Ένα σύστημα ανίχνευσης νεογνών ζαρκαδιών βασισμένο σε UAV

Από RemoteSensing Wiki

Ένα σύστημα ανίχνευσης νεογνών ζαρκαδιών βασισμένο σε UAV

Πρωτότυπος τίτλος: A UAV-based roe deer fawn detection system

Εικόνα 1. Θερμική απεικόνιση νεογνού ζαρκαδιού. Το τρίχωμα των νεογνών του ζαρκαδιού παρέχει ελάχιστη θερμομόνωση, με αποτέλεσμα να γίνονται εύκολα ανιχνεύσιμα με χρήση θερμικής κάμερας όταν το περιβάλλον τους είναι αρκετά ψυχρό.

Συγγραφέας: Martin Israel

Δημοσιεύθηκε: International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXVIII-1/C22, UAV-g 2011, Conference on Unmanned Aerial Vehicle in Geomatics, 2011, Zurich, Switzerland

Εξίσωση 1 Η μέγιστη γωνιακή απόκλιση α κατά την οποία η κάμερα μπορεί να εντοπίσει ένα νεογνό ζαρκαδιού μεγέθους f = 30cm σε ένα λιβάδι με μέσο ύψος χόρτου h = 1m λόγω οπτικής απόφραξης, υπολογίζεται από την παραπάνω τριγωνομετρική εξίσωση, (όπου:α η μέγιστη απόκλιση της γωνίας ανάμεσα στην κατεύθυνση θέασης και την κατακόρυφο από τον παρατηρητή (την κάμερα), f το μέγεθος του νεογνού, h το μέσο ύψος του χορταριού στο χωράφι, ¯f το μέσο πλάτος της λωρίδας σάρωσης της κάμερας, ¯h η απόσταση ανάμεσα στην κάμερα και το έδαφος.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Εικόνα 2. Γεωμετρικοί περιορισμοί.

Λέξεις-Κλειδιά: UAV, θερμική απεικόνιση, διάσωση ζώων, τηλεπισκόπηση, σύστημα ανίχνευσης, γεωργία, Octocopter

Εισαγωγή

Εικόνα 3. Falcon-8 MAV σε δράση.

Εκτός από τα οικονομικά οφέλη, η προοδευτική εκβιομηχάνιση της γεωργίας συνεπάγεται επίσης προβλήματα. Η αύξηση τόσο του πλάτους όσο και της ταχύτητας εργασίας των μηχανών συγκομιδής οδηγεί σε αύξηση του κινδύνου που διατρέχουν τα άγρια ζώα που ζουν στη γεωργική γη. Το 96% των ζαρκαδιών (Capreolus capreolus) γεννιούνται στο χρονικό διάστημα μεταξύ Μαΐου και Ιουνίου, που συμπίπτει με την περίοδο χορτοκοπής των βοσκοτόπων. Τα νεογνά χρησιμοποιούν τα καλλιεργημένα βοσκοτόπια για να κρυφτούν από τους θηρευτές και κατά τη διάρκεια των δύο πρώτων μηνών της ζωής τους μένουν κατά κύριο λόγο κρυμμένα μέσα στα χορτάρια χωρίς να κινούνται. Με αυτόν τον τρόπο, εντοπίζονται δύσκολα από τους αγρότες και συχνά σκοτώνονται από τις μηχανές κοπής. Πέρα από το θάνατο των άγριων ζώων, το φαινόμενο αυτό μπορεί επίσης να οδηγήσει σε μεγάλη οικονομική ζημία για τον αγρότη. Σε περίπτωση που το πτώμα του ζώου δεν βρεθεί εγκαίρως, βακτήρια παράγουν την τοξίνη botulinum (BTX- Botox), με αποτέλεσμα την παρουσία ενός θανατηφόρου δηλητηρίου στις ζωοτροφές για τις αγελάδες. Στην παρούσα εργασία, περιγράφεται ένα σύστημα ανίχνευσης νεογνών ζαρκαδιών, το οποίο βασίζεται στη χρήση μη επανδρωμένου ιπτάμενου οχήματος (UAV- Unmanned Aerial Vehicle) με σκοπό τον εντοπισμό και την μεταφορά τους μακριά από το χωράφι και την αποφυγή γεωργικών ατυχημάτων. Επειδή τα νεογνά εντοπίζονται δύσκολα στο ορατό φάσμα λόγω καμουφλάζ, ως βασικός αισθητήρας του συστήματος χρησιμοποιείται μία ελαφριά θερμική υπέρυθρη κάμερα (Εικόνα 1).

Εικόνα 4. Κάλυψη της περιοχής μελέτης. Η κόκκινη γραμμή απεικονίζει μία σχηματική διαδρομή πτήσης, τα γκρι τετράγωνα αντιπροσωπεύουν την παρατηρούμενη έκταση στο έδαφος, και ο μπλε κύκλος παριστάνει το μικροαεροσκάφος . Υπάρχει αλληλοεπικάλυψη και στις δύο κατευθύνσεις ώστε να εξασφαλισθεί η πλήρης κάλυψη (σκούρο γκρι).

