سنجنده های حرارتی و چندطیفی قابل بکارگیری روی پهپادها

امکانات کشاورزی دقیق و نقشه برداری حرارتی

وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین کوچک (پهپادها) در ترکیب با دوربین های کم هزینه و سبک وزن RGB به یک ابزار استاندارد برای انجام وظایف فتوگرامتری بدل شده است. با وجود آنکه سنجنده های چند طیفی و حرارتی پتانسیل های خود را تقریباً یک دهه پیش نشان داده اند، تا چندی پیش برای سکوهای کوچک پهپادی بسیار سنگین و حجیم بودند. امروزه، سنجنده های حرارتی و چندطیفی مناسب برای بکارگیری روی پهپادهای کوچک، بطور تجاری در دسترس هستند. به خواندن ادامه دهید تا در ارتباط با قابلیت های آنها برای بکارگیری در کشاورزی دقیق و نقشه برداری حرارتی بیشتر بدانید.

(نوشته شده توسط Stephan Nebiker و Natalie Lack، سوییس)

در بررسی عملکردی نویسنده، دوربین های چندطیفی و سنجنده های مادون قرمز حرارتی (TIR) روی یک پهپاد eBee تولید شده توسط senseFly سوار شدند. شرکت senseFly که در سال ۲۰۰۹ تاسیس شده و در لوزان سوئیس واقع شده است، پهپادهای بال ثابت را تولید نموده و آنها را با دوربین های سفارشی شده سبک وزن تولید شده توسط Airinov که یک شرکت فرانسوی است، تجهیز کرده اند. با تمرکز بر کشاورزی دقیق، Airinov دوربین های Canon را به سنجنده های چندطیفی تبدیل کرده و دوربین چند طیفی multiSPEC 4C و سنجنده مادون قرمز حرارتی thermoMAP را تولید نموده اند. این مطالعه به بررسی Canon S110 NIR و یک نسخه اولیه از multiSPEC 4C که هردو دوربین های چندطیفی هستند، و thermoMAP به عنوان یک سنجنده TIR پرداخته است.

پهپادها و سنجنده ها

پهپاد بال ثابت سبک وزن eBee که می تواند بصورت کاملاً خودکار عمل کند، به ندرت به مهارت های راهبری نیاز دارد و برای پوشش مناطق بسیار بزرگ ایده آل است. خانواده eBee در کنار سنجنده های سفارشی شده ای که می توانند از طریق راهبر خودکار پهپاد بال ثابت هدایت شوند، به بازار عرضه شده است. Canon S110 RGB یک دوربین رنگی ارزان قیمت است، Canon S110 NIR و S110 RE دوربین های چند طیفی کم هزینه ای هستند، در حالیکه multiSPEC 4C یک سامانه گران قیمت است. دوربین های چند طیفی Canon با فیلترهای رنگی Bayer اصلاح شده مجهز شده اند و به جای ثبت آبی، سبز و قرمز، باندهای سبز (G)، قرمز (R) و مادون قرمز (NIR) اخذ می شوند. تنها یک عدسی مورد نیاز است و منجر به ثبت دقیق کانال های طیفی با حساسیت های طیفی هم پوشان می شود (شکل ۱).

شکل ۱- حساسیت طیفی Canon S110 NIR نرمال شده نسبت به باند سبز (۱۰۰%)

در مقابل، multiSPEC 4C چهار عدسی و چهار سنجنده CCD تک رنگ دارد، جداسازی رنگ ها در واحدهای اپتیکی و از طریق فیلترهای تداخل سنجی باندگذر با فرکانس های مرکزی به خوبی تعریف شده و عرض باندها انجام می شود (شکل ۲). یک سنجنده تک رنگ در راستای زنیت امکان نرمال سازی تصاویر را فراهم می سازد. جدول ۱ جزئیات سنجنده های اشاره شده در فوق را ارائه می کند.

