CC BY
16Чепрасова Виктория Сергеевна Cheprasova Victoria Sergeevna
Студент Student
Мамелин Юрий Валерьевич Mamelin Yuri Valeryevich
Аспирант Graduate student Барыбин Денис Александрович Barybin Denis Alexandrovich
Студент Student
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет»
FSEI HE Kuban State University
РАЗРАБОТКА МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
DEVELOPMENT OF A MULTISSPECTRAL REMOTE SENSING
UNIT
Аннотация: В статье проведён обзор существующих наземных систем дистанционного зондирования, их устройство и принцип работы. Изложены основные методы дистанционного зондирования местности. Представлены электрическая принципиальная и логическая схемы работы спроектированной двухканальной установки мультиспектрального сканирования местности. Данная установка обеспечивает качественное получение мультиспектральных изображений исследуемой области в спектральном диапазоне от 300 до 900 нм как в автономном, так и в ручном режимах работы.
Abstract: The article provides an overview of existing ground-based remote sensing systems, their design and principle of operation. The main methods of remote sensing of the terrain are outlined. The basic electrical and logical diagrams of the operation of the designed two-channel installation for multispectral terrain scanning are presented. This installation provides high-quality acquisition of multispectral images of the investigated region in the spectral range from 300 to 900 nm, both in stand-alone and in manual modes.
УДК 53.07
«Научные исследования и инновации»
Ключевые слова: дистанционное зондирование местности, фотографический метод, мультиспектральное зрение, наземные системы дистанционного зондирования.
Keywords: remote sensing of terrain, photographic method, multispectral vision, ground-based remote sensing systems.
Введение
Дистанционное зондирование (ДЗ) местности на сегодняшний день является развивающейся методикой удалённого мониторинга местности, реализация которой обеспечивается различными методами получения информации, используя для этого аэрокосмические [1,3] или наземные [1,3] системы мульти- и/или гиперспектрального зрения [2]. Канонично ДЗ местности осуществляется, используя спектральные камеры [3], радары [3], спектрометры [3] или радиометры [3], устанавливаемые на борту летательных аппаратов [3] или космических спутников [3]. Данный метод ДЗ получил название аэрокосмический, основной задачей которого стоит получение мульти- или гиперспектральных изображений, которые в дальнейшем анализируются на предмет определения интересующих параметров [1].
Аэрокосмический метода ДЗ имеет преимущество в том, что в один момент времени регистрирует спектральную информацию с большого участка местности, что позволяет эффективно производить картирование местности [1], определять пожароопасные участки лесных хозяйств [1], идентифицировать крупные пространственных объектов [1] или мониторинг крупных сельскохозяйственных угодий [1]. Однако пространственное разрешение при использовании этого метода не отличается высокой продуктивностью, следствием чего является острая потребность в технологиях и методах способных получать мульти- и/или гиперспектральные изображения местности с высоким пространственным разрешением. Данная потребность может быть реализована наземными системами ДЗ, которые осуществляют ДЗ
XIМеждународная научно-практическая конференция совокупностью или одной из следующих технологий: ЬЮЛЯ (лазерное сканирование) [4], тепловизоры [4], мультиспектральные и гиперспектральные камеры [2, 5]. Которые устанавливаются на борту мобильных сухопутных робототехнических средств [1,3] или летательных аппаратах типа квадрокоптера [6], и способны обеспечивать мониторинг местности в широком диапазоне электромагнитного спектра, а именно от 300 до 2500 нм.
Низкая доступность подобного рода средств технического зрения способных работать в столь широком спектральной области влечет за собой разработку алгоритмов способных обеспечивать эффективную дискриминацию объектов в более узкой спектральной области [5], а именно от 300 до 900 нм. Откуда следует, что актуальной задачей является разработка доступной/бюджетной мультиспектральной установки ДЗ, которая способна осуществлять мультиспектральную съемку в диапазоне длин волн от 300 до 900 нм. Исходя из этого, целью данной работы является проектирование двухканальной мультиспектральной установки ДЗ местности. Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:
Обзор существующих систем и методов ДЗ местности;
Разработка логической схемы работы двухканальной системы мультиспектрального сканирования местности;
Проектирование электрической принципиальной схемы двухканальной работы системы мультиспектрального сканирования местности.
Системы дистанционного зондирования
Дистанционное зондирование местности - методология получения информации об объекте или явлении с помощью регистрирующего прибора, не находящегося в контакте с данным объектом или явлением [3]. Существующие системы ДЗ классифицируются в зависимости от источника подсветки исследуемой
«Научные исследования и инновации» области как показано на рисунке 1. Также стоит отметить, что важными
составными элементами методов ДЗ являются:
- фотографические или не фотографические приборы регистрации [1, 3];
- среда обработки и анализ экспериментально полученных данных [5];
- информационная база данных лабораторных исследований спектральных характеристик диффузного отражения (ДО) от органических функциональных композитных материалов (ФКМ) (т. е. листьев растений) или синтетических ФКМ [5].
