بخشی از مقاله
چکیده
هدف از پژوهش توسعه یک سامانه سنجش از دور هوایی نوین مبتنی بر عمودپرواز بدون سرنشین براي تصویربرداري چندطیفی از اراضی کشاورزي است. عمودپرواز ساخته شده از دو بخش اصلی هوایی و زمینی تشکیل شده است. بخش هوایی شامل اجزا مکانیکی پرواز، سامانه خلبان خودکار همراه با GPS، دوربین چندطیفی، سامانه تثبیت دوربین و باتري لیتیوم -پلیمر است.
اجزا اصلی بخش زمینی رادیوکنترل و ایستگاه زمینی با دوربینCCDاست. ارتباط بخش هاي هوایی و زمینی از طریق سامانه دورسنجی است. جهت بررسی عملکرد پرنده، چندین مرحله تصویربرداري از مزارع انجام شد و مداومت پروازي، حداکثر وزن محموله قابل حمل، حداکثر سرعت پرنده، عملکرد سامانه تثبیت دوربین و قدرت تفکیک مکانی ارزیابی شد. سپس تصاویر برداشت شده پردازش شدند. نقشه NDVI پوشش گیاهی و نقشه طبقه بندي نظارت شده استخراج و دقت طبقه بندي و ضریب کاپا محاسبه شد. نتایج پردازش تصاویر هوایی چندطیفی نشان داد که این تصاویر ضمن داشتن وضوح مناسب، قدرت تفیکی مکانی بالایی دارند.
-1 مقدمه
امروزه سنجش از دور به عنوان یک فناوري جدید براي پایش اراضی کشاورزي و باغات مورد توجه قرار گرفته است. این فناوري به کمک تجزیه و تحلیل تصاویر ماهواره اي و هوایی اطلاعات مفیدي به کشاورزان و مدیران مزرعه می دهد . تصاویر ماهواره اي داراي محدودیت هایی هستند که کاربرد آنها را براي مطالعات کشاورزي مشکل کرده است .
از جمله زمان بر بودن تهیه تصاویر و قیمت بالاي آنها، محدود بودن تعداد گذر ماهواره از منطقه در طول فصل رشد گیاه، نیاز به انجام تصحیحات اتمسفري، مشکل بودن همزمانی برداشت تصویر با نمونه برداري زمینی و به طورکلی پایین بودن قدرت تفکیک طیفی، زمانی و مکانی 9]و .[5 تصویربرداري هوایی نیز به طور معمول با استفاده از هواپیماها و هلی کوپترهاي سرنشین دار انجام می گیرد که به علت بالابودن هزینه هاي تصویربرداري و پیچیدگی سیستم ها، امکان انجام عملیات کشاورزي محدود می شود14]و.[5 در چند سال اخیر، ساخت سامانه هاي سنجش از دور هوایی به عنوان رویکرد جدیدي براي انجام مشاهدات زمینی مورد توجه قرار گرفته است.[10] این سامانه هاي بدون سرنشین قادر به تصویربرداري با قدرت ﺗﻔﮑﯿﮏ مکانی بالا1 براي مدیریت و پایش محصولات به ویژه در مزارع کوچک[4] و تهیه تصاویر زمان- واقعی2 با هزینه کم هستند
Jaakkola و همکاران - 2010 - از پرنده بدون سرنشین مجهز به لیزر اسکنر براي اندازه گیري ارتفاع درختان با استفاده از GPS، طیف سنج و دوربین هاي مرئی و حرارتی استفاده نمودند. به کمک این روش و استخراج مدل رقومی ارتفاع، خطاي ارتفاع3/1 سانتی متر و انحراف معیار9/2 سانتی متر به دست آمد .
Yang و همکاران - 2010 - از پرنده بدون سرنشین براي برداشت تصاویر هوایی چندطیفی3 باندي و تصاویر هوایی فراطیفی 128 باندي به منظور تعیین نقشه پوسیدگی ریشه پنبه استفاده کردند . نتایج ارزیابی نقشه هاي طبقه بندي شده نشان داد که هر دو نوع تصویر قادر به تمایز محصول بیمار از سالم هستند.
Zarco-Tejada و همکاران - 2012 - به کمک تصاویر فراطیفی برداشت شده با استفاده از پرنده بدون سرنشین، تنش آبی درختان را تشخیص دادند. آنها نشان دادند ک ه این روش براي تشخیص تنش بالاست. Primicerio و همکاران - 2012 - از یک عمودپرواز بدون سرنشین براي مدیریت تاکستان با استفاده از تحلیل بازتاب طیفی پوشش گیاهی استفاده کردند. نتایج تجزیه و تحلیل تصاویر طبقه بندي شده نشان داد که اطلاعات این تصاویر با داده هاي زمینی سازگاري دارند.
Garcia-Ruiz و همکاران - 2013 - تصاویر هوایی چندطیفی برداشت شده با پرنده بدون سرنشین و تصاویر هوایی فراطیفی برداشت شده با هواپیما را براي تشخیص بیماريHLB مرکبات ارزیابی کردند. آنها تحلیل طیفی برگ ها با استفاده از طیف سنجی نشان داد که طول موج710 نانومتر و شاخصNIR/R براي تشخیص درختان بیمار مناسب است. با توجه به اهمیت تصویربرداري هوایی در پایش و مدیریت اراضی کشاورزي و محدودیت هاي تصاویر ماهواره اي و هوایی موجود، هدف از این پژوهش ساخت و ارزیابی یک عمودپرواز بدون سرنشین3 به منظور تصویربرداري چندطیفی از مزارع کشاورزي با قدرت تفکیک زمانی و مکانی بالا است.
