Prospettive di ricerca e applicazione per droni e sistemi iperspettrali aerei.

Questo articolo illustra principalmente l'applicazione dell'imager iperspettrale Headwall Co-aligned 400 ~ 2500nm montato sui droni Foxtech Robot V10 e D20. I modelli Foxtech Robot V10 e D20 hanno risolto efficacemente i problemi applicativi delle piattaforme di volo con carico elevato e lunga autonomia, consentendo la diffusione di applicazioni iperspettrali di alta qualità su vasta area. I dati iperspettrali sono ampiamente utilizzati in molti settori come agricoltura, silvicoltura, ambito militare, geologia e minerario, gestione delle emergenze e pianificazione territoriale, grazie alle loro caratteristiche di flessibilità, alta risoluzione e operatività in ambiente cloud. I droni Foxtech Robot V10 e D20, dotati di imager iperspettrale, consentono di acquisire rapidamente dati di riflettività degli oggetti a terra durante l'imaging e la scansione dell'area di lavoro, utilizzando il sistema di navigazione inerziale ad alta precisione integrato (IMU/GPS) per correggere la distorsione dell'immagine, ottenendo così un'identificazione efficiente e accurata degli oggetti a terra, senza perdite di dati.

Il V10/D20 è un sistema UAV di nuova concezione sviluppato da Foxtech Robot, caratterizzato da elevata capacità di carico, lunga autonomia, multifunzionalità, alta precisione ed elevata efficienza. Il V10 è un sistema UAV a decollo e atterraggio verticale (VDL) di grande capacità di carico, mentre il D20 è un sistema UAV ad ala rotante di grande capacità di carico. Entrambi i sistemi UAV si concentrano su "elevata capacità di carico e lunga autonomia" e continuano il design industriale e modulare dei prodotti Foxtech Robot. Utilizzano batterie intelligenti universali e apparecchiature di carico utile di fascia alta e possono essere equipaggiati con moduli di rilevamento aereo a luce visibile, moduli di inclinazione a luce visibile, moduli video a luce visibile, moduli telecamera a infrarossi termici, moduli video a infrarossi termici, moduli multispettrali, moduli iperspettrali, moduli lidar, moduli radar ad apertura sintetica e alcuni moduli combinati. Sono tutti dotati di schede GNSS differenziali ad alta precisione e di RTK/PPK di rete standard. Il servizio di soluzioni integrate supporta la triangolazione aerea assistita da POS ad alta precisione e ha la capacità di mappatura su larga scala 1:500 senza punti di controllo, consentendo applicazioni senza controllo dell'immagine. Entrambi sono dotati del software "Drone Manager Professional Edition (Measurement Edition)", supportano percorsi intelligenti e pianificazione di percorsi congiunti basati su un terreno tridimensionale accurato per soddisfare varie esigenze applicative e hanno la capacità di seguire il terreno preciso e il monitoraggio di volo tridimensionale in tempo reale; supportano il calcolo di fusione GPS, la misurazione dei punti di controllo, il calcolo della triangolazione aerea e con un clic hanno funzioni come mappatura, esportazione con un clic di mappatura stereoscopica, calcolo della traiettoria di navigazione integrata ad alta precisione, elaborazione e classificazione di nuvole di punti, ecc. e forniscono l'elaborazione e la visualizzazione di vari risultati di dati come DOM, DEM, DSM, TDOM, nuvole di punti LAS, ecc.

