آفاق البحث والتطبيق باستخدام الطائرات بدون طيار والتصوير الطيفي الجوي

تُقدّم هذه المقالة بشكل أساسي تطبيق جهاز التصوير الطيفي الفائق Headwall Co-aligned400 ~ 2500nm المُثبّت على طائرات Foxtech Robot V10 وD20 بدون طيار. وقد نجح طرازا Foxtech Robot V10 وD20 في حلّ مشكلات تطبيقات منصات الطيران ذات الحمولة الكبيرة والقدرة على التحليق لفترات طويلة، مما يُسهم في نشر تطبيقات التصوير الطيفي الفائق عالية الجودة على نطاق واسع. تُستخدم بيانات التصوير الطيفي الفائق على نطاق واسع في العديد من المجالات، مثل الزراعة والغابات والجيش والجيولوجيا والتعدين والاستجابة للطوارئ وتخطيط الأراضي، وذلك بفضل خصائصها من حيث المرونة والدقة العالية وإمكانية التشغيل عبر الحوسبة السحابية. يُمكن لطائرة Foxtech Robot V10 وD20 بدون طيار، المزودة بجهاز التصوير الطيفي الفائق، التقاط بيانات انعكاسية الأجسام الأرضية بسرعة في منطقة العمل، واستخدام نظام الملاحة بالقصور الذاتي (IMU/GPS) عالي الدقة المُدمج في جهاز التصوير لتصحيح تشوّه الصورة، وبالتالي تحقيق تحديد دقيق وفعّال للأجسام الأرضية دون فقدان أي بيانات.

V10/D20 نظام طائرات بدون طيار مطور حديثًا من قبل شركة فوكستك روبوت، يتميز بقدرة عالية على حمل حمولات كبيرة، وعمر تشغيلي طويل، وتعدد الوظائف، ودقة عالية، وكفاءة عالية. V10 نظام طائرات بدون طيار ذو قدرة إقلاع وهبوط عمودية، وD20 نظام طائرات بدون طيار ذو قدرة إقلاع وهبوط عمودية. يركز كلا النظامين على "حمولة كبيرة وعمر تشغيلي طويل"، ويواصلان التصميم الصناعي والوحداتي لمنتجات فوكستك روبوت. تستخدم هذه الطائرات بطاريات طاقة ذكية عالمية ومعدات حمولة متطورة، ويمكن تجهيزها بوحدات مسح جوي بالضوء المرئي، ووحدات إمالة بالضوء المرئي، ووحدات فيديو بالضوء المرئي، ووحدات كاميرا بالأشعة تحت الحمراء الحرارية، ووحدات فيديو بالأشعة تحت الحمراء الحرارية، ووحدات متعددة الأطياف، ووحدات فائقة الأطياف، ووحدات ليدار، ووحدات رادار ذات فتحة اصطناعية، وبعض الوحدات المركبة، وكلها مزودة بلوحات GNSS تفاضلية عالية الدقة وشبكة RTK/PPK قياسية. وتدعم خدمة الحلول المتكاملة الخاصة بها التثليث الجوي عالي الدقة بمساعدة نقطة الموقع، ولديها القدرة على رسم خرائط واسعة النطاق بنسبة 1:500 بدون نقاط تحكم، مما يتيح تطبيقات خالية من التحكم في الصور؛ وكلاهما مزود ببرنامج "Drone Manager Professional Edition (Measurement Edition)"، الذي يدعم المسارات الذكية وتخطيط المسارات المشتركة بناءً على تضاريس ثلاثية الأبعاد دقيقة لتلبية احتياجات التطبيقات المختلفة، ولديه القدرة على تتبع التضاريس الدقيقة ومراقبة الطيران ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي؛ يدعم حساب دمج نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وقياس نقاط التحكم، وحساب التثليث الجوي، ووظائف بنقرة واحدة مثل رسم الخرائط، وتصدير الخرائط المجسمة بنقرة واحدة، وحساب مسار الملاحة المتكامل عالي الدقة، ومعالجة وتصنيف سحابة النقاط، وما إلى ذلك، ويوفر معالجة وتصفح نتائج البيانات المختلفة مثل DOM وDEM وDSM وTDOM وسحابة نقاط LAS، وما إلى ذلك.

