İHA + Havadan Hiperspektral Araştırma ve Uygulama Olanakları

Bu makale, Foxtech Robot V10 ve D20 dronlarına monte edilmiş Headwall Co-aligned400 ~ 2500nm hiperspektral görüntüleyicinin uygulamasına odaklanmaktadır. Foxtech Robot V10 ve D20 modelleri, büyük yük ve uzun süreli uçuş platformlarının uygulama sorunlarını başarıyla çözmüştür. Geniş alanlı, yüksek kaliteli hiperspektral uygulamaların yaygınlaştırılmasını sağlamıştır. Hiperspektral veriler, esneklik, yüksek çözünürlük ve bulut altında çalışma özellikleri nedeniyle tarım, ormancılık, askeriye, jeoloji ve madencilik, acil müdahale ve arazi planlaması gibi birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Foxtech Robot V10, D20 İHA + hiperspektral görüntüleyici ile çalışma alanında görüntüleme ve tarama yapılarak yer nesnelerinin yansıma verileri hızlı bir şekilde elde edilebilir ve görüntü bozulması düzeltilerek kayıpsız, orijinal yer nesneleri verimli ve doğru bir şekilde tanımlanabilir.

Foxtech Robot tarafından geliştirilen V10/D20, yüksek yük kapasiteli, uzun menzilli, çok fonksiyonlu, yüksek hassasiyetli ve yüksek verimli bir İHA sistemidir. V10, yüksek yük kapasiteli dikey kalkış ve iniş yapabilen bir İHA sistemidir; D20 ise yüksek yük kapasiteli döner kanatlı bir İHA sistemidir. Bu iki İHA sistemi, "yüksek yük kapasitesi ve uzun menzil"e odaklanarak Foxtech Robot ürünlerinin endüstriyel ve modüler tasarım geleneğini sürdürmektedir. Evrensel akıllı güç bataryaları ve üst düzey yük ekipmanları kullanırlar ve görünür ışık hava araştırma modülleri, görünür ışık eğim modülleri, görünür ışık video modülleri, termal kızılötesi kamera modülleri, termal kızılötesi video modülleri, çok spektrumlu modüller, hiper spektrumlu modüller, lidar modülleri, sentetik açıklıklı radar modülleri ve bazı kombinasyon modülleri ile donatılabilirler; tümü yüksek hassasiyetli diferansiyel GNSS kartları ve standart ağ RTK/PPK ile donatılmıştır ve entegre çözüm hizmeti, yüksek hassasiyetli POS destekli hava üçgenlemesini destekler ve kontrol noktası olmadan 1:500 büyük ölçekli haritalama yeteneğine sahiptir, görüntü kontrolü gerektirmeyen uygulamaları mümkün kılar; her ikisi de "Drone Manager Professional Edition (Measurement Edition)" yazılımı ile donatılmıştır, çeşitli uygulama ihtiyaçlarını karşılamak için doğru üç boyutlu araziye dayalı akıllı rota ve ortak rota planlamasını destekler ve hassas arazi ve üç boyutlu gerçek zamanlı uçuş izleme yeteneğine sahiptir; GPS füzyon hesaplamasını, kontrol noktası ölçümünü, hava üçgenleme hesaplamasını ve tek tıklamayla haritalama, stereoskopik haritaların tek tıklamayla dışa aktarılması, yüksek hassasiyetli entegre navigasyon yörünge hesaplaması, nokta bulutu işleme ve sınıflandırma gibi işlevleri destekler ve DOM, DEM, DSM, TDOM, LAS nokta bulutu gibi çeşitli veri sonuçlarının işlenmesini ve incelenmesini sağlar.