L'imager iperspettrale HeadWall Co-aligned 400-2500nm è un imager a spettro completo prodotto dall'azienda americana HeadWall. Attualmente è l'unico imager aviotrasportato a 400-2500nm per UAV presente in Cina. L'azienda HeadWall produce principalmente reticoli di diffrazione, spettrometri e altri prodotti, ampiamente utilizzati nel telerilevamento, in ambito militare e di difesa nazionale, nella visione artificiale, nella biomedicina e in altri settori. Il metodo di imaging dell'HeadWall Co-aligned 400-2500nm è il classico imaging a scansione lineare, e ogni pixel corrisponde a uno spettro accurato effettivamente raccolto. Grazie al design ottico concentrico a riflessione totale, presenta una struttura compatta, una minore luce diffusa e un rapporto segnale/rumore più elevato. Non ha parti mobili come otturatori meccanici, è altamente resistente agli urti e integra mappe. Ogni pixel rappresenta uno spettro reale raccolto, con risoluzione spettrale. L'efficienza è elevata, le informazioni sulle caratteristiche spettrali sono più ricche e affidabili, la distorsione a sorriso e a trapezio dell'immagine di correzione della differenza di fase è ridotta al minimo e viene utilizzato il reticolo graffiato originale per ridurre il rumore. L'intero sistema spettrometrico è di piccole dimensioni, altamente integrato e può essere adattato alla sincronizzazione laser Lidar. Per ottenere dati iperspettrali e nuvole di punti, è possibile eseguire anche i due processi di fusione dei dati. Rispetto ai comuni strumenti iperspettrali, HeadWall Co-aligned presenta i seguenti vantaggi: (1) ampia gamma di banda, 400-2500 nm; (2) apparecchiatura leggera, con un peso di soli 2,8 kg; (3) elevata integrazione, integrazione dello strumento. Dispone di navigazione inerziale ad alta precisione, imager 400-2500 nm e laser LIDAR; (4) Raccolta effettiva degli spettri degli oggetti a terra.

Sostanze diverse hanno composizioni diverse di molecole, atomi e ioni, e anche la distribuzione dell'energia luminosa riflessa o assorbita nello stesso intervallo spettrale è diversa. Dalle caratteristiche della curva spettrale, la curva spettrale di riflessione o assorbimento di un oggetto mostra variazioni regolari al variare della lunghezza d'onda, ovvero picchi e avvallamenti caratteristici sulla curva spettrale. Gli strumenti di imaging iperspettrale possono identificare le differenze in queste energie, in modo simile alle impronte digitali umane. Sulla base delle "impronte spettrali" di diverse sostanze, vengono estratte le caratteristiche spettrali analizzando i parametri spettrali dei dati spettrali, realizzando così l'identificazione e la differenziazione degli oggetti di ricerca.

HeadWall Co-aligned acquisisce il segnale dello spettro visibile-infrarosso a onde corte (400-2500 nm) degli oggetti presenti sul terreno. Basandosi sull'impronta spettrale degli oggetti, è in grado di estrarre e analizzare rapidamente informazioni quali minerali alterati, inquinanti, mimetizzazione, vegetazione e altri tipi di informazioni.

Il processo operativo iperspettrale del drone inizia con la definizione dello scopo e del compito, la selezione dell'area target, la scelta di un drone multirotore o ad ala fissa in base alle dimensioni e al modello dell'area target e la pianificazione del percorso del drone. Il metodo di acquisizione dei dati dell'imager consiste nel muovere e scansionare continuamente la telecamera per acquisire lo spettro degli oggetti a terra. Al termine della missione di volo, vengono scaricati i dati VNIR, SWIR e di navigazione inerziale, quindi i dati dello spettro di riflessione vengono convertiti in immagini per la visualizzazione tramite appositi strumenti tecnici e infine i dati iperspettrali vengono elaborati. Nella fase di pre-elaborazione, viene creato un modello di riconoscimento delle caratteristiche spettrali degli oggetti a terra basato sullo spettro caratteristico dell'impronta spettrale e sui dati spettrali degli oggetti a terra, e quindi l'area sconosciuta viene invertita e prevista. Il diagramma di flusso specifico è mostrato in Figura 2.

processo di elaborazione iperspettrale UAV

Radianza e riflettanza

L'imager iperspettrale adotta un design ottico concentrico a riflessione totale con una piccola differenza di fase e utilizza elementi ottici appositamente progettati. L'errore di acquisizione non supera un pixel, eliminando di fatto la distorsione a sorriso e la distorsione trapezoidale. La luce attraversa la fenditura, viene divisa dal reticolo e colpisce il sensore per generare dati bidimensionali: dimensione spaziale e dimensione spettrale. La fenditura corrisponde a una linea sul terreno. In base alla traiettoria di movimento del drone, la linea si sposta sulla superficie, ottenendo così la dimensione spaziale bidimensionale e la dimensione spettrale unidimensionale, e infine un cubo di dati iperspettrali.

La luce riflessa dagli oggetti a terra entra nel sensore dell'imager iperspettrale e il segnale ottico viene convertito in un segnale elettrico per ottenere il valore DN originale del sensore. Il software SpectralView viene utilizzato per completare la conversione del valore DN in radianza. Poiché la risposta di ciascun pixel del sensore non è uniforme, il produttore utilizzerà una sfera integratrice uniforme per calibrare la radianza prima di lasciare la fabbrica, in modo da ottenere uniformità per ciascun pixel e convertire il valore DN originale senza unità in un valore di radianza con unità, che può essere confrontato con altri dispositivi, il valore DN viene convertito in radianza.

