Multispektrální kamery na dronech aneb Monitorujeme zdravotní stav porostu s obrem DJI M300 RTK + kamerami Zenmuse P1 + MicaSense Altum

Jak na multispektrální snímání z dronu krok za krokem

Naši dnešní praktickou ukázku, jak postupovat při tvorbě profesionální a vysoce přesné ortofotomapy, jsme rozdělily na více částí. Jako první si popíšeme zvolenou výbavu, moderní dron DJI Matrice 300 RTK s příslušenstvím a 8 let starou oktoptéru Steady Drone, následně se pustíme do samotné práce.

Na 2 samostatné fáze jsme si vlastně rozložili i finální snímkování. V prvním kroku se vrhneme na snímání dotčené plochy špičkovým multispektrálním senzorem MicaSense Altum. Druhý, do jisté míry kontrolní krok, nás bude čekat s RGB kamerou DJI Zenmuse P1. K tomuto zdvojení jsme přistoupili hlavně proto, aby bylo možné výsledná data porovnávat nebo libovolně překrývat. Tedy jak obraz ve viditelném spektru (RGB), tak i multispektrální záznam.

Zadání úkolu a místo snímkování z dronu

Celou aktuálně popisovanou akci multispektrální letecké analýzy jsme rozjeli na žádost lidí z Chomutovského výzkumného ústavu rostlinné výroby, který spolupracuje s Univerzitou J. E. Purkyně (UJEP), konkrétně s Fakultou životního prostředí (zde lze studovat obor aplikovaná geoinformatika, při jehož studiu se setkáte s problematikou dronů a zpracování dat z nich).

Předmětem zmíněného leteckého vyhodnocování je menší pole (cca 1,2 ha), zadáním pak vytvořit zmíněnou ortofotomapu s multispektrální a RGB vrstvou. Vše se následně vyhodnotí a porovná se sice přesnějším, ale výrazně pracnějším a zdlouhavějším pozemním měřením. K tomu se ostatně ještě vrátíme na konci článku.

Použitá výbava pro multispektrální analýzu – 8 let starý dron vs. moderní high-end od DJI

Přestože bylo od začátku jasné, že faktické snímkování budeme provádět pomocí současného moderního dronu DJI Matrice 300 RTK, který je pro takovéto úkoly jako stvořený, měli jsme předem domluveno, že se podíváme i na předchůdce. Tedy na kousek, jenž se na zmiňované fakultě používal v dobách, kdy bylo bezpilotní letecké snímkování ještě do značené míry v plenkách.

Oním, dnes spíše muzeálním strojem, je 8vrtulový model Steady Drone EI8HT, odborně oktoptéra. Tento 8 let starý stroj vyšel svého času na ohromujících 800 000 Kč! Aby těch osmiček nebylo náhodou málo. Zmíněný dron byl původně vybaven RGB kamerou (foťákem), dále se pod něj uchycovala termokamera, ale také multispektrální snímač.

Jelikož se poslední 2 druhy záznamového zařízení při větším stěhování fakulty někde zatoulaly, nebo přímo ztratily, přestal již zmíněný dron sloužit svému původnímu účelu. Teď je na fakultě spíše na ukázku toho, s jakou technikou se začínalo a jak daleko se za pár let vývoj posunul. Tedy k dnešnímu kousku od DJI, modelu M300 RTK, o kterém je primárně naše dnešní povídání.

Jak se létalo s dronem Steady Drone EI8HT a jak „dopadl“ po krátkém zkušebním poletu? Vše najdete v našem videu!

Dron DJI M300 RTK + kamera MicaSense Altum na multispektrální snímkování

S jakou výbavičkou tedy budeme realizovat dnešní snímkování? Základy jsme vlastně už prozradili, opakování je ale matka moudrosti. Novým strojem fakulty životního prostředí na UJEP je již zmíněný dron DJI M300 RTK. K němu jsme při této misi připojovali 2 odlišné senzory. Začínalo se se špičkovou multispektrální kamerou MicaSense Altum a pokračovalo se s profi snímkovací soustavou DJI Zenmuse P1. Více o tomto dronu najdete třeba v našem starším představení, když se jednalo o žhavou novinku:

Dnes se ale pojďme blíže podívat na naše záznamové zařízení. Začneme u multispektrální kamery MicaSense Altum, jejíž nezbytnou součástí je i tzv. sluneční senzor (sunshine sensor). Ten monitoruje intenzitu a teplotu okolního světla (hodně zjednodušeně, jak moc, nebo jak málo svítí sluníčko) a podle toho koriguje záznam samotného multispektrálního snímače.

