Perspectivas de pesquisa e aplicação de UAVs e hiperespectrais aéreos

Este artigo apresenta principalmente a aplicação do imageador hiperespectral Headwall Co-aligned de 400 a 2500 nm montado nos drones Foxtech Robot V10 e D20. Os modelos Foxtech Robot V10 e D20 resolvem com sucesso os problemas de aplicação em plataformas de voo de grande porte e longa duração, permitindo a popularização de aplicações hiperespectrais de alta qualidade em grandes áreas. Os dados hiperespectrais são amplamente utilizados em diversos campos, como agricultura, silvicultura, militar, geologia e mineração, resposta a emergências e planejamento territorial, devido às suas características de flexibilidade, alta resolução e operação em nuvem. O drone Foxtech Robot V10/D20, juntamente com o imageador hiperespectral, realiza imagens e varreduras na área de trabalho, adquirindo rapidamente dados de refletividade de objetos terrestres. O sistema de navegação inercial de alta precisão integrado ao imageador (IMU/GPS) corrige a distorção da imagem, permitindo a identificação eficiente e precisa de objetos terrestres, sem perda de dados.

O V10/D20 é um sistema UAV multifuncional, de alta precisão, alta eficiência, grande capacidade de carga e longa autonomia, desenvolvido recentemente pela Foxtech Robot. O V10 é um sistema UAV de decolagem e pouso vertical (VTOL) de grande capacidade de carga, enquanto o D20 é um sistema UAV de asa rotativa também de grande capacidade de carga. Ambos os sistemas UAV priorizam "grande capacidade de carga e longa autonomia" e dão continuidade ao design industrial e modular dos produtos da Foxtech Robot. Utilizam baterias universais inteligentes e equipamentos de carga útil de alta tecnologia, podendo ser equipados com módulos de levantamento aéreo de luz visível, módulos de inclinação de luz visível, módulos de vídeo de luz visível, módulos de câmera infravermelha térmica, módulos de vídeo infravermelho térmico, módulos multiespectrais, módulos hiperespectrais, módulos lidar, módulos de radar de abertura sintética e alguns módulos combinados. Todos são equipados com placas GNSS diferenciais de alta precisão e rede RTK/PPK padrão. Seu serviço de solução integrada suporta triangulação aérea assistida por POS de alta precisão e possui capacidade de mapeamento em grande escala de 1:500 sem pontos de controle, permitindo aplicações sem controle de imagem. Ambos são equipados com o software "Drone Manager Professional Edition (Measurement Edition)", que suporta rotas inteligentes e planejamento de rotas conjuntas com base em terreno tridimensional preciso para atender a diversas necessidades de aplicação, e possui a capacidade de seguir terreno preciso e monitoramento de voo tridimensional em tempo real. Suporta cálculo de fusão GPS, medição de pontos de controle, cálculo de triangulação aérea e possui funções como mapeamento, exportação com um clique de mapeamento estereoscópico, cálculo de trajetória de navegação integrada de alta precisão, processamento e classificação de nuvens de pontos, etc., e fornece processamento e visualização de vários resultados de dados, como DOM, DEM, DSM, TDOM, nuvem de pontos LAS, etc.