Per caratterizzare l'impronta spettrale degli oggetti a terra, è necessario convertire il valore di radianza in riflettanza. Questo processo richiede l'uso di bersagli di confronto. Generalmente, si utilizzano tre bersagli con riflettività diverse (come un panno bianco, un panno grigio e un panno nero). Ogni pezzo ha una riflettività nota; acquisendo simultaneamente lo spettro dell'oggetto a terra e lo spettro del bersaglio, è possibile utilizzare il software SpectralView per ottenere la riflettanza dell'oggetto a terra.

Influenzato dalle condizioni meteorologiche, il drone non riesce a mantenere un assetto stabile dall'inizio alla fine del volo, e si verificano diverse variazioni, come rollio, beccheggio e imbardata, che causano varie deformazioni e distorsioni nelle immagini acquisite. HeadWall è dotato di un sistema di navigazione inerziale GPS/IMU ad alta precisione che registra le informazioni di assetto e posizione per la correzione delle immagini. Allo stesso tempo, HeadWall integra anche un Lidar laser a 16 linee per il volo simultaneo, registrando dati di nuvole di punti tridimensionali e informazioni sulla struttura verticale con un'altezza inferiore a 100 m, ottenendo in definitiva una correzione delle immagini ad alta precisione. La navigazione inerziale ad alta precisione può essere combinata con stazioni base a terra per ottenere la differenziazione post-PPK tramite il software POSPac UAV per migliorare la precisione di posizionamento e assetto. Utilizzando il software SpectralView, il campo visivo del sensore e il campo visivo istantaneo vengono combinati per ripristinare la posizione reale di ogni fotogramma attraverso le informazioni di posizione e assetto del volo in quel momento, completando così l'ortorettifica.

La fusione dei dati consente di combinare dati topografici ottenuti tramite laser Lidar e dati iperspettrali. Nell'immagine a falsi colori, il canale rosso evidenzia le caratteristiche scoscese (scogliere, alberi), mentre i canali verde e blu amplificano le differenze tra vegetazione e terreno. Inoltre, i dati DEM vengono aggiunti al cubo di dati come canale.

Fusione di dati topografici e iperspettrali

La tecnologia iperspettrale dei droni è ampiamente utilizzata in diversi ambiti, come il monitoraggio e l'allerta precoce, la prospezione geologica, l'identificazione di mimetizzazioni militari, la classificazione di caratteristiche, l'estrazione di informazioni sugli inquinanti ambientali, la stima della resa agricola, il monitoraggio dello stato di crescita, l'identificazione di specie arboree forestali, la pianificazione delle costruzioni, la selezione del sito del progetto, ecc. Di seguito, alcuni casi di studio da analizzare.

Monitoraggio dello stato di salute delle foreste

Per monitorare lo stato di salute delle pinete, è impossibile distinguere tra le immagini in luce verde e in luce visibile generale di pini nelle prime fasi di malattia e pini sani. Pertanto, viene utilizzato un sistema di imaging aereo per testare lo spettro di riflettanza della chioma di pini sani, e viene testato anche lo spettro di riflettanza della chioma di pini malati (Figura 9 al centro). I pini sani crescono vigorosamente, hanno sufficiente acqua nelle foglie, cellule di clorofilla attive e presentano riflessioni relativamente forti nelle bande del verde e del vicino infrarosso. I pini malati presentano riflessioni relativamente forti nelle bande del verde e del vicino infrarosso. A causa dell'erosione da parte di insetti nocivi, i pini mostrano scarsa vitalità, bassa umidità fogliare, cellule di clorofilla inattive, colore giallo e bassa riflettività nelle bande del verde e del vicino infrarosso. Sulla base di queste due diverse caratteristiche, combinate con le caratteristiche spettrali estratte dal terreno, è possibile identificare i pini malati. e le caratteristiche dell'impronta spettrale della chioma di foglie di pino sane, stabilire un modello spettrale pertinente, ottenere dati di immagini spettrali su vasta area tramite UAV iperspettrale e condurre un'inversione basata sul modello per realizzare l'indagine sullo stato di salute dei pini in una vasta area target.

