IT201900001891A1 - Method for monitoring plant surfaces - Google Patents

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Antonio Motisi
Mario Minacapilli
Santo Orlando
Mauro Sarno
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Univ Degli Studi Di Palermo
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Description

Descrizione dell'invenzione dal titolo: Metodo per il monitoraggio di superfici vegetali Description of the invention entitled: Method for monitoring plant surfaces

Sfondo dell'invenzione Background of the invention

La presente invenzione si riferisce al settore della diagnostica ambientale poiché un metodo per il monitoraggio dello stato fisiologico dei tappeti erbosi e di altre tipologie di coperture naturali che può essere anche impiegato per una accurata caratterizzazione e gestione delle coperture vegetali quali ad esempio campi sportivi, aree verdi naturali o artificiali. The present invention refers to the field of environmental diagnostics since a method for monitoring the physiological state of lawns and other types of natural coverings that can also be used for an accurate characterization and management of plant coverings such as sports fields, areas natural or artificial greens.

Stato dell'arte State of the art

Lo studio del comportamento spettrale di una superficie naturale consiste nella caratterizzazione della cosiddetta firma spettrale della superficie investigata, ovvero la quantificazione del comportamento radiometrico di una superficie, in genere espresso in termini di percentuale di energia radiante (luce solare o artificiale) che viene riflessa alle diverse lunghezze d’onda nel dominio dello spettro elettromagnetico compreso fra la regione del visibile (VIS) e quello dell’infrarosso a onde corte (SWIR). Tale percentuale, denominata riflettanza, può essere considerata come una firma univoca della superficie osservata a parità di condizioni proprie ed intrinseche quali umidità, contenuto organico composizione mineralogica dei suoli e stato idrico, contenuto di clorofilla e struttura fogliare nel caso di vegetazione, le cui variazioni si riflettono direttamente nella firma stessa. The study of the spectral behavior of a natural surface consists in the characterization of the so-called spectral signature of the investigated surface, i.e. the quantification of the radiometric behavior of a surface, generally expressed in terms of the percentage of radiant energy (solar or artificial light) that is reflected at the different wavelengths in the domain of the electromagnetic spectrum between the visible (VIS) and short-wave infrared (SWIR) regions. This percentage, called reflectance, can be considered as a unique signature of the surface observed under the same intrinsic conditions such as humidity, organic content, mineralogical composition of soils and water status, chlorophyll content and leaf structure in the case of vegetation, the variations of which are reflected directly in the signature itself.

La firma spettrale della vegetazione nelle bande del visibile dipende dalla presenza di pigmenti clorofilliani che assorbono la radiazione luminosa con lunghezza d'onda intorno a 450 nm (blu) e 650 nm (rosso) e riflettono parzialmente la radiazione verde (lunghezza d'onda di 550 nm). The spectral signature of vegetation in the visible bands depends on the presence of chlorophyll pigments that absorb light radiation with a wavelength around 450 nm (blue) and 650 nm (red) and partially reflect green radiation (wavelength of 550 nm).

La struttura fogliare è invece responsabile del comportamento spettrale nelle bande del vicino infrarosso (NIR), tra 700 e 1350 nm, e provoca una riflessione molto elevata, nell'ordine del 50-70%, dell'energia incidente, mentre il contenuto idrico fogliare è responsabile dell’assorbimento nel dominio dell'infrarosso a onde corte (SWIR), tra 1350 e 2200 nm, che si evidenzia nello spettro con le cosiddette “buche di assorbimento” centrate intorno a 1400 e 1900 nm (Gomarasca M., 1997. Introduzione a telerilevamento e GIS per la gestione delle risorse agricole e ambientali, Edito da A.I.T., Associazione Italiana Telerilevamento). The leaf structure is instead responsible for the spectral behavior in the near infrared (NIR) bands, between 700 and 1350 nm, and causes a very high reflection, in the order of 50-70%, of the incident energy, while the leaf water content is responsible for the absorption in the short wave infrared domain (SWIR), between 1350 and 2200 nm, which is highlighted in the spectrum with the so-called "absorption holes" centered around 1400 and 1900 nm (Gomarasca M., 1997. Introduction to remote sensing and GIS for the management of agricultural and environmental resources, Published by A.I.T., Italian Remote Sensing Association).

Gli indici spettrali di vegetazione (VI), utilizzando valori caratteristici e specifici della firma spettrale, consentono di esprimere in maniera numerica determinati stati fisiologici della vegetazione. The spectral indices of vegetation (VI), using characteristic and specific values of the spectral signature, allow to numerically express certain physiological states of the vegetation.

Ad esempio, dalla combinazione dei valori di riflettanza nelle bande del rosso (RRED) e dell’infrarosso (RNIR) si definisce l’indice denominato Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) che esprime il vigore della copertura vegetale attraverso la seguente espressione: For example, from the combination of the reflectance values in the red (RRED) and infrared (RNIR) bands, the index called Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) is defined, which expresses the vigor of the vegetation cover through the following expression:

L’indice NDVI assume un valore tra 0 e 1 (Rouse, J.W., Jr., R.H. Haas, J.A. Schell, and D.W. Deering. 1973. Monitoring the vernal advancement and retrogradation (green wave effect) of natural vegetation. Prog. Rep. RSC 1978-1, Remote Sensing Center, Texas A&M Univ., College Station, 93p. NTIS No. E73-106393) ed è in grado di stimare indirettamente parametri fisiologici della vegetazione come l’indice di area fogliare (LAI, Leaf Area Index), il fattore di ricoprimento al suolo (Fc, Fraction Cover) e i coefficienti colturali (Kc, Crop Index). The NDVI index assumes a value between 0 and 1 (Rouse, J.W., Jr., R.H. Haas, J.A. Schell, and D.W. Deering. 1973. Monitoring the vernal advancement and retrogradation (green wave effect) of natural vegetation. Prog. Rep. RSC 1978-1, Remote Sensing Center, Texas A&M Univ., College Station, 93p. NTIS No. E73-106393) and is able to indirectly estimate physiological parameters of vegetation such as the Leaf Area Index (LAI) ), the soil cover factor (Fc, Fraction Cover) and the crop coefficients (Kc, Crop Index).

Ulteriori indici radiometrici sono per esempio l’indice EVI (Enhanced Vegetation Index), l’indice SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), l’indice di verde GI (Green Index). Additional radiometric indices are for example the EVI index (Enhanced Vegetation Index), the SAVI index (Soil Adjusted Vegetation Index), the GI green index (Green Index).

Detti ulteriori indici, analogamente all’indice NDVI, si basano comunque su diverse combinazioni algebriche della riflettanza spettrale nel dominio VIS-NIR. Such further indices, similarly to the NDVI index, are however based on different algebraic combinations of the spectral reflectance in the VIS-NIR domain.

E’ disponibile un’estesa banca dati di indici di vegetazione ad oggi proposti nella letteratura scientifica in funzione anche del tipo di applicazione e/o monitoraggio (Università di Bonn, Institute of Crop Science and Resource Conservation – INRES, http://www.indexdatabase.de). An extensive database of vegetation indices currently proposed in the scientific literature is available, also depending on the type of application and / or monitoring (University of Bonn, Institute of Crop Science and Resource Conservation - INRES, http: // www. indexdatabase.de).

