Ανάπτυξη συστημάτων UAV για προμήθειες VNIR-TIR, στην γεωργία ακριβείας
Από RemoteSensing Wiki
Πίνακας περιεχομένων |
Περίληψη
Η υιοθέτηση των τεχνικών της γεωργίας ακριβείας, απαιτεί την ανάπτυξη ειδικών εργαλείων, που θα παρέχουν χωρικά κατανεμημένη πληροφορία. Τόσο οι εναέριες συσκευές, όσο και εναέριοι αισθητήρες, αναπτύσσονται συνεχώς, έτσι ώστε να είναι δυνατή η κάλυψη των απαιτήσεων, σε χαμηλό κόστος. Λόγω της περιορισμένης διαθεσιμότητας σε οικονομικούς πόρους, οι εναέριες πλατφόρμες συνήθως περιορίζονται στη δυνατότητα μεταφοράς μόνο ενός αισθητήρα. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση της ανάπτυξης ενός συστήματος κάθετης απογείωσης και προσγείωσης, αυτόνομου, μη επανδρωμένου οχήματος (VTOL UAV), με στόχο την παράλληλη λήψη υψηλής ευκρίνειας κάθετων εικόνων στην συχνότητα του ορατού, του εγγύς υπερύθρου (VNIR) και θερμικού υπερύθρου (TIR). Αναπτύχθηκε ένα σύστημα που έχει την δυνατότητα να συγχρονίζει δύο κάμερες ταυτόχρονα, με πλήρως αυτοματοποιημένη διαδικασία και χωρίς την παρέμβαση πιλότου. Ένα εμπορικό μη επανδρωμένο εξακόπτερο UAV βελτιώθηκε, έτσι ώστε να αυξηθεί η εμπιστοσύνη, η ευκολία της χρήσης και ο αυτοματισμός. Ο σχεδιασμός των συστημάτων επικοινωνίας βασίζεται σε έναν επεξεργαστή (RISC – redused instruction set computing), ο οποίος λειτουργεί σε Linux OS με προσαρμοσμένους drivers με αποτελεσματικό τρόπο, καθώς διατηρεί το κόστος και το βάρος στο ελάχιστο. Ειδικό λογισμικό αναπτύχθηκε για την αυτοματοποιημένη λήψη εικόνων, την επεξεργασία των δεδομένων και τα δεδομένα του σκάφους και την μετέπειτα αποθήκευση των δεδομένων. Το σύστημα ελέγχθηκε πάνω από αγροτεμάχιο ακτινιδίων στην Βόρεια Ελλάδα, σε ύψος 70 και 100m πάνω από το έδαφος. Οι φωτογραφίες που λήφθηκαν ενώθηκαν και γεωαναφέρθηκαν. Οι εικόνες και από τα δύο ύψη πτήσης ήταν καλής ποιότητας και αποκάλυψαν πρωτοφανή λεπτομέρεια στο αγροτεμάχιο. Η κανονικοποιημένη διαφορά του φυτικού δείκτη (NDVI) υπολογίστηκε από την θερμική εικόνα, με σκοπό να παρέχει ακριβείς πληροφορίες για σημεία με στρεσογόνους και άλλους παράγοντες, συσχετιζόμενους με την γεωργική παραγωγή. Συγκρίνοντας με άλλες διαθέσιμες πηγές λήψης δεδομένων, το συγκεκριμένο σύστημα είναι χαμηλού κόστους, υψηλής ανάλυσης και εύκολα επαναλαμβανόμενης πληροφορίας, έτσι ώστε να καλύψει τις ανάγκες της γεωργίας ακριβείας.
Εισαγωγή
Υλικά και Μέθοδοι Πλατφόρμα Εξακόπτερου UAV Το εξακόπτερο UAV που φαίνεται στο σχήμα 1, χρησιμοποιήθηκε ως πλατφόρμα που θα φέρει τον απαραίτητο εξοπλισμό. Το κυρίως σώμα ήταν το Vulcan Hexa και οι τεχνικές πληροφορίες παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Ο έλεγχος πτήσης ήταν ο WooKong-M, πλήρες έλεγχος πτήσης για όλες τις εμπορικά, βιομηχανικά και επαγγελματικές πλατφόρμες πολλών κινήσεων.
Κάμερες στο μέσο και μηχανισμός σταθεροποίησης Χρησιμοποιήθηκαν δύο κάμερες και ένας γυροσκοπικός μηχανισμός. Οι κάμερες ήταν η πολυφασματική ADC-Lite (Tetraam Inc.) και η θερμική Α65 (FLIR Systems, Inc).
