mesma, ou seja, deve se empregar a bissetriz do ângulo de abertura vertical.
= ∗ ( + ) (11)
Da equação (1) se obtém a profundidade da imagem:Por sua vez, da relação entre os ângulos de abertura horizontal e vertical do sensor de imagem se obtém a largura da imagem:

[7900] Desta forma, seja uma câmera com ângulo de abertura vertical de β = 48,8°, horizontal de ε = 62,2° e um ângulo de inclinação final máximo de η = 50°, instalada a 3m de altura. Nesse caso, aplicando a fórmula (10) se obterá um ângulo de inclinação de 25,6°, que proporcionará uma imagem capaz de cobrir uma área de aproximadamente 13,7m de largura por 10,7m de profundidade, obtidos respectivamente das fórmulas (12) e (11).

[8000] Cabe acrescentar que o subsistema de cálculo do ângulo de inclinação, embora se refira a para-brisas ou janelas de veículos, é válido também para qualquer posicionamento em ângulo do dispositivo, inclusive em postes.

[8100] Embora seja conhecimento da técnica, uma demonstração simples permite provar que a angulação da câmera permite aumentar a profundidade da imagem obtida. Da equação (11) se obtém que:
p = c* tg(β + φ) = c*tg((β)+ tg(φ))
(13)
Considerando que β é fixo e obtido das características do sensor da câmera, será o aumento do fator tg(φ) que aumentará a profundidade da imagem, portanto da área de vegetação coberta. Se φ = 90, temos a tangente indefinida, o que se comprova na prática com a câmera com “foco no infinito”. Embora um ângulo próximo de 90° fosse interessante para se obter grandes valores de tg(φ), há a limitação dos 50° determinados pela técnica conforme já citado. Já para φ = 0, que é o ângulo empregado atualmente pelas soluções tecnológicas, tem-se tg(φ) = 0, fazendo com que p, a profundidade, atinja seu mínimo. Assim, para qualquer valor 0 < φ ≤ 50, obter-se-á uma profundidade maior que para φ = 0 e sem provocar distorções nos índices de interesse.

[8200] Um aspecto a se considerar é a possibilidade de calibração do dispositivo da invenção.

[8300] A calibração porém não é sempre necessária, posto que o dispositivo fornece dados comparativos úteis, através da obtenção dos índices considerados e consequente computação dos diferentes valores relativos às diversas áreas medidas, proporcionando uma análise por comparação dessas áreas.

[8400] Quando considerado, o mecanismo de calibração para o dispositivo da invenção adota como padrão de calibração a temperatura da cor do céu ao longo do período de coleta de imagens. Entende-se aqui como temperatura da cor aquela temperatura a que se deve elevar um corpo negro de forma que este emita cor igual a que se observa. Sua unidade física é o K (Kelvin) e sua ordem de grandeza varia entre cerca de 1500 a 27000K, sendo esta última a temperatura de céu azul e límpido. A calibração por temperatura de cor garante que mudanças climáticas, presença de nebulosidade e qualquer alteração na luz do dia não impede a interpretação correta da imagem. Os dados lidos por um Kelvinômetro, aparelho empregado para fazer as leituras de temperatura de cor, são transmitidos ao dispositivo da invenção para que seu computador faça as devidas correções de calibração. Essa transmissão pode se dar via cabo de dados, se o Kelvinômetro estiver instalado no mesmo local que o dispositivo da invenção, ou via rede de dados, se estiverem instalados separadamente.

[8500] A presente invenção é composta por um método, representado pela figura 2. Resumidamente, o método da invenção compreende os passos de: obter imagens dos vegetais em ângulo inclinado; computar um ou mais índices derivados das imagens ou vídeos capturados; e correlacionar o referido índice com o estado do fisiológico dos vegetais analisados.

[8600] De maneira mais detalhada, conforme apresentado na figura 2, o método da invenção compreende os passos de:

• 1. Configurar Área: configurar o dispositivo com a área, de plantio ou preservação, que deve ser analisada, usando uma representação poligonal;
• 2. Configurar Rede: configurar a rede de dados do dispositivo, se for necessário;
• 3. Calibrar Câmera: calibrar dispositivo de acordo com o Método de Calibração da invenção, se for necessário;
• 4. Configurar Captura: obter os parâmetros de campo de visão da câmera e usar subsistema específico para determinar o ângulo de inclinação da câmera, de maneira a realizar a correta captura de imagens ou vídeos;
• 5. Instalar Dispositivo: afixar o dispositivo em veículo terrestre, aquático ou aéreo;
• 6.Operar Dispositivo: operar o dispositivo de forma automática para captura de imagens e/ou vídeos nas diferentes faixas de frequência;
• 7.Computar índices: computar os diferentes índices obtidos das imagens ou vídeos capturados durante a operação,
• 8. Transmitir Informações: transmitir as imagens e vídeos, bem como os índices computados através de rede sem fio, se for necessário.

