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無人機(jī)高光譜技術(shù)在監(jiān)測罌粟種植中的應(yīng)用

來源:賽斯拜克 發(fā)表時(shí)間:2023-07-05 瀏覽量:1099 作者:awei

罌粟是一種被廣泛種植的植物,其種子可以提取出鴉片,用于制作毒品。因此,使用無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)對(duì)罌粟種植的監(jiān)測和控制成為了許多國家和地區(qū)的重要任務(wù)的一環(huán)。



罌粟植株



傳統(tǒng)的罌粟種植監(jiān)測主要依靠人工巡查和航空攝影等手段,但這些方法存在著諸多限制,如成本高、效率低、覆蓋面窄、識(shí)別困難等問題。而無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)的出現(xiàn),為罌粟種植的監(jiān)測帶來了革命性的改變。無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)利用無人機(jī)搭載的高光譜相機(jī),獲取罌粟種植區(qū)域的多光譜圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含了大量的空間和光譜信息,通過無人機(jī)的快速高效飛行,可以對(duì)廣大的種植區(qū)域進(jìn)行全面的監(jiān)測。

罌粟植株與干擾物體


無人機(jī)高光譜的優(yōu)勢

02




高光譜反映了高分辨率光學(xué)信息的特征,其利用很多很窄的電磁波波段(通常<10nm)從感興趣的物體獲取有關(guān)數(shù)據(jù)。高光譜圖像是由成像光譜儀獲取的,成像光譜儀為每個(gè)像元提供數(shù)十至數(shù)百個(gè)窄波段光譜信息,產(chǎn)生一條完整而連續(xù)的光譜曲線。它使本來在寬波段遙感中不可探測的物質(zhì),在高光譜中能被探測。與無人機(jī)進(jìn)行結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)高效大面積地物的高效監(jiān)測。



與傳統(tǒng)方法相比,無人機(jī)高光譜遙感具有以下優(yōu)勢:

1.高光譜傳感器可以捕捉到植物葉片的反射光譜。罌粟植物在不同生長階段會(huì)有不同的光譜反射特征,通過高光譜遙感技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別罌粟種植區(qū)域。

2.無人機(jī)可以快速覆蓋大面積的種植區(qū)域。以往的人工巡查需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力,而無人機(jī)可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)整個(gè)地區(qū)的監(jiān)測,大大提高了效率。

3.無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)還可以結(jié)合圖像處理和數(shù)據(jù)分析等技術(shù),實(shí)現(xiàn)罌粟種植區(qū)域的自動(dòng)識(shí)別和監(jiān)測。通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的處理和分析,可以更加準(zhǔn)確地判斷罌粟種植區(qū)域的位置和范圍,為執(zhí)法部門提供有力的依據(jù)。


1. 與可見光結(jié)果相比

可見光圖像僅僅有紅綠藍(lán)(RGB)三個(gè)波段的光信息組成,在對(duì)罌粟識(shí)別時(shí)通過人工肉眼判讀進(jìn)行監(jiān)測,效率低下且準(zhǔn)確度有限。而高光譜圖像結(jié)果具有300個(gè)波段的光信息,對(duì)于罌粟可以提取其專屬的波段特征,從而對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別,同時(shí)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測。

2. 與多光譜結(jié)果相比

多光譜和高光譜的主要區(qū)別是波段的數(shù)量和窄度。多光譜圖像通常由10-30個(gè)波段的光信息組成,對(duì)于罌粟或其他地物的檢測特征有限,容易與其他地物的反射光譜混淆。在高光譜圖像中具有更高水平的光譜細(xì)節(jié)可以提供更好的植被區(qū)分能力,例如在檢測罌粟時(shí),高光譜圖像可以有效區(qū)分罌粟與其他相似植物,提高準(zhǔn)確率。



(1)多光譜圖像通常是指以像素表示的10到30個(gè)波段, 每個(gè)波段可以通過使用遙感輻射計(jì)來獲取。





(2)高光譜圖像包含很窄的波段(<10 nm), 高光譜圖像具有幾百個(gè)波段(如ATH9010有300個(gè)波段)。






應(yīng)用方法

03



罌粟的生長可分為4個(gè)周期,分別為苗期40天,蕾期20天,花期20天和果期20天,其中花果期由于罌粟的花朵形狀獨(dú)特、色彩艷麗,因此在該時(shí)間段內(nèi)是罌粟巡查、鏟除的黃金時(shí)期。所以每到春夏季節(jié),全國各地的民警都會(huì)把查罌粟作為一個(gè)重點(diǎn)任務(wù),此時(shí)無人機(jī)高光譜的優(yōu)勢不可取代,探查區(qū)域大、效率高。

圖3 罌粟植株的生長周期

賽斯拜克SF500無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)

1. 飛行平臺(tái)

SF500無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)是基于大疆工業(yè)級(jí)無人機(jī)旗艦產(chǎn)品M300RTK平臺(tái)深度開發(fā)的一款輕小型旋翼無人機(jī)機(jī)載的高光譜成像系統(tǒng),該系統(tǒng)由高光譜成像儀、輕小型旋翼高穩(wěn)定性無人機(jī)、高穩(wěn)定性云臺(tái)、大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)、無線圖像系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等組成,是當(dāng)前市場上輕型化+科學(xué)級(jí)高光譜數(shù)據(jù)的優(yōu)選組合方案。


