Πολλαπλού μήκους κύματος LiDAR φυλλικής επιφάνειας, για τηλεπισκόπηση βλάστησης: Σχεδιασμός και απόδοση του συστήματος

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 13:50, 10 Φεβρουαρίου 2017

Περίληψη

Ένα νέο σύστημα πολλαπλού μήκους κύματος φυλλικής επιφάνειας LiDAR (MWCL – multi wavelength canopy LiDAR), έχει στόχο την τηλεπισκόπηση της ανάκλασης της φυλλικής επιφάνειας, σχεδιάστηκε και η απόδοσή του μετρήθηκε και ερευνήθηκε. Το σύστημα λειτουργεί με τέσσερα lasers, διαφορετικού μήκους κύματος, τα οποία επιλέχθηκαν ανάλογα με τo stress αζώτου, το οποίο προωθεί αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες και την φασματοσκοπική ανάκλαση σε φύλλα ρυζιού. Ο σχεδιασμός του οπτικού και μηχανικού εξοπλισμού περιγράφονται σε αυτό το έγγραφο, όπως και η συζήτηση για ρύθμιση του συστήματος. Το σύστημα MWCL, αποδείχτηκε να κατέχει υψηλή δυνατότητα για καταγραφή της φυσιολογίας της φυλλικής επιφάνειας, το οποίο δεν είναι δυνατό όταν χρησιμοποιείται η παραδοσιακή ενός μήκους κύματος LiDAR.

Εισαγωγή

Σημειώνεται ότι η τεχνική LiDAR (Light Detection And Ranging) βασίζεται στην εκπομπή παλμικής ακτινοβολίας λέιζερ στην ατμόσφαιρα και ακολούθως, στην καταγραφή της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας λέιζερ. Σύμφωνα λοιπόν με την παρούσα μελέτη, τα αποτελέσματα της επιστροφής LiDAR σε ένα σημείο (x,y,z) αντικατοπτρίζει τις συντεταγμένες του αντικειμένου και συχνά επισημαίνεται με βοηθητικές μεταβλητές, όπως την ένταση και τη γωνία σαρώσεως. Τα περισσότερα συστήματα LiDAR λειτουργούν σε ένα μήκος, συγκεκριμένα στο εγγύς υπέρυθρο (NIR). Η χρήση της έντασης στην ανάκτηση των χαρακτηριστικών του στόχου περιορίζεται σε αυτά, για παράδειγμα, η ταξινόμηση των ειδών δένδρων. Γενικά, γίνεται μία αναφορά στο κλασσικό σύστημα LiDAR, και στη συνέχεια παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα του συστήματος με πολλαπλές δέσμες laser. Αναφέρεται ότι η τηλεπισκόπηση με laser μονού μήκους κύματος, χρησιμοποιείται κατά κόρον στην μελέτη της δομής της βλάστησης και στην βιομάζα. Ωστόσο, η δυναμικότητα της οπισθοσκέδασης στην χαρτογράφησης της βλάστησης, δεν έχει ερευνηθεί εκτενώς. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης ενεργών συστημάτων πολλαπλού μήκους κύματος, παρέχουν πολλές περισσότερες πληροφορίες από τα παθητικά συστήματα, καθώς μπορούν να παρέχουν τρισδιάστατη πληροφορία για την φυσιολογία. Η τεχνική laser είναι ανεξάρτητη από την μεταβλητή της ηλιακής ακτινοβολίας, όπως συμβαίνει στα παθητικά συστήματα. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η μελέτη ενός συστήματος MWCL. Το σύστημα που σχεδιάστηκε έχει σκοπό να δείξει: 1. Είναι δυνατόν να ληφθεί η πολλαπλούς μήκους κύματος ακτινοβολία, χρησιμοποιώντας ένα σύστημα MWCL. 2. Ο δείκτης φυτικής βλάστησης με laser, είναι ο καλύτερος δείκτης για την το επίπεδο της φυσιολογίας των φύλλων, από ότι ένα μοναδικού μήκους κύματος δείκτη. 3. Το σύστημα MWCL μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωριστά για να εκτιμηθεί η βλάστηση των διαφορετικών σταδίων, σε ένα σύνθετο περιβάλλον ανάπτυξης. Αυτοί οι στόχοι θα επιτευχθούν χρησιμοποιώντας την θεωρητική προσέγγιση ενός συστήματος MWCL, στις ιδιότητες της οπισθοσκέδασης ενός φύλλου και την επεξεργασία των βοηθητικών δεδομέων από ένα σύστημα LiDAR, περιγράφοντας την τυπική φυσιολογία ενός φύλλου. MWCL system configuration