[8700] Os índices, imagens e vídeos obtidos podem ser empregados para computações adicionais, realizados posteriormente ao método da invenção.

[8800] Em uma concretização, as imagens e vídeos obtidos pelo dispositivo da invenção são tratados por métodos de Visão Computacional, Inteligência Artificial ou Aprendizado de Máquina para obtenção de informações diferentes daquelas usualmente fornecidas pelos índices como NDVI e demais índices.

[8900] Os exemplos a seguir ilustram algumas das formas de concretizar a invenção.

[9000] Exemplo 1 - Dispositivo automaticamente estabilizado empregado para avaliar o estado de vegetais ou outros organismos clorofilados instalado em para-brisas ou janela de veículo agrícola.

[9100] Nessa concretização, apresentada esquematicamente pela figura 5, o dispositivo e método da invenção são empregados para obter imagens e/ou vídeos abrangentes de um cultivo. Semelhante abordagem é também realizada em cultivos como soja, milho, trigo e outros. As imagens e índices computados automaticamente são transmitidos via uma rede sem fio para um outro computador ou um celular, para uso por profissionais da agricultura no cálculo refinado de uso de defensivos agrícolas de acordo com as imagens identificadas e pelos índices obtidos, e de acordo com o georreferenciamento das áreas imageadas. O imageamento é realizado durante as operações regulares de uma pulverizadora. Semelhante abordagem é também usada para refinar o uso de outros insumos como fertilizantes e irrigação ou fertirrigação artificiais.

[9200] Nesta concretização o dispositivo da invenção compreende: uma câmera configurada para detectar radiação VIS, NIR e IR de plantas em uma posição em ângulo inclinado; uma lente ou um conjunto de lentes que ampliam o campo de visão desta câmera; e um microcomputador configurado para proporcionar um ou mais índices com base na radiação detectada.

[9300] Nesta concretização o subsistema de cálculo de inclinação é configurado com a altura e o ângulo da janela ou para-brisas do veículo e calcula automaticamente o ângulo de inclinação que deve ser mantido, interagindo com 0 sensor inercial, e o gimbal para manter a câmera sempre no ângulo correto, independentemente do movimento vertical do veículo e de vibrações.

[9400] Neste exemplo o subsistema de cálculo de inclinação é implementado na linguagem Python e embarcado no elemento computador do dispositivo da invenção.

[9500] Nesta concretização o dispositivo da invenção possui um software embarcado de geofencing, ou seja, com a área poligonal do talião devidamente configurada em sua memória, esse software interage com o dispositivo GPS embarcado no dispositivo da invenção e envia comandos para que imagens sejam captadas quando atendidas duas condições: (a) uma distância maior que a profundidade ou a largura determinada pelo subsistema de inclinação é percorrida pelo veículo e (b) o veículo se encontra dentro dos limites do polígono que representa o talião. A profundidade é empregada quando o dispositivo está instalado de maneira axial ao movimento do veículo, por exemplo, em seu para-brisas. A largura é empregada quando o dispositivo está instalado de maneira perpendicular ao movimento do veículo, por exemplo, em uma ou mais janelas.

[9600] Neste exemplo o software de geofencing é implementado na linguagem Python e embarcado no elemento computador do dispositivo da invenção.

[9700] Nesta concretização o dispositivo da invenção possui um software embarcado de controle da câmera digital e de computação de índices de interesse. Esse software interage com o software de geofencing para determinar 0 momento de obter imagens.

[9800] Neste exemplo o software de controle da câmera digital é implementado na linguagem Python e embarcado no elemento computador do dispositivo da invenção.

[9900] Nesta concretização o dispositivo da invenção possui um software embarcado de computação do NDVI, que calcula em tempo real esse índice para a imagem obtida pelo software de controle da câmera digital.

[10000] Neste exemplo o software de cômputo do NDVI é implementado na linguagem Python e embarcado no elemento computador do dispositivo da invenção.

[10100] Nesta concretização, o dispositivo é fixado no para-brisas ou na janela do veículo e o gimbal posiciona e mantém automaticamente a câmera no ângulo de inclinação computado pelo computador do dispositivo usando as formulações representadas e o ângulo do case em relação ao solo lido do sensor inercial.

