賽斯拜克中國(guó)核心技術(shù)品牌 博士專業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì) 18年專注高光譜
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來(lái)源：賽斯拜克 發(fā)表時(shí)間：2023-07-05 瀏覽量：1072 作者：awei
罌粟是一種被廣泛種植的植物，其種子可以提取出鴉片，用于制作毒品。因此，使用無(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)對(duì)罌粟種植的監(jiān)測(cè)和控制成為了許多國(guó)家和地區(qū)的重要任務(wù)的一環(huán)。
傳統(tǒng)的罌粟種植監(jiān)測(cè)主要依靠人工巡查和航空攝影等手段，但這些方法存在著諸多限制，如成本高、效率低、覆蓋面窄、識(shí)別困難等問(wèn)題。而無(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)的出現(xiàn)，為罌粟種植的監(jiān)測(cè)帶來(lái)了革命性的改變。無(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)利用無(wú)人機(jī)搭載的高光譜相機(jī)，獲取罌粟種植區(qū)域的多光譜圖像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含了大量的空間和光譜信息，通過(guò)無(wú)人機(jī)的快速高效飛行，可以對(duì)廣大的種植區(qū)域進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)。
圖2 罌粟植株與干擾物體
與傳統(tǒng)方法相比，無(wú)人機(jī)高光譜遙感具有以下優(yōu)勢(shì)：
1.高光譜傳感器可以捕捉到植物葉片的反射光譜。罌粟植物在不同生長(zhǎng)階段會(huì)有不同的光譜反射特征，通過(guò)高光譜遙感技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別罌粟種植區(qū)域。
2.無(wú)人機(jī)可以快速覆蓋大面積的種植區(qū)域。以往的人工巡查需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，而無(wú)人機(jī)可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)整個(gè)地區(qū)的監(jiān)測(cè)，大大提高了效率。
3.無(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)還可以結(jié)合圖像處理和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)罌粟種植區(qū)域的自動(dòng)識(shí)別和監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的處理和分析，可以更加準(zhǔn)確地判斷罌粟種植區(qū)域的位置和范圍，為執(zhí)法部門(mén)提供有力的依據(jù)。
1. 與可見(jiàn)光結(jié)果相比
可見(jiàn)光圖像僅僅有紅綠藍(lán)（RGB）三個(gè)波段的光信息組成，在對(duì)罌粟識(shí)別時(shí)通過(guò)人工肉眼判讀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，效率低下且準(zhǔn)確度有限。而高光譜圖像結(jié)果具有300個(gè)波段的光信息，對(duì)于罌粟可以提取其專屬的波段特征，從而對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別，同時(shí)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。
2. 與多光譜結(jié)果相比
多光譜和高光譜的主要區(qū)別是波段的數(shù)量和窄度。多光譜圖像通常由10-30個(gè)波段的光信息組成，對(duì)于罌粟或其他地物的檢測(cè)特征有限，容易與其他地物的反射光譜混淆。在高光譜圖像中具有更高水平的光譜細(xì)節(jié)可以提供更好的植被區(qū)分能力，例如在檢測(cè)罌粟時(shí)，高光譜圖像可以有效區(qū)分罌粟與其他相似植物，提高準(zhǔn)確率。
罌粟的生長(zhǎng)可分為4個(gè)周期，分別為苗期40天，蕾期20天，花期20天和果期20天，其中花果期由于罌粟的花朵形狀獨(dú)特、色彩艷麗，因此在該時(shí)間段內(nèi)是罌粟巡查、鏟除的黃金時(shí)期。所以每到春夏季節(jié)，全國(guó)各地的民警都會(huì)把查罌粟作為一個(gè)重點(diǎn)任務(wù)，此時(shí)無(wú)人機(jī)高光譜的優(yōu)勢(shì)不可取代，探查區(qū)域大、效率高。
圖3 罌粟植株的生長(zhǎng)周期
1. 飛行平臺(tái)
SF500無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)是基于大疆工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)旗艦產(chǎn)品M300RTK平臺(tái)深度開(kāi)發(fā)的一款輕小型旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)載的高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高光譜成像儀、輕小型旋翼高穩(wěn)定性無(wú)人機(jī)、高穩(wěn)定性云臺(tái)、大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)、無(wú)線圖像系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等組成，是當(dāng)前市場(chǎng)上輕型化+科學(xué)級(jí)高光譜數(shù)據(jù)的優(yōu)選組合方案。
核心載荷高光譜成像儀采用了性能卓越的科研級(jí)COMS探測(cè)器和高衍射效率的透射光柵分光元件，光譜范圍覆蓋400～1000nm，光譜分辨率優(yōu)于2.5nm，具有極高的噪信比和空間分辨率，可以充分挖掘和利用不同物質(zhì)自身特有的光譜信息，結(jié)合高清相機(jī)拍攝高清圖片，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)信息的全面檢測(cè)，是一臺(tái)“圖譜合一”的綜合性遙感設(shè)備。
