Captura de dados multiespectrais 3D de alta resolução com precisão de investigação em ambientes em mudança

Para criar mapas multiespectrais de alta qualidade para uma empresa agrícola numa área com condições meteorológicas dinâmicas, a Drone Imagery & Data Expert (DIDEX) recorreu ao novo sensor multiespectral MicaSense RedEdge-P utilizado em combinação com o software Measure Ground Control para o planeamento da missão de voo. O sensor pancromático do sensor permite o pansharpening que aumenta a resolução das suas cinco bandas multiespectrais para permitir o mapeamento multiespectral 3D, que foi crucial para este projeto.

Detalhes do projeto

Missões : Deteção de pragas, grelha aérea, previsão do rendimento da colheita de peras	Saídas : NDVI e NDRE filtrados apenas para vistas de árvores
Área : ± 15 acres por campo	Voos 2 voos de 20 minutos a 60 m AGL
Drone : DJI M210 v2 e Zenmuse X4S	Total de imagens : 1100 imagens RGB, 1500 capturas de 6 bandas MSP
Sensor : MicaSense Rededge-P	Exatidão : RGB ±2 cm/px, MSP ±3,8 cm/px
PPK/RTK : PPK com Emlid Reach RS2 + Emlid Reach M2	Software de processamento : PIXDfields e QGIS

Sediada na Bélgica,
Drone Imagery & Data Expert (DIDEX)
oferece dados multiespectrais e térmicos e serviços de processamento a institutos de investigação, empresas de floricultura e empreiteiros paisagistas.

Em maio de 2022,
Proefcentrum Fruitteelt
npo (pcfruit), um centro de investigação científica aplicada à fruticultura, encomendou à DIDEX a produção de mapas do Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) e do Índice de Borda Vermelha por Diferença Normalizada (NDRE) da sua área de experimentação de pereiras.

A pcfruit utilizou estes dados para desenvolver um modelo de previsão de rendimento que irá apoiar o recrutamento de trabalhadores para a colheita, de modo a adequar a mão de obra às necessidades de produção. O pcfruit também investigou se os mapas poderiam ser utilizados para aplicações de agricultura de precisão, como a poda variável de raízes. As raízes das árvores que crescem demasiado depressa são podadas com base num mapa de tarefas, para garantir que uma quantidade suficiente da energia da árvore é canalizada para os seus frutos e não apenas para o seu crescimento.

Desafios: Dados exactos de vários sensores em terrenos variados e em condições meteorológicas variáveis

Embora os pomares sejam geralmente pequenos (±15 acres), o terreno pode variar muito entre áreas planas e encostas. A DIDEX utilizava anteriormente o software de planeamento de voo Ground Station Pro da DJI, mas mudou recentemente para o planeamento de voo Measure Ground Control devido às capacidades de seguimento do terreno da aplicação que garantem uma captura e resolução de dados consistentes.

As condições climatéricas representam outro desafio, explica Yves Lantin, Diretor Executivo da DIDEX. Esta região frutícola é intermitentemente nublada e ventosa. Para além dos desafios habituais que estas condições colocam aos voos de drones, colocam desafios únicos à captura de dados multiespectrais: As nuvens variáveis produzem sombras variáveis, que distorcem os valores NDVI e NDRE nos dados. O vento cria objectos desalinhados (como folhas) na captura de dados multi-sensor típica de fluxos de trabalho multi-espectrais que requerem imagens RGB separadas para criar DSMs e DTMs. O desalinhamento ocorre porque os sensores captam dados a taxas diferentes.

DSMs e DTMs bem alinhados são importantes para o trabalho da DIDEX na produção de produtos de dados multiespectrais 3D de alta qualidade. Os dados multiespectrais tridimensionais permitem análises mais precisas e detalhadas das copas das culturas e permitem uma melhor diferenciação entre terrenos homogéneos, como árvores e relva de cor semelhante. Em projectos como este, os dados multiespectrais 3D podem ser utilizados para filtrar as pereiras da sua envolvente.

Solução: Sensor multiespectral integrado com pan-sharpening para uma maior precisão dos dados 3D

A Lantin escolheu o sensor
RedEdge-P da MicaSense
da MicaSense para as suas cinco bandas multiespectrais estreitas e a banda pancromática de alta resolução para uma resolução de saída pan-sharpened de 2 cm/px a 60 m (0,8 polegadas a 200 pés).