Υλικά και Μέθοδοι

Ζητήματα γεωμετρίας

Για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, η κάμερα λειτουργεί καλύτερα με ένα οπτικό πεδίο γωνίας 34° για κατακόρυφη θέαση, που αντιστοιχεί στο διπλάσιο της γωνιακής απόκλισης α (Εξίσωση 1- Εικόνα 2) ανάμεσα στην κατεύθυνση θέασης της κάμερας και την κατακόρυφο από το έδαφος) . Πέρα από αυτό το σημείο, το χορτάρι μπορεί να κρύψει τελείως ένα νεογνό στις άκρες της εικόνας ανεξαρτήτως της απόστασης της κάμερας από το έδαφος. Η μέση θερμοκρασία σώματος του νεογνού περιέχει όλη την απαραίτητη πληροφορία για την ταξινόμησή του στο λιβάδι, επομένως μια ανάλυση εικονοστοιχείου (pixel) που αντιστοιχεί στο μέγεθος ενός νεογνού είναι αρκετή για την ανίχνευσή του. Παρόλα αυτά, για να αποφύγουμε την απώλεια πληροφορίας και δεδομένου ότι το μέγεθος ενός νεογνού αντιστοιχεί σε περίπου 30cm, το μέγεθος του εικονοστοιχείου στο έδαφος θα πρέπει να είναι μικρότερο από 15cm. Για τη συγκεκριμένη μελέτη επιλέχθηκε η θερμική κάμερα πυρήνα Tau640 της FLIR με 640x512 εικονοστοιχεία και φακούς με οπτικό πεδίο (FOV) 32°x 26°, η οποία μπορεί θεωρητικά να εντοπίσει ένα νεογνό στο χωράφι από ένα μέγιστο ύψος 166 μέτρων, ενώ η πτήση σε χαμηλότερο υψόμετρο αυξάνει τη βεβαιότητα ανίχνευσης.

Εικόνα 5. Στιγμιότυπο οθόνης του Waypoint Editor Το κόκκινο πολύγωνο αντιστοιχεί στην επιθυμητή έκταση σάρωσης, την οποία έχει οριοθετήσει ο χειριστής. Η προσαρμογή των γωνιών της περιοχής οδηγεί σε αυτόματη προσαρμογή των σημείων των ενδιάμεσων σταθμών. Η υπολογισμένη βέλτιστη διαδρομή πτήσης απεικονίζεται από το πρόγραμμα ως κίτρινη γραμμή. Κάθε σημείο ενδιάμεσου σταθμού σημαίνεται ως μπλε κουκίδα που περιβάλλεται από το οπτικό πεδίο πάνω στο έδαφος (διαφανές μπλε ορθογώνιο).

Περιγραφή συστήματος

Η θερμική κάμερα τοποθετήθηκε στο μικρό αεροσκάφος (MAV-micro air vehicle) Falcon-8 της Ascending Technologies GmbH (Eικόνα 3), το οποίο μπορεί να λάβει γεωαναφερόμενες εικόνες υψηλής ποιότητας. Κατά την πραγματοποίηση του πειράματος σαρώθηκε ολόκληρη την περιοχή μελέτης με διαδοχικές πτήσεις σε ευθείες διαδρομές, μεταξύ ενδιάμεσων σταθμών που ισαπέχουν μεταξύ τους (Eικόνα 4). Για τον εντοπισμό των νεογνών, αρχικά πραγματοποιήθηκε η ανίχνευση των θερμών σημείων με πτήσεις σε μεγάλο ύψος (κάλυψη μεγαλύτερης έκτασης σε λιγότερο χρόνο) και η ακόλουθη ταυτοποίησή των νεογνών με πτήσεις σε χαμηλότερο (μεγαλύτερη διακριτικότητα εικόνας). Ο χειριστής του αεροσκάφους μπορεί να παρακολουθεί ζωντανά τη θέαση της κάμερας από το έδαφος, μέσω αναλογικής ροής video. Ταυτόχρονα γίνεται η λήψη των θερμικών εικόνων, ενώ τα δεδομένα για κάθε ενδιάμεσο σταθμό (η θερμική εικόνα, η τρέχουσα θέση της κάμερας, το υψόμετρο πτήσης και η γωνία κλίσης της κάμερας) αποθηκεύονται σε κάρτα microSD. Ο αλγόριθμος αναγνώρισης προτύπου στέλνει τα αποτελέσματα μέσω ραδιοσύζευξης στον σταθμό εδάφους, δίνοντας στον χειριστή τις απαραίτητες πληροφορίες για τη λήψη αποφάσεων.