Εικόνα 1. Διάγραμμα του συστήματος πολλαπλού μήκους κύματος LiDAR.

Εικόνα 2. MWCL σύστημα επίδειξης.

Εργαστηριακός πρωτότυπος εξοπλισμός για την μέτρηση της βλάστησης με πολλαπλούς μήκους κύματος LiDAR (MWCL), δημιουργήθηκε. Το MWCL αποτελείται από τρία κύρια υποσυστήματα: την πηγή laser, την διάταξη του οπτικού δέκτη και το σύστημα επεξεργασίας των δεδομένων. Στο Σχήμα 1 φαίνεται αναλυτικά το σύστημα MWCL. Κάθε πομπός laser, στέλνει μία δέσμη στον εξοπλισμό διαμόρφωσης της δέσμης, το οποίο ισορροπεί την ασυμμετρία στο οπτικό πεδίο. Στο Πίνακα 1, σημειώνονται τα χαρακτηριστικά των τεσσάρων πομπών laser.

Πίνακας 1 Χαρακτηριστικά των πομπών laser.

Στη συνέχεια γίνεται περιγραφή του συστήματος του μηχανισμού. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι οι δέσμες laser εκπέμπονται στα μήκη κύματος 556 και 700nm, προς τους καθρέπτες Μ1 και Μ2 και στη συνέχεια ανακλά στα διχρωικά φίλτρα, D1 και D2, για τον συνδιασμό με το φως 670 και 780nm, αντίστοιχα. Αφού περιγραφεί ο υπόλοιπος τρόπος λειτουργίας του εξοπλισμού laser, αναφέρεται ότι οι ερευνητές προγραμμάτισαν το λογισμικό ελέγχου του συστήματος, χρησιμοποιώντας το LabVIEW. Οι λειτουργίες του προγράμματος LabVIEW, συμπεριλαμβάνουν τον έλεγχο του laser, την ψηφιοποίηση, την καταγραφή των δεδομένων και την πραγματικού χρόνου απεικόνιση της κυματομορφής.

Αρχές Συστήματος Οι αρχές του MWCL αφορούν κυρίως τη μέθοδο επιλογής μήκους κύματος, το οποίο είναι θεμελιώδους σημασίας για την περιγραφή της διαδικασίας μέτρησης, όσο αφορά τον αισθητήρα και των χαρακτηριστικών της βλάστησης. Σε αυτό το τμήμα θα αναλυθεί πως Αυτή η ενότητα αναλύεται ο τρόπος που οι η λαμβανόμενη οπισθοσκέδαση των τεσσάρων σημάτων laser, μπορούν να ως φυτικοί δείκτες, και στη συνέχεια θα περιγραφεί η επεξεργασία και ευθυγράμμιση των επιστρεφόμενων σημάτων οπισθοσκέδασης.

MWCL επιλογή μήκος κύματος Η επιλογή του μήκους κύματος περιγράφεται ως το πιο σημαντικό σημείο της εργασίας. Η ομάδα ερεύνησε την φυτική βλάστηση, ανάλογα με το στρές που έχει δεχθεί από την έλλειψη αζώτου, μέσω μακράς διάρκειας υπερφασματικής τηλεπισκόπησης, για τον έλεγχο. Για αυτόν τον λόγο χρησιμοποιήθηκε μία εξελιγμένη φασματική συσκευή (ASD), φασματόμετρο εδάσφους (εικόνα 3).

