一個(gè)靈活的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的無(wú)人駕駛飛行器

一個(gè)靈活的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的無(wú)人駕駛飛行器作者作者聯(lián)系雅格布電子郵件作者薩爾瓦多菲利普·迪熱內(nèi)羅帕扎利菲奧里洛勞倫斯杰內(nèi)西奧亞歷山德羅馬泰賽弗朗西斯科首先瓦卡里技術(shù)報(bào)告

第一個(gè)在線:2012年1月19日

DOI:10.1007/s11119-012-9257-6本文引用:

迪詹納羅,舊金山那里等.精度,菲奧里洛稱,通常情況下阿格利司(2012)13:517。doi:10.1007/s11119-012-9257-6【摘要】無(wú)人飛行器(“VIPtero”)是組裝和測(cè)試,目的是開發(fā)一個(gè)靈活的和特有的葡萄園管理的有力工具。系統(tǒng)由一個(gè)六個(gè)轉(zhuǎn)子空中平臺(tái)能夠自主飛行的一個(gè)預(yù)先確定的點(diǎn)空間,和植被的音高和輥補(bǔ)償多光譜相機(jī)樹冠反射率錄音。的飛行活動(dòng)之前,相機(jī)的精度是評(píng)價(jià)與高分辨率的地面測(cè)量,用分光計(jì)。然后,“VIPtero”執(zhí)行飛行在意大利中部一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的葡萄園中,獲得63多光譜圖像在10分鐘的飛行幾乎自動(dòng)完成。圖像進(jìn)行分析和分類活力地圖生產(chǎn)基于歸一化植被指數(shù)。由此產(chǎn)生的活力地圖清楚表明作物異質(zhì)性條件下,與地面觀測(cè)的好協(xié)議。系統(tǒng)提供了非常有前景的結(jié)果,鼓勵(lì)其發(fā)展作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的工具應(yīng)用在小作物。【關(guān)鍵詞】高決議圖像歸一化區(qū)別植被多光譜指數(shù)圖像活力地圖的葡萄園介紹如今,最精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(PA)的研究是面向?qū)崿F(xiàn)新的傳感器和儀器,能夠遠(yuǎn)程檢測(cè)作物和土壤屬性準(zhǔn)實(shí)體。而一些衛(wèi)星傳感器的空間分辨率,如我河野快鳥最近有所改善,然而一些重大關(guān)切仍然依賴于困難采取重復(fù)測(cè)量在作物周期(莫蘭等.1997;楊等.2006年)?？朔@些問(wèn)題的解決方案是使用機(jī)載遙感可以很高的空間分辨率,(幾厘米的),和獨(dú)立的空中傳球的時(shí)機(jī)的選擇。后者實(shí)際上避免衛(wèi)星頻率調(diào)查不足或令人不安的云層條件。然而,一些特定限制的航空遙感高運(yùn)營(yíng)成本使它在經(jīng)濟(jì)上盈利的只有大片,和時(shí)間的缺乏靈活性與飛行計(jì)劃的調(diào)度。在過(guò)去的十年中,無(wú)人機(jī)(UAV)的發(fā)展平臺(tái),特點(diǎn)是體積小作物管理和監(jiān)控提供了一個(gè)新的解決方案,能夠及時(shí)提供高分辨率的圖像,特別是在小型生產(chǎn)區(qū)域必須被監(jiān)控(勒隆等.2008年)。由于這些原因,相信與這些特征可能適合無(wú)人機(jī)葡萄園管理,非常靈活的監(jiān)控與通常不到一周的通知是必需的。在托斯卡納地區(qū)尤其如此(意大利中部),以屬性的分裂成小單位5公頃,通過(guò)廣泛的地形和氣候條件的多樣性和大葡萄酒生產(chǎn)質(zhì)量的差異(馬泰賽等.2009年)。這種變化是直接與每年存儲(chǔ)生物量創(chuàng)造光合作用表面單元，通常稱為活力(綠色大蘋果等.2011;古利特2011;光熱和施耐德1998)。因此,很明顯,活力地圖來(lái)自植被指數(shù)等歸一化植被指數(shù)，對(duì)于葡萄栽培者來(lái)說(shuō)可能提供有用的信息來(lái)增加釀酒葡萄園的潛力(貝爾尼等.2009;海岸-費(fèi)雷拉.2007年,2009年)。在這部作品中,空中平臺(tái)“VIPtero”,一個(gè)靈活的和完全可定制的無(wú)人機(jī)系統(tǒng),能夠獲得高分辨率的多光譜圖像特別適合在小作物精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用程序。植被指數(shù)從無(wú)人機(jī)圖像是在良好的協(xié)議與獲得地面高分辨率光譜儀。最后,一些成像分析的結(jié)果在一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的葡萄園,造成飛行運(yùn)動(dòng)與“VIPtero”所示。材料和方法硬件設(shè)置無(wú)人機(jī)平臺(tái)“VIPtero”是一個(gè)修改,德國(guó)),可用一個(gè)開源項(xiàng)目預(yù)飛行和無(wú)刷控制董事會(huì),和可選硬件磁羅經(jīng)和一個(gè)全球定位系統(tǒng)(GPS)單元。“VIPtero”是一個(gè)六轉(zhuǎn)子空中平臺(tái)能夠自動(dòng)垂直起降和飛行一組用戶定義的錨點(diǎn)。大約1公斤的有效載荷是10分鐘的連續(xù)操作。進(jìn)一步配備一個(gè)鷹樹遙測(cè)設(shè)備,飛行系統(tǒng)定制的第一個(gè)視圖(鷹樹系統(tǒng)LLC,佤邦貝爾維尤,美國(guó))和“黑盒”自治供電,GPS接收器和一個(gè)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)調(diào)制解調(diào)器的復(fù)蘇平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)的任何故障。“VIPtero”有一個(gè)懸掛式萬(wàn)能相機(jī)山,由高速傾斜補(bǔ)償俯仰和滾伺服直接由飛行控制委員會(huì)(飛行控制)。這是定制包括硬件彈性吊架攝像無(wú)人機(jī)系統(tǒng)解耦并抑制高頻振動(dòng)誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的螺旋槳。