HeadWall Co-aligned 400-2500nm hiperspektral görüntüleyici, Amerikan şirketi HeadWall tarafından üretilen tam spektrumlu bir görüntüleyicidir. Şu anda Çin'de bulunan tek İHA havadan 400-2500nm görüntüleyicidir. HeadWall şirketi ağırlıklı olarak uzaktan algılama, askeri ve ulusal savunma, makine görüşü, biyomedikal ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılan ızgaralar, spektrometreler ve diğer ürünler üretmektedir. HeadWall Co-aligned 400-2500nm görüntüleme yöntemi klasik çizgi tarama görüntülemesidir ve her piksel gerçekte toplanan doğru bir spektruma karşılık gelir. Toplam yansımalı eşmerkezli optik tasarım benimseyen cihaz, kompakt bir yapıya, daha az dağınık ışığa ve daha yüksek sinyal-gürültü oranına sahiptir. Mekanik deklanşörler gibi hareketli parçaları yoktur, güçlü darbe direncine sahiptir ve entegre haritalar içerir. Her piksel, spektral çözünürlüğe sahip gerçek bir toplanmış spektrumdur. Verimlilik yüksektir, spektral özellik bilgisi daha zengin ve güvenilirdir, faz farkı düzeltme görüntüsünün gülümseme ve trapez bozulması en aza indirilir ve gürültüyü azaltmak için orijinal çizik ızgara kullanılır. Tüm spektrometre sistemi küçük boyutlu, yüksek entegrasyonludur ve lazer Lidar senkronizasyonuna uyarlanabilir. Hiper spektral ve nokta bulutu verileri elde etmek için iki veri birleştirme işlemi de gerçekleştirilebilir. Yaygın hiper spektral cihazlarla karşılaştırıldığında, HeadWall Co-aligned aşağıdaki avantajlara sahiptir: (1) geniş bant aralığı, 400-2500nm; (2) hafif ekipman, sadece 2,8 kg ağırlığında; (3) yüksek entegrasyon, cihaz entegrasyonu yüksek hassasiyetli atalet navigasyonu, 400-2500nm görüntüleyici ve lazer LIDAR'a sahiptir; (4) Yer nesnelerinin spektrumlarını gerçekten toplar.

Farklı maddelerin molekül, atom ve iyon bileşimleri farklıdır ve aynı spektral aralıkta yansıyan veya emilen ışık enerjisi dağılımı da farklıdır. Spektral eğrinin özelliklerinden yola çıkarak, bir nesnenin yansıma veya emilim spektral eğrisi, dalga boyunun değişmesiyle düzenli değişiklikler gösterir; yani spektral eğride karakteristik tepe ve çukurlar bulunur. Hiper spektral görüntüleme cihazları, insan parmak izlerine benzer şekilde, bu enerjilerdeki farklılıkları belirleyebilir. Farklı maddelerin "spektral parmak izlerine" dayanarak, spektral verilerin spektral özelliklerinin analiz edilmesiyle spektral özellikler çıkarılır ve böylece araştırma nesnelerinin tanımlanması ve ayırt edilmesi gerçekleştirilir.

HeadWall Co-aligned, yer nesnelerinin 400-2500nm aralığındaki görünür-kısa dalga kızılötesi spektrum sinyalini alır. Yer nesnelerinin spektral parmak izine dayanarak, değişime uğramış mineraller, kirleticiler, kamuflaj, bitki örtüsü ve diğer yer nesnesi türleri gibi yer nesnesi bilgilerini hızlı bir şekilde çıkarabilir ve analiz edebilir.

İHA hiperspektral operasyon süreci, çalışma amacı ve göreviyle başlar, hedef alan seçilir, hedef alanın büyüklüğüne ve modeline göre çok rotorlu veya sabit kanatlı bir İHA seçilir ve İHA'nın rotası planlanır. Görüntüleyicinin veri toplama yöntemi, yer nesnelerinin spektrumunu elde etmek için kamerayı sürekli olarak itip taramaktır. Uçuş görevi tamamlandıktan sonra, VNIR, SWIR ve atalet navigasyon verileri indirilir ve ardından yansıma spektrum verileri teknik araçlarla görüntüye dönüştürülür ve daha sonra hiperspektral veriler ön işleme tabi tutulur. Spektral parmak izi karakteristik spektrumu ve yer nesnesi spektral verilerine dayanarak bir yer nesnesi spektral özellik tanıma modeli oluşturulur ve ardından bilinmeyen alan tersine çevrilir ve tahmin edilir. Ayrıntılı akış şeması Şekil 2'de gösterilmiştir.

