NDVI 카메라

NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)

식생지수[Vegetation Index] 식생지수는 단뒤가 없는 복사 값으로 녹색식물의 상대적 분포량과 활동성, 엽면적 지수, 엽록소 함량, 엽량 및 광합성 흡수 복사량 등과 관련된 지표로 사용된다.

식물을 키우느데 경험에 의한 재배하던 방식에서 탈피 LANDSET기술을 식물의 가시광선(특히 적색 영역) 과 근적외선 영역에서 식물의 반사율 차이를 이용 두 영역에서 관측 되어진 영상에 일정한 수식을 적용 식생 상태를 파악, 각 파장대 영상 간의 비, 차, 선형 조합으로 구현 상태를 확인 조치를 할 수 있는 영상 카메라로 식생의 생태를 제공, 식생에 맞는 조치를 할 수 있는 기술.

 NDVI = (TM4-TM3)/(TM4+TM3)

<출처 : 방범방탄(suntrol) 블로그 - https://blog.naver.com/suntrol/221312433978 자료>

NDVI는 식생이 반사하는 가시광선과 근적외선으로부터 계산해내며 건강한 식생은 가시광선을 대부분 흡수하고 근적외선을 크게 반사한다. 하지만 건강하지 않거나 식생이 드물 경우 가시광선을 비교적 많이 반사해내고 근적외선은 비교적 적게 반사한다.

이 값은 -1 ~ +1 사이의 값을 가질 수 있으나 초록색의 잎은 0에 가까운 값을 갖지 않는다. 즉 이 값이 0에 가까울 경우 식생이 드물거나 없다는 뜻이며 +1에 가까울 수록 초록색 잎의 밀도가 높을 수 있다는 것을 뜻한다.

<출처 : 푸르른(asa4209) 블로그 - https://blog.naver.com/asa4209/221342519173 자료>

NDVI란 간단하게 근적외선(NIR, Near Infrared)대의 반사율을 이용해 작물의 생장 상태를 지수화한 것이다. 그 원리는 근적외선대의 반사율이 작물의 생장 상태를 가장 잘 나타내고 있기 때문이다. 아래의 도표는 그 상관 관계를 보여준다.

왼쪽 그래프는 건강한 풀과 마른 풀의 파장별 반사율이다. 근적외선대에서 그 차이가 현격하다는 걸 알 수 있다. 오른쪽 그래프는 생장이 불량한 작물과 건강한 작물의 파장별 반사율이다. 역시 근적외선대의 차이가 두드러진다는 걸 알 수 있다. 이러한 특정을 이용해 만들어진 지수가 식생지수, 즉 NDVI이다.

공식의 NIR이 근적외선 정보이다. 다른 정보로는 RED or BLUE 값을 사용한다. Green을 사용하지 않는 이유는 생장 상태에 따른 반사율이 일정하지 않아 지수화하는데에 적당하지 않기 때문이다.

NDVI 카메라는 이 근적외선 정보를 얻을 수 있는 카메라이어야 한다. 우리가 사용하는 카메라(RGB카메라)는 적외선대의 파장을 차단하는 필터를 내장하고 있다. IR-CUT 필터라고 한다. 

왼쪽이 적외선을 차단한 사진이고 오른쪽이 차단하지 않은 사진이다. 적외선이 센서에 영향을 미치는 사진이다. RGB밴드에 영향을 미치는 것이다. 카메라 센서가 사람의 눈과 달리 적외선을 볼 수 있기 때문에 벌어지는 현상이다. 이러한 이유로 모든 디지털 카메라에는 적외선 차단 필터가 내장되어 있다.

NDVI 정보는 근적외선대가 핵심으로 일반카메라에서는 사용이 불가능하다. 일반 카메라를 사용하려면 우선적으로 적외선 차단필터를 제거하여야 한다.

적외선 차단 필터는 렌즈와 CMOS/CCD 센서의 사이에 있다.

적외선 차단 필터를 제거함으로 카메라의 센서는 적외선 영역의 정보를 받아들일 수 있게 된다. 이때 적외선 정보는 RGB밴드에 섞여 보여지게 된다.