شکل ۲- حساسیت طیفی multiSPEC 4C نرمال شده نسبت به باند سبز (۱۰۰%)

جدول ۱- ویژگی های اصلی سنجنده های مورد بررسی قرار گرفته

آزمایشات میدانی

آزمایشات میدانی در مرکز کشاورزی Liebegg در سوئیس و با محصولات مختلف کشاورزی از طریق Canon S110 NIR و multiSPEC 4C انجام شدند. پروازهایی با هدف تعیین زمان بهینه برداشت محصول و برآوردهای بازده محصولات مربوط به گونه ها و روش های درمانی، بر فراز مزارع دانه های روغنی انجام گرفت. داده های چندین مزرعه دیگر نیز برای مطالعه دومی اخذ شدند، این مزارع عبارتند از:

• یک مزرعه گندم با استراتژی های کود دهی متفاوت
• یک مزرعه چغندر قند با پتانسیل حمله آفات
• یک مزرعه سیب زمینی با هدف تعیین زمان بهینه برای خشکانیدن محصول و پایش آفات سیب زمینی، یک بیماری ویرانگر که موجب قحطی سیب زمینی ایرلندی در میانه قرن نوزدهم شد.

در هر مزرعه، سه تا هفت نقطه کنترل زمینی با دقت مسطحاتی و ارتفاعی ۲ سانتیمتری استقرار یافتند.

داده ها

در مجموع ۲۴ پرواز به انجام رسید، هریک بین ۲۰ تا ۴۰ دقیقه زمان بردند، و ۴۰ تا ۹۰۰ تصویر را اخذ نموند، هریک فاصله نمونه برداری زمینی ۲٫۵ تا ۱۰ سانتیمتر داشتند. نمونه اولیه multiSPEC 4C برخی محدودیت ها را در نتیجه ابعاد کاهش یافته سنجنده و قدرت تفکیک و توان مصرفی بالای خود نشان می دهد. پردازش تصاویر با نرم افزار استاندارد Postflight Terra 3D انجام شد و شامل مراحل زیر بود:

• توجیه تصویر/ سرشکنی دسته بلوک
• تولید یک مدل سطحی رقومی (DSM) به وسیله انطباق تصویری متراکم
• تولید تصاویر قائم و موزائیک نمودن آنها
• محاسبات نقشه های بازتابی و شاخص های گیاهی

پردازش داده های multiSPEC از طریق کالیبراسیون رادیومتریکی کانال های منفرد و با استفاده از تصاویر از یک جدول کالیبراسیون انجام می شود. دقت توجیه تصویر ۰٫۳-۰٫۲ پیکسل، معادل ۴-۱٫۵ سانتیمتر در فضای عارضه است.

نتایج

تصاویر multiSPEC و Canon S110 NIR با داده های اخذ شده توسط یک طیف سنج زمینی قابل حمل کالیبره شده که دامنه ۳۶۰ تا ۱۰۰۰ نانومتری را با قدرت تفکیک طیفی ۳٫۳ نانومتر ثبت نموده و یک کانال مبنای رو به زنیت را نشان می دهد، مقایسه شدند. از آنجایی که شاخص تفاضل گیاهی نرمال شده (NDVI) بر مبنای نسبت های بازتابی است،  نیازی به مقادیر بازتابی نرمال شده و یا کالیبره شده نخواهیم داشت. دامنه تغییرات NDVI بین ۱- تا ۱ است. بطور متوسط مقادیر NDVI از سنجنده multiSPEC 4C انحرافی برابر با ۰٫۰۴- از مقادیر مبنا دارند. برای سنجنده S110 NIR متوسط اختلاف برابر با ۰٫۲۶۰- است. این مقدار بزرگ در نتیجه همپوشانی کانال های طیفی پدید آمده است.