جهاز التصوير الطيفي الفائق HeadWall Co-aligned 400-2500nm هو جهاز تصوير كامل الطيف من إنتاج شركة HeadWall الأمريكية. وهو حاليًا جهاز التصوير الوحيد المحمول جوًا من الطائرات بدون طيار في الصين الذي يغطي نطاق 400-2500 نانومتر. تُنتج شركة HeadWall بشكل أساسي محززات حيود، وأجهزة قياس الطيف، وغيرها من المنتجات التي تُستخدم على نطاق واسع في الاستشعار عن بُعد، والمجالات العسكرية والدفاعية، ورؤية الآلة، والطب الحيوي، وغيرها. تعتمد طريقة التصوير HeadWall Co-aligned 400-2500nm على التصوير الخطي الكلاسيكي، حيث يُمثل كل بكسل طيفًا دقيقًا تم جمعه فعليًا. وبفضل تصميمه البصري متحد المركز ذي الانعكاس الكلي، يتميز الجهاز ببنية مدمجة، وضوء متشتت أقل، ونسبة إشارة إلى ضوضاء أعلى. كما أنه خالٍ من الأجزاء المتحركة مثل المصاريع الميكانيكية، ويتمتع بمقاومة عالية للصدمات، وخرائط مُدمجة. كل بكسل هو طيف حقيقي تم جمعه، بدقة طيفية عالية. يتميز هذا الجهاز بكفاءة عالية، ومعلومات طيفية أكثر ثراءً وموثوقية، مع تقليل تشوهات الابتسامة والتشوه شبه المنحرف في صورة تصحيح فرق الطور، واستخدام محزز الخدش الأصلي لتقليل التشويش. يتميز نظام المطياف بأكمله بصغر حجمه وتكامله العالي، وإمكانية مزامنة بياناته مع تقنية الليدار الليزري. كما يمكن دمج بيانات الطيف الفائق وبيانات السحابة النقطية. بالمقارنة مع أجهزة الطيف الفائق الشائعة، يتمتع جهاز HeadWall Co-aligned بالمزايا التالية: (1) نطاق ترددي واسع، 400-2500 نانومتر؛ (2) جهاز خفيف الوزن، يزن 2.8 كجم فقط؛ (3) تكامل عالٍ، حيث يضم نظام ملاحة بالقصور الذاتي عالي الدقة، وجهاز تصوير بنطاق 400-2500 نانومتر، وتقنية الليدار الليزري؛ (4) جمع أطياف الأجسام الأرضية بدقة عالية.

تختلف المواد في تركيبها الجزيئي والذري والأيوني، كما يختلف توزيع طاقة الضوء المنعكس أو الممتص في النطاق الطيفي نفسه. ومن خلال خصائص المنحنى الطيفي، يُظهر منحنى الانعكاس أو الامتصاص الطيفي لجسم ما تغيرات منتظمة مع تغير الطول الموجي، أي القمم والقيعان المميزة على المنحنى الطيفي. تستطيع أجهزة التصوير الطيفي الفائق تحديد الاختلافات في هذه الطاقات، تمامًا كبصمات الأصابع. وبناءً على "البصمات الطيفية" للمواد المختلفة، تُستخلص السمات الطيفية من خلال تحليل خصائص البيانات الطيفية، مما يُتيح تحديد وتمييز الأجسام المدروسة.

يلتقط جهاز HeadWall Co-aligned إشارة الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (400-2500 نانومتر) للأجسام الأرضية. وبناءً على البصمة الطيفية لهذه الأجسام، يستطيع الجهاز استخلاص وتحليل معلوماتها بسرعة، مثل المعادن المتغيرة، والملوثات، والتمويه، والغطاء النباتي، وغيرها.

تبدأ عملية تشغيل الطائرات المسيّرة فائقة الطيف بتحديد الغرض من العمل والمهمة، ثم اختيار المنطقة المستهدفة، واختيار طائرة مسيّرة متعددة المراوح أو ثابتة الجناحين وفقًا لحجم المنطقة المستهدفة ونوعها، وتخطيط مسار الطائرة. تعتمد طريقة جمع البيانات في جهاز التصوير على تحريك الكاميرا باستمرار لالتقاط طيف الأجسام الأرضية. بعد اكتمال مهمة الطيران، يتم تنزيل بيانات الأشعة المرئية القريبة من الأشعة تحت الحمراء (VNIR) والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة (SWIR) وبيانات الملاحة بالقصور الذاتي، ثم تُحوّل بيانات طيف الانعكاس إلى صور لعرضها باستخدام الوسائل التقنية، وبعد ذلك تُعالج البيانات فائقة الطيف. في مرحلة المعالجة المسبقة، يُنشأ نموذج للتعرف على الخصائص الطيفية للأجسام الأرضية استنادًا إلى طيف البصمة الطيفية وبيانات طيف الأجسام الأرضية، ثم تُعكس المنطقة المجهولة وتُتنبأ بها. يوضح الشكل 2 مخطط التدفق المحدد.

