Перспективы исследований и применения беспилотных летательных аппаратов и аэрогиперспектральной съемки

В данной статье рассматривается применение гиперспектрального сканера Headwall Co-aligned 400 ~ 2500 нм, установленного на дронах Foxtech Robot V10 и D20. Модели Foxtech Robot V10 и D20 успешно решили проблемы применения в качестве платформ с большой грузоподъемностью и длительным полетом, способствуя популяризации высококачественных гиперспектральных приложений для обработки больших площадей. Гиперспектральные данные широко используются во многих областях, таких как сельское хозяйство, лесное хозяйство, военное дело, геология и горнодобывающая промышленность, реагирование на чрезвычайные ситуации и землеустройство, благодаря своей гибкости, высокому разрешению и работе в облачной среде. Беспилотные летательные аппараты Foxtech Robot V10 и D20 с гиперспектральным сканером позволяют быстро получать данные об отражательной способности наземных объектов, используя встроенную высокоточную инерциальную навигацию (IMU/GPS) для коррекции искажений изображения, обеспечивая эффективную и точную идентификацию наземных объектов без потерь.

V10/D20 — это новая многофункциональная, высокоточная и высокоэффективная система беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) от Foxtech Robot, предназначенная для работы с большими грузами, длительным временем полета и взлета. V10 — это БПЛА с вертикальным взлетом и посадкой, способная работать с большими грузами, а D20 — это БПЛА с вращающимся крылом, также способная работать с большими грузами. Обе системы БПЛА ориентированы на «большую полезную нагрузку и длительное время полета» и продолжают индустриальный и модульный дизайн продукции Foxtech Robot. Они используют универсальные интеллектуальные батареи питания и высококачественное оборудование для полезной нагрузки, и могут быть оснащены модулями аэрофотосъемки в видимом свете, модулями наклона в видимом свете, модулями видеосъемки в видимом свете, модулями тепловизионных камер в инфракрасном диапазоне, модулями тепловизионного видео, мультиспектральными модулями, гиперспектральными модулями, модулями лидара, модулями радиолокатора с синтезированной апертурой, а также некоторыми комбинированными модулями, все из которых оснащены высокоточными дифференциальными платами GNSS и стандартной сетью RTK/PPK. Их интегрированное решение поддерживает высокоточную аэротриангуляцию с использованием POS-технологий и позволяет создавать крупномасштабные карты 1:500 без контрольных точек, что обеспечивает возможность работы без управления изображениями; оба устройства оснащены программным обеспечением «Drone Manager Professional Edition (Measurement Edition)», поддерживающим интеллектуальные маршруты и совместное планирование маршрутов на основе точного трехмерного рельефа местности для удовлетворения различных потребностей приложений, а также обладающим возможностью точного следования рельефу местности и трехмерного мониторинга полета в реальном времени. Поддерживает расчеты слияния GPS, измерение контрольных точек, расчеты аэротриангуляции и позволяет выполнять расчеты в один клик. Имеет такие функции, как картографирование, экспорт стереоскопических карт в один клик, расчет высокоточной интегрированной навигационной траектории, обработка и классификация облака точек и т. д., а также обеспечивает обработку и просмотр различных результатов данных, таких как DOM, DEM, DSM, TDOM, облако точек LAS и т. д.