İHA hiperspektral işleme süreci

Parlaklık ve Yansıma

Hiperspektral görüntüleyici, küçük faz farkına sahip toplam yansımalı eşmerkezli optik tasarıma sahiptir ve özel olarak tasarlanmış optik elemanlar kullanır. Elde etme hatası bir pikseli geçmez, bu da temel olarak gülümseme ve trapez bozulmasını ortadan kaldırır. Işık yarıktan geçer, ızgara tarafından bölünür ve sensöre çarparak iki boyutlu veri üretir: uzamsal boyut ve spektral boyut. Yarık, yerdeki bir çizgiye karşılık gelir. Drone'un hareket yörüngesine göre, çizgi bir yüzeye doğru hareket eder, yani iki boyutlu uzamsal boyut ve tek boyutlu spektral boyut elde edilir ve sonunda bir hiperspektral veri küpü elde edilir.

Yerdeki cisimlerden yansıyan ışık, hiperspektral görüntüleyicinin sensörüne girer ve optik sinyal, sensörün orijinal DN değerini elde etmek için elektriksel sinyale dönüştürülür. SpectralView yazılımı, DN değerinin ışıma değerine dönüştürülmesini tamamlamak için kullanılır. Sensörün her pikselinin tepkisi eşit olmadığından, üretici fabrikadan çıkmadan önce her pikselin homojenliğini sağlamak için ışıma değerini kalibre etmek üzere tek tip bir entegre küre kullanır ve birimsiz orijinal DN değerini birimli bir ışıma değerine dönüştürür ve diğer cihazlarla karşılaştırılabilmesini sağlar.

Yer nesnelerinin spektral parmak izini karakterize etmek için, ışıma değerini yansıma değerine dönüştürmek gereklidir. Bu işlem, karşılaştırma için hedeflerin kullanılmasını gerektirir. Genellikle, farklı yansıma değerlerine sahip üç hedef (örneğin beyaz kumaş, gri kumaş ve siyah kumaş) kullanılır. Her bir parçanın bilinen bir yansıma değeri vardır; yer nesnesinin spektrumu ve hedefin spektrumu eş zamanlı olarak toplanarak, SpectralView yazılımı kullanılarak yer nesnesinin yansıma değeri elde edilebilir.

Hava koşullarından etkilenen drone, uçuş boyunca istikrarlı bir pozisyonu koruyamaz ve uçuş sırasında yuvarlanma, eğim ve sapma gibi çeşitli değişiklikler meydana gelir; bu da elde edilen görüntülerde çeşitli deformasyonlara, bozulmalara vb. neden olur. HeadWall, görüntü düzeltmesi için pozisyon ve duruş bilgilerini kaydeden yüksek hassasiyetli ataletsel navigasyon GPS/IMU ile birlikte gelir. Aynı zamanda HeadWall, eş zamanlı uçuş için 16 hatlı lazer Lidar'ı entegre ederek, 100 metreden daha düşük bir yükseklikte üç boyutlu nokta bulutu verilerini ve dikey yapı bilgilerini kaydeder ve sonuç olarak yüksek hassasiyetli görüntü düzeltmesi sağlar. Yüksek hassasiyetli ataletsel navigasyon, POSPac İHA yazılımı aracılığıyla PPK sonrası diferansiyel elde etmek için yer istasyonlarıyla birleştirilebilir ve konumlandırma ve duruş doğruluğunu artırabilir. SpectralView yazılımı, sensörün görüş alanını ve anlık görüş alanını birleştirerek, o anki uçuşun pozisyon ve duruş bilgileri aracılığıyla her karenin gerçek konumunu geri yükler ve böylece ortorektifikasyonu tamamlar.