Identificazione travestimento

Identificazione del camuffamento di cumuli di munizioni. Questa è la rete mimetica Saab Barracuda sopra il cumulo di munizioni. Dopo aver utilizzato la tradizionale tecnica di ripresa RGB, il bersaglio mimetizzato si confondeva con lo sfondo del terreno e visivamente "scompariva", rendendone impossibile l'identificazione. Poiché la rete mimetica copre l'intero spettro da 400 a 2500 nm, diverso dallo sfondo del terreno, è stata utilizzata la tecnologia iperspettrale UAV per ottenere immagini da elaborare, sopprimendo le informazioni di sfondo e allo stesso tempo separando e amplificando le anomalie spettrali, isolando così il bersaglio mimetizzato dallo sfondo e rendendolo visibile.

Ciclo di ingegneria

Per quanto riguarda la classificazione delle colture, sulla base di esperimenti sul campo, sono stati utilizzati spettrometri terrestri per misurare gli spettri di varie colture come orzo, patate, avena, erba medica, colza e spinaci per ottenere caratteristiche di impronta spettrale, e successivamente è stato utilizzato un sistema iperspettrale a drone per ottenere immagini spettrali "unificate" delle colture, sulla base delle caratteristiche dell'impronta spettrale, le varie colture possono essere classificate tramite il calcolo dell'angolo spettrale SAM.

Ricerca di minerali e tesori

A causa delle enormi differenze nella composizione atomica dei diversi minerali, si osservano differenze evidenti nell'intervallo 1000-2500 nm. La tecnologia iperspettrale è stata la prima a dimostrare la sua efficacia nel campo dell'identificazione dei minerali. Attualmente, la libreria spettrale internazionalmente riconosciuta si basa proprio sugli spettri dei minerali. Grazie a questa libreria spettrale, utilizzando uno spettrometro è possibile identificare in loco, in modo non distruttivo, metalli come minerale di ferro, minerale di rame e oro.

L'alterazione è un indicatore importante per la prospezione mineraria. Diversi minerali alterati presentano impronte spettrali differenti. I depositi idrotermali sono tutti correlati all'alterazione. L'iperspettroscopia tramite droni può essere utilizzata per ottenere impronte spettrali di oggetti terrestri, nonché di minerali alterati e delle loro proprietà. La combinazione delle caratteristiche spettrali consente di raggiungere l'obiettivo della prospezione su vasta scala.

Stima del contenuto di umidità del suolo

Il contenuto di umidità del suolo (SMC) è un importante parametro fisico del suolo e un fattore chiave che influenza la struttura degli aggregati e lo stato nutrizionale del suolo. L'SMC incide sui processi fisiologici fisici e chimici del suolo. Comprendere con precisione lo stato di umidità del suolo nei terreni agricoli consente una gestione più efficace del sistema di irrigazione. Un miglioramento mirato dello stato di umidità del suolo nelle fasi critiche della crescita delle colture può migliorarne la resa e la qualità. I ​​campioni vengono prelevati uniformemente nei terreni agricoli, elaborati ed essiccati in laboratorio. Alcuni campioni vengono utilizzati per mantenere il set di dati del modello, mentre altri vengono utilizzati come set di verifica. Dopo il filtraggio e la riduzione del rumore, viene calcolato lo spettro medio per ciascuna area di campionamento e vengono utilizzati diversi indici spettrali per selezionare e stimare l'umidità del suolo. Viene individuata la banda migliore per il contenuto di umidità del suolo e, sulla base di questa, viene stabilito un modello di stima quantitativa per invertire il contenuto di umidità del suolo.

I droni V10 e D20 hanno risolto efficacemente i problemi di applicazione e montaggio delle piattaforme di volo a lungo raggio e con elevata capacità di carico. Lo strumento di imaging iperspettrale HeadWall Co-aligned 400-2500nm offre una gamma spettrale più ampia rispetto alle apparecchiature 400-1000nm. È in grado di acquisire simultaneamente dati iperspettrali a 400-1000nm e 1000-2500nm con la stessa risoluzione spaziale, garantendo una maggiore precisione nell'identificazione delle impronte spettrali. Il drone combinato con l'imager iperspettrale HeadWall Co-aligned 400-2500nm può fornire dati iperspettrali di alta qualità su vasta area e trovare ampia applicazione in agricoltura, silvicoltura, prospezione geologica, archeologia, pianificazione urbana, monitoraggio ambientale e allerta precoce, solo per citarne alcuni.