Πλατφόρμα εντοπισμού σφαλμάτων πτήσης του Εξακόπτερου UAV Ένα πρόβλημα που εντοπίστηκε ήταν η εσφαλμένη λειτουργία λόγω ηλεκτρικού θορύβου, του ελέγχου ταχύτητας και του GPS. Γι΄ αυτό το GPS τοποθετήθηκε 12 cm πιο ψηλά από το σύστημα.
Ένα άλλο πρόβλημα που παρουσιάστηκε ήταν ότι τα καλώδια παρουσίαζαν ζημιές, λόγω της επαφής με κοφτερά κομμάτια αλουμινίου, γι’ αυτό και τα καλώδια καλύφθηκαν και μεταφέρθηκαν, έτσι ώστε να μην κόβονται.
Ένα άλλο πρόβλημα που παρουσιάστηκε ήταν ότι σε απόσταση 80 μέτρων πάνω από τον σταθμό εδάφους, υπήρχε αλλοίωση στην επικοινωνία με τα δεδομένα της πλατφόρμας του εξακόπτερου.
Αυτοματοποιημένη παράλληλη λειτουργία και των δύο αισθητήρων Το εξακόπτερο βελτιώθηκε με την δυνατότητα να φέρει ταυτόχρονα και τους δύο αισθητήρες σε συγκεκριμένα σημεία για ταυτόχρονη λήψη εικόνων, συμπεριλαμβανομένων την καταγραφή των δεδομένων που λαμβάνονται στη συνέχεια, όπως των συντεταγμένων GPS για κάθε εικόνα. Για να επιτευχθεί η λειτουργία, ακολουθήθηκαν συγκεκριμένα τεχνικά βήματα, τα οποία περιγράφονται στο έγγραφο. Στην εικόνα 4 παρουσιάζεται αναλυτικό διάγραμμα της σύνδεσης όλων των εξαρτημάτων στην πλατφόρμα.
Λειτουργία της πλατφόρμας του εξακόπτερου UAV στην Γεωργία Ακριβείας
Το σύστημα ελέγχθηκε σε μία καλλιέργεια ακτινιδίων στην Χρυσούπολη (Καβάλα, Ελλάδα). Το χωράφι έχει έκταση 23.420 m² και έχει ποικιλία Hayward της Actinidia deliciosa. Τα φυτά είναι αυτόριζα, 19 ετών και το ύψος κορμού ανέρχεται σε 1,85m. Το σύστημα μόρφωσης είναι Κρεβατίνα (πέργολα) και η πυκνότητα των φυτών 620-640 φυτά/στρέμμα. Η πτήση γινόταν σε ύψος 70 και 100m από το έδαφος. Σε ύψος 70m, 103 εικόνες λήφθηκαν, σε δύο πτήσεις διάρκειας 14,5 λεπτών. Οι εικόνες κάθε πτήσης ενώθηκαν σε μωσαϊκό χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα Agisoft Photoscan. Οκτώ στόχοι εδάφους χρησιμοποιήθηκαν για την γεωαναφορά των εικόνων, οι οποίοι δημιουργήθηκαν από 60cm τετράγωνα εκτυπωμένα σε χαρτί, διαφορετικά με δύο τέταρτα φύλλο αλουμινίου (Σχήμα 5). Οι στόχοι μετρήθηκαν με το Trimble GeoXH GPS, δημιουργώντας μία κλίμακα RMSE από 0,37 σε 0,48m. Το μωσαϊκό παρουσιάζεται στο σχήμα 6., ενώ λεπτομέρειες παρουσιάζονται στο σχήμα 7.
Η υψηλότερη αντίθεση στα 100m οφείλετε στις έντονες σκιές που οφείλονται στην καλλιέργεια, λόγω του απευθείας φωτός του ηλίου. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι χωρικές λεπτομέρειες είναι μεγαλύτερες από το της υψηλότερης ανάλυσης δορυφορικές εικόνες, όπως τις “pan-sharpened Pleiades” στην εικόνα 7γ.
Τα μωσαϊκά θα χρησιμοποιηθούν στην γεωργία ακριβείας μέσω του project Agroless http://agroless.eu/ για χρήση της φωτογραφίας στην ανάπτυξη των καλλιεργειών, μετά από επεξεργασία της εικόνας. Από τα δεδομένα που λήφθηκαν μπορούν να δημιουργηθούν φυτικοί δείκτες, έτσι ώστε να παρακολουθηθεί η ανάπτυξη της καλλιέργειας και άλλοι χρήσιμες παράμετροι. Τέλος, αυτά τα μωσαϊκά σε συνδυασμό με άλλα δεδομένα, όπως ηλεκτρική αγωγιμότητα, οργανική ουσία και pH), μπορούν να είναι χρήσιμα για την διαχείριση του αγροτεμαχίου και στις εφαρμογές φυτοφαρμάκων.