Toto přídavné zařízení je nezbytné zejména proto, aby se neposunulo snímané spektrum ve chvíli, kdy, lidově řečeno, nad dronem přejde mrak a podobně. Součástí příslušenství senzoru MicaSense Altum je právě i tento „sunshine sensor“, který se umístí na horní stranu dronu tak, aby na něj dopadalo maximum slunečního světla. V tomto případě je dokonce vybaven vlastní plovoucí antivibrační destičkou.

DJI M300 RTK – 2 sloty, přesto 2 kola snímkování

Kdo má trochu přehled, ten by mohl vědět, že dron DJI M300 se chlubí hned dvojicí slotů Skyport (DJI Dual Gimbal Connector), proto by mohl teoreticky nést najednou jak kameru Zenmuse P1, tak i multispektrální snímač MicaSense Altum. Jenže… Oba tyto senzory jsou z výroby nastavené tak, aby fungovaly primárně na slotu č.1! Co s tím?

Existuje sice možnost, jak zapojit snímač MicaSense do slotu č. 2, s tím, že do „jedničky“ bychom usadili Zenmuse P1, ale… tento postup nemáme zatím v praxi plně vyzkoušený a ověřený, proto jsme zvolili cestu zdlouhavější, ale osvědčenou a spolehlivou. Celé snímkování jsme rozdělili na 2 fáze – nejdřív multispektral, potom RGB, jak už ostatně zaznělo v úvodu.

Multispektrální snímač MicaSense Altum a jeho příprava

V první řadě je nutné vypíchnout, že tato multispektrální kamera je sama o sobě dost robustní a působí jako skutečně špičkový produkt ve své třídě, kterým rozhodně je. Vedle jiného je u ní zajímavá přítomnost USB portu, do kterého můžete vložit WiFi modul.  S jeho pomocí se připojíte na dálku ke kontrolní aplikaci a vše pak můžete snadno, přesně a pohodlně bezdrátově nastavovat a ovládat.

USB port u kamery ale vlastně není jen jeden, jsou tady hned dva! Druhý slouží pro připojení USB flash disku, kam se bude ukládat pořízený záznam. Samotná kamera totiž nemá vlastní vnitřní paměť ani slot pro paměťovou kartu. To ale není žádná překážka, jen s tím musíte dopředu počítat a náležitě se vybavit.

Samotný senzor MicaSense Altum disponuje čtveřicí základních multispektrálních snímačů. Každý ve svém specifickém „barevném oboru“ (Blue, Green, Rededge, Near-IR), každý s rozlišením 3,2 MP. Navíc je zde ještě přídavná termokamera, sice s poměrně slabým rozlišením, ale i ta se může někdy hodit.

Připojení snímače MicaSense Altum ke dronu DJI M300

Jelikož jsme měli k dispozici variantu vybavenou Skyportem, bylo samotné připojení multispektrálního snímače k dronu DJI skutečně hračkou. Přesto je důležité upozornit na pár doplňkových kroků. Předně bylo nutné připojit kablíkem již dříve instalovaný sluneční sensor, poté bylo nezbytné provést kalibraci.

Ke kalibraci slouží přibalená kalibrační destička, přičemž celý postup je dobře vidět v našem videu. Výchozí kalibrace je nezbytná s každým spuštěním systému, tedy prakticky před každým letem, ale také po jeho ukončení. Tím se ohraničí oblast konkrétního záznamu a výsledek by tak měl být nanejvýš přesný.