Os sensores de banda estreita permitem análises altamente pormenorizadas, mas têm normalmente uma resolução demasiado baixa para criar DSMs e DTMs a partir das bandas RGB. É por isso que as câmaras multiespectrais são normalmente acompanhadas por câmaras RGB: para criar DSMs e DTMs. No entanto, a banda pancromática do sensor RedEdge-P ajuda a melhorar consideravelmente a resolução das cinco bandas estreitas de menor resolução.

Esta resolução melhorada elimina a necessidade de uma câmara RGB separada para criar os modelos 3D, DSMs e DTMs necessários para a vectorização de árvores e outros dados de culturas. Além disso, com o RedEdge-P, todos os dados de saída estão agora geograficamente alinhados, uma vez que todas as imagens são captadas no mesmo sensor com um obturador global.

O RedEdge-P optimiza assim as operações dos drones e o tempo de voo, eliminando a necessidade de cargas úteis adicionais, e simplifica também o fluxo de trabalho de pós-processamento.

Velocidade e a facilidade de utilização foram as principais considerações da DIDEX relativamente ao processamento de dados na escolha do RedEdge-P. “É inacreditável como os algoritmos de costura evoluem de forma a que os grandes projectos possam ser processados num computador de secretária barato com 16 GB de RAM. Gostaríamos de continuar a processar os dados nós próprios em vez de utilizar plataformas em linha.”

“Com o RedEdge-P, podemos criar mapas ortogonais e DSM/DTMs com nitidez panorâmica. Isto poupa-nos tempo porque podemos fazer tudo numa única execução de pós-processamento.”

As bandas estreitas do sensor com filtros de qualidade científica tornam-no útil para calcular vários índices de vegetação e compósitos. Também o torna adequado para projectos que exijam elevada precisão.

Para garantir dados consistentes mesmo em condições de iluminação variáveis, a DIDEX utiliza o sensor de luz incidente DLS 2. O sensor mede a luz ambiente e o ângulo do sol para cada uma das cinco bandas multiespectrais da câmara, informação que é depois utilizada para a calibração radiométrica no pós-processamento. (Os utilizadores do MicaSense também têm a opção de melhorar a calibração radiométrica utilizando o Painel de Reflectância CRP2, um painel de controlo de solo compacto).

Até agora, a empresa assegurava a precisão dos dados utilizando pontos de controlo no solo. No entanto, o PPK integrado no RedEdge-P reduz o número de GCPs para 2 em vez de 5 ou mais que precisam de ser distribuídos pelo pomar. A DIDEX utiliza agora o sensor com o seu Emlid Reach RS2 e Emlid Reach M2 para correcções PPK.

Resultados: Captura de dados multiespectrais 3D de alta precisão num ambiente dinâmico

Para este projeto, os mapas NDVI e NDRE foram criados com o fundo (relva e faixas de solo) filtrado, de modo a que apenas ficassem as linhas de árvores – algo para o qual os dados de altura nos modelos 3D eram importantes.

A banda pancromática do sensor torna possível a vectorização dos dados (pansharpened). Capturar todos os dados com o mesmo sensor e gerar todos os modelos 2D e 3D a partir deles é a caraterística favorita de Lantin do sensor.

O processamento inicial dos dados foi efectuado com o PIX4Dfields, e o QGIS foi utilizado para a poligonização e cálculo das estatísticas zonais.

Por um lado, o pcfruit estava principalmente interessado nas estatísticas zonais, que eram apresentadas em formato de tabela. O pcfruit comparou os índices com uma série de parâmetros subjacentes, como as condições climatéricas e os sistemas de irrigação. Por outro lado, o pcfruit desenvolve aplicações baseadas nos índices derivados ao nível das árvores, tais como modelos de previsão de rendimento e a geração de mapas de tarefas para aplicações de agricultura de precisão.

Uma ferramenta chave no centro de um novo fluxo de trabalho

O RedEdge-P tornou-se uma ferramenta regular no arsenal da empresa, e a DIDEX já o utilizou em projectos sobre fruta, milho, beterraba, legumes como espargos e floricultura para institutos de investigação e agrónomos. Na floricultura, as medidas de altura, diâmetro e saúde das plantas são igualmente importantes, o que torna o sensor RedEdge-P ideal para a captura de dados, uma vez que torna redundante a necessidade de um sensor RGB.

Quando receberam o sensor RedEdge-P no início desta época frutícola e o utilizaram no estudo da pereira, a equipa da DIDEX não teve tempo suficiente para descobrir todas as suas características e vantagens. Atualmente, cada caraterística do sensor tornou-se uma caraterística mais utilizada, diz Lantin. Para a próxima época frutícola, a DIDEX vai otimizar todo o seu fluxo de trabalho em torno da utilização do RedEdge-P.