بخشی از مقاله
چکیده
امروزه ا ستفاده از سامانه های بدون سرن شین بدلیل سهولت کاربرد، کاهش هزینه های مالی و نیروی انسانی در زمینه کشاورزی دقیق مورد توجه بسیار قرار کرفته است. استفاده از این سامانهها در زمینه بذرپاشی کوددهی نظارت بر رشد محصولات کشاورزی، کشف بیماری و آبدهی مطرح گردیده است. در این تحقیق امکان کشف بیماری زوال مرکبات با استفاده از دوربین چندطیفی نصب شده بر روی سکوی هوایی بدون سرنشین مورد بررسی قرار کرفته است. با استفاده از الکوریتم طبقه بندی ماشین های بردار پشتیبان منطقه آلوده به مرکبات از مناطق سالم جدا شده است.دقت کلی 86 درصد در تشخیص بیماری در مقایسه با داده های زمینی برداشت شده توسط متخصصین بیماری درختان مرکبات نشان از قابلیت بالای این روش در تشخیص بیماری و تمایز بین درختان بیمار از سالم دارد.
واژه های کلیدی:زوال مرکبات، کشاورزی دقیق، سامانه هوابرد بدون سرنشین، تصاویر چندطیفی
مقدمه
کشاورزی دقیق شامل مجموعه اقداماتی از قبیل آبیاری، کوددهی، بذرپا شی، سمپا شی و علفک شی به منظور مدیریت بهتر بر زمینهای کشاورزی در زمان و مکان مناسب میباشدکه موجب بهرهوری و سودآوری بهتر محصولات کشاورزی میشود.[2 ,1] کاربرد سنجش از دور در کشاورزی دقیق با ساخت سنسورهایی برای اندازهگیری مقدار محتویات مواد معدنی خاک شروع شد و به سرعت در عرصه سنجندههای فضابرد، هوابرد و زمینی گسترش یافت[3] .سنسورهای مشاهده رفتارگیاهان میتوانند بر پایه مشاهدات فضابرد[4]، هوابرد-5] [7، سامانههای بدون سرنشین[9 , 8]، سنجندههای متصل به ماشین آلات کشاورزی[11 , 10] و سنجندههای متصل به روباتهای متحرک[12] به منظور ث بت تراکم علف های هرز، ارت فاع درخ تان، انرژی بازتاب از سطح برگ، رطوبت و دیگر خصوصیات مهم در رابطه با مدیریت زمینهایکشاورزی مورد استفاده قرار گیرند.
امروزه استفاده از سامانههای هوایی بدون سرن شین در زمینه نظارت بر پو ششهای گ یاهی، بدل یل توان تفک یک مکانی و زمانی بالا، کم هزی نه بودن و سادگی اجرا، مورد توجه قرار گرفته است.[13] با بهرهگیری از این ویژگیها نظارت بر فعالیتهای کشاورزی با دقت بالا و در دورههای زمانی کوتاه می سر گ شته ا ست. یکی از دلایل گ ستردگی ا ستفاده از سامانههای بدون سرنشین در زمینه کشاورزی دقیق تولید دوربینهای حرارتی و چندطیفی سبک وزن در ابعاد کوچک میباشد.[14]در میان مح صولات متعدد و متنوع ک شاورزی در ایران، مرکبات یکی از مهمترین سرده میوههای نیمهگرمسیری هستند. میتوان به بیماری زوال مربکبات به عنوان اصلی ترین عامل تحدید کننده درختان مرکبات اشاره کرد که به صورت گستردهای درباغهای مناطق جنوبی ایران شایع است.از نشانه های زوال مرکبات میتوان به پژمردگی برگها، خشکشدن شاخهها، تأخیر در رشد بهاره، نشانههای کمبود عنصر روی در برگها اشاره کرد. در شکل - 1 - نمونهای از تصاویر یک درخت بیمار درمقابل درخت سالم نشان داده شده است.