디지털 카메라의 경우 이미지 정보는 픽셀에 저장된다. 이때 저장되는 정보는 적/녹/청(R/G/B) 정보이다. 센서의 픽셀 하나는 이중의 하나의 값을 0-254까지로 나누어 저장하고, 이런 픽셀들이 모여 이미지를 표현하게 된다. 적외선 차단 필터를 제거하여도 이러한 저장 구조는 바뀌지 않는다. 이에 RGB 데이터가 왜곡되는 형태로 나타나게 된다. 이때 가시광선대를 차단하면 픽셀은 적외선 정보만을 담게 된다.

일반 카메라를 이용하면 RGB 외의 밴드를 별도로 만들 수 없다. 이에 RGB 밴드 중 하나를 차단하고 근적외선대의 파장을 여어주어 근적외선을 저장하는 방법을 이용한다. 

용도에 맞는 필터를 사용함으로써 가능하게 된다.

위 그림의 특성을 가진 필터가 있다. Y축은 투과율이다. 650nm와 850nm파장의 빛은 통과시키고 나머지는 차단하는 필터이다. 이런 필터를 밴드패스 필터라 부르고 위의 그림처럼 두 개의 밴드라면 듀얼 밴드패스 필터라고 한다. 650nm는 적색의 피크(Peak) 파장이고 850nm는 근적외선대의 피크 파장이다.

이 필터는 적색과 근적외선만을 통과시키고 나머지는 차단한다. 그 결과 적색 정보는 정상적으로 기록되고 근적외선 정보는 청색과 녹색 밴드에 기록된다. 이에 NIR을 Blue로 대신하는 식으로 NDVI를 구할 수 있다.

 

필터 자체가 두 개의 단파장대(Narrow band)를 통과시키기 때문에 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있다.

다른 종류의 필터를 사용하는 것으로도 NDVI를 얻을 수 있다.

롱패스 필터는 적색 피크인 650nm에서 1100nm까지의 파장대를 통과시킨다. 적색과 근적외선대를 모두 포함해 통과시키는 것으로 듀얼 밴드패스 필터와 유사한 효과를 얻을 수 있다. 그러나 특성이 다른 적변(Red edge)와 근적외선대가 구분없이 통과하므로 지수는 그 영향을 받는다. 필터가 적색을 띠기 때문에 레드필터(Red filter)로 불리운다. 

NDVI를 구하는 식은 듀얼 밴드 필터와 같다.

 또한 필터가 청색을 띠기 때문에 블루필터로 불리는 blue/NIR 필터를 사용하기도 한다. 이 필터는 적색을 차단하고 청/녹/근적외선 파장을 통과시킨다. 따라서 적색을 NIR로 사용한다.

이경우 NDVI 공식은 아래와 같이 변경된다.

이런 차이에 따라 필터들을 사용한 NDVI를 각각 NDVIRed, NDVIBlue로 구분하기도 한다.

이렇게 일반 카메라의 적외선 차단 필터를 제거하고 적당한 필터를 사용하여 NDVI카메라로 사용 할 수 있다. 그러나 기본적으로 전문적인 멀티스펙트럴 카메라에 비해 정확한 결과를 얻어내는 데에는 한계가 있다.

예로 적색 밴드를 근적외선 정보를 얻는 데에 사용하게 되면 NDVI를 구하는 데에 일반적으로 필요한 적색 정보를 얻을 수 없다.

왼쪽은 정상적인 NDVI이고 오른쪽은 적색 대신 청색을 사용한 경우이다. 쏠림 현상이 심해져 결과적으로 NDVI의 분석이 어려워진다.

위그림의 트리플 밴드패스 필터는 NDVI용 싱글필터이다. 녹색과 적색, 근적외선대를 단파장대로 투과시키는 필터이다. NDVI에 사용되지 않는 녹색대를 투과시키는 트리플 밴드패스 필터로 정통적인 NDVI 뿐만 아니라 다른 지수들을 산출할 수 있다.

예로 녹색을 활용한 다음과 같은 지수들이 있다.

CVI와 TVI는 작물의 잎이 갖고 있는 엽록소 함량을 판단하는 데에 활용되는 지수이며 이를 통해 질소 성분의 함량을 추정한다.

다양한 식생지수들이 존재하고 이 모든 지수들은 각기 다른 정보를 제공하면서 정밀농업에 기여한다.

< 출처 : 새소UAV연구소 - https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=drone-repair&logNo=221264657504&proxyReferer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F >

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