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
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
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]
Λέξεις-Κλειδιά: UAV, θερμική απεικόνιση, διάσωση ζώων, τηλεπισκόπηση, σύστημα ανίχνευσης, γεωργία, Octocopter
Εισαγωγή
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).
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.
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 (the view of the onboard camera) 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).
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).
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.