O imageador hiperespectral HeadWall Co-aligned 400-2500nm é um imageador de espectro completo produzido pela empresa americana HeadWall. Atualmente, é o único imageador aerotransportado de 400-2500nm para drones na China. A HeadWall produz principalmente grades de difração, espectrômetros e outros produtos, amplamente utilizados em sensoriamento remoto, aplicações militares e de defesa nacional, visão computacional, biomedicina e outras áreas. O método de imageamento do HeadWall Co-aligned 400-2500nm é o clássico imageamento por varredura de linha, onde cada pixel corresponde a um espectro preciso efetivamente coletado. Adotando um design óptico concêntrico de reflexão total, possui estrutura compacta, menor dispersão de luz e maior relação sinal-ruído. Não possui partes móveis, como obturadores mecânicos, apresenta alta resistência a impactos e mapas integrados. Cada pixel representa um espectro real coletado, com resolução espectral precisa. A eficiência é alta, as informações de características espectrais são mais ricas e confiáveis, a distorção de sorriso e trapézio da imagem de correção de diferença de fase é minimizada e a grade original riscada é usada para reduzir o ruído. Todo o sistema do espectrômetro é pequeno, altamente integrado e pode ser adaptado à sincronização com Lidar a laser. Para obter dados hiperespectrais e de nuvem de pontos, os dois processos de fusão de dados também podem ser realizados. Comparado com instrumentos hiperespectrais comuns, o HeadWall Co-aligned apresenta as seguintes vantagens: (1) ampla faixa de banda, 400-2500 nm; (2) equipamento leve, pesando apenas 2,8 kg; (3) alta integração, integrando navegação inercial de alta precisão, imageador de 400-2500 nm e Lidar a laser; (4) coleta espectral precisa de objetos terrestres.

Diferentes substâncias possuem composições distintas de moléculas, átomos e íons, e a distribuição da energia luminosa refletida ou absorvida na mesma faixa espectral também varia. A partir das características da curva espectral, observa-se que a curva de reflexão ou absorção de um objeto apresenta mudanças regulares com a variação do comprimento de onda, ou seja, picos e vales característicos. Imagens hiperespectrais podem identificar as diferenças nessas energias, de forma semelhante às impressões digitais humanas. Com base nas "impressões digitais espectrais" de diferentes substâncias, características espectrais são extraídas por meio da análise dos parâmetros dos dados espectrais, possibilitando assim a identificação e diferenciação de objetos de estudo.

O HeadWall Co-aligned adquire o sinal do espectro visível-infravermelho de ondas curtas (400-2500 nm) de objetos no solo. Com base na assinatura espectral desses objetos, ele pode extrair e analisar rapidamente informações como alterações minerais, poluentes, camuflagem, vegetação e outros tipos de dados.

O processo de operação hiperespectral de um VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) inicia-se com a definição do objetivo e da tarefa, a seleção da área-alvo, a escolha de um VANT multirrotor ou de asa fixa de acordo com o tamanho e o modelo da área-alvo e o planejamento da rota do VANT. O método de aquisição de dados do imageador consiste em movimentar a câmera continuamente para capturar o espectro de objetos terrestres. Após a conclusão da missão de voo, os dados VNIR, SWIR e de navegação inercial são baixados e, em seguida, os dados do espectro de reflexão são convertidos em imagens para exibição por meios técnicos. Posteriormente, os dados hiperespectrais são processados. No pré-processamento, um modelo de reconhecimento de características espectrais de objetos terrestres é estabelecido com base no espectro característico da impressão digital espectral e nos dados espectrais dos objetos terrestres. Em seguida, a área desconhecida é identificada e prevista. O fluxograma específico é mostrado na Figura 2.

processo de processamento hiperespectral de UAV

Radiância e refletância

O imageador hiperespectral adota um design óptico concêntrico de reflexão total com pequena diferença de fase e utiliza elementos ópticos especialmente projetados. O erro de aquisição não excede um pixel, o que praticamente elimina a distorção de sorriso e trapézio. A luz passa pela fenda, é dividida pela grade de difração e atinge o sensor para gerar dados bidimensionais: dimensão espacial e dimensão espectral. A fenda corresponde a uma linha no solo. De acordo com a trajetória de movimento do drone, a linha se desloca em direção à superfície, ou seja, obtém-se a dimensão espacial bidimensional e a dimensão espectral unidimensional, resultando finalmente em um cubo de dados hiperespectrais.

A luz refletida pelos objetos no solo entra no sensor do imageador hiperespectral, e o sinal óptico é convertido em um sinal elétrico para obter o valor DN original do sensor. O software SpectralView é usado para realizar a conversão do valor DN em radiância. Como a resposta de cada pixel do sensor é irregular, o fabricante utiliza uma esfera integradora uniforme para calibrar a radiância antes da saída da fábrica, garantindo a uniformidade de cada pixel e convertendo o valor DN original (sem unidades) em um valor de radiância (com unidades). Dessa forma, o valor DN pode ser comparado com o de outros dispositivos.