Oltre alle tecniche di telerilevamento (remote sensing) per la stima indiretta degli indici di vegetazione, sono stati sviluppati nell’ultimo decennio misuratori portatili e puntuali per la misura diretta degli indici di vegetazione. I sistemi attualmente disponibili si differenziano fra loro per il tipo di sorgente impiegata, luce naturale o luce artificiale, per le bande dello spettro elettromagnetico esplorate, per il tipo di sensore utilizzato, sensore puntuale o sensore a matrice di pixel, per il tipo dato elaborato ottenibile, come per esempio singolo valore numerico o immagine con valori numerici associati. In addition to remote sensing techniques for indirect estimation of vegetation indices, portable and punctual meters for direct measurement of vegetation indices have been developed in the last decade. The systems currently available differ from each other for the type of source used, natural light or artificial light, for the bands of the electromagnetic spectrum explored, for the type of sensor used, point sensor or pixel matrix sensor, for the type of data processed obtainable, as for example single numerical value or image with associated numerical values.

Tra i sistemi noti sono classificati come sistemi passivi quelli che si basano sulla misura della riflessione della radiazione solare dalle superfici in osservazione. La misura ottenibile dai sistemi passivi deve tener conto della variabilità temporale e meteorologica della radiazione solare incidente e quindi opportunamente sottoposta a correzione. Tra si sistemi passivi si annoverano i misuratori puntuali senza acquisizione di immagini per la stima della clorofilla o di un unico indice di vegetazione (FieldScout CM 1000, Spectrum Technologies, inc.), le applicazioni basate sull’acquisizione di immagini nella sola banda verde (FieldScout GreenIndex+, Spectrum Technologies, inc.), i sistemi che si basano sull’impiego di camere digitali multispettrali che acquisiscono immagini in condizioni di illuminazione naturale (Tetracam ADC, Tetracam inc.), in genere installate su piattaforme remote come droni, aerostati e kites. Among the known systems, those based on the measurement of the reflection of solar radiation from the surfaces under observation are classified as passive systems. The measurement obtainable from passive systems must take into account the temporal and meteorological variability of the incident solar radiation and therefore appropriately subjected to correction. Passive systems include point gauges without image acquisition for the estimation of chlorophyll or a single vegetation index (FieldScout CM 1000, Spectrum Technologies, inc.), Applications based on the acquisition of images in the green band only ( FieldScout GreenIndex +, Spectrum Technologies, inc.), Systems based on the use of multispectral digital cameras that acquire images in natural lighting conditions (Tetracam ADC, Tetracam inc.), Generally installed on remote platforms such as drones, balloons and kites.

I sistemi attivi si basano invece sull’uso di una sorgente propria il cui flusso radiante è definito e costante. La misura ottenibile dai sistemi attivi non richiede correzioni dovute alla variabilità della sorgente radiante e consente di ottenere calibrazioni in riflettanza indipendenti dalle condizioni e dal momento della misura e quindi univoche. Active systems, on the other hand, are based on the use of their own source whose radiant flux is defined and constant. The measurement obtainable from active systems does not require corrections due to the variability of the radiant source and allows to obtain calibrations in reflectance independent from the conditions and from the moment of measurement and therefore univocal.

I sistemi attivi già sviluppati sono soprattutto sistemi puntuali, che utilizzano specifiche sorgenti luminose proprie in grado di misurare indici spettrali univoci e pre-impostati ma senza supporto di acquisizione di immagini (FieldScout TCM 500, Spectrum Technologies, inc.; GreenSeeker Crop Sensing System, Trimble, inc.). The active systems already developed are mainly point systems, which use specific light sources capable of measuring unique and pre-set spectral indices but without image acquisition support (FieldScout TCM 500, Spectrum Technologies, inc .; GreenSeeker Crop Sensing System, Trimble, inc.).

Sia per i sistemi passivi che attivi, l’accuratezza delle misurazioni ottenibile dipende anche dall’utilizzo o meno di specifiche calibrazioni interne dei sensori per trasformare il segnale misurato in valore di riflettanza spettrale e/o di indice di vegetazione. Per esempio i sensori passivi sia puntuali che con supporto di immagini sono in genere calibrati per ottenere direttamente misure dell’indice NDVI, senza fornire il valore di riflettanza nelle bande osservate. Invece, i sistemi di tipo attivo, disponibili sul mercato, sono in genere dotati di una calibrazione interna in grado di fornire un valore medio di NDVI, ma non forniscono immagini in grado di evidenziare le variazioni di NDVI all’interno della superficie osservata. For both passive and active systems, the accuracy of the measurements that can be obtained also depends on whether or not specific internal calibrations of the sensors are used to transform the measured signal into a spectral reflectance and / or vegetation index value. For example, both point and image-supported passive sensors are generally calibrated to directly obtain measurements of the NDVI index, without providing the reflectance value in the observed bands. On the other hand, active systems, available on the market, are generally equipped with an internal calibration capable of providing an average value of NDVI, but do not provide images capable of highlighting the variations of NDVI within the observed surface.

Attualmente, tra i sistemi attivi non sono disponibili strumenti in grado di derivare sotto forma di immagine informazioni spettrali su più lunghezze d’onda e corredati di calibrazioni interne in grado di stimare sia la riflettanza spettrale che uno o più indici di vegetazione da essa derivati. Infatti l’unico sistema attivo corredato di supporto di immagine riscontrato in letteratura e’ il cosidetto “Light box” (scatola di luce) che utilizza sorgenti a sola luce bianca ottenuta con lampade a fluorescenza, che opera esclusivamente nel campo del visibile e non dispone dell’informazione NIR, poiché utilizza una normale fotocamera digitale (Ghali, I. E., G. L. Miller, G. L. Grabow, and R. L. Huffman. 2012. Using Variability within Digital Images to Improve Tall Fescue Color Characterization. Crop Sci. 52:2365-2374. doi:10.2135/cropsci2011.10.0553; Richardson, M.D., D.E. Karcher, and L.C. Purcell. 2001. Quantifying turfgrass cover using digital image analysis. Crop Sci. 41:1884–1888. doi:10.2135/cropsci2001.1884). Currently, among the active systems there are no tools capable of deriving spectral information on multiple wavelengths in the form of an image and equipped with internal calibrations capable of estimating both the spectral reflectance and one or more vegetation indices derived from it. In fact, the only active system equipped with image support found in literature is the so-called "Light box" which uses only white light sources obtained with fluorescent lamps, which operates exclusively in the visible range and does not have NIR information, as it uses a standard digital camera (Ghali, I. E., G. L. Miller, G. L. Grabow, and R. L. Huffman. 2012. Using Variability within Digital Images to Improve Tall Fescue Color Characterization. Crop Sci. 52: 2365-2374. doi : 10.2135 / cropsci2011.10.0553; Richardson, M.D., D.E. Karcher, and L.C. Purcell. 2001. Quantifying turfgrass cover using digital image analysis. Crop Sci. 41: 1884–1888. Doi: 10.2135 / cropsci2001.1884).