عملية معالجة الصور الطيفية الفائقة للطائرات بدون طيار

الإشعاع والانعكاس

تعتمد كاميرا التصوير الطيفي الفائق تصميمًا بصريًا متمركزًا يعتمد على الانعكاس الكلي مع فرق طور ضئيل، وتستخدم عناصر بصرية مصممة خصيصًا. لا يتجاوز خطأ الاكتساب بكسلًا واحدًا، مما يُزيل بشكل أساسي تشوه الابتسامة وتشوه الانحراف. يمر الضوء عبر الشق، وينقسم بواسطة محزز حيود، ثم يصطدم بالمستشعر لتوليد بيانات ثنائية الأبعاد: بُعد مكاني وبُعد طيفي. يُمثل الشق خطًا على الأرض. وبحسب مسار حركة الطائرة المسيّرة، يتحرك الخط داخل السطح، أي يتم الحصول على البُعد المكاني ثنائي الأبعاد والبُعد الطيفي أحادي البعد، وفي النهاية يتم الحصول على مكعب بيانات طيفي فائق.

يدخل الضوء المنعكس من الأجسام الأرضية إلى مستشعر جهاز التصوير الطيفي الفائق، حيث تُحوّل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية للحصول على قيمة DN الأصلية للمستشعر. يُستخدم برنامج SpectralView لإتمام عملية تحويل قيمة DN إلى إشعاع. ولأن استجابة كل بكسل من المستشعر غير متساوية، يستخدم المصنّع كرة تكاملية منتظمة لمعايرة الإشعاع قبل مغادرة الجهاز للمصنع، وذلك لضمان تجانس كل بكسل، ثم يُحوّل قيمة DN الأصلية (بدون وحدات) إلى قيمة إشعاع (مع وحدات)، ما يسمح بمقارنتها مع أجهزة أخرى.

لتحديد البصمة الطيفية للأجسام الأرضية، من الضروري تحويل قيمة الإشعاع إلى قيمة الانعكاس. تتطلب هذه العملية استخدام أهداف للمقارنة. عادةً، تُستخدم ثلاثة أهداف ذات انعكاسات مختلفة (مثل قماش أبيض، وقماش رمادي، وقماش أسود). لكل قطعة انعكاسية معروفة، ومن خلال جمع طيف الجسم الأرضي وطيف الهدف في آنٍ واحد، يمكن استخدام برنامج SpectralView للحصول على انعكاسية الجسم الأرضي.

بسبب تأثر الطائرة المسيّرة بالطقس، لا تستطيع الحفاظ على وضعية ثابتة من البداية إلى النهاية، ما يؤدي إلى تغيرات مختلفة، كالدوران والانحراف والالتفاف، أثناء تحليقها، مُسببةً تشوهاتٍ وتشوهاتٍ في الصور الملتقطة. يأتي نظام HeadWall مزودًا بنظام ملاحة بالقصور الذاتي عالي الدقة GPS/IMU، الذي يسجل معلومات الوضع والموقع لتصحيح الصور. كما يدمج HeadWall نظام ليدار ليزري ذو 16 خطًا للتحليق المتزامن، مسجلاً بيانات سحابة النقاط ثلاثية الأبعاد ومعلومات البنية الرأسية على ارتفاع أقل من 100 متر، ما يُحقق في النهاية تصحيحًا عالي الدقة للصور. يمكن دمج نظام الملاحة بالقصور الذاتي عالي الدقة مع محطات القاعدة الأرضية لتحقيق التفاضل بعد PPK من خلال برنامج POSPac UAV، ما يُحسّن دقة تحديد الموقع والوضع. يستخدم برنامج SpectralView لدمج مجال رؤية المستشعر ومجال الرؤية اللحظي، واستعادة الموقع الحقيقي لكل إطار من خلال معلومات الموقع والوضع أثناء التحليق، مُكملاً بذلك عملية التصحيح الهندسي.