Para caracterizar a assinatura espectral de objetos no solo, é necessário converter o valor da radiância em refletância. Esse processo requer o uso de alvos para comparação. Geralmente, utilizam-se três alvos com diferentes refletividades (como tecido branco, tecido cinza e tecido preto). Cada alvo possui uma refletividade conhecida e, coletando simultaneamente o espectro do objeto no solo e o espectro do alvo, o software SpectralView pode ser usado para obter a refletância do objeto no solo.

Devido às condições climáticas, o drone não consegue manter uma atitude estável do início ao fim do voo, sofrendo diversas alterações, como inclinação lateral, arfagem e guinada, o que resulta em deformações e distorções nas imagens capturadas. O HeadWall utiliza um sistema de navegação inercial GPS/IMU de alta precisão que registra informações de atitude e posição para correção de imagem. Simultaneamente, o HeadWall integra um Lidar a laser de 16 linhas para voo simultâneo, registrando dados de nuvem de pontos tridimensionais e informações da estrutura vertical em altitudes inferiores a 100 metros, permitindo uma correção de imagem de alta precisão. A navegação inercial de alta precisão pode ser combinada com estações base terrestres para realizar o pós-PPK diferencial através do software POSPac UAV, aprimorando a precisão de posicionamento e atitude. O software SpectralView combina o campo de visão do sensor com o campo de visão instantâneo, restaurando a posição real de cada quadro a partir das informações de posição e atitude do voo naquele momento, completando assim a ortorretificação.

A fusão de dados permite combinar dados de terreno obtidos por Lidar a laser e dados hiperespectrais. Na imagem em falsa cor, o canal vermelho destaca feições íngremes (penhascos, árvores), enquanto os canais verde e azul ampliam as diferenças na vegetação e no solo. Além disso, dados de DEM (Modelo Digital de Elevação) são adicionados ao cubo de dados como um canal.

Fusão de dados de terreno e hiperespectrais

A tecnologia hiperespectral de drones é amplamente utilizada em diversas áreas, como monitoramento e alerta precoce, prospecção geológica, identificação de camuflagem militar, classificação de características, extração de informações sobre poluentes ambientais, estimativa de produtividade agrícola, monitoramento do estado de crescimento, identificação de espécies arbóreas florestais, planejamento de construção, seleção de locais para projetos, etc. Alguns exemplos serão analisados ​​a seguir.

Monitoramento da saúde florestal

Para monitorar a saúde dos pinhais, é impossível distinguir entre imagens de luz verde e visível de pinheiros em estágios iniciais de doença e pinheiros saudáveis. Em vez disso, utiliza-se um imageador aerotransportado para analisar o espectro de refletância da copa de pinheiros saudáveis, e o espectro de refletância da copa de pinheiros doentes também foi analisado (Figura 9, centro). Pinheiros saudáveis ​​crescem vigorosamente, possuem água suficiente em suas folhas, células de clorofila ativas e apresentam refletância relativamente forte nas bandas do verde e do infravermelho próximo. Pinheiros doentes apresentam refletância relativamente forte nas bandas do verde e do infravermelho próximo. Devido à erosão causada por pragas de insetos, os pinheiros apresentam baixa vitalidade, baixa umidade foliar, células de clorofila inativas, coloração amarelada e baixa refletância nas bandas do verde e do infravermelho próximo. Com base nessas duas características distintas, combinadas com as características espectrais extraídas do solo, podemos identificar os pinheiros doentes. e as características da impressão digital espectral da copa de folhas de pinheiro saudáveis, estabelecer um modelo espectral relevante, obter dados de imagem espectral de grande área por meio de hiperespectro de UAV e realizar a inversão com base no modelo para investigar o estado de saúde dos pinheiros em uma grande área alvo.