Il sistema sopra descritto non fornisce informazioni nel dominio dell’infrarosso, e permette solo la discriminazione, all’interno delle immagini, della quota di suolo ricoperta da vegetazione (fraction cover). The system described above does not provide information in the infrared domain, and only allows the discrimination, within the images, of the share of soil covered by vegetation (fraction cover).

Problema tecnico Technical problem

I dispositivi noti nell’arte presentano numerosi inconvenienti. Per esempio i sistemi passivi, sia puntuali che di diagnostica per immagini (imaging), dipendono dalla variabilità temporale e meteorologica della radiazione solare incidente e di conseguenza necessitano di taratura per ogni misura. Invece, i sistemi attivi, ad oggi disponibili, consentono di ottenere informazioni spettrali limitate al campo del visibile. The devices known in the art have numerous drawbacks. For example, passive systems, both punctual and diagnostic imaging (imaging), depend on the temporal and meteorological variability of the incident solar radiation and consequently require calibration for each measurement. Instead, the active systems, currently available, allow to obtain spectral information limited to the visible range.

Ulteriormente, non sono disponibili dei sistemi dotati di calibrazione radiometrica assoluta in grado di consentire direttamente la stima dei valori di riflettanza da cui calcolare accuratamente gli indici di vegetazione. Furthermore, there are no systems equipped with absolute radiometric calibration capable of directly allowing the estimate of the reflectance values from which to accurately calculate the vegetation indices.

Il sistema proposto dalla presente invenzione consente di superare gli inconvenienti e le limitazioni dei dispositivi noti nell’arte. The system proposed by the present invention allows to overcome the drawbacks and limitations of the devices known in the art.

Il metodo proposto dalla presente invenzione permette il calcolo degli indici di vegetazione più idonei al monitoraggio delle superfici vegetali, e permette di ottenere dei dati in uscita radiometricamente corretti, consente di monitorare lo stato fisiologico di coperture naturali e manti erbosi al fine di identificare eventuali condizioni anomale o fitopatie in qualsiasi condizione ambientale e d’illuminazione, quindi sia in laboratorio che in campo aperto e senza la necessità di complesse operazioni di taratura, perciò superando i limiti dei sistemi noti nell’arte. The method proposed by the present invention allows the calculation of the most suitable vegetation indices for monitoring plant surfaces, and allows to obtain radiometrically correct output data, allows to monitor the physiological state of natural coverings and turf in order to identify any conditions anomalous or plant diseases in any environmental and lighting conditions, therefore both in the laboratory and in the open field and without the need for complex calibration operations, thus overcoming the limits of the systems known in the art.

Oggetto dell'invenzione Object of the invention

Con riferimento alle rivendicazioni allegate, il problema tecnico viene pertanto risolto fornendo un metodo per il calcolo di indici spettrali di coperture vegetali da monitorare, ottenuti dalle misurazioni della riflettanza spettrale ricavate con il dispositivo oggetto della presente invenzione comprendente i seguenti stadi: With reference to the attached claims, the technical problem is therefore solved by providing a method for the calculation of spectral indices of plant coverings to be monitored, obtained from the measurements of the spectral reflectance obtained with the device object of the present invention comprising the following stages:

a) posizionamento di un dispositivo per la misurazione della riflettanza spettrale di superfici vegetali costituito da una camera multispettrale che opera nella regione dei domini visibile e infrarosso comprendente una camera, esternamente ricoperta di materiale schermante e otticamente riflettente, e all’interno di colore bianco, avente una parete di uscita aperta verso l’esterno e una parete d’entrata, ad essa opposta, che alloggia una telecamera a visione notturna e insiemi di led bianchi e monobanda nei domini spettrali del rosso, verde, blu e vicino infrarosso, disposti su piani inclinati. appoggiandolo sulla superficie di una copertura vegetale da monitorare; a) positioning of a device for measuring the spectral reflectance of plant surfaces consisting of a multispectral chamber operating in the region of the visible and infrared domains comprising a chamber, externally covered with shielding and optically reflective material, and inside white, having an exit wall open to the outside and an entrance wall, opposite it, which houses a night vision camera and sets of white and monoband LEDs in the spectral domains of red, green, blue and near infrared, arranged on inclined planes. placing it on the surface of a plant cover to be monitored;

b) attivazione di led bianchi e successiva l’acquisizione di immagini a colori reali della copertura vegetale da monitorare; b) activation of white LEDs and subsequent acquisition of real color images of the vegetation cover to be monitored;

c) attivazione di led monobanda rosso, verde, blu e vicino infrarosso e successiva acquisizione di immagini della copertura vegetale da monitorare; c) activation of red, green, blue and near infrared monoband LEDs and subsequent acquisition of images of the vegetation cover to be monitored;

d) devignettatura e cropping delle immagini ottenute in b) e c); d) devignetting and cropping of the images obtained in b) and c);

e) calibrazione radiometrica immagini ottenute in d) e calcolo dei valori di riflettanza; e) radiometric calibration of images obtained in d) and calculation of reflectance values;

f) calcolo degli indici di vegetazione. f) calculation of vegetation indices.

Ulteriori caratteristiche della presente invenzione saranno chiare dalla descrizione dettagliata che segue con riferimento alle figure allegate e alle prove sperimentali fornite. Further characteristics of the present invention will become clear from the detailed description which follows with reference to the attached figures and the experimental tests provided.

Breve descrizione delle figure Brief description of the figures

La figura 1 mostra una sezione longitudinale del dispositivo usato nel metodo della presente invenzione. Figure 1 shows a longitudinal section of the device used in the method of the present invention.

La figura 2 mostra il particolare della superfice interna della parete di ingresso del dispositivo rappresentato. Figure 2 shows the detail of the internal surface of the inlet wall of the device shown.

La figura 3 mostra un diagramma a blocchi che schematizza il metodo della presente invenzione. Figure 3 shows a block diagram schematizing the method of the present invention.

La figura 4 mostra in grafico gli istogrammi di frequenza e i valori statistici relativi a mappe di valori di NDVI ottenuti per tre diverse parcelle P1, P2 e P3. Figure 4 graphically shows the frequency histograms and statistical values relating to maps of NDVI values obtained for three different plots P1, P2 and P3.

La figura 5, nel riquadro A mostra in grafico i valori di riflettanza misurate con uno spettroradiometro sulle parcelle P1,P2 e P3 nella regione dello spettro elettromagnetico del VIS-NIR (tra 300 e 900nm), nel riquadro B mostra il confronto tra i valori di NDVI ottenuti con il dispositivo e quelli ricavati dalle firme spettrali misurate con lo spettroradiometro nelle stesse parcelle. Figure 5, in panel A shows in graph the reflectance values measured with a spectroradiometer on the plots P1, P2 and P3 in the electromagnetic spectrum region of VIS-NIR (between 300 and 900nm), in panel B shows the comparison between the values of NDVI obtained with the device and those obtained from the spectral signatures measured with the spectroradiometer in the same plots.

