monitoring kůrovce pomocí dronů

Prudký rozvoj bezpilotních technologií nabízí v současné době k dispozici řadu nástrojů, které poskytují odlišný typ informace o vegetaci, nabízejí rozdílné možnosti detekce a vyhodnocení zdravotního stavu vegetace. Zároveň mají i rozdílnou náročnost na pořízení, provoz přístroje i nároky na potřebu vysoce specializovaného zpracování nebo nezbytnost využití dalších podpůrných přístrojů. Pro nastavení parametrů kampaní bezpilotního snímkování je přitom zásadní jak vlastní typ snímkovací platformy, tak charakter senzoru, použitého ke snímkování.

Snímkovací platformy

Typ snímkovací platformy předurčuje základní technické parametry snímkování jako je velikost pokrytého území, výška a rychlost letu a možnost využití různých senzorů. Z hlediska konstrukce platforem je tak možné využít buď multirotorové systémy, nebo systémy s pevným křídlem.

Platformy, založené na modelu ve formě pevného křídla (fixed-wing) nabízejí oproti multirotorovým platformám podstatně delší dobu letu a tím i možnost pokrytí rozsáhlejšího území. S ohledem na letové charakteristiky, které odpovídají modelu letadla stroj operuje ve větší výšce a s vyšší rychlostí. Konstrukce dronu pak nabízí zpravidla pouze omezené možnosti použití různých typů senzorů. Pro snímkování lesa je zásadní překážkou potřeba dostatečně velké, rovné a holé plochy pro start a přistání modelu.

Pro pilotní projekt v oblasti pražských lesů byly s ohledem na charakter hodnocených lesních komplexů, poskytující pouze minimální otevřené prostory a zároveň potřebu testovat různé typy senzorů a parametry snímkování na prostorově omezených plochách prostor byly pro snímkování v rámci projektu byly pro řešení zvoleny multirotorové systémy.

Multirotorové systémy, které byly využity v pilotní studii poskytují vysokou variabilitu nastavení parametrů snímkování i variabilitu osazení různými typy senzorů. Zejména v komplikovaných terénních podmínkách, které les představuje, je zásadní schopnost kolmého startu a přistání s naprosto minimálními nároky na přistávací prostor, dále schopnost přesného manévrování i možnost využívat širokou škálu senzorů. Tyto vlastnosti jsou vyváženy nižším územním pokrytím snímkování, delším časem, potřebným na realizaci kampaně. Multirotorové systémy nabízejí řadu technických řešení:

  • Jde např. o kompaktní drony pro RGB snímkování, jakým je např. ve studii využitý DJI Mavic 2 Pro). -
  • Pokročilé možnosti pak nabízejí platformy se systémovým stabilizovaným výměnným závěsem, umožňujícím použití různých typů senzorů v rámci jedné platformy. Ve studii byl takto využit snímkovací systém DJI Inspire 1 Pro, s výměnnými kamerami snímajícími ve viditelném, infračerveném nebo termálním pásmu.
  • Specifickou kategorii pak tvoří univerzální platformy, umožňující nasazení libovolných snímkovacích systémů. V projektu byl takto aplikován osmimotorový systém Mikrokopter Octo XL s multispektrální kamerou Tetracam mikroMCA 6.

Ukázka snímkovací platformy DJI Inpire 1 Pro s RGB kamerou při snímkování v zájmovém území

Senzory

Z pohledu technologií optického snímkování, dostupných pro bezpilotní monitoring lesa se nabízejí následující hlavní kategorie senzorů:

  1. RGB senzory
  2. NIR senzory
  3. Multispektrální senzory
  4. Hyperspektrální senzory
  5. Termální senzory

Volba konkrétního typu senzoru ovlivňuje jak prostorové rozlišení snímku, promítající se do podrobnosti snímkování, tak možnosti snímání kvalitativních vlastností.

RGB senzory, pracující ve viditelné části spektra, dosahují zpravidla vysokého rozlišení, tj. vysoké míry podrobnosti rozlišení snímkovaných objektů. Např. u využité platformy DJI Mavic 2 Pro s 20 Mpx RGB senzorem dosahuje rozlišení snímkování, pořízeného z letové hladiny 100 metrů úrovně 2 cm na pixel. Takové prostorové rozlišení, které je dosaženo v celé souvislé ploše výsledné ortofotomapy, umožňuje rozlišit značné detaily např. na úrovni jednotlivých větví v korunách stromů a jejich částí. Snímkování ve viditelné části spektra má nicméně omezené možnosti získat kvalitativní informace o stavu vegetace, které jsou patrné především v oblasti blízkého a středního infračerveného záření, reagujícího na obsah chlorofylu v rostlinách.

RGB senzory jsou proto optimální pro operativní mapování, nabízející vysokou úroveň podrobnosti, vhodnou např. pro účely evidence stavu a změn lesa v daném území. Zároveň jde o typ senzoru, který je finančně přístupný, protože jimi jsou standardně vybaveny běžné typy bezpilotních systémů.

Výřez RGB ortofotomapy oblasti Klánovického lesa. Snímkování 2019-10-07.