حیات گیاهان و برآورد پتانسیل بازده محصولات بر مبنای مقادیر NDVI مزرعه دانه های روغنی تحت آزمایش مورد ارزیابی قرار گرفت. اگرچه مجموعه پروازها در نتیجه شرایط بد آب و هوایی در تابستان ۲۰۱۴ با تاخیر مواجه شده و تنها چند روز پیش از برداشت محصول امکان انجام آنها فراهم شد، تفاوت بارزی میان سرزندگی گونه های متفاوت و در میان مناطق سم پاشی شده و نواحی بدون هرگونه اقدام درمانی، قابل تشخیص است (شکل ۳). سم پاشی موجب افزایش مدت زمان فعالیت گیاه تا زمان برداشت محصول می شود. ضریب همبستگی نرمال شده بین بازده محصولات و مقادیر NDVI برای مناطق سم پاشی شده، ۰٫۷۸ برآورد گردید. برای مناطق سم پاشی نشده این ضریب مقداری برابر با ۰٫۳۵ داشت.

شکل ۳- مزرعه آزمایشی دانه های روغنی (چپ) سم پاشی شده (نارنجی) و بدون هرگونه اقدام درمانی (آبی) و نقشه NDVI استخراج شده از داده های multiSPEC 4C، فاصله نمونه برداری زمینی ۱۰ سانتیمتری

سنجنده TIR

برای تعیین قابلیت های سنجنده thermoMAP، دو مجموعه پرواز در ۱۳ مارس ۲۰۱۵، بلافاصله پیش و پس از طلوع آفتاب انجام گردید. تصاویر با فواصل نمونه برداری زمینی ۱۵ و ۳۰ سانتیمتری اخذ شدند. به منظور ایجاد یک DSM از منطقه با استفاده از انطباق تصویری متراکم، تصاویر RGB دارای همپوشانی در طول روز با یک دوربین Canon S110 RGB با فاصله نمونه برداری زمینی ۵ سانتیمتری اخذ شدند. داده ها برای بدست آوردن تصاویر قائم TIR با یک فاصله نمونه برداری زمینی ۱۵ سانتیمتری، یک تصویر قائم TIR شارپ شده با باند پان، با بکارگیری تصاویر RGB برای عملیات شارپ نمودن که منجر به یک فاصله نمونه برداری زمینی ۵ سانتیمتری می شود، و یک DSM همپوشان شده با ارتوموزائیک TIR که منتج به یک نمای سقفی سه بعدی می شود، پردازش شدند (شکل ۴). در طول این آزمایشات، thermoMAP مشکلات سخت افزاری را از خود بروز داد که از تبدیل مقادیر اندازه گیری شده به دماهای سطحی جلوگیری نمود. اگرچه، این داده ها اطلاعات ارزشمندی را برای متخصصان حوزه انرژی ساختمان پدید می آورد.

شکل ۴- تصویر قائم TIR با یک فاصله نمونه برداری زمینی ۱۵ سانتیمتری (چپ)، تصویر قائم TIR شارپ شده با باند پان با یک فاصله نمونه برداری زمینی ۵ سانتیمتری (وسط) و نمای سقفی سه بعدی

نتایج

اندازه گیری های با کیفیت بالا، و نوردهی بدون توجه از طریق سنجنده های چندطیفی گران قیمت، آنها را برای پایش گیاهان در طول زمان و بدون نیاز به جمع آوری داده های مبنای طیف سنجی با زحمت فراوان در مزرعه، مناسب می سازد. سنجنده های چندطیفی ارزان قیمت، در ترکیب با یک فاصله نمونه برداری زمینی مناسب (تا سطح سانتیمتر) برای پایش تغییرات زمینی و شناسایی بیماری های گیاهان در به عنوان مثال یک محصول خاص گران قیمت، بسیار مناسب است.

منیع: gim-international.com

برای کسب اطلاعات بیشتر درباره دوره آموزشی پردازش تصاویر پهپاد فتوگرامتری کلیک کنید.