[10200] No presente exemplo, o dispositivo é ilustrativamente exemplificado em conjunto com a figura 3, que mostra uma visão em três dimensões desta concretização do dispositivo, apresentando sua parte frontal, e com a figura 4, que mostra uma visão em três dimensões em corte do dispositivo, destacando 100 o conjunto de lentes acopladas à lente da câmera digital, 200 o conjunto sensor da câmera digital acoplado ao sistema de estabilização tipo gimbal - em posição angulada, 300 sensor inercial, 400 o elemento computador com suas interfaces de rede e USB e 500 elementos estruturais e de proteção ao choque mecânico.

[10300] Nesta concretização, o dispositivo compreende: um microcomputador de pequeno porte do tipo Raspberry Pi ou similar; um dispositivo inercial do tipo BNO ou similar; uma câmera configurada para detectar radiação VIS, NIR, SWIR e/ou IR de plantas em uma posição em ângulo, de forma a detectar o espectro visual de várias partes de uma planta, incluindo a parte junto ao solo, o caule, folhas e parte aérea superior; um conjunto de lentes que ampliam o campo de visão desta câmera; e um invólucro (case) especialmente projetado, com sistema de estabilização, exaustão de calor e proteção contra choques.

[10400] A figura 6 mostra um caso de emprego desta concretização do dispositivo em aplicação real, instalado no para-brisas de uma pulverizadora do tipo uniport, em operação em uma plantação de algodão na região de Água Boa/MT. Em sequência, a figura 7 apresenta uma imagem com NDVI computado pelo dispositivo neste emprego real.

[10500] Exemplo 2 - Dispositivo manualmente ajustado e empregado para avaliar o estado de vegetais ou outros organismos clorofilados instalado em para-brisas ou janela de veículo agrícola. através de um eixo rotativo.

[10600] Nesta concretização, o dispositivo é diretamente fixado no para-brisas ou janela do veículo através de uma ventosa com eixo rotativo, e o ângulo de inclinação calculado pelas formulações é ajustado manualmente por um operador pelo uso de um transferidor ou instrumento similar.

[10700] Exemplo 3 - Implemento Agrícola dotado de meios para modificar automaticamente seus parâmetros de operação.

[10800] Nessa concretização um implemento agrícola compreende o dispositivo da presente invenção e um sistema em closed loop que converte os índices computados pelo dispositivo em comandos para mudar o regime de operação de um implemento agrícola.

[10900] Nessa concretização, implemento agrícola dotado do dispositivo da invenção proporciona o imageamento do plantio, gera um índice a partir da referida leitura (por exemplo NDVI, identificando uma área do cultivo onde o nível de clorofila está abaixo do esperado), converte o referido índice em um valor numérico que é usado como parâmetro para controlar o ajuste de dosagem de um insumo, como por exemplo a pulverização de um ou mais agroquímicos para o controle de pragas, ou ainda para controlar o fluxo de água e/ou soluções aquosas em irrigação ou fertirrigação.

[11000] Em especial, o implemento agrícola desta concretização da invenção, por ser dotado de software capaz de converter o índice empregado em quantidade de insumo aplicada, bem como de meios de comando (acionadores diversos) para mudar o regime de operação de uma pulverizadora, proporciona: (i) o ajuste da quantidade de insumo e localização relativa dos bicos a serem acionados, de acordo com o sinal advindo da imagem obtida pelo dispositivo; (ii) a escolha da substância a ser pulverizada nos referidos bicos; e (iii) a combinação de duas ou mais substâncias ou ainda da concentração de água ou substância em solução aquosa diretamente injetadas nos bicos que serão acionados, de acordo com o sinal advindo do dispositivo da invenção.

[11100] Esta concretização é particularmente útil para: minimizar o uso de defensivos agrícolas, fertilizantes, água ou solução aquosa para irrigação ou fertirrigação, aplicando-os somente nos locais necessários; ajustar quantidade e escolha da substância a ser pulverizada; e proporcionar a combinação de substâncias de acordo com o sinal advindo do dispositivo, proporcionando mais efetivo controle de pragas e uso racional de recursos, simultaneamente aumentando produtividade e reduzindo impactos ambientais.

[11200] Exemplo 4 - Uso do Dispositivo em embarcações tripuladas ou não.

[11300] Nessa concretização, o dispositivo da invenção é instalado dentro da cabine da embarcação, ou externamente, como representado na figura 8. Enquanto a embarcação navega pelo corpo hídrico, que pode ser artificial ou natural, o dispositivo imageia a mata ciliar nas margens do corpo hídrico e/ou vegetações flutuando na superfície da água. Dessa forma, é possível se controlar 0 estado da vegetação às margens do corpo hídrico e, simultaneamente ou não, desde que calculado o ângulo de inclinação apropriado, o estado e concentração de plantas aquáticas. Essa concentração pode ser empregada para, por exemplo, mas não limitado a, medir indiretamente a concentração de determinadas substâncias, como poluentes, na água.