Σχήμα 3. (a)Δεδομένα υπερφασματικών μετρήσεων που έγιναν με ASD σπεκτρόμετρο (b) μέση ανάκλαση σε φύλλα ρυζιού κάτω από τέσσερις διαφορετικές συγκεντρώσεις (N)

Μετά από μελέτη επιβεβαιώθηκε ότι οι συχνότητες 556, 670, 700 και 780nm είναι οι ιδανικές συχνότητες για το σύστημα MWCL. Οι τέσσερις πιο ευαίσθητες συχνότητες, που επηρεάζονται από το άζωτο στα φύλλα και την συγκέντρωση χλωροφύλλης ΙΙ, και μπορούν να καθοριστούν από τις σχετικές μετρήσεις στην μέθοδο PLS (εικόνα 4α).

Σχήμα 4 (a) LWs των μοντέλων οπισθοδρόμησης PLS, σημειώνοντας την απόσοδη κάθε μήκους κύματος για την συγκέντρωση του αζώτου στο φύλλο (Ν), συγκέντρωση χλωροφύλλης-α (Chl-a) και νρού (W). Υψηλή τιμή LW δείχνει υψηλή σημαντικότητα του ανακλώμενου μήκους κύματος στην ανάλυση PLS (b) Απορρόφηση ανάκλαση του φύλλου ριζιού στην φασματική καμπύλη.

Η βιοφυσική βάση για την βασική προσέγγιση εδραιώνεται από τα τέσσερα μήκη κύματος 556, 670, 700 και 780nm. Το μήκος κύματος 560nm είναι καλύτερο για τις ξανθοφύλλες ΙΙ, ενώ το κόκκινο που αντιστοιχεί στα 700nm είναι σχετικό με την συγκέντρωση της χλωροφύλλης ΙΙ. Η σπουδαιότητα τεκμηριώνεται και από τις φασματικές καμπύλες στο σχήμα 4β, και δείχνει ότι τα μήκη κύματος (556, 670, 700 και 780nm) και είναι πιο κοντά στις κοιλάδες απορρόφησης και τα peak ανάκλασης. Στο σχήμα 5 φαίνεται η απορρόφηση, η ανάκλαση και τα χαρακτηριστικά διαπερατότητας των υγιών φυλλικών επιφανειών, τα οποία λήφθηκαν στο εργαστήριο, χρησιμοποιώντας σπεκτροραδιόμετρα.

Σχήμα 5. Φασματική αντίδραση της απορρόφησης του φύλλου. Οι κάθετες μπλε γραμμές αποτυπώνουν τα μήκη κύματος MWCL.

MWCL διαδικασία ρύθμισης του σήματος επιστροφής Στο σημείο αυτό περιγράφεται η διαδικασία ρύθμισης του σήματος επιστροφής. Αναφέρεται ότι στην πράξη, οι σαρωτές ανίχνευσης laser μετράνε την ροή των φωτονίων που εισέρχονται στον δέκτη, από μία συγκεκριμένη κατεύθυνση και συγκεκριμένη γωνία, κάτι που είναι ανάλογο της δύναμης του εισερχόμενου σήματος. Η ανάκλαση οπισθοσκέδασης χρησιμοποιείται ως παράμετρος βαθμονόμησης. Στο σχήμα 6α παρουσιάζονται οι τιμές έντασης από το MWCL, οι οποίες είναι διορθωμένες χρησιμοποιώντας την εξίσωση Ιcorrected(θ) = c exp(-θ) + κθ +d. Στο σχήμα 6β φαίνονται οι διορθωμένες τιμές. Οι διαφορές στην ένταση αρχίζουν να διαφέρουν περισσότερο από 5%, όταν η γωνία σκέδασης αυξάνεται των 5°.

Σχήμα 6. Ως αποτέλεσμα του αρνητικού φορτίου στο PMT, η ένταση καταγράφεται στο αρνητικό σήμα οπισθοσκέδασης (a) η οπισθοσκέδαση φαίνεαι στα 556, 670, 700 και 780 nm για 100% ανάκλαση της πρότυπης λευκής επιφάνειας (b) Επίδραση της γωνίας σκέδασης στην ένταση οπισθοσκέδασης σε διαφορετικά μήκη κύματος

Στο σχήμα 7 φαίνεται η αρχική τιμή MWCL και συγκρίνεται με τα δεδομένα αναφοράς, που προέρχονται από το ASD σπεκτρομετρο εδάφους.