يمكن دمج البيانات من خلال دمج بيانات التضاريس المُستقاة من تقنية الليدار الليزري والبيانات الطيفية الفائقة. في الصورة ذات الألوان الزائفة، تُبرز القناة الحمراء المعالم شديدة الانحدار (المنحدرات، الأشجار)، بينما تُضخّم القناتان الخضراء والزرقاء الاختلافات في الغطاء النباتي والأرض. بالإضافة إلى ذلك، تُضاف بيانات نموذج الارتفاع الرقمي إلى مكعب البيانات كقناة.

دمج بيانات التضاريس والبيانات الطيفية الفائقة

تُستخدم تقنية التصوير الطيفي الفائق بواسطة الطائرات بدون طيار على نطاق واسع في جوانب مختلفة مثل المراقبة والإنذار المبكر، والتنقيب الجيولوجي، وتحديد التمويه العسكري، وتصنيف المعالم، واستخراج معلومات الملوثات البيئية، وتقدير المحاصيل الزراعية، ومراقبة حالة النمو، وتحديد أنواع أشجار الغابات، وتخطيط البناء، واختيار مواقع المشاريع، وما إلى ذلك. اختر عدة حالات للتحليل أدناه.

مراقبة صحة الغابات

لمراقبة صحة غابات الصنوبر، يستحيل التمييز بين صور الضوء الأخضر والضوء المرئي العام لأشجار الصنوبر في المراحل المبكرة من المرض وأشجار الصنوبر السليمة. لذا، يُستخدم جهاز تصوير جوي لاختبار طيف انعكاس غطاء أوراق الصنوبر السليم، كما تم اختبار طيف انعكاس غطاء أوراق أشجار الصنوبر المريضة (الشكل 9، المنتصف). تنمو أشجار الصنوبر السليمة بقوة، وتحتوي أوراقها على كمية كافية من الماء، وخلايا الكلوروفيل نشطة، وتتميز بانعكاسات قوية نسبيًا في نطاقي الضوء الأخضر والأشعة تحت الحمراء القريبة. أما أشجار الصنوبر المريضة، فتتميز بانعكاسات قوية نسبيًا في نطاقي الضوء الأخضر والأشعة تحت الحمراء القريبة. ونظرًا لتآكلها بفعل الآفات الحشرية، تعاني أشجار الصنوبر من ضعف الحيوية، وانخفاض رطوبة الأوراق، وخمول خلايا الكلوروفيل، واصفرار اللون، وانخفاض الانعكاس في نطاقي الضوء الأخضر والأشعة تحت الحمراء القريبة. وبناءً على هاتين الخاصيتين المختلفتين، بالإضافة إلى الخصائص الطيفية المستخرجة من الأرض، يمكننا تحديد أشجار الصنوبر المريضة. وخصائص البصمة الطيفية لغطاء أوراق الصنوبر السليم، وإنشاء نموذج طيفي ذي صلة، والحصول على بيانات صور طيفية لمنطقة واسعة من خلال التصوير الطيفي الفائق بواسطة الطائرات بدون طيار، وإجراء عملية عكسية بناءً على النموذج لتحقيق دراسة الحالة الصحية لأشجار الصنوبر في منطقة مستهدفة واسعة.

التعرف على الهوية من خلال التنكر

تحديد تمويه أكوام الذخيرة. هذه شبكة تمويه طائرة ساب باراكودا فوق كومة الذخيرة. بعد استخدام التصوير التقليدي بالألوان RGB، اندمج هدف التمويه مع خلفية الأرض واختفى بصريًا، مما جعل من المستحيل تحديده. ولأن شبكة التمويه تقع ضمن نطاق الطيف الكامل من 400 إلى 2500 نانومتر، وهو نطاق مختلف عن خلفية الأرض، فقد استُخدم التصوير الطيفي الفائق بواسطة طائرة بدون طيار للحصول على صور للمعالجة، مما أدى إلى كبح معلومات الخلفية، وفي الوقت نفسه فصل وتضخيم الشذوذات الطيفية، وبالتالي عزل هدف التمويه عن الخلفية، مما جعله مرئيًا.