Plánování mise s aplikací DJI Pilot

Faktickou předletovou přípravu pro naše snímkování jsme už dostatečně rozebrali, teď zbývá ještě poslední krok, kterým je vytvoření letové mise v aplikaci DJI Pilot a její následné spuštění. Postup plánování „krok za krokem“ snad není nutné rozebírat, opět pomůže hlavně naše video. Připomeňme snad jen pár základních pravidel a parametrů:

• Plánovat dráhu letu tak, aby co nejlépe kopírovala dotčenou plochu, aby byl let co nejkratší, nanejvýš efektivní.
• Dbát na dostatečný překryv pořízených snímků, kdy se u multispektrálního snímání držíme pravidla 80/80 (překryv boční a čelní vyjádřený v %).
• Zanedbat bychom neměli ani dostatečný přesah zkoumané plochy (margin), v našem případě nastaveno na 5 m.

Výšku letu jsme pro tuto misi stanovili na 100 m, z čehož vychází přesnost snímkování 4,32 cm/pixel (multispektral). Zapomenout samozřejmě nesmíme ani na aktivaci a připojení RTK modulu, díky čemuž bude naše výsledná ortofotomapa přesná v řádu centimetrů (její uložené souřadnice budou sedět s reálnými GPS koordináty bez nechtěného posunu).

Pro všechny případy doplňme obdobné parametry snímání i u Zenmuse P1, tedy pro snímání ve viditelném (RGB) spektru. Postup tohoto snímkování je podobný, kamera je ale odlišná, stejně jako její rozlišení. Zároveň u tohoto druhu snímkování využíváme menší překryv, konkrétně 70/70, ač by mohlo být dostačující i 60/60. Každopádně výsledkem RGB snímání je ortofotomapa s přesností 1,26 cm/pixel (shodná výška letu 100 m výška), což je dáno hlavně již zmíněným vyšším rozlišením použitého RGB snímače.

Dolétáno jest, teď už jen zpracovat a porovnat data!

Přesně, jak bylo popsáno, jsme naši misi připravili, naplánovali a poté také spustili. Nejdřív s multispektrálním snímačem, poté s RGB kamerou. Výsledkem tak jsou 2 paralelní výstupy, které se mohou dále porovnávat s ručním pozemním získáváním obdobných dat fyzicky přímo na zkoumaných rostlinách.

Pomocí speciálního vědeckého přístroje se totiž přímo na zemi posuzuje zdravotní stav víceméně každé jednotlivé rostliny. Sami si asi dokážete představit nebo spočítat, zda je rychlejší obejít pěšky hromadu rostlin, nebo vše „nakropit“ ze vzduchu dronem s multispektrální kamerou.

V našem případě se přitom záměrně realizovaly oba přístupy, aby se mohly výsledky z kontaktního měření porovnat s těmi bezkontaktními (leteckými z dronu). Proč tak složitě? Třeba jen proto, aby se zhodnotila přesnost, s jakou lze vyhodnotit kvalitu porostu celkově efektivnější leteckou (bezpilotní) metodou.

Nikdo neříká, že drony v tomto směru musí nutně nahradit lidi – hodně záleží na tom, jaký má být výstup, jak přesný, nakolik konkrétní. Následně můžeme použít metodu jednu, nebo druhou, nebo obě vhodně kombinovat. Případně můžeme začít s leteckým snímkováním, které může odhalit možné „problémové lokality“, na něž se v dalším kroku zaměří přesnější pozemní vyhodnocování.

Letecké snímkování s dronem s centimetrovou přesností díky RTK

Díky RTK modulu, tedy detailnímu zaměření námi vytvořené ortofotomapy, přitom může jít pracovník přesně na určené místo, pomalu ke konkrétní vybrané rostlině a nemusí nikde hledat a tápat. Zároveň může porovnávat jak výslednou multispektrální analýzu, tak i obraz pořízený ve viditelném spektru.

Možností využít moderních pokročilých technologií, jak dronů, tak i snímacích zařízení, existuje celá řada. Záleží hlavně na zadání nebo na požadavku, co má být výstupem daného měření, a podle toho vybereme nebo dospecifikujeme parametry zvoleného záznamu nebo metody.

Každopádně, moderní profesionální dron DJI M300 se základní poziční technologií GPS, doplněný o systém přesného zaměření polohy (RTK) nabízí poměrně snadné, přesné ale také bez problému opakovatelné plánování letových misí. V rukách povolaných je proto neskutečně schopným nástrojem, který výrazně převyšuje stroje, jež se k podobným činnostem používaly ještě před několika málo lety.

👋✈ #LetuZdar

Štěpán