Гиперспектральный сканер HeadWall Co-aligned 400-2500 нм — это полноспектральный сканер, производимый американской компанией HeadWall. В настоящее время это единственный в Китае беспилотный летательный аппарат, использующий диапазон 400-2500 нм. Компания HeadWall в основном производит дифракционные решетки, спектрометры и другую продукцию, широко используемую в дистанционном зондировании, военной и оборонной промышленности, машинном зрении, биомедицине и других областях. Метод сканирования HeadWall Co-aligned 400-2500 нм основан на классической линейной развертке, где каждый пиксель соответствует точному спектру, фактически полученному. Благодаря использованию концентрической оптической схемы полного отражения, он имеет компактную структуру, меньшее рассеянное излучение и более высокое отношение сигнал/шум. Он не имеет подвижных частей, таких как механические затворы, обладает высокой ударопрочностью и интегрированными картами. Каждый пиксель представляет собой реально полученный спектр с высоким спектральным разрешением. Высокая эффективность, более богатая и надежная информация о спектральных характеристиках, минимизация искажений типа «улыбка» и «трапецеидальные искажения» изображения, полученного с помощью коррекции разности фаз, а также использование исходной рифленой решетки для снижения шума. Вся спектрометрическая система имеет небольшие размеры, высокую степень интеграции и может быть адаптирована для синхронизации с лазерным лидаром. Для получения гиперспектральных данных и данных облака точек также может быть выполнено два процесса слияния данных. По сравнению с обычными гиперспектральными приборами, HeadWall Co-aligned обладает следующими преимуществами: (1) широкий диапазон частот, 400-2500 нм; (2) легкое оборудование, вес всего 2,8 кг; (3) высокая степень интеграции, интеграция приборов. Имеет высокоточную инерциальную навигацию, устройство визуализации 400-2500 нм и лазерный лидар; (4) позволяет действительно собирать спектры наземных объектов.

Различные вещества имеют разный состав молекул, атомов и ионов, и распределение энергии света, отражаемого или поглощаемого в одном и том же спектральном диапазоне, также различно. По характеристикам спектральной кривой, кривая отражения или поглощения объекта демонстрирует закономерности изменений при изменении длины волны, то есть характерные пики и впадины на спектральной кривой. Гиперспектральные сканеры позволяют идентифицировать различия в этих энергиях, подобно отпечаткам пальцев человека. На основе «спектральных отпечатков» различных веществ извлекаются спектральные характеристики путем анализа спектральных данных. Таким образом, осуществляется идентификация и дифференциация объектов исследования.

Система HeadWall Co-aligned получает сигнал видимого и коротковолнового инфракрасного спектра (400-2500 нм) наземных объектов. На основе спектрального отпечатка наземных объектов она позволяет быстро извлекать и анализировать информацию о них, такую ​​как измененные минералы, загрязняющие вещества, камуфляж, растительность и другие типы наземных объектов.

Процесс гиперспектральной съемки с использованием БПЛА начинается с определения цели и задачи работы, выбора целевой области, выбора многороторного или неподвижнокрылого БПЛА в зависимости от размера и модели целевой области, а также планирования маршрута БПЛА. Метод сбора данных с помощью камеры заключается в непрерывном перемещении камеры для получения спектра наземных объектов. После завершения полета загружаются данные VNIR, SWIR и инерциальной навигации, затем данные спектра отражения преобразуются в изображения для отображения с помощью технических средств, после чего гиперспектральные данные обрабатываются. На этапе предварительной обработки создается модель распознавания спектральных характеристик наземных объектов на основе спектра спектральных отпечатков и спектральных данных наземных объектов, затем выполняется инвертирование и прогнозирование неизвестной области. Подробная блок-схема показана на рисунке 2.

процесс гиперспектральной обработки данных с БПЛА

Излучение и отражение

Гиперспектральный сканер использует концентрическую оптическую схему полного отражения с малой разностью фаз и специально разработанные оптические элементы. Ошибка захвата не превышает одного пикселя, что практически исключает искажения типа «улыбка» и «трапецеидальные искажения». Свет проходит через щель, разделяется дифракционной решеткой и попадает на датчик, генерируя двумерные данные: пространственное и спектральное измерения. Щель соответствует линии на земле. В соответствии с траекторией движения дрона линия перемещается на поверхность, то есть получаются двумерное пространственное измерение и одномерное спектральное измерение, и, наконец, получается гиперспектральный куб данных.