La figura 6 mostra in grafico l’andamento dei valori si NDVI rispetto alla densità di semina su parcelle di L. perenne var. sottoposto e non sottoposto a fertilizzazione. Figure 6 graphically shows the trend of NDVI values with respect to the sowing density on plots of L. perennial var. subjected and not subjected to fertilization.

Descrizione dettagliata dell'invenzione Detailed description of the invention

Definizioni Definitions

Nell’ambito della presente invenzione, per riflettanza spettrale si intende, alle diverse lunghezze d’onda, la percentuale dell’energia radiante riflessa rispetto alla radiazione incidente (luce solare o artificiale. In the context of the present invention, by spectral reflectance we mean, at different wavelengths, the percentage of radiant energy reflected with respect to the incident radiation (solar or artificial light.

Nell’ambito della presente invenzione, per copertura vegetale si intende il manto vegetale che ricopre una superfice come, per esempio, campi sportivi, campi da golf, aree ricreative e spazi verdi, pascoli naturali ed artificiali. In the context of the present invention, green cover means the vegetation covering a surface such as, for example, sports fields, golf courses, recreational areas and green spaces, natural and artificial pastures.

Nell’ambito della presente invenzione, per materiale schermante e otticamente riflettente si intende un materiale di spessore limitato ma sufficiente a garantire l’opacità delle pareti della camera alla radiazione solare esterna, per esempio una lamina metallica, preferibilmente di alluminio. In the context of the present invention, by shielding and optically reflective material is meant a material of limited thickness but sufficient to ensure the opacity of the walls of the chamber to external solar radiation, for example a metal sheet, preferably of aluminum.

Nell’ambito della presente invenzione, per Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) si intende l’indice che esprime lo stato fisiologico della copertura vegetale, In the context of the present invention, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) means the index that expresses the physiological state of the vegetation cover,

che assume un valore tra 0 e 1. which takes a value between 0 and 1.

Nell’ambito della presente invenzione, per EVI (Enhanced Vegetation Index) si intende l’indice che esprime lo stato fisiologico della copertura vegetale, In the context of the present invention, EVI (Enhanced Vegetation Index) means the index that expresses the physiological state of the vegetation cover,

che assume un valore tra -∞ e ∞ which takes on a value between -∞ and ∞

Nell’ambito della presente invenzione, per indice SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index) si intende l’indice che esprime il tasso di copertura vegetale al suolo, In the context of this invention, the SAVI index (Soil Adjusted Vegetation Index) means the index that expresses the rate of vegetation cover on the ground,

che assume un valore tra -∞ e ∞ which takes on a value between -∞ and ∞

Nell’ambito della presente invenzione, per indice di verde GI (Green Index) si intende l’indice che esprime il tasso di pigmenti clorofilliani sulla superfice vegetale, In the context of the present invention, the green index GI (Green Index) means the index that expresses the rate of chlorophyll pigments on the plant surface,

che assume un valore tra -∞ e ∞ which takes on a value between -∞ and ∞

Nell’ambito della presente invenzione, per indice di verde GLI (Green Leaf Index) si intende l’indice che esprime il tasso di pigmenti clorofilliani sulla superfice vegetale, In the context of the present invention, the green index GLI (Green Leaf Index) means the index that expresses the rate of chlorophyll pigments on the plant surface,

che assume un valore tra -∞ e ∞ which takes on a value between -∞ and ∞

Nell’ambito della presente invenzione, per indice VARI (Visible Atmosperically Resistant Index) si intende l’indice esprime che lo stato fisiologico dela vetazione, In the context of the present invention, the VARI index (Visible Atmosperically Resistant Index) means the index expresses that the physiological state of the vetation,

che assume un valore tra -∞ e ∞ which takes on a value between -∞ and ∞

Nell’ambito della presente invenzione per pixel s’intende l’unità elementare che costituisce un’immagine digitale (matrice di pixel). In the context of the present invention, by pixel we mean the elementary unit that constitutes a digital image (pixel matrix).

Nell’ambito della presente invenzione per valori di digital number (numero digitale, DN) si intende il valore numerico corrispondente a ciascun pixel. In the context of the present invention, digital number values (digital number, DN) mean the numerical value corresponding to each pixel.

Nell’ambito della presente invenzione per risoluzione geometrica si intende il numero di pixel che costituisce un’immagine digitale, espressa come numero di righe per numero di colonne. In the context of the present invention, geometric resolution means the number of pixels that make up a digital image, expressed as the number of rows per number of columns.

Nell’ambito della presente invenzione per taratura del sistema si intende l’esecuzione di una o più procedure di imageprocessing da condursi univocamente in laboratorio in fase di predisposizione dello strumento al fine di definire i parametri numerici utilizzati in fase di normale acquisizione. In the context of the present invention, system calibration means the execution of one or more imageprocessing procedures to be conducted univocally in the laboratory during the preparation of the instrument in order to define the numerical parameters used in the normal acquisition phase.

Nell’ambito della presente invenzione per camera multispettrale si intende un dispositivo in grado di fornire immagini digitali costituite da pixel a cui sono associati i valori di riflettanza spettrale della superficie ripresa a diverse lunghezze d’onda. In the context of the present invention, a multispectral camera means a device capable of providing digital images consisting of pixels to which the spectral reflectance values of the surface imaged at different wavelengths are associated.

Nell’ambito della presente invenzione, per maschera si intende un’immagine digitale elaborata in fase di taratura, con risoluzione pari a quella delle immagini acquisite dal sistema, in cui i valori numerici associati ai singoli pixel sono stati opportunamente determinati per correggere eventuali aberrazioni geometriche e radiometriche mediante operazioni matematiche tra pixel corrispondenti della maschera e delle immagini acquisite da correggere. In the context of the present invention, a mask means a digital image processed during the calibration phase, with a resolution equal to that of the images acquired by the system, in which the numerical values associated with the individual pixels have been suitably determined to correct any geometric aberrations. and radiometric operations by means of mathematical operations between corresponding pixels of the mask and of the acquired images to be corrected.

Nell’ambito della presente invenzione per effetto di vignettatura s’intende la riduzione della luminosità dell'immagine che si registra gradualmente e in maniera radiale nei pixel periferici rispetto a quelli della zona centrale. In the context of the present invention, the vignetting effect means the reduction of the brightness of the image that is recorded gradually and radially in the peripheral pixels with respect to those of the central area.

Nell’ambito della presente invenzione, per devignettatura si intende una procedura in grado di correggere i valori di DN dell’immagine acquisita per annullare, tramite applicazione di una maschera correttiva predeterminata in fase di taratura del sistema, l’effetto di vignettatura. In the context of the present invention, devignetting means a procedure capable of correcting the DN values of the acquired image to cancel the vignetting effect by applying a predetermined corrective mask during the calibration phase of the system.