Которые в свою очередь относятся к следующим двум параллельно развивающимся областям развития методов ДЗ: естественнонаучному (т.е. лабораторное исследование и накопление информационной базы знаний электромагнитных характеристик органических и синтетических ФКМ) и инженерно-техническому (т.е. разработка технологий, устройств и методов регистрации мульти- и гиперспектральных изображений) [1-3].
Солнце
Прибор
350-3000 нм
3.5-20 мкм
0,25-10 мкм
1-100 мкм
Рис. 1. Классификация методов ДЗ по источникам и длинам
Современные устройства ДЗ характеризуются следующими основными параметрами: количество спектральных полос [7], пространственное разрешение [77], спектральное разрешение [7], разрядностью, мобильностью и масса-габаритными характеристиками. Количество спектральных полос регистрирующего устройства определяет его как мульти- или гиперспектральное устройство, характеристики некоторых из которых представлены в таблице 1. Как правило, мультиспектральными устройствами называются системы имеющие 5-10 спектральных полос, а имеющие 100 и более полос гиперспектральными [8].
Спектральное разрешение определяет границы спектра, в пределах которых устройство сканирования местности способно эффективно исследовать оптические характеристики органических и синтетических ФКС. Чем больше спектральный диапазон и меньше полоса пропускания используемого светофильтра, тем более многоспектральным будет устройство. Также стоит отметить, что для современных мульти- и гиперспектральных установок ДЗ применимых в составе наземных сухопутных или летательных робототехнических
волн электромагнитного излучения
устройств масса-габаритные параметры являются критичными, т. к. большой вес или габаритные размеры могут значительно снизить следующие характеристики мобильных робототехнических систем.
Таблица 1. Характеристики гиперспектральных и
мультиспектральных камер
Название Спектр. область, нм Кол-во спектр. каналов, шт Кол-во простр. каналов, шт Макс. частота кадров Габариты, см Масса, кг
№ ШЦУ 350-800 196 1600 165 10x26,4x7,3 2,1
Pika Ь 400-100 381 900 249 12,4х10,5х6,7 0,6
Pika ХС2 400-100 447 1600 165 27,0х10,5х7,6 2.57
Pika Nir-320 9001700 164 320 520 27,0х11,4х8,9 3,21
Pika ШЯ 640 9001700 328 640 249 27,0х11,4х8,9 3,21
Рагго1 Sequoia 500-580 4 1 50 5,9х4,1х1,9 0,107
РЬоШпЮсш МУ0 600-975 25 1 50 3,0х3,0х5,42 0,75
CMS4-С 430-700 8 1 40 5,2х6,2х4,0 0,17
Specim 400-100 204 - 120 20,7х9,1х7,4 1,3
Исходя из проведенного аналитического обзора существующих методов ДЗ была разработана установка двухканальной системы мультиспектрального зрения, модель которой представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Модель установки двухканальной системы мультиспектрального зрения
Основной принцип работы которой заключается в фотографировании пары плоских изображений одной и той же области, где одно изображение исследуемой области производится цветной камерой без использования светофильтров, а второе изображение исследуемой области производится черно-белой камерой, используя один из следующих ПСФ, производства компании «Midwest Optical Systems», USA: MidOpt BP470, MidOpt BP540, MidOpt BP635, MidOpt BP BP735 и MidOpt BP880.
В целях обеспечения автономного или полуавтономного режимов работы разработанной установки двухканальной системы мультиспектрального зрения были использованы следующие электронные компоненты: стабилизатор напряжения в составе драйвера L298Ni, микроконтроллер ATmega328 в составе модуля Arduino Nano, датчик холла SS494B, черно-белая камера Basler ace acA1920-40gm, цветная камера Basler ace acA1920-50gc, вольтметр, шаговый двигатель, кнопки движения и питания. Электрическая схема взаимосвязи которых представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Электрическая принципиальная схема двухканальной системы мультиспектрального зрения
Также разработан и реализован в виде исходно программного кода алгоритм взаимодействия электронных компонентов и основных узлов работы представленной установки двухканальной системы мультиспектрального зрения, логическая схема работы которой представлена на рисунке 4.
Рис. 4. Логическая схема работы разработанной установки двухканальной системы мультиспектрального зрения
Работа установки реализована на базе микроконтроллера ATmega328 взятого в составе платформы Arduino Nano, которая предназначена для прототипирования простых систем, модулей и т. д. Задача используемой платформы Arduino Nano заключается в управлении аппаратами и механизмами данной установки, а также отслеживание информационных сигналов от используемых сенсоров и внешних каналов управления (кнопок).
В соответствии с представленной логической схемы работы разработанной установки работа устройства начинается с нажатия кнопки питания, после чего происходит инициализация всех узлов и
«Научные исследования и инновации» агрегатов устройства в процессе чего осуществляется выставление барабана со светофильтрами в начальное положение (т. е. в данном положении на барабане установлено обычное стекло).