Identificação de disfarce

Identificação de camuflagem em pilhas de munição. Esta é a rede de camuflagem do Saab Barracuda sobre a pilha de munição. Após o uso de fotografia RGB convencional, o alvo camuflado se misturava com o fundo do solo e visualmente "desaparecia", tornando impossível sua identificação. Como a rede de camuflagem emite em todo o espectro de 400 a 2500 nm, diferente do fundo do solo, utiliza-se a tecnologia hiperespectral de um VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) para obter imagens para processamento, suprimindo as informações do fundo e, ao mesmo tempo, separando e amplificando as anomalias espectrais, isolando assim o alvo camuflado do fundo e tornando-o visível.

Classificação de recursos

Com relação à classificação de culturas, com base em experimentos de campo, espectrômetros terrestres foram usados ​​para medir os espectros de diversas culturas, como cevada, batata, aveia, alfafa, colza e espinafre, a fim de obter características de impressão digital espectral. Em seguida, um sistema hiperespectral de drones foi usado para obter imagens espectrais de "espectros unificados" das culturas. Com base nessas características de impressão digital espectral, as diversas culturas podem ser classificadas por meio do cálculo do ângulo espectral SAM.

Prospecção de minerais e tesouros

Devido às enormes diferenças na composição atômica de diferentes minerais, existem diferenças óbvias na faixa de 1000 a 2500 nm. A tecnologia hiperespectral também foi pioneira ao demonstrar sua eficácia no campo da identificação mineral. Atualmente, a biblioteca espectral internacionalmente aceita também se baseia em espectros minerais. Com base nessa biblioteca espectral, utilizando um espectrômetro, metais como minério de ferro, minério de cobre e ouro podem ser identificados de forma não destrutiva no local.

A alteração é um importante indicador na prospecção mineral. Diferentes minerais alterados apresentam diferentes assinaturas espectrais. Depósitos hidrotermais estão todos relacionados à alteração. A hiperespectroscopia com drones pode ser utilizada para obter as assinaturas espectrais de objetos terrestres, bem como de minerais alterados e suas propriedades. A combinação dessas características espectrais permite alcançar o objetivo da prospecção em grandes áreas.

Estimativa do teor de umidade do solo

O teor de umidade do solo (TUS) é um parâmetro físico importante do solo e um fator determinante na estrutura dos agregados e no estado nutricional do solo. O TUS influencia os processos fisiológicos, químicos e físicos do solo. Compreender o estado exato da umidade do solo em áreas agrícolas permite um manejo mais eficaz do sistema de irrigação. A melhoria direcionada da umidade do solo em estágios críticos do crescimento das culturas pode aumentar a produtividade e a qualidade dos produtos. As amostras são coletadas uniformemente nas áreas agrícolas, processadas e secas em laboratório. Algumas amostras são utilizadas para compor o conjunto de modelos, enquanto outras são usadas como conjuntos de verificação. Após filtragem e remoção de ruído, o espectro médio é obtido para cada área amostrada, e diferentes índices espectrais são utilizados para selecionar e estimar a melhor faixa de concentração de umidade do solo. Com base nessa faixa, um modelo de estimativa quantitativa é estabelecido para calcular o teor de umidade do solo.

Os UAVs V10 e D20 solucionaram com sucesso os problemas de aplicação e montagem de plataformas de voo de grande carga e longa duração. O instrumento de imageamento hiperespectral HeadWall Co-aligned de 400-2500 nm possui dados espectrais mais amplos do que os equipamentos de 400-1000 nm. Ele pode adquirir simultaneamente dados hiperespectrais de 400-1000 nm e 1000-2500 nm com a mesma resolução espacial, apresentando maior precisão na identificação de informações de assinatura espectral. O conjunto UAV + imageador hiperespectral HeadWall Co-aligned de 400-2500 nm pode fornecer dados hiperespectrais de alta qualidade em grandes áreas e pode ser amplamente utilizado em agricultura, silvicultura, prospecção geológica, arqueologia, planejamento urbano, monitoramento ambiental e alerta precoce, entre outros campos.