Nell’ambito della presente invenzione, per cropping (ritagliare) si intende una procedura che trasforma l’immagine acquisita eliminando le fasce periferiche costituite da un certo numero di pixel ricavati in fase di taratura generalmente affetti da eccessive aberrazioni ottiche. In the context of the present invention, cropping means a procedure that transforms the acquired image by eliminating the peripheral bands consisting of a certain number of pixels obtained during the calibration phase, generally affected by excessive optical aberrations.

Nell’ambito della presente invenzione, per correzione radiometrica, o calibrazione spettrale in riflettanza, si intende una procedura che, per ogni banda spettrale, R rosso,G verde,B blu ,IR infrarosso, trasforma i valori di Digital Number dei pixel delle immagini acquisite dal sistema, in valori di riflettanza spettrale ottenuti mediante applicazione di una apposita maschera correttiva predeterminata in fase di taratura del sistema. In the context of the present invention, by radiometric correction, or spectral calibration in reflectance, is meant a procedure which, for each spectral band, R red, G green, B blue, IR infrared, transforms the Digital Number values of the image pixels acquired by the system, in spectral reflectance values obtained by applying a specific corrective mask predetermined during the system calibration phase.

La presente invenzione riguarda, con riferimento alle rivendicazioni e alle figure allegate, è un metodo per il monitoraggio e la caratterizzazione di coperture vegetali che prevede i seguenti stadi: The present invention relates, with reference to the claims and the attached figures, to a method for monitoring and characterizing vegetation cover which provides for the following stages:

a) posizionamento di un dispositivo 1 per la misurazione della riflettanza spettrale di superfici vegetali comprendente una camera 2 dotata di una parete d’ingresso 3 una parete di uscita aperta 4 e delle pareti laterali aventi le superfici esterne 6 rivestite con un materiale schermante e otticamente riflettente e le superfici interne 7 di colore bianco in cui nella parte centrale della parete di ingresso è fissata una videocamera a visione notturna 8 operante nell’intervallo spettrale compreso tra 400 e 1100 nm e con risoluzione geometrica non inferiore a 1296x972 pixel ai lati della quale sono posizionati due piani 10,11 simmetrici fra loro ed inclinati di un angolo ɑ compreso tra 25 e 35 gradi rispetto alla perpendicolare della direzione d’ingresso che presentano sulle superfici 12,13 rivolte verso la parete d’ingresso un sistema di illuminazione a led consistente di: almeno un led o una serie di led a luce bianca, disposti in serie o parallelo, che emette nell’intervallo di lunghezza d’onda compreso tra 400 e 800 nm; almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 460 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm; almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 520 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm; almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 630 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm; almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 830 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 30 nm a) positioning of a device 1 for measuring the spectral reflectance of plant surfaces comprising a chamber 2 equipped with an entrance wall 3 an open exit wall 4 and side walls having the external surfaces 6 coated with a shielding material and optically and the internal surfaces 7 of white color in which in the central part of the entrance wall is fixed a night vision video camera 8 operating in the spectral range between 400 and 1100 nm and with a geometric resolution of not less than 1296x972 pixels on the sides of which two planes 10,11 are positioned which are symmetrical to each other and inclined by an angle ɑ between 25 and 35 degrees with respect to the perpendicular of the entrance direction which have a LED lighting system on the surfaces 12,13 facing the entrance wall consisting of: at least one LED or a series of white light LEDs, arranged in series or parallel, which emits in the interval of wavelength between 400 and 800 nm; at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with emission peak at 460 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm; at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with emission peak at 520 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm; at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with an emission peak at 630 nm and a Full Width at Half Maximum of 20 nm; at least one LED or series of LEDs, arranged in series or parallel, with emission peak at 830 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 30 nm

appoggiandolo sulla superficie di una copertura vegetale da monitorare; placing it on the surface of a plant cover to be monitored;

b) Attivazione di led monocromatici bianchi, che emettono nell’intervallo di lunghezza d’onda compreso tra 400 e 800 nm, ad acquisire delle immagini a colori reali della copertura vegetale da monitorare; b) Activation of white monochromatic LEDs, which emit in the wavelength range between 400 and 800 nm, to acquire real color images of the vegetation cover to be monitored;

c) Attivazione di led nomobanda, blu con picco di emissione a 460 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm, verde con picco di emissione a 520 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm, rosso con picco di emissione a 630 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm, e infrarosso con picco di emissione a 830 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 30 nm, ad ottenere immagini monobanda per ciascun tipo di led della copertura vegetale da monitorare; c) Activation of non-band LEDs, blue with emission peak at 460 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm, green with emission peak at 520 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm, red with peak emission at 630 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm, and infrared with emission peak at 830 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 30 nm, to obtain monoband images for each type of LED of the plant cover to be monitored;

d) devignettatura e cropping delle immagini ottenute in b) e c) d) devignetting and cropping of the images obtained in b) and c)

e) Calibrazione radiometrica delle immagini ottenute in d) mediante applicazione di maschere di calibrazione radiometrica, per trasformare i valori di numero digitale dei singoli pixel di ciascuna immagine ottenuta nello stadio d) in valori di riflettanza (R). e) Radiometric calibration of the images obtained in d) by applying radiometric calibration masks, to transform the digital number values of the individual pixels of each image obtained in stage d) into reflectance values (R).

f) calcolo degli indici di vegetazione: f) calculation of vegetation indices:

in cui RNIR è l’immagine contenente per ciascun pixel i valori di riflettanza nella banda dell’infrarosso ottenuta al punto e). in which RNIR is the image containing for each pixel the reflectance values in the infrared band obtained in point e).

RRED è l’immagine contenente per ciascun pixel i valori di riflettanza nella banda del rosso ottenuta al punto e). RRED is the image containing for each pixel the reflectance values in the red band obtained in point e).

RGREEN è l’immagine contenente per ciascun pixel i valori di riflettanza nella banda del verde ottenuta al punto e). RGREEN is the image containing for each pixel the reflectance values in the green band obtained in point e).

RBLUE è l’immagine contenente per ciascun pixel i valori di riflettanza nella banda del blu ottenuta al punto e). RBLUE is the image containing for each pixel the reflectance values in the blue band obtained in point e).

Nello stadio a) gli almeno un led o una serie di led a luce bianca, disposti in serie o parallelo, che emette nell’intervallo di lunghezza d’onda compreso tra 400 e 800 nm, sono a luce bianca; In stage a) the at least one LED or a series of white light LEDs, arranged in series or parallel, which emits in the wavelength range between 400 and 800 nm, are white light;

Nello stadio a) gli almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 460 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 sono monocromatici blu; In stage a) the at least one LED or series of LEDs, arranged in series or parallel, with emission peak at 460 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 are blue monochromatic;

Nello stadio a) gli almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 520 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm; sono monocromatici verde; In stage a) the at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with an emission peak at 520 nm and a Full Width at Half Maximum of 20 nm; they are monochromatic green;

Nello stadio a) gli almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 630 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm; sono monocromatici rosso; In stage a) the at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with emission peak at 630 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm; they are monochromatic red;

Nello stadio a) gli almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 830 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 30 nm, emettono nell’infrarosso; In stage a) the at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with an emission peak at 830 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 30 nm, emit in the infrared;

Nello stadio a) lateralmente alla videocamera a visione notturna 8 è anche disposto un foro passante 9 e detto foro passante permette di alloggiare facoltativamente una fibra ottica di un spettroradiometro. Detta fibra ottica viene impiegata per eventuali operazioni di verifica periodica sul flusso radiativo emesso dal sistema di LED. In stage a) laterally to the night vision video camera 8 there is also a through hole 9 and said through hole allows to optionally house an optical fiber of a spectroradiometer. Said optical fiber is used for any periodic check operations on the radiative flux emitted by the LED system.