Ροή εργασίας

Για την ανίχνευση και τη διάσωση των νεογνών κατά τη διάρκεια της χορτοκοπής των βοσκοτόπων με χρήση UAV χρειάζεται να δουλέψουν τουλάχιστον 2 άτομα. Ένας ενεργεί ως πιλότος και ένας χρειάζεται να πηγαίνει στο εντοπισμένο νεογνό και να το απομακρύνει από το χωράφι. Η διαδικασία της συγκεκριμένης εργασίας χωρίζεται στα εξής βήματα: α) σχεδιασμός σημείων ενδιάμεσων σταθμών (waypoint planning), β) ανίχνευση θερμών σημείων και καταγραφή της θέσης τους κατά την πτήση σε μεγάλο ύψος (30-50m) , γ) αναγνώριση/ταυτοποίηση νεογνού, μέσω παρατήρησης της θερμικής και οπτικής βιντεοπροβολής που λαμβάνεται με τη διενέργεια πτήσης πάνω από τη θέση του θερμού σημείου και σε χαμηλότερο ύψος, δ) ανάκτηση του εντοπισμένου νεογνού με τη βοήθεια συσκευής GPS χειρός, ε) διάσωση και στ) απελευθέρωση. Ο σχεδιασμός των σημείων των ενδιάμεσων σταθμών και η γενική προετοιμασία της εργασίας πρέπει να γίνεται πριν την διενέργεια της πτήσης. Για τον σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε από τους ερευνητές η διαδικτυακή εφαρμογή Waypoint Editor, η οποία στηρίζεται στην διεπαφή προγραμματισμού της εφαρμογής του Google Maps (API). Με χρήση δορυφορικής απεικόνισης, οριοθετήθηκε το χωράφι και σημάνθηκε η θέση εκτόξευσης του αεροσκάφους. Στη συνέχεια η εφαρμογή υπολόγισε μια βελτιστοποιημένη διαδρομή πτήσης με προκαθορισμένη απόσταση ανάμεσα στους ενδιάμεσους σταθμούς (Εικόνα 5).

Εικόνα 6. Μείωση της αντίθεσης μιας σκηνής με τυπική διαμόρφωση AGC, όταν μια θερμή περιοχή εισέρχεται στο οπτικό πεδίο (δεξιά εικόνα). Ο κόκκινος κύκλος δείχνει και στις δύο εικόνες, το ίδιο νεογνό που περιβάλλεται από έναν φράχτη.

Θερμική κάμερα

Προκειμένου να επιτευχθεί υψηλή ευαισθησία, κάθε εικονοστοιχείο του θερμικού ανιχνευτή παρέχει ένα σήμα 14-bit (> 15000 επίπεδα του γκρι). Το ανθρώπινο οπτικό σύστημα μπορεί να διακρίνει μόνο περίπου 128 επίπεδα του γκρι (7 bit) και επομένως η αρχική εικόνα των 14 bit πρέπει να συμπιεστεί. Η υψηλή αντίθεση της σκηνής στην εικόνα σταθμίζεται με ένα αυτόματο σύστημα κέρδους ελέγχου (AGC- automatic gain control) (Εικόνες 6,7).

Εικόνα 7. Αποκόμματα (cut-outs) θερμικής απεικόνισης κλασικών θερμών σημείων σε ύψος πτήσης 30 και 50 μέτρων. Οι μικρές εικόνες στα αριστερά αποτελούν ενισχυμένα τμήματα 64x64 εικονοστοιχείων από τη λήψη θερμικών απεικονίσεων. Η εικόνα f αποτελεί περικοπή της εικόνας πλήρους μεγέθους g. Σε ύψος πτήσης 50m, ένα νεογνό αντιπροσωπεύεται από μόνο 40 από τα 327.680 εικονοστοιχεία.

Αποτελέσματα & Συζήτηση

Οι εργασίες πεδίου πραγματοποιήθηκαν μέσα σε 15 μέρες, τον Μάιο και τον Ιούνιο του 2011. Το σύστημα ανίχνευσης νεογνών ελέγχθηκε σε διαφορετικές χρονικές στιγμές της ημέρας και διαφορετικές καιρικές συνθήκες και συνθήκες φωτισμού. Συνολικά σαρώθηκαν 70,77 εκτάρια, από τα οποία τα 44,2 ha σαρώθηκαν σε 22 πτήσεις σε ύψος 50 m και τα 26,6 ha σε 28 πτήσεις σε ύψος 30m. Η πτήση σε ύψος άνω των 50 μέτρων συχνά οδηγούσε σε απώλεια εντοπισμού του νεογνού. Συνολικά ανιχνεύθηκαν 14 νεογνά, τα περισσότερα εκ των οποίων βρέθηκαν όταν επικρατούσαν συνθήκες βέλτιστου φωτισμού.

Συμβολή της Τηλεπισκόπησης

Η χρήση ενός μη επανδρωμένου ιπτάμενου οχήματος UAV με θερμική υπέρυθρη κάμερα για την εξ αποστάσεως ανίχνευση των νεογνών του ζαρκαδιού στα χωράφια κατά τη διάρκεια της χορτοκοπής, αποτελεί μία εύκολη, γρήγορη και αξιόπιστη μέθοδο για την αποφυγή των γεωργικών ατυχημάτων και το θάνατο των άγριων ζώων που ζουν στις γεωργικές εκτάσεις από τις μηχανές κοπής.