تصویر درخت سالم
یکی از راههای مقابله با این بیماری شناسایی زودهنگام و قطع درختان بیمار برای جلوگیری از انتشار بیماری میباشد . در این تحقیق با هدف مطالعه بر وضعیت سلامت یک باغ پرتقال آلوده به
بیماری زوال، با استفاده از دوربین چندطیفی چندعدسی نصب شده بر روی یک سامانه بدون سرنشین عمود پرواز، از منطقه مورد مطالعه تصویربرداری به عمل آمده است. همزمان به منظور تهیه دادههای آموزشی برای الگوریتم طبقهبندی، دادههای زمینی توسط کارشناسان حفظ نباتات جمع آوری و موقعیت درختان بیمار و سالم توسط GPS ثبت گردید. در نهایت بر اساس روال پردازشی توسعه داده شده در این تحقیق، نق شه سلامت درختان در این منطقه تعیین و ارزیابی شده است.
قدرت تفکیک مکانی و زمانی و همچنین تصحیحات اتمسفر از اصلی ترین محدودیتهای ت صاویر ماهواره ای در ک شف بیماری به ح ساب میآیند. استفاده از سنجنده های هوایی با هدف غلبه بر این محدودیتها مورد ا ستفاده قرار گرفت. شیانگو لیتان در سال 2011 با مقایسه دو روش نظارتی بر رشد علفها - با استفاده از سنجنده چندطیفی و دادههای میدانی - به مطالعه دقت مشاهدات سنجنده چندطیفی هوایی پرداخته اند. و نتیجه تحقیقات خطای اندازه گیری در حدود 1 5 درصد از کل مشاهدات را نشان داد.[13] آگورو و همکاران در سال 2011 در مزارع آفتابگردان به بررسی مقدار محتویات نیتروژن موجود در برگها پرداختهاند. از آن جایی که مقدار نیتروژن با م قدار کلروف یل ارت باط قوی دارد، با ا ندازه گیری م قدار بازتابش نور خورشید به کشف مقدار نیتروژن با استفاده از تصاویر چندطیفی هوایی پرداختهاند.
برای مقایسه این روش از یک ایستگاه زمینی تصویربرداری نیز استفاده شده است. نتیجه آزمایش بهتر بودن عملکردتصویرهوایی بدلیل کم بودن تاثیرات خاک و سایه درختان آفتابگردان را نشان می داد.[14]در تحقیقی که توسط رویز و همکاران در سال 2013 در رابطه با یک مزرعه پرتقال انجام شد به بررسی عملکرد دو سنجنده، یکی سنجنده چند طیفی نصب شده بر روی پهپاد و دیگری سنجنده فراطیفی هوابرد درتشخیص نوع خاصی از بیماری درختان پرتقال پرداخته شد، نتیجه تحقیق عملکرد بهتر سنجنده چندطیفی پهپاد بدلیل قدرت تفکیک مکانی بهتر را نشان میداد.[15]در این تحقیق برای نخستین بار در ایران بیماری درختان مرکبات با استفاده از تصاویر چندطیفی نصب شده بر روی سنجنده بدون سرنشین مورد مطالعه قرار گرفته است و در نهایت نقشه سلامت درختان مرکبات اراعه شده است.
روش پیشنهادی در تشخیص بیماری زوال مرکبات
در این تحقیق به منظور ارزیابی وضعیت سلامت درختان مرکبات روشی مبتنی بر تصاویر چند طیفی اخذ شده از دوربین نصب شده بر روی پرنده بدون سرنشین ارائه شده است. دیاگرام روش فوق در شکل - 2 - نمایش داده شده است. همانطور که در شکل - 2 - نمایش داده شده است، در اولین گام، دادههای میدانی متشکل از تصاویر هوایی و اطلاعات زمینی اخذ میگردند. سپس این دادهها وارد بخش پیش پردازش شده و پس از آمادهسازی وارد مرحله محاسبات شده که خود از دو گام استخراج ویژگیهای گیاهی و طبقه بندی تصاویر تشکیل شده است. در نهایت خروجی ها که شامل نقشه سلامت درختان میبا شد تولید می گردد. در ادامه به شرح مخت صر هریک از گام های الگوریتم مورد نظر پرداخته شده است.