[11400] Exemplo 5 - Uso do Dispositivo em instalação fixa para monitoramento de plantações ou pastos, irrigados (ou fertirrigados) ou não.

[11500] O dispositivo pode ser usado em instalações fixas para monitorar 0 estado vegetativo de plantações ou do capim de pastos, conforme apresentado esquematicamente pela figura 9. As áreas podem estar sendo irrigadas ou fertirrigadas artificialmente, desta maneira, a invenção pode ser empregada para mensurar o desempenho da irrigação e/ou da composição de nutrientes da fertirrigação.

[11600] Exemplo 6 - Uso do Dispositivo para monitoramento do estado vegetativo de áreas de conservação/conservometria.

[11700] A invenção é também útil para a análise de áreas florestais, em especial, mas não limitado a, aquelas que estejam sendo empregadas em atividades de conservação ambiental. Em particular, o dispositivo e método da invenção proporcionam a medição do grau de fotossíntese de uma determina área, proporcionando uma medida do grau de fixação de carbono. Neste contexto, o dispositivo da invenção é vantajosamente utilizado em conjunto com o Conservômetro, conforme descrito no pedido de patente co-pendente BR 102019021409-0, intitulado “Conservômetro, Equipamento e Sistema para a Transdução de Sinal em Créditos de Conservação e para a Documentação de Métricas de Conservação ou Recuperação de Ativos Ambientais”, incorporado aqui por referência. Este uso do dispositivo da invenção pode ser de forma similar aos usos anteriores, seja em veículos, seja em embarcações, como na figura 8 (que inclusive pode avaliar o estado de matas ciliares), seja em instalações fixas como representado pela figura 9.

[11800] Nesse exemplo, o cômputo de índices como o NDVI pode ser convertido em índices ou créditos de conservação. Por exemplo, índices mais altos podem refletir mais créditos, posto que refletem melhor estado da vegetação em geral.

Claims (7)

1. Dispositivo para avaliar o estado de vegetais ou outros organismos clorofilados caracterizado por compreender: uma câmera configurada para detectar radiação VIS, NIR, SWIR e/ou IR de plantas em uma posição em ângulo inclinado; uma lente ou um conjunto de lentes que ampliam o campo de visão desta câmera; um microcomputador configurado para proporcionar um ou mais índices com base na radiação detectada.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por adicionalmente compreender um invólucro com sistema de estabilização, exaustão de calor e proteção contra choques.
3. Método para avaliar o estado de vegetais ou outros organismos clorofilados caracterizado por compreender os passos de: obter imagens dos vegetais em ângulo inclinado; computar um ou mais índices derivados das imagens ou vídeos capturados; e correlacionar o referido índice com o estado do fisiológico dos vegetais analisados.
4. Método de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por compreender as etapas de: preparar uma representação poligonal da área de vegetação a ser analisada, como área de plantio ou de preservação; configurar a rede de dados do dispositivo, quando necessário; obter os parâmetros de campo de visão da câmera e usar subsistema específico para determinar o ângulo de inclinação da câmera; afixar o dispositivo em veículo terrestre, aquático ou aéreo; operar o dispositivo de forma automática para captura de imagens e/ou vídeos nas diferentes faixas de frequência; e obter dados e computar os diferentes índices obtidos das imagens ou vídeos capturados durante a operação.
5. Método de acordo com a reivindicação 3 caracterizado por compreender uma etapa de enviar um sinal de comando para acionamento de um ou mais bicos de injeção de uma pulverizadora terrestre ou de um avião de pulverização, de acordo com as leituras realizadas durante a passagem da referida pulverizadora.
6. Veículo ou implemento agrícola caracterizado por compreender: um dispositivo de acordo com a reivindicação 1; e um sistema em closed loop que converte os índices computados pelo dispositivo em comandos capazes de mudar o regime de operação do veículo ou implemento agrícola.
7. Veículo ou implemento agrícola de acordo com a reivindicação 6 caracterizado pelo fato de compreender um acionador comandado por sinal advindo do referido dispositivo para comandar uma pulverizadora para: ajustar a quantidade de pesticida e localização relativa dos bicos a serem acionados; escolher a substância a ser pulverizada nos referidos bicos; e/ou combinar duas ou mais substâncias diretamente nos bicos que serão acionados.

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