系統(tǒng)組件的總成本約000€。攝像無(wú)人機(jī),主板負(fù)責(zé)實(shí)際飛行,是建立在一個(gè)瞄準(zhǔn)1284P單片機(jī)(美國(guó)加利福尼亞州圣何塞愛特梅爾公司)和六個(gè)無(wú)刷控制器通信通過(guò)一個(gè)雙向二線串行總線(I2C總線)。它集成了一個(gè)壓力傳感器和使用硬件加速器來(lái)計(jì)算并結(jié)合地球引力。額外的導(dǎo)航控制委員會(huì)配備一個(gè)ARM9微控制器(美國(guó)加利福尼亞州圣何塞愛特梅爾公司)和MicroSD卡插座路標(biāo)導(dǎo)航數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也存在。三維數(shù)字羅盤,沿著z軸的旋轉(zhuǎn)(偏航)是監(jiān)控,連同LEA-6GPS模塊(U-bloxAG)、塔爾維爾、瑞士)循環(huán)錯(cuò)誤可能精度為2.5m,它允許不同程度的自主飛行。目前,系統(tǒng)是用來(lái)保存“VIPtero”在空間定位,消除影響偏航運(yùn)動(dòng)控制方向和實(shí)現(xiàn)自主飛行航點(diǎn)和“回家”功能。Hexa-II實(shí)現(xiàn)六ATmega8控制董事會(huì)(美國(guó)加利福尼亞州圣何塞愛特梅爾公司)提供所需的三相的交流無(wú)刷電機(jī),可以迅速接受油門值(小于0.5毫秒)的典型反應(yīng)。Hexa-II配有4細(xì)胞3300&14.8V鋰聚合物電池(上海丹鋰國(guó)際有限公司、上海、中國(guó))給出了10分鐘的飛行理論的自主權(quán)。2.4GHz的無(wú)人機(jī)控制雙發(fā)射機(jī)(JETI模型信息。捷克共和國(guó)),一個(gè)完整的頻道跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng),不斷地傳遞信息,控制器包括:電池狀態(tài)、能耗、引擎狀態(tài),高度和水平距離起飛點(diǎn)。無(wú)人機(jī)也可以接收固件更新,路標(biāo)點(diǎn)輸入和顯示狀態(tài)信息通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議使用系統(tǒng)有限公司是一家提供的軟件。本研究中使用的相機(jī)是一個(gè)ADC-lite相機(jī)(蓋恩斯維爾,佛羅里達(dá)州美國(guó))配備了3.2像素CMOS傳感器(2048×048像素)。相機(jī)重200g和遠(yuǎn)程電源和顯示功能,為優(yōu)化無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的位置。這個(gè)產(chǎn)品的主要用途是記錄植物樹冠反射率,由此產(chǎn)生的圖像是適合推導(dǎo)幾種植被指數(shù)(NDVI、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)、樹冠分割和近紅外/綠色的比率)。圖片記錄在可見的紅色和綠色和近紅外(NIR)光譜波長(zhǎng)的名義520-600,630-690,和760-900海里。3.2像素的ADC配備了一個(gè)8.5毫米鏡頭的視場(chǎng)43°和能夠達(dá)到0.056米/像素地面分辨率的飛行高度150米。儀器用于NDVI驗(yàn)證光譜儀(美國(guó)ASD公司.)、博爾德有限公司)。的整體范圍光譜儀350-2350海里的獲得是通過(guò)三個(gè)內(nèi)部傳感器高信噪比測(cè)量輻射紫外線/VNIR(350-1050海里),SWIR1(900-1850nm)和SWIR2(1700-2700海里)。光譜儀的光譜分辨率是3700nm和10nm1400/2100海里。積分時(shí)間設(shè)置自動(dòng)為每個(gè)三個(gè)數(shù)組優(yōu)化傳入的所有三個(gè)地區(qū)的輻射水平。圖像處理提供的原始多光譜圖像需要接受一系列的步驟來(lái)提供一個(gè)活力的地圖。的第一步處理鏈的影像校正圖像。這是通過(guò)一個(gè)數(shù)字高程模型(DEM)的5×5m分辨率得到了數(shù)字1:5000的等高線地圖每菲奧里洛(南丫),4.5的環(huán)境(視覺信息解決方案公司,博爾德有限公司,美國(guó))。系統(tǒng)沒(méi)有當(dāng)時(shí)的影像通過(guò)一組原照片地面分辨率的地圖服務(wù)提供的0.5大區(qū)托斯卡尼和輻射測(cè)量糾正將每個(gè)像素的數(shù)字?jǐn)?shù)量(亮度值)首先制成光譜輻射和反射所述高爾德等。(1991)。后來(lái)歸一化植被指數(shù)計(jì)算的方程:,R近紅外和rr反射率在近紅外和紅樂(lè)隊(duì),分別(喚醒等.1973年)。NDVI地圖隨后處理ArcGIS9.3(ESRI公司雷德蘭茲,CA,美國(guó)為了獨(dú)立樹冠像素從土壤像素(德萊納等.2010年)。最后,活力地圖創(chuàng)建傳播樹冠值到行間空間克里格方法(奧利弗和韋伯斯特1990)和假設(shè)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系NDVI和活力(哥斯達(dá)黎加費(fèi)雷拉等.2007;菲奧里洛稱等.2009年)通常情況下。結(jié)果作為初步的一步,NDVI值收購(gòu)ADC-lite相機(jī)安裝在“VIPtero”是相對(duì)于地面NDVI值與FieldSpecPro光譜儀測(cè)量驗(yàn)證了ADC系統(tǒng)的精度?，F(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了5月24日,2011年,比較數(shù)據(jù)5目標(biāo)放在草草甸在兩組不同的措施,在11點(diǎn)半和下午12:30。為每個(gè)目標(biāo)3值與光譜儀獲取和平均。與此同時(shí),一個(gè)圖像被“VIPtero”從一個(gè)5米的高度。光譜儀價(jià)值觀與NDVI值從平均獲得的目標(biāo)區(qū)域的圖像。圖1顯示了高度的相關(guān)性(R2≈0.98)之間的空中和地面測(cè)量NDVI值。圖1