Σχήμα 7. Μη βαθμονομημένα δεδομένα έντασης MWCL από τέσσερα μήκη κύματος, καταγράφονται με την οπισθοσκέδαση που μετρήθηκε με το ASD

Για να ερευνηθεί, πότε η ραδιομετρική βαθμονόμηση θα βελτιώσει τη συσχέτιση, ένα παρόμοιο αγροτεμάχιο παρουσιάζεται στο σχήμα 8, για την βαθμονόμηση των δεδομένων MWCL (π.χ. η ανάκλαση οπισθοσκέδασης).

Σχήμα 8. Βαθμονομημένη ένταση MWCL για όλα τα μήκη κύματος καταγράφονται με τα δεδομένα οπισθοσκέδασης από το ASD.

MWCL Φυτικός Δείκτης Laser (laser vegetation index) Ο φυτικός δείκτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένδειξη της υγείας των φυτών. Από την δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει την τηλεπισκόπηση, εξάγοντας διάφορα μοντέλα για τις βιοφυσικές μεταβλητές της βλάστησης. Στην πιο κάτω εξίσωση είναι η εφαρμογή της NDVI, με laser κύματα: NDVIlaser = (ρ780 –ρ670) / (ρ780 + ρ670) (1)

Ο Daughtry (2000) ανέπτυξε τον φυτικό δείκτη στενής ζώνης, ο οποίος χαρακτηρίζεται ως ο μετατροπέας της απορρόφησης της Χλωροφύλλης ΙΙ σε δείκτη ανάκλασης (TCARI). Αυτός ο δείκτης ενσωματώνει τα πλεονεκτήματα των δεικτών που περιορίζουν τα αποτελέσματα του εδάφους ως φόντο και των δεικτών που είναι ευαίσθητοι στην συγκέντρωση χλωροφύλλης ΙΙ: TCARIlaser = 3[(ρ700 –ρ670) – 0.2(ρ700 – ρ556) (ρ700/ρ670)] (2)

Επιπλέον, για να διαχωριστούν τα αναπτυσσόμενα μέρη της βλάστησης, η ερευνητική ομάδα δημιούργησε τον πράσινο φυτικό δείκτη GNDVIlaser, ο οποίος αναφέρεται στον Moges (2005). GNDVIlaser = [(ρ780 –ρ556)/(ρ780+ρ556) (3)

Τεστ εδάφους και συζήτηση των αποτελεσμάτων Για να υπάρξει σε βάθος κατανόηση του συστήματος MWCL, λήφθηκαν μετρήσεις LiDAR. Ο σκοπός των πειραμάτων ήταν να παρουσιαστεί η σκοπιμότητα και οι εφαρμογές των μετρήσεων του πεδίου δράσης του MWCL, καθώς επίσης να αξιολογηθεί η απόδοση της φασματικής σύλληψης. Το πρώτο πείραμα αξιολόγησε την απόδοση του συστήματος ως ανιχνευτής laser με μία πηγή laser 635nm. Οι στόχοι της εικόνας 9α, τοποθετήθηκαν σε απόσταση 7m μπροστά από την σύνθετη πηγή laser και πραγματοποιήθηκαν τρεις σαρώσεις. Παρουσιάζεται σχετική ανάλυση, ενώ στο σχήμα 9c και σύμφωνα με τις συναρτήσεις (1) έως (3), φαίνεται η πληροφορία και πως τελικά ξεχωρίζουν ακόμα και τα ξερά φύλλα.