Отражённый от наземных объектов свет попадает на датчик гиперспектрального имиджера, и оптический сигнал преобразуется в электрический для получения исходного значения DN датчика. Программное обеспечение SpectralView используется для преобразования значения DN в яркость. Поскольку отклик каждого пикселя датчика неравномерен, производитель использует равномерную интегрирующую сферу для калибровки яркости перед отправкой с завода, чтобы обеспечить равномерность каждого пикселя, и преобразует исходное значение DN без единиц измерения в значение яркости с единицами измерения, которое можно сравнить с другими устройствами, после чего значение DN преобразуется в яркость.

Для характеристики спектрального профиля наземных объектов необходимо преобразовать значение яркости в коэффициент отражения. Этот процесс требует использования мишеней для сравнения. Обычно используются три мишени с разной отражательной способностью (например, белая ткань, серая ткань и черная ткань). Каждая мишень имеет известную отражательную способность, и путем одновременного сбора спектра наземного объекта и спектра мишени можно использовать программное обеспечение SpectralView для получения коэффициента отражения наземного объекта.

Под воздействием погодных условий дрон не может поддерживать стабильное положение от начала до конца полета, и во время полета происходят различные изменения, такие как крен, тангаж и рыскание, что приводит к различным деформациям, искажениям и т. д. на полученных изображениях. HeadWall оснащен высокоточной инерциальной навигационной системой GPS/IMU, которая записывает информацию о положении и ориентации для коррекции изображений. Одновременно HeadWall интегрирует 16-линейный лазерный лидар для одновременного полета, записывая трехмерные данные облака точек и информацию о вертикальной структуре на высоте менее 100 м, что в конечном итоге обеспечивает высокоточную коррекцию изображений. Высокоточная инерциальная навигация может быть объединена с наземными базовыми станциями для достижения пост-PPK дифференциала с помощью программного обеспечения POSPac UAV для повышения точности позиционирования и ориентации. Программное обеспечение SpectralView объединяет поле зрения датчика и мгновенное поле зрения, восстанавливая истинное положение каждого кадра на основе информации о положении и ориентации во время полета, тем самым завершая ортокоррекцию.

Слияние данных позволяет объединить данные о рельефе местности, полученные с помощью лазерного лидара, и гиперспектральные данные. На изображении в ложных цветах красный канал выделяет крутые склоны (скалы, деревья), а зеленый и синий каналы усиливают различия в растительности и рельефе. Кроме того, в куб данных добавляются данные ЦМР в качестве канала.

Объединение данных о рельефе местности и гиперспектральных данных.

Гиперспектральные технологии, используемые БПЛА, широко применяются в различных областях, таких как мониторинг и раннее предупреждение, геологическая разведка, идентификация военной маскировки, классификация объектов, извлечение информации о загрязнителях окружающей среды, оценка урожайности сельскохозяйственных культур, мониторинг состояния роста, идентификация видов лесных деревьев, планирование строительства, выбор места для проекта и т. д. Ниже приведены несколько примеров для анализа.

мониторинг состояния лесных насаждений

Для мониторинга состояния сосновых лесов невозможно различить изображения сосен на ранних стадиях заболевания и здоровых сосен в зеленом и общем видимом свете. Вместо этого используется аэрофотосъемка для анализа спектра отражения листового покрова здоровых сосен, а также спектра отражения пораженных сосен (рис. 9, середина). Здоровые сосны растут энергично, имеют достаточное количество воды в листьях, активные клетки хлорофилла и относительно сильное отражение в зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. Больные сосны также имеют относительно сильное отражение в зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. Из-за поражения насекомыми-вредителями сосны обладают слабой жизнеспособностью, низкой влажностью листьев, неактивными клетками хлорофилла, желтым цветом и низкой отражательной способностью в зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. На основе этих двух различных характеристик, в сочетании со спектральными характеристиками, полученными с земли, можно определить пораженные сосны. и спектральные характеристики листового покрова здоровой сосны, разработка соответствующей спектральной модели, получение спектральных изображений большой площади с помощью гиперспектрального сканирования с использованием БПЛА и проведение инверсии на основе этой модели для исследования состояния здоровья сосен на большой целевой территории.