-2 روش تحقیق
عمودپرواز ساخته شده از دو بخش اصلی هوایی و زمینی تشکیل شده است. بخش هوایی متشکل از اجزا مکانیکی پرواز، سامانه ﺧﻠﺒﺎن خودکار4 همراه با 5GPS، دورﺑﯿﻦ، سامانه ﺗﺜﺒﯿﺖ دوربین6 و باتري لیتیوم-پلیمر قابل شارژ است. اجزا اصلی بخش زمینی عبارتند از: رادیوکنترل 7، ایستگاه زمینی و سامانه پایش وضعیت پرواز. ارتباط بخش هاي هوایی و زمینی از طریق سامانه دورسنجی8 است.
بخش هوایی عمودپرواز بدون سرنشین
- اجزا مکانیکی پرواز شامل صفحات مشبک، موتورها و راه انداز آنها، ملخ ها و قفل کننده هاي آنها، ﺑﺎزوﻫﺎي فیبر کربنی توخالی، پایه هاي فرود و اتصال بار و سایر اتصالات است. بخش اصلی سازه شامل دو صفحه مشبک از
جنس فیبرکربن است که در قسمت مرکزي پرنده قرار دارد و وظیفه اتصال تمام قسمت ها را بر عهده دارد.از موتورهاي الکتریکیDC بدون جاروبک براي تولید نیروي بالا برنده استفاده شد. ملخ هاي سبک ساعتگرد و پاد ساعتگرد متناسب با دور موتور، توان خروجی و وزن پرنده انتخاب شدند. هم چنین از قفل کننده ملخ ها براي ثابت نگه داشتن آنها در داخل محور موتورها استفاده شد. پ ایه فرود از جنس پلاستیک انعطاف پذیر ساخته شد به طوري که از وارد آمدن ضربه و لرزش به پرنده ممانعت کند.
- سامانه خلبان خودکار با استفاده از حسگرهاي ژیروسکوپ، شتاب سنج و مغناطیس سنج امکان تعیین جهت و زوایاي حرکت پرنده را فراهم می آورد. هم چنین این سامانه از بارومتر براي اندازه گیري ارتفاع از سطح دریا و GPS براي دریافت اطلاعات موقعیت پرنده و تشخیص محل قرارگیري پرنده در ایستگاه زمینی استفاده می کند. این سامانه مجهز به نرم افزار زمینی است که می توان کلیه پارامترهاي پرواز و مختصات فعلی پرنده را ردیابی کرد.
- دوربین مورداستفاده از نوع چندطیفی مدل ADC-Micro با محدوده طیفی520-920 نانومتر بود. این دوربین داراي حسگر 3/2 CMOS مگاپیکسل و کارت حافظه 2 Gb است.
- سامانه تثبیت دوربین1 فیبرکربنی شامل دو عدد سرووموتور براي حمل دوربین، کاهش لرزش ها و ارتعاشات وارد به دوربین و کاهش اثرات منفی ناشی از حرکات پرنده حول محورهاي افقی است. اعمال فرمان به سرو موتورها از طریق کنترلر پرواز و حسگرهاي زاویه اعمال می شود. این سامانه به گونه اي طراحی شده که امکان تغییر زاویه دوربین - زوایاي صفر، 45 و 90 درجه - و کنترل جهت دهی آن در حین پرواز از ایستگاه زمینی وجود دارد.
- باتري با توجه به توان بالاي موردنیاز موتورها ، از نوع لیتیوم-پلیمر سه سلولی با جریان 5000 میلی آمپر بر ساعت و ولتاژ 11/1 ولت انتخاب شد. این باتري داراي سرعت بالایی در شارژ بوده و قادر به تأمین یک جریان پیوسته خروجی در حین پرواز است. حسگر جریان با اندازه گیري جریان مصرف باتري توسط علائم هشدار دهنده تعبیه شده روي پرنده، خلبان را از وضعیت باتري آگاه می سازد. براي شارژ باتري ها از شارژر مخصوص بالانس دارIMAX با قابلیت شارژ به وسیله جریان برق شهري و باتري استفاده شد.
بخش زمینی عمودپرواز بدون سرنشین
- ایستگاه زمینی با استفاده از دوربینCCD نصب شده بر روي پرنده، امکان مشاهده موقعیت محل تصویربرداري را فراهم می نماید.
- رادیوکنترل براي هدایت پرنده براساس فرامین خلبان با بسامد کاري 2/4 گیگاهرتز مورد استفاده قرار گرفت.
این گیرنده در مواقع قطع ارتباط با فرستنده یا ضعیف شدن باتري، براساس دستوري که از قبل براي آن تعریف شده عمل کند.
سامانه دورسنجی
از سامانه دورسنجی براي برقراري ارتباط بخش هاي هوایی و زمینی استفاده شد. این سامانه وظیفه ارسال اطلاعات زنده پروازي اعم از اطلاعات ورودي و خروجی، مقادیر حسگرها، میزان مصرف باتري، موقعیت پرنده و ذخیره داده ها و تصویر را دارد. باند فرکانسی آن900 مگاهرتز در نظر گرفته شد تا احتمال تداخل فرکانسی با دیگر اجزا بی سیم پرنده وجود نداشته باشد. توان خروجی این سامانه50 میلی وات و برد آن یک کیلومتر است.