Veri füzyonu, lazer Lidar'dan elde edilen arazi verileri ile hiperspektral verileri birleştirebilir. Yanlış renkli görüntüde, kırmızı kanal dik özellikleri (uçurumlar, ağaçlar) vurgular ve yeşil ve mavi kanallar bitki örtüsü ve arazi yapısındaki farklılıkları büyütür. Ek olarak, DEM verileri veri küpüne bir kanal olarak eklenir.

Arazi ve hiperspektral verilerin birleştirilmesi

İHA hiperspektral görüntüleme, izleme ve erken uyarı, jeolojik araştırma, askeri kamuflaj tanımlama, özellik sınıflandırma, çevresel kirletici bilgi çıkarımı, tarımsal verim tahmini, büyüme durumu izleme, ormancılık ağaç türü tanımlama, inşaat planlaması, proje yeri seçimi vb. gibi çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır; aşağıda analiz için birkaç örnek seçilmiştir.

Ormancılık sağlığı izleme

Çam ormanlarının sağlığını izlemek için, hastalığın erken evrelerindeki çam ağaçlarının ve sağlıklı çam ağaçlarının yeşil ve genel görünür ışık görüntülerini birbirinden ayırt etmek mümkün değildir. Bunun yerine, sağlıklı çam yaprak örtüsünün yansıma spektrumunu test etmek için havadan bir görüntüleyici kullanıldı ve hastalıklı çam ağaçlarının örtü yansıma spektrumu da test edildi (Şekil 9 orta). Sağlıklı çam ağaçları güçlü bir şekilde büyür, yapraklarında yeterli su bulunur, aktif klorofil hücrelerine sahiptir ve yeşil ve yakın kızılötesi bantlarda nispeten güçlü yansımalara sahiptir. Hastalıklı çam ağaçları da yeşil ve yakın kızılötesi bantlarda nispeten güçlü yansımalara sahiptir. Böcek zararlıları tarafından aşındırılmaları nedeniyle, çam ağaçları zayıf canlılığa, düşük yaprak nemine, inaktif klorofil hücrelerine, sarı renge ve yeşil ve yakın kızılötesi bantlarda düşük yansıtıcılığa sahiptir. Bu iki farklı özelliğe dayanarak, yerden elde edilen spektral özelliklerle birlikte, hastalıklı çam ağaçlarını belirleyebiliriz. ve sağlıklı çam yaprağı örtüsünün spektral parmak izi özelliklerini kullanarak ilgili bir spektral model oluşturmak, İHA hiperspektral yöntemiyle geniş alanlı spektral görüntü verileri elde etmek ve bu modele dayalı tersine çevirme işlemi yaparak geniş bir hedef alandaki çam ağaçlarının sağlık durumunun incelenmesini gerçekleştirmek.

kimlik gizleme

Mühimmat yığınlarının kamuflajla tanımlanması. Bu, mühimmat yığınının üzerindeki Saab Barracuda kamuflaj ağıdır. Geleneksel RGB çekiminden sonra, kamuflaj hedefi zemin arka planıyla karışarak görsel olarak arka plana "kayboldu" ve kamuflaj hedefini tanımlamak imkansız hale geldi. Kamuflaj ağı, zemin arka planından farklı olan 400-2500nm tam spektrum aralığında olduğundan, arka plan bilgilerini bastırmak ve aynı zamanda spektral anormallikleri ayırmak ve güçlendirmek için İHA hiperspektral görüntüleme kullanılarak görüntüler elde edildi ve böylece kamuflaj hedefi arka plandan izole edilerek görünür hale getirildi.

