Selection of appropriate multispectral camera exposure settings and radiometric calibration methods for applications in phenotyping and precision agriculture

要約

定量的精密農業では、モデリングや意思決定のための信頼性と再現性のあるデータを生成するために、データの放射測定精度が非常に重要です。
マルチスペクトル画像の放射精度に対する露光時間とゲイン設定の影響は十分に調査されていませんでした。
この研究の目的は、画像取得中に固定露出 (FE) 時間を設定することで、デフォルトの自動露出 (AE) 設定と比較して画像の放射精度が向上するかどうかを判断することでした。
これには、自動露光による誤差を定量化し、放射平均絶対パーセント誤差 (MAPE) が最小 (< 5%) となる理想的な露光値を決定することが含まれていました。 結果は、FE オルソモザイクが AE オルソモザイクよりもグラウンド トゥルース (R2 が高く、MAPE が低い) に近いことを示しました。 露出不足による情報の損失や露出過剰による飽和を生じることなく、林冠や土壌オブジェクトを撮影するための理想的な露出範囲が決定されました。 AE からの誤差のシミュレーションでは、決定された理想的な範囲内の露出設定では、MAPE が青、緑、赤、NIR バンドで 5% 未満、レッド エッジ バンドで 7% 未満であり、理想的な露出上限を超えて指数関数的に増加したことが示されました。 さらに、2 つの異なる生育期の植生指数 (VI) を使用した植物の総窒素摂取量 (g/植物) の予測は、次の場合に真実に近づきました (ほとんどの場合、R2 > 0.40、MAPE = 12 ～ 14%、p < 0.05)。 AE 画像からの予測と比較して、FE が使用されました (ほとんどの場合、R2 < 0.13、MAPE = 15 ～ 18%、p >= 0.05)。

要約(オリジナル)

Radiometric accuracy of data is crucial in quantitative precision agriculture, to produce reliable and repeatable data for modeling and decision making. The effect of exposure time and gain settings on the radiometric accuracy of multispectral images was not explored enough. The goal of this study was to determine if having a fixed exposure (FE) time during image acquisition improved radiometric accuracy of images, compared to the default auto-exposure (AE) settings. This involved quantifying the errors from auto-exposure and determining ideal exposure values within which radiometric mean absolute percentage error (MAPE) were minimal (< 5%). The results showed that FE orthomosaic was closer to ground-truth (higher R2 and lower MAPE) than AE orthomosaic. An ideal exposure range was determined for capturing canopy and soil objects, without loss of information from under-exposure or saturation from over-exposure. A simulation of errors from AE showed that MAPE < 5% for the blue, green, red, and NIR bands and < 7% for the red edge band for exposure settings within the determined ideal ranges and increased exponentially beyond the ideal exposure upper limit. Further, prediction of total plant nitrogen uptake (g/plant) using vegetation indices (VIs) from two different growing seasons were closer to the ground truth (mostly, R2 > 0.40, and MAPE = 12 to 14%, p < 0.05) when FE was used, compared to the prediction from AE images (mostly, R2 < 0.13, MAPE = 15 to 18%, p >= 0.05).

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