Идентификация по признаку маскировки

Идентификация замаскированных складов боеприпасов. На фотографии изображена маскировочная сетка самолета Saab Barracuda над складом боеприпасов. После обычной съемки в формате RGB замаскированная цель слилась с фоном земли и визуально «исчезла», что сделало ее идентификацию невозможной. Поскольку замаскированная сетка находится в полном спектральном диапазоне 400-2500 нм, который отличается от фона земли, для обработки изображений используется гиперспектральная съемка с помощью БПЛА, которая подавляет фоновую информацию и одновременно выделяет и усиливает спектральные аномалии, тем самым изолируя замаскированную цель от фона и делая ее видимой.

Классификация признаков

Что касается классификации сельскохозяйственных культур. На основе наземных экспериментов с помощью наземных спектрометров были измерены спектры различных культур, таких как ячмень, картофель, овес, люцерна, рапс и шпинат, для получения характеристик спектрального отпечатка. Затем с помощью гиперспектральной системы, управляемой дроном, были получены спектральные изображения «унифицированных спектров» культур. На основе характеристик спектрального отпечатка различные культуры могут быть классифицированы с помощью расчета спектрального угла SAM.

Поиск полезных ископаемых и сокровищ

Из-за огромных различий в атомном составе различных минералов, в диапазоне 1000-2500 нм наблюдаются очевидные различия. Гиперспектральная технология также первой продемонстрировала свои возможности в области идентификации минералов. В настоящее время общепринятая на международном уровне спектральная библиотека также основана на спектрах минералов. На основе спектральной библиотеки с помощью спектрометра можно неразрушающим методом идентифицировать на месте такие металлы, как железная руда, медная руда и золото.

Изменение состава является важным признаком при поиске полезных ископаемых. Различные измененные минералы имеют разные спектральные характеристики. Гидротермальные месторождения связаны с изменением состава. Гиперспектроскопия с использованием БПЛА может быть использована для получения спектральных характеристик наземных объектов, а также измененных минералов и их свойств. Комбинированные спектральные характеристики позволяют достичь цели крупномасштабного поиска полезных ископаемых.

Оценка содержания влаги в почве

Содержание влаги в почве (SMC) является важным физическим параметром почвы и ключевым фактором, определяющим структуру почвенных агрегатов и содержание питательных веществ. SMC влияет на физические и химические физиологические процессы в почве. Понимание точного состояния влажности почвы на сельскохозяйственных угодьях позволяет более эффективно управлять системой орошения. Целенаправленное улучшение состояния влажности почвы на критических стадиях роста сельскохозяйственных культур может повысить урожайность и качество урожая. Образцы отбираются равномерно на сельскохозяйственных угодьях, обрабатываются и высушиваются в лаборатории. Часть образцов используется для поддержания набора данных модели, а часть — в качестве проверочных. После фильтрации и шумоподавления для каждого участка образца вычисляется средний спектр, и с помощью различных спектральных индексов выбираются и оцениваются значения влажности почвы. На основе этого определяется оптимальный диапазон содержания влаги в почве, и создается количественная модель для инвертирования содержания влаги в почве.

Беспилотные летательные аппараты V10 и D20 успешно решили проблемы применения и монтажа крупногабаритных платформ с длительным полетом. Прибор для получения гиперспектральных изображений HeadWall Co-aligned 400-2500 нм обладает более широким спектральным диапазоном, чем оборудование 400-1000 нм. Он позволяет одновременно получать гиперспектральные данные в диапазонах 400-1000 нм и 1000-2500 нм с одинаковым разрешением на местности и обеспечивает более высокую точность идентификации спектральных характеристик. Беспилотник + прибор HeadWall Co-aligned 400-2500 нм позволяет получать высококачественные гиперспектральные данные на больших территориях и может широко использоваться в сельском хозяйстве, лесном хозяйстве, геологической разведке, археологии, городском планировании, мониторинге окружающей среды и системах раннего предупреждения, а также в других областях.