Nello stadio a) il dispositivo può comprendere ulteriormente opportuni mezzi di alimentazione per i singoli led da i) a v) e per la videocamera. In stage a) the device can further comprise suitable power supply means for the individual LEDs i) to v) and for the video camera.

Nello stadio a) il dispositivo può comprendere ulteriormente opportuni mezzi che lo collegano ad un sistema di acquisizione e immagazzinamento dei dati. In stage a) the device can further comprise suitable means which connect it to a data acquisition and storage system.

Nello stadio a) preferibilmente l’angolo ɑ è pari a 30°. In step a) preferably the angle ɑ is equal to 30 °.

Nello stadio d) sono impiegate delle maschere correttive, predeterminate durante la predisposizione e taratura del dispositivo svolta utlizzando tecniche convenzionali di imageprocessing come descritto in Kelcey J. and Lucieer A. (2012). Sensor Correction of a 6-Band Multispectral Imaging Sensor for UAV Remote Sensing, Remote Sens. 2012, 4(5), 1462-1493. Vengono acquisite delle immagini per ogni banda spettrale, R rosso, G verde, B blu , IR infrarosso su una superficie piana e omogenea di riferimento; viene svolta, su base analiticomatematica, l’analisi della variabilità dei valori di numero digitale per ciascuna delle immagini di riferimento acquisite lungo gli assi principali e diagonali della stessa e svolta la verifica della simmetria radiale dell’effetto di vignettatura. In seguito viene eseguito il calcolo, per ogni lunghezza d’onda, della maschera di devignettatura ottenuta calcolando, per ciascun pixel, il rapporto adimensionale (∆DN) fra il valore di numero digitale nella zona centrale dell’immagine, non affetta da aberrazione, e il valore di DN del pixel stesso. Viene determinata una ulteriore maschera correttiva di cropping che per ogni lunghezza d’onda elimina le fasce periferiche costituite da un certo numero di pixel ricavati in precedenza generalmente affetti da eccessive aberrazioni ottiche non correggibili in fase di devignettatura. In step d) corrective masks are used, predetermined during the setup and calibration of the device carried out using conventional imageprocessing techniques as described in Kelcey J. and Lucieer A. (2012). Sensor Correction of a 6-Band Multispectral Imaging Sensor for UAV Remote Sensing, Remote Sens. 2012, 4 (5), 1462-1493. Images are acquired for each spectral band, R red, G green, B blue, infrared IR on a flat and homogeneous reference surface; the analysis of the variability of the digital number values for each of the reference images acquired along the main and diagonal axes of the same is carried out on an analytic-mathematical basis and the verification of the radial symmetry of the vignetting effect is carried out. Then the calculation is performed, for each wavelength, of the devignetting mask obtained by calculating, for each pixel, the dimensionless ratio (∆DN) between the digital number value in the central area of the image, not affected by aberration, and the DN value of the pixel itself. A further corrective cropping mask is determined which for each wavelength eliminates the peripheral bands consisting of a certain number of pixels previously obtained, generally affected by excessive optical aberrations that cannot be corrected during the devignetting phase.

La superficie piana e omogenea di riferimento può essere disponibile commercialmente (Reflectance Reference Targets, Labsphere, US). The flat, homogeneous reference surface may be commercially available (Reflectance Reference Targets, Labsphere, US).

Nello stadio e) le maschere di calibrazione radiometrica, sono predeterminate in una fase di taratura del dispositivo utilizzando tecniche convenzionali come descritto in Kelcey J. and Lucieer A. (2012). Sensor Correction of a 6-Band Multispectral Imaging Sensor for UAV Remote Sensing, Remote Sens. 2012, 4(5), 1462-1493.). Vengono acquisite immagini R rosso, G verde, B blu , IR infrarosso di una superficie piana di riferimento ottenuta accostando dei 10 pannelli di riferimento a riflettanza nota e omogenea variabile da 2% a 99%. Viene estratto per ciascun pannello di riferimento e per ciascuna banda spettrale, il valore medio dei numeri digitali dei relativi pixel e viene calcolata per ciascuna banda spettrale, dell’equazione lineare di trasformazione fra numero digitale e riflettanza spettrale mediante tecnica di regressione lineare con metodo dei minimi quadrati come descritto in Chatterjee, S., Hadi, A. S. and Price, B. (2000). Regression Analysis by Example. 3rd ed., John Wiley & Sons, New York, avente la seguente equazione: In step e) the radiometric calibration masks are predetermined in a device calibration step using conventional techniques as described in Kelcey J. and Lucieer A. (2012). Sensor Correction of a 6-Band Multispectral Imaging Sensor for UAV Remote Sensing, Remote Sens. 2012, 4 (5), 1462-1493.). R red, G green, B blue, infrared IR images of a flat reference surface are acquired by juxtaposing 10 reference panels with known and homogeneous reflectance varying from 2% to 99%. For each reference panel and for each spectral band, the average value of the digital numbers of the relative pixels is extracted and the linear transformation equation between digital number and spectral reflectance is calculated for each spectral band by means of a linear regression technique with the method of least squares as described in Chatterjee, S., Hadi, A. S. and Price, B. (2000). Regression Analysis by Example. 3rd ed., John Wiley & Sons, New York, having the following equation:

in cui ai e bi sono i valori dei parametri di “intercetta” e “pendenza” ottenuti con il metodo dei minimi quadrati per ciascuna sorgente LEDi. Infine vengono calcolati e archiviati, per ciascuna banda spettrale, delle maschere di calibrazioni radiometriche contenenti i valori dei parametri ai e bi come ottenuti in precedenza. where ai and bi are the values of the “intercept” and “slope” parameters obtained with the least squares method for each LEDi source. Finally, for each spectral band, radiometric calibration masks are calculated and stored containing the values of the parameters ai and bi as previously obtained.

I pannelli di riferimento a riflettanza nota e omogenea variabile da 2% a 99%. possono essere disponibili commercialmente SRS-02, SRS-05, SRS-10, SRS-20, SRS-40, SRS-50, SRS-60, SRS-75, SRS-80, SRS-99 (Reflectance Reference Targets, Labsphere, USA). Reference panels with known and homogeneous reflectance ranging from 2% to 99%. commercially available SRS-02, SRS-05, SRS-10, SRS-20, SRS-40, SRS-50, SRS-60, SRS-75, SRS-80, SRS-99 (Reflectance Reference Targets, Labsphere, USA).