Özellik sınıflandırması

Mahsullerin sınıflandırılmasına gelince. Yer deneylerine dayanarak, arpa, patates, yulaf, yonca, kolza ve ıspanak gibi çeşitli mahsullerin spektrumlarını ölçmek için yer spektrometreleri kullanıldı ve spektral parmak izi özellikleri elde edildi. Daha sonra, mahsullerin "birleşik spektrum" spektral görüntülerini elde etmek için bir drone hiperspektral sistemi kullanıldı. Spektral parmak izi özelliklerine dayanarak, çeşitli mahsuller SAM spektral açı hesaplaması yoluyla sınıflandırılabilir.

Maden ve hazine arama

Farklı minerallerin atomik bileşimlerindeki büyük farklılıklar nedeniyle, 1000-2500 nm aralığında belirgin farklılıklar görülmektedir. Hiper spektral teknoloji, mineral tanımlama alanında da gücünü ilk gösteren teknolojidir. Şu anda uluslararası kabul görmüş spektral kütüphane de mineral spektrumlarına dayanmaktadır. Spektral kütüphane temelinde, bir spektrometre kullanılarak demir cevheri, bakır cevheri ve altın gibi metaller, sahada tahribatsız olarak tanımlanabilir.

Değişim, mineral arama çalışmalarında önemli bir işarettir. Farklı değişime uğramış minerallerin farklı spektral parmak izleri vardır. Hidrotermal yatakların tümü değişimle ilişkilidir. İHA hiperspektroskopisi, yer nesnelerinin yanı sıra değişime uğramış minerallerin ve özelliklerinin spektral parmak izlerini elde etmek için kullanılabilir. Geniş alan arama hedefine ulaşmak için spektral özellikler birleştirilir.

Toprak nem içeriği tahmini

Toprak Nem İçeriği (SMC), toprağın önemli bir fiziksel parametresi ve toprak agregat yapısı ile besin durumu üzerinde önemli bir kısıtlamadır. SMC, toprağın fiziksel ve kimyasal fizyolojik süreçlerini etkiler. Tarım arazilerinin toprak nem durumunun tam olarak anlaşılması, tarım arazilerinin sulama sisteminin daha etkili bir şekilde yönetilmesini sağlayabilir. Bitki büyümesinin kritik aşamalarında toprak nem durumunun hedeflenen iyileştirilmesi, ürün verimini ve kalitesini artırabilir. Örnekler, tarım arazisinden eşit olarak alınır, laboratuvarda işlenir ve kurutulur. Bazı örnekler model setini korumak için, bazı örnekler ise doğrulama setleri olarak kullanılır. Filtreleme ve gürültü giderme işleminden sonra, her örnek alanı için ortalama spektrum alınır ve farklı spektral indeksler kullanılarak toprak nemi seçilir ve tahmin edilir. Toprak nem içeriğinin en iyi bandı belirlenir ve buna dayanarak, toprak nem içeriğini tersine çevirmek için nicel bir tahmin modeli oluşturulur.

V10 ve D20 İHA'ları, büyük yük taşıyan, uzun süre havada kalabilen platformların uygulama ve montaj sorunlarını başarıyla çözmüştür. HeadWall Co-aligned 400-2500nm hiperspektral görüntüleme cihazı, 400-1000nm ekipmanına göre daha geniş spektral veri aralığına sahiptir. Aynı yer çözünürlüğüyle eş zamanlı olarak 400-1000nm ve 1000-2500nm hiperspektral verileri elde edebilir ve spektral parmak izi bilgilerini belirlemede daha yüksek doğruluk sağlar. İHA + HeadWall Co-aligned 400-2500nm hiperspektral görüntüleyici, geniş alanlı yüksek kaliteli hiperspektral veriler sağlayabilir ve tarım, ormancılık, jeolojik araştırmalar, arkeoloji, şehir planlaması, çevre izleme ve erken uyarı gibi alanlarda yaygın olarak kullanılabilir.