کار شنا سان حفظ نباتات همزمان با عملیات پرواز و ت صویربرداری، از منطقه مورد مطالعه بازدید و وضعیت سلامت تعدادی از درختان را به منظور تهیه دادههای آموزشی و ارزیابی ثبت میکنند. همچنین به منظور تهیه ارتوموزائیک از تصاویر چندطیفی تعدادی ایستگاه زمینی ایجاد میگردد و موقعیت آنها توسط دستگاه GPS مشاهده می شود. پاسخ طیفی مناطق پوشیده از گیاهان، ترکیبی از مقدار سبزینگی گیاهان، رو شنایی خاک، تاثیرات محیطی همچون سایه، رنگ خاک و رطوبت و مانند آنها میباشد . این رفتار گیاهان در تصاویر طیفی در قالب شاخص های گیاهی قابل نمایش و اندازهگیری می باشد. شاخص ها ی گیاهی پس از استخراج از طیفهای مختلف تصاویر، در طبقهبندی و پرو سه ت صمیمگیری مورد ا ستفاده قرار داده می شوند. در این تحقیق از شاخصهای گیاهی که بر طبق تحقیقات پیشین نمای شگر بهتری از و ضعیت سلامت درختان میبا شند ا ستفاده شده است. این شاخصها به صورت اخت صار در جدول شماره - 1 - نمایش داده شدهاند.
پس از استخراج شاخص های گیاهی از تصاویر، پروسه تصمیم گیری در مورد و ضعیت گیاهان بر ا ساس شاخ صهای ا ستخراج شده طی مرحله طبقهبندی انجام میگیرد. در این تحقیق طبقهبندی در سطح پیکسل از طریق الگوریتم ماشین بردار پشتیبان در دو گام انجام پذیرفته است. در گام نخست، کلاس درخت از دیگر کلاسها جدا میشود، و در گام بعد بدلیل تمایز بین درختان سالم از درختان بیمار مجددا از الگوریتم طبقهبندی استفاده میشود. باندهای تصویربرداری شده و شاخصهای گیاهی به عنوان فضای ویژگی ورودی برای الگوریتم ماشین بردار پشتیبان انتخاب میشوند.پرنده بدون سرنشین مالتیروتور مجهز به سنجنده چندطیفی با قابلیت اخذ تصاویر با قدرت تفکیک مکانی مناسب به منظور ثبت رفتار طیفی درختان منطقهی مورد مطالعه، مورد استفاده قرار گرفته است.
برای این تحقیق از سنجنده چندطیفی در حالت چندعدسی استفاده شده است. در این سنجنده از پنج باند طیفی با پهنای باند باریک در محدودهی طیفی قرمز، آبی، سبز، لبه قرمز و مادون قرمز نزدیک با هدف ثبت اطلاعات طیفی گیاهان استفاده شده است. حساسیت باندهای باریک نسبت به باندهای عریضتر در تهیه شاخصهایگیاهان و ثبت رفتار طیفی گیاهان بی شتر ا ست. م شخ صه دیگر این سنجنده ا ستفاده از پنج عد سی مجزا بجای ا ستفاده از یک عد سی میباشد که میتواند به صورت همزمان عمل تصویربرداری را انجام دهد. موقعیت قرارگیری باندهای طیفی و پهنای باند مربوط به آن در شکل شماره - - 4 نمایش داده شده است.شهرستان داراب واقع در جنوب استان فارس، با مشخصات جغرافیایی 54 449960 - ، - 28 910694، به عنوان منطقه مورد مطالعه انتخاب شده ا ست. شهر ستان داراب دارای آب و هوایی ب سیار گرم میبا شد.
باغهای گسترده پرتقال،نارنج، لیمو و خرما در این منطقه وجود دارد. نمونه برداری از این منطقه در پاییز 1395 انجام شده است، باغ مرکبات مورد نظر در روستای حسن آباد در 30 کیلومتری شهر داراب واقع است.عملیات پرواز در مدت 26 دقیقه در ارتفاع 60 متری با 25 باند پرواز با پوشش طولی و عرضی درحدود %70 طراحی شده است. همزمان با عملیات پرواز و ت صویربرداری، به منظور تهیه دادههای آموز شی برای الگوریتم طب قهب ندی، و اطمی نان از عملکرد آن - داده های ارز یابی - ، وضعیت بیماری تعدادی از درختان توسط کارشناسان بررسی و اطلا عت آن ها جمعآوری گرد ید. همچنین موقع یت درخ تان بی مار و سالم به منظور پردازشهای آتی تو سط GPS ثبت گردید. در شکل - 6 - موقعیت درختان بیمار و سالم - دادههای آموزشی - ، شناسایی شده به منظور آموزش الگوریتم طبقهبندی، نشان داده شده است. اعداد نشان داده شده در تصویر برای رنگ آبی و قرمز به ترتیب برای درختان سالم و بیمار در نظر گرفته شده است.
