w pełni zintegrowany zestaw hiperspektralny
z technologią LiDAR

2019-11-08

Wraz z rozwojem potrzeb w zakresie zdalnego wykrywania, użytkownicy we wszystkich branżach odkrywają zalety rozbudowy wyposażenia hiperspektralnego o przyrządy wykorzystujące technologię LiDAR. Po pierwsze, różnego typu przyrządy stają się coraz mniejsze i lżejsze. Po drugie, bezzałogowe pojazdy UAV są nieustannie udoskonalane w zakresie ładowności i stabilności w locie. A po trzecie, użytkownicy z takich dziedzin jak rolnictwo, surowce mineralne i górnictwo oraz badania nad środowiskiem, mogą teraz jednocześnie rejestrować cały zbiór przydatnych danych. Dzięki wydajnym urządzeniom GPS/IMU potrafiącym łączyć strumienie danych, w pełni zintegrowany zestaw hiperspektralny z technologią LiDAR przeznaczony dla statków powietrznych, wyznacza obecnie najwyższy standard dla misji wymagających zdalnego wykrywania.

Technologia hiperspektralna i LiDAR wzajemnie się uzupełniają. Przetwornik obrazu hiperspektralnego zbiera pełny zakres danych dla każdego piksela w polu widzenia. W przypadku czujnika Nano-Hyperspec® jest to 270 pasm spektralnych dla każdego z 640 pikseli przestrzennych. Dane spektralne obejmują zakres widzialny oraz bliską podczerwień o długości fali od 400 nm do 1000 nm, poza zakresem widzenia człowieka. Analiza tych widm może być wykorzystywana w rolnictwie do wykrywania anomalii, takich jak choroby upraw, niedobory wody oraz ogólny stres i żywotność roślin. Połączenie obrazów przestrzennych i informacji spektralnej nosi nazwę kostki danych spektralnych. Może ona mieć wielkość kilku gigabajtów.

Nano-Hyperspec® to skaner liniowy zbierający podłużnie („pushbroom”). Oznacza to, że każda przechwycona klatka stanowi jedną linię (lub rząd) danych obrazu. W trakcie gdy pojazd bezzałogowy UAV przemieszcza się ponad obszarem, obraz hiperspektralny jest budowany linia po linii lub rząd po rzędzie. Ogólnie rzecz biorąc, kostka danych nieprzetworzonych będzie zawierać zniekształcenia wynikające ze zmian w prędkości lotu, wysokości, obrocie, pochyleniu w przód i w tył oraz na boki.  Dzięki procesowi zwanemu „ortorektyfikacją” kostka danych nieprzetworzonych zostaje zrzutowana za pomocą oprogramowania SpectralView® firmy Headwall na powierzchnię płaską terenu znajdującego się poniżej, z jednolitym ułożeniem pikseli. Dokładne rzutowane serii linii pikseli z poruszającego się statku powietrznego na powierzchnię terenu wymaga informacji o położeniu każdego piksela w skanerze w odniesieniu do podłoża w każdym punkcie czasu.

Pozycję skanera w odniesieniu do centrum ziemi można zmierzyć za pomocą wysokiej jakości przyrządów GPS/IMU. System GPS (ang. Global Positioning System – Globalny System Nawigacji Satelitarnej) zbiera dane dotyczące szerokości, długość geograficznej i wysokości statku powietrznego podczas lotu. Moduł IMU (Inertial Measurement Unit – jednostka pomiarów inercjalnych) uwzględnia obrót pojazdu bezzałogowego UAV, jego pochylenie w przód i w tył oraz na boki. Aby dokładnie obliczyć wielkość każdego piksela obrazu rzutowanego na podłoże, wymagana jest również informacja o wysokości podłoża w odniesieniu do centrum ziemi. Taka informacja o wysokości jako funkcji szerokości i długości geograficznej może być przechowywana w cyfrowym modelu wysokościowym CMW (ang. Digital Elevation Model). Z tego też względu, prawidłowa ortorektyfikacja obrazu ze skanera liniowego wymaga dokładnej informacji GPS/IMU oraz dokładnego modelu CMW.

W praktyce, dane LiDAR mogą posłużyć do stworzenia dokładnego modelu CMW. Równoczesne strumienie danych hiperspektralnych i danych LiDAR są przechowywane wewnątrz obudowy czujnika Nano-Hyperspec (o wielkości zbliżonej do rozmiarów kostki Rubika) na dyskach SSD o pojemności 480 GB. Zaletą równoczesnego zbierania danych jest lepsza wydajność lotu, ponieważ w jednej jednostce czasu można przeskanować większą powierzchnię terenu.

Zamiana nieprzetworzonych danych LiDAR na trójwymiarową chmurę punktów jest przeprowadzana w oprogramowaniu narzędziowym systemu LiDAR firmy Headwall, które może generować również modele CMW na potrzeby procesu ortorektyfikacji. Obecnie opracowywane jest oprogramowanie, które umożliwi jeszcze lepsze łączenie danych hiperspektralnych i danych LiDAR.