Snímkování v oblasti infračervené (NIR) části spektra představuje klíčový prvek pro možnost rozlišení zdravotního stavu vegetace a detekce jejího případného narušení. Senzory, které využívají NIR oblast elektromagnetického spektra mohou zachytit kvalitativní změny nebo stres vegetace, promítající se do změny obsahu chlorofylu vegetace, která je pozorovatelná ve vlnových délkách v oblasti blízkého infračerveného záření.

Pro snímkování v této oblasti spektra jsou využívány buď specializované jednopásmové senzory, zachycující záření pouze v oblasti blízkého infračerveného pásma, nebo kombinované senzory, kde NIR pármo je doplněno o pásma z viditelné části spektra.

Pro pilotní projekt byl takto využit tříkanálový senzor NGB (NIR-Green-Blue) s prostorovým rozlišením 12 Mpx. Prosotové rozlišení je zde stále dostatečné k podrobnému mapování, zároveň zahrnutí uvedených kanálů umožňuje ze snímaných dat vypočítat hodnoty standardizovaných spektrálních, resp. vegetačních indexů, využívaných pro hodnocení zdravotního stavu vegetace.

Specializované senzory, snímající v NIR pásmu jsou již finančně náročnější než běžné RGB kamery. Zároveň pro porovnatelnost snímkování, realizovaných v různých světelných podmínkách je nezbytností kalibrace za využití dalšího přístrojového vybavení. Tím jsou jednak barevně homogenní odrazné desky, použité během snímkování pro kalibraci odrazivosti daných barev, resp. odstínů šedi při daných světelných podmínkách. Kalibrace je prováděna měřením pomocí ručního spektrometru, specializovaného zařízení, které měří hodnoty odrazivosti (reflektance) daného povrchu. Následnou kalibrací je možné korigovat barevné hodnoty snímků na hodnoty reflektance tak, aby na nich byly eliminovány vlivy rozdílných světelných podmínek a byly využitelné pro výpočty vegetačních indexů nebo porovnatelné v časové řadě.

Ukáza ortofotomapy s vysokým rozlišením, získané fotogrammetrickou rekonstrukcí UAV snímkování s využitím senzoru, využívajícího snímání v blízkém infračerveném pásmu.

Multispektrální senzory kombinují více spektrálních pásem, analogicky např. k družicovým senzorům. Příkladem může být šestikanálový senzor Tetracam microMCA6, který kombinuje tři pásma v oblasti viditelného záření - modrou, zelenou a červenou se třemi úzce vymezenými pásmy v oblasti blízkého infračerveného záření. Tato tři pásma pokrývají oblast spektra, ve které se projevují dopady pohlcení záření chlorofylem, označované jako tzv. “red edge” nebo “vegetation edge” a umožňují tak hodnotit charakteristiky zdravotního stavu vegetace a jejího stresu.

Pracovní postup při pořizování a kalibraci dat je analogický NIR snímkování, přičemž vlastní snímkovací kampaň musí vždy zahrnovat kalibrační měření, umožňující následnou kalibraci a standardizaci výsledků. Kalibrační měření vyžadují buď pozemní měření reflektance odrazných panelů pomocí ručního spektrometru, nebo mohou využívat vestavěný iradianční senzor.

Multispektrální senzory mají oproti RGB a NIR snímačům typicky nízké prostorové rozlišení - při letové hladině 100 m tak velikost pixelu u tohoto snímače odpovídá cca 12 cm, což stále umožňuje analýzu na úrovni jednotlivých stromů, ale již s poměrně značnou mírou generalizace.

Oproti RGB a NIR snímačům jsou nicméně multispektrální senzory výrazně finančně nákladné, když jejich typická cena se pohybuje v řádech statisíců Kč, zároveň vyžadují robustnější snímkovací platformy.

Platforma Mikrokopter OctoXL s multispektrálním senzorem Tetracam microMCA6 a odraznými kalibračními terči, použitá při snímkování v oblasti Klánovického lesa

Hyperspektrální senzory pak umožňují komplexní pokrytí široké oblasti viditelného a infračerveného záření pomocí stovek úzce vymezených spektrálních pásem. Jejich využití je však náročné jak finančně, kdy ceny senzorů začínají na řádu milionů korun, tak i z hlediska zpracování. Analýza hyperspektrálních dat je vysoce odborně specializovaná činnost, která pro svoji náročnost zůstává stále doménou experimentálního výzkumu a v běžné praxi má pouze ojedinělé nasazení.


Termální snímkování může být významným doplňkem optického snímkování ve viditelné části spektra. Využití kalibrovaných termálních kamer umožňuje odečítat hodnoty teploty snímkovaného povrchu a její prostorové rozrůzněnosti v důsledku rozdílné struktury i zdravotního stavu vegetace. Rozdíly v teplotní odezvě lesa mohou poskytovat doplňkovou informaci o zdravotním stavu vegetace.

U termálního snímkování je prostorové rozlišení snímků s ohledem na specifikou konstrukci senzoru mimořádně nízké. Při 100 m letové hladině dosahuje velikost pixelu cca 20 cm, což působí problémy při interpretaci, ale i při fotogrammetrickém zpracování snímků. Zároveň cenová hladina termálních senzorů, zejména senzorů s přesnou radiometrickou kalibrací, je velmi vysoká, pohybující se v nižších statisících korun.

Ukázka termální odezvy povrchu s rozdílnou strukturou a zdravotním stavem lesa na analýze obrazu z termální kamery Flir XT, pořízeném z výšky 60 m.