核心載荷高光譜成像儀采用了性能卓越的科研級(jí)COMS探測器和高衍射效率的透射光柵分光元件,光譜范圍覆蓋400~1000nm,光譜分辨率優(yōu)于2.5nm,具有極高的噪信比和空間分辨率,可以充分挖掘和利用不同物質(zhì)自身特有的光譜信息,結(jié)合高清相機(jī)拍攝高清圖片,實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)信息的全面檢測,是一臺(tái)“圖譜合一”的綜合性遙感設(shè)備。


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2.應(yīng)用流程

活體的罌粟植株由于其特定的生理特征和結(jié)構(gòu),會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生特定的反射率曲線,尤其在花果期階段,這種反射率光譜曲線與其他植被存在特定的差異。利用這一特性,可以通過以下技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)罌粟植株的自動(dòng)識(shí)別。

圖5 罌粟植株反射率光譜曲線示意圖

(1)利用無人機(jī)高光譜采集樣本區(qū)域圖像,樣本區(qū)域中應(yīng)該包含罌粟苗期或花果期的生長植株;

(2)在圖像處理軟件中(如ENVI)人工標(biāo)記樣本圖像的罌粟植株區(qū)域,并區(qū)分苗期植株和花果期植株,制作成罌粟植株標(biāo)準(zhǔn)圖像(ROI),并存儲(chǔ)為罌粟植株數(shù)據(jù)庫,后期監(jiān)測中均可以使用;

圖6 罌粟植株特征光譜和實(shí)地檢測結(jié)果

(3)利用ENVI或者公司開發(fā)的數(shù)據(jù)解譯軟件,將外業(yè)采集的圖像導(dǎo)入軟件中,應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法和標(biāo)準(zhǔn)罌粟植株數(shù)據(jù)庫對(duì)采集的原始進(jìn)行自動(dòng)檢測,并自動(dòng)標(biāo)記出花果期或苗期的罌粟植株區(qū)域,最后結(jié)合人工目視圖像檢查,和實(shí)地檢查進(jìn)行鏟除。


圖7 罌粟植株無人機(jī)高光譜監(jiān)測技術(shù)流程


無人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

無人機(jī)-DJI M300RTK無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)
型號(hào)SF500

參數(shù)配置參數(shù)配置
尺寸尺寸(展開,不包含槳葉):810×670×430 mm(長×寬×高)分光方式透射光柵

尺寸(折疊,包含槳葉):430×420×430 mm(長×寬×高)光譜范圍400-1000nm
對(duì)稱電機(jī)軸距895 mm光譜波段數(shù)1200(1x),600(2x),300(4x)
重量(含下置單云臺(tái)支架)空機(jī)重量(不含電池):3.6 kg光譜分辨率優(yōu)于2.5nm

空機(jī)重量(含雙電池):6.3 kg狹縫寬度25μm
單云臺(tái)減震球**負(fù)重930g透射效率>60%
**起飛重量9 kgF數(shù)F/2.6
工作頻率2.4000-2.4835 GHz;5.725-5.850 GHz探測器CMOS
發(fā)射功率(EIRP)2.4000-2.4835 GHz:空間像素?cái)?shù)1920(1x),960(2x),480(4x)

29.5 dBm(FCC);18.5dBm(CE)18.5 dBm(SRRC);18.5dBm(MIC)像素尺寸5.86 μm

5.725-5.850 GHz:28.5 dBm(FCC);12.5dBm(CE)28.5 dBm(SRRC)有效像素位深12bits
懸停精度(P-GPS)垂直:±0.1 m(視覺定位正常工作時(shí))±0.5 m(GPS 正常工作時(shí))±0.1 m(RTK 定位正常工作時(shí))采集速度全譜段≥50fps

水平:±0.3 m(視覺定位正常工作時(shí))±1.5 m(GPS 正常工作時(shí))±0.1 m(RTK 定位正常工作時(shí))視場角(FOV)15.6°@f=35mm
RTK 位置精度在 RTK FIX 時(shí):1 cm+1 ppm(水平)1.5 cm + 1 ppm(垂直)瞬時(shí)視場角(IFOV)0.71mrad@f=35mm
**旋轉(zhuǎn)角速度俯仰軸:300°/s 航向軸:100°/s可選鏡頭焦距16mm/25mm/35mm
**俯仰角度30° (P模式且前視視覺系統(tǒng)啟用:25°)云臺(tái)定制高穩(wěn)云臺(tái),雙軸雙電機(jī)
**上升速度S 模式:6 m/s,P 模式:5 m/s定位系統(tǒng)優(yōu)于10cm
**下降速度(垂直)S 模式:5 m/s P 模式:4 m/s內(nèi)置采集處理單元i7處理器,8GB,512GB硬盤
**傾斜下降速度S 模式:7 m/s

**水平飛行速度S 模式:23 m/s, P 模式:17 m/s

**飛行海拔高度5000 m(2110 槳葉,起飛重量≤7 kg)/ 7000 m(2195 高原靜音槳葉,起飛重量≤7 kg)

**可承受風(fēng)速15m/s(起飛及降落階段為12m/s)

**飛行時(shí)間55 min

支持云臺(tái)安裝方式下置單云臺(tái)、上置單云臺(tái)、下置雙云臺(tái)、下置單云臺(tái)+上置單云臺(tái)、下置雙云臺(tái)+上置單云臺(tái)

IP 防護(hù)等級(jí)IP45

GNSSGPS+GLONASS+BeiDou+Galileo

工作環(huán)境溫度-20°C 至 50°C



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