Σχήμα 9. (a) Στόχος δύο κουτιά, (b) τριών διαστάσεων ανασχηματισμός των αποτελεσμάτων του LIDAR (c) αποτελέσματα ταξινόμησης από το lib-SVM

Τα LiDAR πολλαπλών συχνοτήτων μπορούν να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω και για τον υπολογισμό, πότε η βλάστηση υποφέρει από στρές αζώτου. Στο σχήμα 10, παρουσιάζεται η χρήση του MWCL σε ύψος 20m, οριζόντιας εφαρμογής, με τις διόδους laser να εκπέμπουν σε τέσσερα μήκη κύματος, συγχρόνως με έναν παλμό επαναλαμβανόμενο στα 800 Hz. Στόχος ήταν η μέτρηση αζώτου και νερού. Χρησιμοποιήθηκε ένα υπόδειγμα για μέτρηση MWCL και ένα για βιοχημική (νερό και άζωτο). Τα φύλλα καλύφθηκαν με μία βαθμονομημένη μαύρη επιφάνεια και δόθηκε σημασία το πεδίο να είναι πλήρως χρησιμοποιούμενο.

Σχήμα 10. Μέτρηση των στόχων που τοποθετούνται σε λεία μαύρη επιφάνεια

Τα εννέα αντικείμενα ήταν: (1) Platanus acerifolia μαραμένα φύλλα, (2) Buxussinica (Rehd.etWils.) Cheng φύλλα, (3) Robinia pseudoacacia L. μαραμένα φύλλα, (4) Robinia pseudoacacia L. υγιή φύλλα, (5) Prunus ceraifera cv. Pissardii φύλλα, (6) Platycladus orientalis(Linn.) Franco φύλλα, (7) Ulmus pumila L. φύλλα, (8) μαύρο χώμα, και (9) τσιμέντο. Κάθε στόχος μετρήθηκε για δέκα σημεία δειγματοληψίας. Η ανάκλαση του φυλλώματος στα τέσσερα μήκη κύματος είχε σημαντική διαφορά.

Σχήμα 11. Τρεις δείκτες βλάστης LIDAR, από εννέα αντικείμενα

Σχήμα 12. Σχέση μεταξύ των τριών δεικτών LiDAR του συστήματος MWCL και της βιομάζας φυλλώματος για τα επτά είδη βλάστησης των ενέα αντικειμένων. Τα μαύρα κουτιά αντιπροσωπεύουν την τιμή των δεικτών φυτικής βλάστησης και το σχετικό άζωτο του φυλλώματος.

Σχήμα 13. Διανομή διάταξης των πολυφασματικών LiDAR για αντικείμενα, βασιζόμενοι στο TCARI και GNDVI. Κάθε σημείο αντιπροσωπεύει την μέση μέτρηση για κάθε ένα από τα δείγματα.

Συμπεράσματα

Σε αυτήν τη μελέτη, παρουσιάζεται μία καινοτόμος αναγνώριση της βλάστησης, μέσω των πολλαπλών σημάτων, διαφορετικής συχνότητας laser, MWCL. Πριν την εφαρμογή του συστήματος MWCL, απαιτείται σε βάθος γνώση της μορφολογίας των φυτικών φύλλων. Μέσω ανάλυσης των υπερφασματικών μετρήσεων και της επιλογής του μήκους κύματος, επιλέχθηκαν τα μήκη κύματος 556, 670,700 και 780nm ως ιδανικά για το σύστημα MWCL. Αναφέρεται ότι λόγω της σύνθετης φύσης των φύλλων, επιπλέον έρευνα απαιτείται, καθώς επίσης ότι η ομάδα θα συνεχίσει να μελετά τις δυνατότητες σάρωσης του συστήματος MWCL, καθώς θεωρούν ότι διαθέτουν μεγάλη δυναμική στην εναέρια χαρτογράφηση και στην μεγάλης κλίμακας κάθετης ανάλυσης των μετρήσεων LiDAR.

Πηγή: Multi-wavelength canopy LiDAR for remote sensing of vegetation: Design and system performance

Συγγραφείς: Gong Wei, Song Shalei, Zhu Bo, Shi Shuo, Li Faquan, Cheng Xuewu

Δημοσίευση: ISPRS Journal of Photogrammetry and remote Sensing 69 (2012) 1-9

Link: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271612000378