賽斯拜克中國核心技術(shù)品牌 博士專業(yè)研發(fā)團隊 18年專注高光譜
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來源：賽斯拜克 發(fā)表時間：2023-07-05 瀏覽量：837 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，使用無人機高光譜遙感技術(shù)對罌粟種植的監(jiān)測和控制成為了許多國家和地區(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、識別困難等問題。而無人機高光譜遙感技術(shù)的出現(xiàn)，為罌粟種植的監(jiān)測帶來了革命性的改變。無人機高光譜遙感技術(shù)利用無人機搭載的高光譜相機，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，通過無人機的快速高效飛行，可以對廣大的種植區(qū)域進行全面的監(jiān)測。
圖2 罌粟植株與干擾物體
與傳統(tǒng)方法相比，無人機高光譜遙感具有以下優(yōu)勢：
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階段會有不同的光譜反射特征，通過高光譜遙感技術(shù)可以快速準確地識別罌粟種植區(qū)域。
2.無人機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大量的時間和人力，而無人機可以在更短的時間內(nèi)完成對整個地區(qū)的監(jiān)測，大大提高了效率。
3.無人機高光譜遙感技術(shù)還可以結(jié)合圖像處理和數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實現(xiàn)罌粟種植區(qū)域的自動識別和監(jiān)測。通過對大量數(shù)據(jù)的處理和分析，可以更加準確地判斷罌粟種植區(qū)域的位置和范圍，為執(zhí)法部門提供有力的依據(jù)。
1. 與可見光結(jié)果相比
可見光圖像僅僅有紅綠藍（RGB）三個波段的光信息組成，在對罌粟識別時通過人工肉眼判讀進行監(jiān)測，效率低下且準確度有限。而高光譜圖像結(jié)果具有300個波段的光信息，對于罌粟可以提取其專屬的波段特征，從而對其進行準確的識別，同時結(jié)合機器學習算法，可以實現(xiàn)自動化監(jiān)測。
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個波段的光信息組成，對于罌粟或其他地物的檢測特征有限，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節(jié)可以提供更好的植被區(qū)分能力，例如在檢測罌粟時，高光譜圖像可以有效區(qū)分罌粟與其他相似植物，提高準確率。
罌粟的生長可分為4個周期，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特、色彩艷麗，因此在該時間段內(nèi)是罌粟巡查、鏟除的黃金時期。所以每到春夏季節(jié)，全國各地的民警都會把查罌粟作為一個重點任務(wù)，此時無人機高光譜的優(yōu)勢不可取代，探查區(qū)域大、效率高。
圖3 罌粟植株的生長周期
1. 飛行平臺
SF500無人機高光譜成像系統(tǒng)是基于大疆工業(yè)級無人機旗艦產(chǎn)品M300RTK平臺深度開發(fā)的一款輕小型旋翼無人機機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)定性無人機、高穩(wěn)定性云臺、大容量存儲系統(tǒng)、無線圖像系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等組成，是當前市場上輕型化+科學級高光譜數(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COMS探測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)合高清相機拍攝高清圖片，實現(xiàn)對物質(zhì)信息的全面檢測，是一臺“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)，會對光線產(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，可以通過以下技術(shù)路線實現(xiàn)罌粟植株的自動識別。
圖5 罌粟植株反射率光譜曲線示意圖
（1）利用無人機高光譜采集樣本區(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植株；
（2）在圖像處理軟件中（如ENVI）人工標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，制作成罌粟植株標準圖像（ROI），并存儲為罌粟植株數(shù)據(jù)庫，后期監(jiān)測中均可以使用；
圖6 罌粟植株特征光譜和實地檢測結(jié)果
（3）利用ENVI或者公司開發(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)用機器學習方法和標準罌粟植株數(shù)據(jù)庫對采集的原始進行自動檢測，并自動標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，和實地檢查進行鏟除。
圖7 罌粟植株無人機高光譜監(jiān)測技術(shù)流程
| 無人機-DJI M300RTK | 無人機高光譜成像系統(tǒng) | ||
| 型號 | SF500 | ||
| 參數(shù) | 配置 | 參數(shù) | 配置 |
| 尺寸 | 尺寸（展開，不包含槳葉）：810×670×430 mm（長×寬×高） | 分光方式 | 透射光柵 |
| 尺寸（折疊，包含槳葉）：430×420×430 mm（長×寬×高） | 光譜范圍 | 400-1000nm | |
| 對稱電機軸距 | 895 mm | 光譜波段數(shù) | 1200(1x),600(2x),300(4x) |
| 重量（含下置單云臺支架） | 空機重量（不含電池）：3.6 kg | 光譜分辨率 | 優(yōu)于2.5nm |
| 空機重量（含雙電池）：6.3 kg | 狹縫寬度 | 25μm | |
| 單云臺減震球**負重 | 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 | 探測器 | CMOS |
| 發(fā)射功率（EIRP） | 2.4000-2.4835 GHz： | 空間像素數(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（視覺定位正常工作時）±0.5 m（GPS 正常工作時）±0.1 m（RTK 定位正常工作時） | 采集速度 | 全譜段≥50fps |
| 水平：±0.3 m（視覺定位正常工作時）±1.5 m（GPS 正常工作時）±0.1 m（RTK 定位正常工作時） | 視場角（FOV） | 15.6°@f=35mm | |
| RTK 位置精度 | 在 RTK FIX 時：1 cm+1 ppm（水平）1.5 cm + 1 ppm（垂直） | 瞬時視場角（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模式且前視視覺系統(tǒng)啟用：25°） | 云臺 | 定制高穩(wěn)云臺，雙軸雙電機 |
| **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 |
| **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） | ||
| **可承受風速 | 15m/s（起飛及降落階段為12m/s） | ||
| **飛行時間 | 55 min | ||
| 支持云臺安裝方式 | 下置單云臺、上置單云臺、下置雙云臺、下置單云臺+上置單云臺、下置雙云臺+上置單云臺 | ||
| IP 防護等級 | IP45 | ||
| GNSS | GPS+GLONASS+BeiDou+Galileo | ||
| 工作環(huán)境溫度 | -20°C 至 50°C | ||
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