線性回歸NDVI值之間用圖像測(cè)量和地面FIELDSPEC光譜儀測(cè)量。錯(cuò)誤的酒吧代表光譜儀測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算和相對(duì)應(yīng)的像素值(圖像)每一個(gè)目標(biāo)區(qū)域,虛線代表1:1關(guān)系無(wú)人機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)是在實(shí)驗(yàn)的葡萄園(恩波利,FI10°55′01”41′E,43°28N)5月27日,2011年。這個(gè)葡萄園,位于山地環(huán)境,可見活力變化,適合本研究的目標(biāo),盡管它體積小約0.5公頃。葡萄園的GPS位置中心是通過(guò)藍(lán)牙傳送到無(wú)人機(jī)(由軟件),并在13:05手動(dòng)起飛后,“VIPtero”自動(dòng)飛到預(yù)定的路標(biāo),海拔150米的高度。無(wú)人機(jī)替代了5分鐘和相機(jī)設(shè)置在連續(xù)拍攝模式,用一個(gè)照片每5s。注冊(cè)的GPS數(shù)據(jù)的分析證實(shí),“VIPtero”維護(hù)其在空間位置上的圖像采集步驟期間具有良好的精度,飛行平臺(tái)的修正的微風(fēng)天出現(xiàn)漸進(jìn)和光滑。上面的垂直無(wú)人機(jī)自主然后返回起始位置在25米的身高和手動(dòng)登陸。整個(gè)飛行了7.5分鐘。在飛行期間,“VIPtero”平均能耗的350W,允許20%的備用電池容量,應(yīng)該允許多達(dá)9分鐘的操作。63年拍攝的圖像的初步分析了選擇要使用的圖片的進(jìn)一步措施。這是必要的,因?yàn)橛行┤耸艿脚で闹本€樹冠,記錄圖形的振動(dòng)引起的工件滾動(dòng)快門的相機(jī)和典型的CMOS系統(tǒng)(梁等.2008年)。