Il metodo della presente invenzione può essere impiegato per il monitoraggio dell’efficacia degli interventi colturali operati nella gestione dei tappeti erbosi di campi sportivi, campi da golf, aree ricreative e spazi verdi, pascoli naturali e artificiali. The method of the present invention can be used for monitoring the effectiveness of crop interventions operated in the management of turf of sports fields, golf courses, recreational areas and green spaces, natural and artificial pastures.

Esempi Examples

Al fine di verificare il funzionamento del dispositivo è stata condotta una campagna sperimentale di validazione presso l’Azienda Didattico-Sperimentale Castelnuovo dell’Università degli Studi di Palermo, dove sono state realizzate una serie di parcelle sperimentali di dimensioni 1,1 m x 0,8 m con substrato costituito da 75% sabbia, 15% limo e 10% argilla, su cui è stata seminata, a diverse densità, una specie Poacea da tappeto erboso, Lolium perenne var. pronto. I rilievi sono stati condotti su parcelle con differenti gradi di copertura al suolo. Oltre alle immagini acquisite con il dispositivo sono state condotte delle misure spettrali utilizzando uno spettroradiometro ottico (ASD) al fine di determinare gli indici di vegetazione da utilizzare come controllo. Sono state ottenute le misurazioni con il dispositivo per tre diverse parcelle sperimentali (P1, P2, P3) caratterizzate da gradi di copertura al suolo e livello di sviluppo del manto erboso differenti. In order to verify the functioning of the device, an experimental validation campaign was carried out at the Castelnuovo Didactic-Experimental Company of the University of Palermo, where a series of experimental plots measuring 1.1 m x 0.8 were created. m with a substrate consisting of 75% sand, 15% silt and 10% clay, on which a grassy carpet Poacea species, Lolium perenne var. ready. The surveys were carried out on plots with different degrees of ground cover. In addition to the images acquired with the device, spectral measurements were carried out using an optical spectroradiometer (ASD) in order to determine the vegetation indices to be used as a control. Measurements with the device were obtained for three different experimental plots (P1, P2, P3) characterized by different degrees of ground cover and level of turf development.

Il confronto tra le immagini (non mostrate) ottenute con il dispositivo in modalità assimilabile al sistema “light-box” (led bianchi) e quelle dei rispettivi indici di vegetazione (NDVI) elaborate dal dispositivo in modalità multispettrale hanno mostrato che le immagini ottenute con il dispositivo sono in grado di enfatizzare le zone con totale copertura vegetale rispetto a quelle a bassa copertura e/o con copertura assente. Dalle immagini ottenute, è stato quantificato l’indice NDVI e la relativa distribuzione spaziale a scala di pixel (mappa di NDVI). The comparison between the images (not shown) obtained with the device in a mode similar to the "light-box" system (white LEDs) and those of the respective vegetation indices (NDVI) processed by the device in multispectral mode showed that the images obtained with the device are able to emphasize the areas with total vegetation cover compared to those with low coverage and / or with no coverage. From the images obtained, the NDVI index and its spatial distribution at pixel scale (NDVI map) was quantified.

La figura 3 mostra gli istogrammi di frequenza, F e i valori statistici relativi alle mappe di NDVI per ogni parcella P1, P2 e P3. Figure 3 shows the histograms of frequency, F and statistical values related to the NDVI maps for each parcel P1, P2 and P3.

Al fine di verificare l’attendibilità dei valori di NDVI calcolati con il metodo della presente invenzione, è stato condotto un confronto fra i valori medi determinati dal sistema su ciascuna parcella e i corrispondenti valori ottenuti dalle firme spettrali misurate contestualmente durante la sperimentazione mediante lo spettro radiometro ASD operante in condizioni di illuminazione naturale, luce solare; i risultati sono mostrati in figura 4. L’analisi di confronto, dimostra accordo fra i valori calcolati con il metodo e quelli dello spettroradiometro, considerato come sistema di riferimento per la caratterizzazione spettrale di superfici naturali omogenee in condizioni di illuminazione naturale. In order to verify the reliability of the NDVI values calculated with the method of the present invention, a comparison was made between the average values determined by the system on each plot and the corresponding values obtained from the spectral signatures measured at the same time during the experimentation by means of the radiometer spectrum. ASD operating in conditions of natural lighting, sunlight; the results are shown in figure 4. The comparison analysis demonstrates agreement between the values calculated with the method and those of the spectroradiometer, considered as a reference system for the spectral characterization of homogeneous natural surfaces in natural lighting conditions.

Infine è stata valutata la valenza agronomica, confrontando l’NDVI misurato su parcelle sottoposte a fertilizzazione con concime complesso rispetto a parcelle non fertilizzate. I risultati mostrati nella figura 5 evidenziano che per tutte le densità di semina saggiate, nelle parcelle fertilizzate l’NDVI è risultato sempre più elevato rispetto a quelle non sottoposte a fertilizzazione, evidenziando come tale strumento possa fornire un valido supporto nel valutare l’efficacia di specifici interventi agronomici/colturali. Finally, the agronomic value was assessed by comparing the NDVI measured on plots subjected to fertilization with complex fertilizer compared to non-fertilized plots. The results shown in figure 5 show that for all the sowing densities tested, in the fertilized plots the NDVI was always higher than in those not subjected to fertilization, highlighting how this tool can provide valid support in evaluating the effectiveness of specific agronomic / cultural interventions.

Claims (3)