Συζήτηση και Αποτελέσματα
Η διαδικασία ανάπτυξης της πλατφόρμας του εξακόπτερου UAV, απέδειξε ότι τα εμπορικά διαθέσιμα UAV’s βρίσκονται ένα βήμα πιο κοντά στα συστήματα με πολλαπλούς αισθητήρες εικόνας στο σκάφος, για υψηλή τηλεπισκόπηση, σχεδόν έτοιμη για πτήση. Αρκετή προσπάθεια απαιτείται από τους ειδικούς, για να μετατρέψουν ένα εμπορικά διαθέσιμο εξακόπτερο UAV σε μία λειτουργική πλατοφόρμα PA UAV. Επιπλέον, το σύστημα που αναπτύχθηκε αποδεικνύει ότι οι τρέχοντες αισθητήρες εικόνας, οι οποίοι έχουν μικρό βάρος και μικρές απαιτήσεις σε ενέργεια, είναι κατάλληλοι για την χρήση σε χαμηλού βάρους UAV χωρίς να θυσιαστεί ποιότητα στους αισθητήρες, αλλά δεν έχουν ακόμα την κατάλληλη διασύνδεση για να ενσωματωθούν με το UAV. Ένα άλλο σημαντικό θέμα είναι ότι ένα τέτοιο σύστημα έχει περιορισμένο χρόνο πτήσης. Παρότι η μετάβαση από θερμικές μηχανές σε ηλεκτρικές μηχανές, παρείχε απλότητα, αξιοπιστία, σταθερότητα και μείωση σε κραδασμούς, καθώς επίσης έγιναν τα UAV φιλικά στο περιβάλλον, η περιορισμένη μπαταρία, περιορίζει τον χρόνο πτήσης. Ο μειωμένος χρόνος πτήσης, περιορίζει το πεδίο που μπορεί να καλυφθεί από μία πτήση. Στην παρούσα μελέτη το πεδίο ήταν 23.420m² σε επίπεδο έδαφος και καλύφθηκε από ύψος 100m σε μία πτήση. Για να καλυφθεί μεγαλύτερη επιφάνεια πρέπει να αυξηθεί το υψόμετρο και να μειωθεί η ποιότητα εικόνας ή να προστεθούν επιπλέον μπαταρίες. Κατά την αλλαγή μπαταρίας μεταξύ δύο πτήσεων για ένα συγκεκριμένο πεδίο, μπορεί να προκαλέσει διαφορά στον φωτισμό, με αποτέλεσμα να αλλάξουν οι θερμικές συνθήκες και οι εικόνες να μην μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Η χρήση του VTOL εξακόπτερου με UAV πλατφόρμα ήταν απαραίτητο για να ληφθούν ακριβείς θερμικές εικόνες, οι οποίες απαιτούν χαμηλές ταχύτητες πτήσης όταν οι θερμικές κάμερες βρίσκονται σε λειτουργία. Η παρούσα εργασία απέδειξε ότι η ανάπτυξη της πλατφόρμας στο εξακόπτερο είχε παράλληλα καλή ποιότητα εικόνων VNIR και TIR. Αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση των συνθηκών ανάπτυξης των καλλιεργειών και να εκτιμηθούν οι στρεσσογόνοι παράγοντες όπως νερό, θρεπτικά στοιχεία κ.α. σε εφαρμογές γεωργίας ακριβείας, όταν υψηλές αναλύσεις χρονικά και χωρικά απαιτούνται.
Βιβλιογραφία
Πηγή: Development of a UAV system for VNIR-TIR acquisitions in precision agriculture
Συγγραφείς: Misopolinos L., Zalidis Ch., Liakopoulos V., Stavridou D., Katsigiannis P., Alexandridis T.K., Zalidis G.
Δημοσίευση: Proc. SPIE 9535, Third International Conference on Remote Sensing and Geoinformation of the Environment (RSCy2015), 95351H (June 19, 2015); doi:10.1117/12.2192660
Link:http://users.auth.gr/thalex/self_archiving/RSCy2105_Development_of_UAV_for_precision_agriculture.pdf