Любое движение барабаном со светофильтрами осуществляется в результате подачи на него широтно-импульсного сигнала с входных контактов используемого драйвера двигателя (L298N), а его положение определяется по значению данных, получаемых с используемого датчик холла (SS494B). Получаемые значения меньше 400 соответствуют нулевому положению барабана со светофильтрами револьверного типа, в случае если регистрируемые данные лежат в пределе от 401 до 600 устанавливается режим фотосъемки обеими камерами, а в случае если значения с датчика холла (SS494B) лежат в пределах от 601 до 1023, то происходит ожидание следующей управляющей команды. В программном коде предусмотрено, что переход барабана со светофильтрами в новое положение может быть осуществлен как в ручном, так и в автоматическом режиме.
Выбор режима определяется после установки нулевого положения барабана со светофильтрами револьверного типа путём нажатия тактовой кнопки (BR). В случае длительного нажатия на BR происходит выбор автоматического режима работы, суть которого заключается в том, чтобы осуществлять непрерывную мультиспектральную фотосъемку исследуемой области в течении необходимого промежутка времени. В случае если кнопка BR зажимается кратковременно, то происходит выбор ручного режима, который необходим в том случае если нужно получить всего один мультиспектральный кадр исследуемой области.
Так как разработанная двухканальной системы мультиспектрального зрения оснащена аккумуляторным блоком (из трёх аккумуляторов 18650, емкостью 3400 мАч) со встроенной BMS (Battery Management System) платой [], для контроля работы
XIМеждународная научно-практическая конференция аккумуляторов, защищая их от быстрой разрядки в период
выключения, что продлевает их срок службы. Разработанная
двухканальная система мультиспектрального зрения способна работать
независимо от внешних источников питания, но также предусмотрено,
что данная установка может получать питание от штатного АКБ,
установленного на робототехническом устройстве, в составе которого
используется разработанная установка.
Выводы
В данной работе произведен обзор существующих аэрокосмических и наземных систем ДЗ в результате чего были сформулированы технические требования к разрабатываемой установке с двухканальной системой мультиспектрального зрения. За основу разработки был взят фотографический метод исследования спектральных характеристик интересующих материалов или объектов, согласно которому был выбран способ получения данных с помощью стереопары, позволяя получить данные без особых навыков и сложного программного обеспечения.
Разработана модель установки с двухканальной системой мультиспектрального зрения его электрическая принципиальная и логическая схема работы, а также был написан и отлажен программный код управления. В результате чего получен тестовый вариант бюджетной двухканальной системы мультиспектрального зрения, которая имеет пять спектральных полос определяемые в области спектра от 300 до 900 нм, а также канал, регистрирующий цветное изображение исследуемой области в аналогичном диапазоне длин волн. Использование шагового двигателя обеспечивает достаточную точность перемещения барабана со светофильтрами револьверного типа с относительно низкими скоростями, что является недостатком данной установки. Для будущих исследований было бы целесообразно увеличить скорость, а также настроить связь между камерой
«Научные исследования и инновации» (конвейером выдачи изображений) и контуром управления
барабанным механизмом фильтров. Для обеспечения высокой скорости
вращения целесообразно использовать бесколлекторные двигатели в
связки с абсолютным энкодером. Максимальная скорость вращения
обусловлена максимальной скоростью выдачи кадров камерой и
количеством фильтров в барабане.
Библиографический список:
1. Картография, фотометрия и дистанционное зондирование Земли: учебное пособие / М. В. Панасюк, Ф. Н. Сафиоллин, Н. А. Логинов, Е. М. Пудовик. - Казань: Казанский (Приволжский) федеральный университет,
2018. - 121 с.
2. Doering, D. MDE-based Development of a Multispectral Camera for Precision Agriculture / D. Doering, M.R. Vizzotto, C. Bredemeier [et al.] // IFAC-PapersOnLine. - 2016. - Vol. 49. - №39. - P. 24-29. - DOI: 10.1016/j.ifacol.2016.11.117.
3. Кронберг, П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии / П. Кронберг. - М.: Мир, 1988. - 343 с.: ил., - ISBN 5-03-000545-5.
4. Наземные системы дистанционного зондирования. — Текст: электронный // Studbooks : [сайт]. — URL: https://studbooks.net/2078003/ geografiya/nazemnye_sistemy_distantsionnogo_zondirovaniya (дата обращения: 24.08.2021).
5. Сутырина, Е. Н. Дистанционное зондирование земли: учеб. пособие / Е. Н. Сутырина. - Иркутск: Изд-во ИГУ, 2013. - 165 с. - ISBN 978-5-9624-0801-9.
6. Курченко, Н. Ю. Разработка программного обеспечения для обработки снимков, полученных с беспилотных летательных аппаратов / Н. Ю. Курченко, Я. А. Ильченко, Е. В. Труфляк. - Краснодар: КубГАУ,
2019. - 60 с.
XIМеждународная научно-практическая конференция
7. Шовенгердт, Р. А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений: учебное пособие / Р. А. Шовенгердт -М.: Техносфера, 2013. - 592 с., 32 с. цв. вкл. - ISBN 978-5-94836-244-1.
8. Гиперспектральные снимки: обзор сенсоров для БПЛА, систем обработки данных и приложений для сельского и лесного хозяйства. — Текст : электронный // СОВЗОНД : [сайт]. — URL: https://sovzond.ru/press-center/articles/bpla/5601/ (дата обращения: 25.08.2021).