تصنيف الميزات

فيما يتعلق بتصنيف المحاصيل، وبناءً على التجارب الميدانية، تم استخدام أجهزة قياس الطيف الأرضية لقياس أطياف محاصيل مختلفة مثل الشعير والبطاطس والشوفان والبرسيم واللفت والسبانخ للحصول على خصائص البصمة الطيفية، ثم تم استخدام نظام التصوير الطيفي الفائق بواسطة طائرة بدون طيار للحصول على صور طيفية "موحدة" للمحاصيل، وبناءً على خصائص البصمة الطيفية، يمكن تصنيف المحاصيل المختلفة من خلال حساب الزاوية الطيفية SAM.

التنقيب عن المعادن والكنوز

نظراً للاختلافات الكبيرة في التركيب الذري للمعادن المختلفة، تظهر اختلافات واضحة في نطاق 1000-2500 نانومتر. وتُعدّ تقنية التحليل الطيفي الفائق من أوائل التقنيات التي أظهرت فعاليتها في مجال تحديد المعادن. ويعتمد حالياً كل من المكتبة الطيفية المعتمدة دولياً على أطياف المعادن. وباستخدام هذه المكتبة الطيفية، يُمكن تحديد معادن مثل خام الحديد وخام النحاس والذهب في الموقع دون إتلافها.

يُعدّ التغيير الجيولوجي علامةً مهمةً في التنقيب عن المعادن. وتختلف البصمات الطيفية للمعادن المتغيرة باختلاف أنواعها. وترتبط الرواسب الحرارية المائية جميعها بالتغيير الجيولوجي. ويمكن استخدام تقنية التصوير الطيفي فائق الدقة بواسطة الطائرات المسيّرة للحصول على البصمات الطيفية للأجسام الأرضية، بالإضافة إلى المعادن المتغيرة وخصائصها. وتُستخدم الخصائص الطيفية المُدمجة لتحقيق هدف التنقيب على نطاق واسع.

تقدير محتوى رطوبة التربة

يُعدّ محتوى رطوبة التربة (SMC) أحد أهمّ المعايير الفيزيائية للتربة، وعاملاً أساسياً في تحديد بنية تجمعاتها وحالتها الغذائية. يؤثر محتوى رطوبة التربة على العمليات الفيزيائية والكيميائية والفسيولوجية للتربة. إنّ فهم حالة رطوبة التربة بدقة في الأراضي الزراعية يُسهم في إدارة نظام الريّ بكفاءة أكبر. كما أنّ تحسين رطوبة التربة بشكلٍ مُوجّه في المراحل الحرجة من نموّ المحاصيل يُحسّن من إنتاجيتها وجودتها. تُؤخذ عينات من الأراضي الزراعية بشكلٍ مُنتظم، ثمّ تُعالج وتُجفف في المختبر. تُؤخذ بعض العينات للحفاظ على مجموعة النموذج، بينما تُستخدم عينات أخرى كمجموعات تحقق. بعد الترشيح وإزالة التشويش، يُحسب متوسط ​​الطيف لكل منطقة عينة، وتُستخدم مؤشرات طيفية مختلفة لاختيار وتقدير رطوبة التربة. يُحدد أفضل نطاق لمحتوى رطوبة التربة، وبناءً عليه، يُنشأ نموذج تقدير كمّي لعكس محتوى رطوبة التربة.

لقد نجحت الطائرات المسيّرة V10 وD20 في حلّ مشكلات التطبيق والتركيب لمنصات الطيران ذات الحمولة الكبيرة والقدرة على التحليق لفترات طويلة. يتميز جهاز التصوير الطيفي الفائق HeadWall Coaligned 400-2500nm بنطاق بيانات طيفية أوسع من الأجهزة التي تعمل بنطاق 400-1000nm. ويمكنه الحصول على بيانات طيفية فائقة في نطاقي 400-1000nm و1000-2500nm في آنٍ واحد بنفس دقة القياس الأرضي، مع دقة أعلى في تحديد معلومات البصمة الطيفية. ويمكن للطائرة المسيّرة المزودة بجهاز التصوير الطيفي الفائق HeadWall Coaligned 400-2500nm توفير بيانات طيفية فائقة عالية الجودة تغطي مساحات واسعة، ويمكن استخدامها على نطاق واسع في مجالات الزراعة، والغابات، والتنقيب الجيولوجي، وعلم الآثار، والتخطيط العمراني، والرصد البيئي، والإنذار المبكر، وغيرها.