選中的圖片,NDVI地圖和五級(jí)活力地圖生產(chǎn)。圖2顯示了明顯的梯度植被活力。這證實(shí)了實(shí)證評(píng)價(jià)由當(dāng)?shù)仄咸褕@的葡萄栽培者,他們分為兩部分:向東需要不同的管理和生產(chǎn)葡萄酒比西(個(gè)人溝通)。地圖允許精細(xì)和清晰的識(shí)別細(xì)分單元中均勻的水平和增長(zhǎng),因此,可能是一個(gè)有價(jià)值的工具,用于精密葡萄栽培。圖2

葡萄園的多光譜圖像(左)在5厘米假彩色圖像的空間分辨率和(右)分類基于NDVI葡萄園活力地圖討論“VIPtero”顯示一個(gè)好的執(zhí)行所需任務(wù)的能力,它能夠飛正是在一個(gè)空間上的不動(dòng)點(diǎn)和維護(hù)所需的位置為一個(gè)明確的時(shí)間,克服了常見問(wèn)題的耦合與飛行路徑的圖片(同性戀等.2009年),而不需要使用復(fù)雜的GPS控制相機(jī)觸發(fā)器(勒隆等.2008年)。這種能力,讓更多的路點(diǎn)的可能性,可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)更簡(jiǎn)單的拼接的幾個(gè)圖片(貝爾尼等.2009年)。此外,由于無(wú)人機(jī)的重量不到7公斤和蒼蠅的運(yùn)營(yíng)商,它受到最小的空域限制和約束的自由安排飛行計(jì)劃,使之成為一個(gè)非常靈活的遙感系統(tǒng)在處理小作物。之一仍需要解決的主要問(wèn)題是機(jī)械振動(dòng)阻尼系統(tǒng)的相機(jī),這限制了“好”圖片的數(shù)量和每飛行超出2-3路點(diǎn)的可能性。

雖然在PA使用無(wú)人機(jī)的可能性已經(jīng)測(cè)試了幾個(gè)作者(貝爾尼等.2009;赫威茨等.2004年)。這是第一個(gè)基于無(wú)人機(jī)的歸一化植被指數(shù)和活力映射的例子在葡萄園在意大利。自幾的作品表明,葡萄質(zhì)量參數(shù)葡萄園活力指數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)(約翰遜等.2001;羊肉等.2004年),活力地圖似乎是一個(gè)合適的工具塊內(nèi)葡萄園葡萄栽培管理和精度。結(jié)果農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高輸入效率,環(huán)境的可持續(xù)性,并非最不重要的是,農(nóng)民的收入。然而,這些新工具可能是常見的工具在一個(gè)農(nóng)民的資產(chǎn)只有他們是友好的,自動(dòng)的,經(jīng)濟(jì)上也是可行的。平臺(tái)可能滿足這些目標(biāo),因?yàn)樗窍鄬?duì)便宜,能夠自主完成幾乎所有的飛行和圖像采集過(guò)程的步驟。關(guān)于飛行的長(zhǎng)度需要改進(jìn),相機(jī)振動(dòng)圖像采集和提供自主起飛和著陸的可能性。然而,初步結(jié)果是令人鼓舞的,進(jìn)一步微型化的傳感器和探測(cè)器可以大大提高這個(gè)平臺(tái)的潛力。認(rèn)知作者感謝弗朗西斯科·薩巴蒂他的幫助平臺(tái)組裝,對(duì)皮耶羅他的圖像處理工具,知識(shí)菲利皮主持和萊安德羅羅基()軟件開發(fā)援助和所有員工沒(méi)有他們“VIPtero”永遠(yuǎn)不會(huì)離開地面。特別感謝→本公司阿格里科拉主辦操作測(cè)試。這項(xiàng)工作是由一個(gè)專門撥款支持意大利經(jīng)濟(jì)和金融項(xiàng)目的國(guó)家研究委員會(huì)”中午-知識(shí)創(chuàng)新與發(fā)展集成/可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新意大利制造農(nóng)業(yè)法令。191/2009”。貝爾尼蘇亞雷斯,大腸(2009)。熱量和窄帶多光譜遙感植被監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)。IEEE地球科學(xué)和遙感,47歲,722-738。綠色大蘋果,&老板pk(2011)。葡萄活力的變化,葡萄產(chǎn)量和葡萄園的土壤和地形指標(biāo)變化的化學(xué)成分葡萄、葡萄酒和葡萄酒感官屬性。澳大利亞葡萄和葡萄酒研究期刊》的研究,217-229。

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