RIVENDICAZIONI 1) Metodo per il monitoraggio e la caratterizzazione di coperture vegetali che prevede i seguenti stadi: a) posizionamento di un dispositivo per la misurazione della riflettanza spettrale di superfici vegetali (1) comprendente una camera (2) dotata di una parete d’ingresso (3) una parete di uscita aperta (4) e delle pareti laterali (5)aventi le superfici esterne (6) rivestite con un materiale schermante e otticamente riflettente e le superfici interne (7) di colore bianco in cui nella parte centrale della parete di ingresso è fissata una videocamera a visione notturna (8) operante nell’intervallo spettrale compreso tra 400 e 1100 nm e con risoluzione geometrica non inferiore a 1296x972 pixel ai lati della quale sono posizionati due piani (10), (11) simmetrici fra loro ed inclinati di un angolo ɑ compreso tra 25 e 35 gradi rispetto alla perpendicolare della direzione d’ingresso che presentano sulle superfici (12), (13) rivolte verso la parete d’ingresso un sistema di illuminazione a led consistente di: almeno un led o una serie di led a luce bianca, disposti in serie o parallelo, che emette nell’intervallo di lunghezza d’onda compreso tra 400 e 800 nm; almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 460 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm; almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 520 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm; almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 630 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm; almeno un led o una serie di led, disposti in serie o parallelo, con picco di emissione a 830 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 30 nm e lateralmente alla videocamera a visione notturna (8) è disposto un foro passante (9) appoggiandolo sulla superficie di una copertura vegetale da monitorare; b) Attivazione di led monocromatici bianchi, che emettono nell’intervallo di lunghezza d’onda compreso tra 400 e 800 nm, ad acquisire delle immagini a colori reali della copertura vegetale da monitorare; c) Attivazione di led nomobanda, blu con picco di emissione a 460 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm, verde con picco di emissione a 520 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm, rosso con picco di emissione a 630 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 20 nm, e infrarosso con picco di emissione a 830 nm e FWHM larghezza a metà altezza (Full Width at Half Maximum) di 30 nm, ad ottenere immagini monobanda per ciascun tipo di led della copertura vegetale da monitorare; d) devignettatura e cropping delle immagini ottenute negli stadi b) e c); e) Calibrazione radiometrica delle immagini ottenute nello stadio d) mediante applicazione di maschere di calibrazione radiometrica, per trasformare i valori di numero digitale dei singoli pixel di ciascuna immagine ottenuta nello stadio d) in valori di riflettanza (R). f) calcolo degli indici di vegetazione: CLAIMS 1) Method for the monitoring and characterization of plant coverings which includes the following stages: a) positioning of a device for measuring the spectral reflectance of plant surfaces (1) comprising a chamber (2) equipped with an inlet wall (3) an open outlet wall (4) and side walls (5) having the external surfaces (6) coated with a shielding and optically reflective material and the white internal surfaces (7) in which a night vision camera (8) operating in the spectral range between 400 and 1100 nm and with a geometric resolution of not less than 1296x972 pixels on the sides of which are positioned two planes (10), (11) symmetrical to each other and inclined by an angle ɑ between 25 and 35 degrees with respect to the perpendicular of the direction of which have on the surfaces (12), (13) facing the entrance wall a LED lighting system consisting of: at least one LED or a series of white light LEDs, arranged in series or parallel, which emit and in the wavelength range between 400 and 800 nm; at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with emission peak at 460 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm; at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with an emission peak at 520 nm and a Full Width at Half Maximum of 20 nm; at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with emission peak at 630 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm; at least one LED or a series of LEDs, arranged in series or parallel, with an emission peak at 830 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 30 nm and laterally to the night vision camera (8) is arranged a through hole (9) placing it on the surface of a plant cover to be monitored; b) Activation of white monochromatic LEDs, which emit in the wavelength range between 400 and 800 nm, to acquire real color images of the vegetation cover to be monitored; c) Activation of non-band LEDs, blue with emission peak at 460 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm, green with emission peak at 520 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm, red with peak emission at 630 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 20 nm, and infrared with emission peak at 830 nm and FWHM width at half height (Full Width at Half Maximum) of 30 nm, to obtain monoband images for each type of LED of the plant cover to be monitored; d) devignetting and cropping of the images obtained in stages b) and c); e) Radiometric calibration of the images obtained in stage d) by applying radiometric calibration masks, to transform the digital number values of the individual pixels of each image obtained in stage d) into reflectance values (R). f) calculation of vegetation indices: in cui RNIR è l’immagine contenente per ciascun pixel i valori di riflettanza nella banda dell’infrarosso ottenuta allo stadio e), RRED è l’immagine contenente per ciascun pixel i valori di riflettanza nella banda del rosso ottenuta allo stadio e), RGREEN è l’immagine contenente per ciascun pixel i valori di riflettanza nella banda del verde ottenuta allo stadio e), RBLUE è l’immagine contenente per ciascun pixel i valori di riflettanza nella banda del blu ottenuta allo stadio e). in which RNIR is the image containing for each pixel the reflectance values in the infrared band obtained in step e), RRED is the image containing for each pixel the reflectance values in the red band obtained in step e), RGREEN is the image containing for each pixel the reflectance values in the green band obtained in step e), RBLUE is the image containing for each pixel the reflectance values in the blue band obtained in step e). 2) Metodo per il monitoraggio e la caratterizzazione di coperture vegetali secondo la rivendicazione 1) in cui nello stadio d) sono impiegate delle maschere correttive, predeterminate durante la predisposizione e taratura del dispositivo, mediante acquisizione die immagini per ogni banda spettrale, R rosso, G verde, B blu, IR infrarosso su una superficie piana e omogenea di riferimento, analisi della variabilità dei valori di numero digitale per ciascuna delle immagini di riferimento acquisite lungo gli assi principali e diagonali della stessa e verifica della simmetria radiale dell’effetto di vignettatura, calcolo per ogni lunghezza d’onda della maschera di devignettatura ottenuta calcolando per ciascun pixel il rapporto ∆DN fra il valore di numero digitale nella zona centrale dell’immagine e il valore di DN del pixel stesso, e sono impiegate delle ulteriori maschere correttive di cropping che per ogni lunghezza d’onda eliminano le fasce periferiche costituite da pixel affetti da aberrazioni ottiche non correggibili in fase di devignettatura. 2) Method for monitoring and characterizing vegetation cover according to claim 1) in which in stage d) corrective masks are used, predetermined during the preparation and calibration of the device, by means of image acquisition for each spectral band, R red, G green, B blue, infrared IR on a flat and homogeneous reference surface, analysis of the variability of the digital number values for each of the reference images acquired along the main and diagonal axes of the same and verification of the radial symmetry of the vignetting effect , calculation for each wavelength of the devignetting mask obtained by calculating for each pixel the ratio ∆DN between the digital number value in the central area of the image and the DN value of the pixel itself, and further corrective masks of cropping which for each wavelength eliminates the peripheral bands made up of pixels affected by aber optical rations that cannot be corrected in the devignetting phase. 3) Metodo per il monitoraggio e la caratterizzazione di coperture vegetali secondo la rivendicazione 1) in cui nello stadio e) le maschere di calibrazione radiometrica sono predeterminate in una fase di taratura del dispositivo in cui vengono acquisite immagini R rosso, G verde, B blu , IR infrarosso di una superficie piana di riferimento ottenuta accostando dei pannelli di riferimento a riflettanza nota e omogenea variabile da 2% a 99%, viene estratto per ciascun pannello di riferimento e per ciascuna banda spettrale, il valore medio dei numeri digitali dei relativi pixel e viene calcolata per ciascuna banda spettrale, dell’equazione lineare di trasformazione fra numero digitale e riflettanza spettrale mediante tecnica di regressione lineare con metodo dei minimi quadrati, secondo la seguente equazione: 3) Method for monitoring and characterizing vegetation cover according to claim 1) in which in step e) the radiometric calibration masks are predetermined in a device calibration phase in which R red, G green, B blue images are acquired , Infrared IR of a flat reference surface obtained by juxtaposing reference panels with known and homogeneous reflectance ranging from 2% to 99%, the average value of the digital numbers of the relative pixels is extracted for each reference panel and for each spectral band and is calculated for each spectral band, of the linear transformation equation between digital number and spectral reflectance by means of a linear regression technique with the least squares method, according to the following equation: in cui ai e bi sono i valori dei parametri di intercetta e pendenza ottenuti con il metodo dei minimi quadrati per ciascuna sorgente LEDi, vengono calcolati e archiviati, per ciascuna banda spettrale, delle maschere di calibrazioni radiometriche contenenti i valori dei parametri ai e bi. in which ai and bi are the values of the intercept and slope parameters obtained with the least squares method for each LEDi source, radiometric calibration masks containing the values of the parameters ai and bi are calculated and stored for each spectral band.
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