2.應(yīng)用流程
活體的罌粟植株由于其特定的生理特征和結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生特定的反射率曲線，尤其在花果期階段，這種反射率光譜曲線與其他植被存在特定的差異。利用這一特性，可以通過(guò)以下技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)罌粟植株的自動(dòng)識(shí)別。
圖5 罌粟植株反射率光譜曲線示意圖
（1）利用無(wú)人機(jī)高光譜采集樣本區(qū)域圖像，樣本區(qū)域中應(yīng)該包含罌粟苗期或花果期的生長(zhǎng)植株；
（2）在圖像處理軟件中（如ENVI）人工標(biāo)記樣本圖像的罌粟植株區(qū)域，并區(qū)分苗期植株和花果期植株，制作成罌粟植株標(biāo)準(zhǔn)圖像（ROI），并存儲(chǔ)為罌粟植株數(shù)據(jù)庫(kù)，后期監(jiān)測(cè)中均可以使用；
圖6 罌粟植株特征光譜和實(shí)地檢測(cè)結(jié)果
（3）利用ENVI或者公司開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)解譯軟件，將外業(yè)采集的圖像導(dǎo)入軟件中，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法和標(biāo)準(zhǔn)罌粟植株數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集的原始進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并自動(dòng)標(biāo)記出花果期或苗期的罌粟植株區(qū)域，最后結(jié)合人工目視圖像檢查，和實(shí)地檢查進(jìn)行鏟除。
圖7 罌粟植株無(wú)人機(jī)高光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)流程
| 無(wú)人機(jī)-DJI M300RTK | 無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng) | ||
| 型號(hào) | SF500 | ||
| 參數(shù) | 配置 | 參數(shù) | 配置 |
| 尺寸 | 尺寸（展開(kāi)，不包含槳葉）：810×670×430 mm（長(zhǎng)×寬×高） | 分光方式 | 透射光柵 |
| 尺寸（折疊，包含槳葉）：430×420×430 mm（長(zhǎng)×寬×高） | 光譜范圍 | 400-1000nm | |
| 對(duì)稱電機(jī)軸距 | 895 mm | 光譜波段數(shù) | 1200(1x),600(2x),300(4x) |
| 重量（含下置單云臺(tái)支架） | 空機(jī)重量（不含電池）：3.6 kg | 光譜分辨率 | 優(yōu)于2.5nm |
| 空機(jī)重量（含雙電池）：6.3 kg | 狹縫寬度 | 25μm | |
| 單云臺(tái)減震球**負(fù)重 | 930g | 透射效率 | >60% |
| **起飛重量 | 9 kg | F數(shù) | F/2.6 |
| 工作頻率 | 2.4000-2.4835 GHz；5.725-5.850 GHz | 探測(cè)器 | CMOS |
| 發(fā)射功率（EIRP） | 2.4000-2.4835 GHz： | 空間像素?cái)?shù) | 1920(1x),960(2x),480(4x) |
| 29.5 dBm（FCC）；18.5dBm（CE）18.5 dBm（SRRC）；18.5dBm（MIC） | 像素尺寸 | 5.86 μm | |
| 5.725-5.850 GHz：28.5 dBm（FCC）；12.5dBm（CE）28.5 dBm（SRRC） | 有效像素位深 | 12bits | |
| 懸停精度（P-GPS） | 垂直：±0.1 m（視覺(jué)定位正常工作時(shí)）±0.5 m（GPS 正常工作時(shí)）±0.1 m（RTK 定位正常工作時(shí)） | 采集速度 | 全譜段≥50fps |
| 水平：±0.3 m（視覺(jué)定位正常工作時(shí)）±1.5 m（GPS 正常工作時(shí)）±0.1 m（RTK 定位正常工作時(shí)） | 視場(chǎng)角（FOV） | 15.6°@f=35mm | |
| RTK 位置精度 | 在 RTK FIX 時(shí)：1 cm+1 ppm（水平）1.5 cm + 1 ppm（垂直） | 瞬時(shí)視場(chǎng)角（IFOV） | 0.71mrad@f=35mm |
| **旋轉(zhuǎn)角速度 | 俯仰軸：300°/s 航向軸：100°/s | 可選鏡頭焦距 | 16mm/25mm/35mm |
| **俯仰角度 | 30° （P模式且前視視覺(jué)系統(tǒng)啟用：25°） | 云臺(tái) | 定制高穩(wěn)云臺(tái)，雙軸雙電機(jī) |
| **上升速度 | S 模式：6 m/s,P 模式：5 m/s | 定位系統(tǒng) | 優(yōu)于10cm |
| **下降速度（垂直） | S 模式：5 m/s P 模式：4 m/s | 內(nèi)置采集處理單元 | i7處理器,8GB,512GB硬盤(pán) |
| **傾斜下降速度 | S 模式：7 m/s | ||
| **水平飛行速度 | S 模式：23 m/s, P 模式：17 m/s | ||
| **飛行海拔高度 | 5000 m（2110 槳葉，起飛重量≤7 kg）/ 7000 m（2195 高原靜音槳葉，起飛重量≤7 kg） | ||
| **可承受風(fēng)速 | 15m/s（起飛及降落階段為12m/s） | ||
| **飛行時(shí)間 | 55 min | ||
| 支持云臺(tái)安裝方式 | 下置單云臺(tái)、上置單云臺(tái)、下置雙云臺(tái)、下置單云臺(tái)+上置單云臺(tái)、下置雙云臺(tái)+上置單云臺(tái) | ||
| IP 防護(hù)等級(jí) | IP45 | ||
| GNSS | GPS+GLONASS+BeiDou+Galileo | ||
| 工作環(huán)境溫度 | -20°C 至 50°C | ||
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