31/07/2024
0Дрону необходимо подлететь к нужной тестовой ветке и запустить последовательность действий по её захвату и срезанию. Фото: Андреас Мюллер (AWG)
Революция в уборке семян: беспилотники предоставляют точные данные и образцы для оптимальной оценки урожая.
Квадрокоптер на лесной тропе. Фото: Андреас Мюллер, AWG
Квадрокоптер с установленным манипулятором и камерой позволяет легко брать пробы с верхушки дерева.
Чтобы эффективно использовать ресурсы и максимально повысить производительность при сборе семян, очень важно заранее оценить урожайность и качество семян в древостоях. Однако традиционные методы оценки урожая часто требуют много времени и ресурсов. Беспилотники представляют собой экономически эффективную платформу для получения изображений высокого разрешения и зарекомендовали себя как ценные инструменты в сельском и лесном хозяйстве. В рамках проекта UAV-SEE Баварский государственный институт лесного хозяйства и лесоводства (LWF) и Управление лесной генетики (AWG) совместно изучают возможности использования беспилотников для создания аэрофотоснимков и отбора проб непосредственно с верхушек деревьев.
Изображения с беспилотников как основа для прогнозирования урожая
Дрон успешно отобрал образец ветви пихты Дугласа, включая шишки. Фото: Андреас Мюллер, AWG
Изображения, полученные с помощью беспилотников, и ортофотоснимки используются для прогнозирования урожая и инвентаризации. Ортофотоснимок – это изображение земной поверхности без искажений, с привязкой к местности и точным масштабом, что позволяет проводить точный и последовательный анализ. Такие снимки позволяют подсчитывать и оценивать семена и распределять их по отдельным деревьям, что дает ценную информацию для управления.
Используя методы машинного обучения, можно автоматически анализировать ортофотоснимки, чтобы отличить продуктивные деревья от менее продуктивных. Это дает ценную информацию для управления и оптимизации процессов сбора урожая.
Требуются камеры с высоким разрешением
При использовании беспилотных камер для прогнозирования урожая разрешение должно быть очень высоким, особенно для деревьев с мелкими семенами, таких как бук. Камеры с высоким разрешением необходимы для того, чтобы избежать полетов на слишком низкой высоте. Оптимальные погодные условия являются преимуществом: ветер должен быть слабым или отсутствовать; сплошная облачность обеспечивает рассеянный свет и, следовательно, равномерное освещение кроны дерева и уменьшение теней.
Для получения оптимальных ортофотоснимков рекомендуется летать по схеме с двойной сеткой. В сложных условиях беспилотник должен даже ненадолго останавливаться для каждого снимка, чтобы добиться максимального качества изображения. Однако такой подход приводит к увеличению времени полета, что означает, что за один полет можно захватить только небольшие участки. Кроме того, для прогнозирования урожая с помощью камеры требуется большое количество высококачественных обучающих данных по различным видам деревьев и их семенам, чтобы эффективно использовать модели глубокого обучения для подсчета семян. Создание таких обучающих данных требует трудоемкой ручной работы по маркировке.
Отбор проб с помощью захвата, который несет беспилотник
Для прямого отбора образцов мы используем захват, осуществляемый беспилотным летательным аппаратом. Эта технология позволяет нам брать образцы ветвей для анализа ДНК и образцы семян для проверки качества, которые иначе трудно получить. Захватный манипулятор устанавливается на беспилотник-носитель. Он состоит из захвата и небольшой циркулярной пилы, которая питается от собственного аккумулятора. Управление осуществляется с помощью отдельного пульта дистанционного управления, который оснащен дисплеем для визуализации процесса захвата в режиме реального времени. Это позволяет точно приближаться к веткам, захватывать их и обрезать.
Для управления захватом используется беспилотник DJI Matrice 210 RTK с наземной станцией. Также в комплект входят 14 батарей для дрона. Для работы дрона требуется две батареи, что позволяет совершить семь полетов продолжительностью 15-20 минут каждый. Над манипулятором установлена камера для записи процесса захвата.
Взятие образцов ветвей с помощью дрона позволяет экономить на подъеме.
Процесс отбора образцов начинается с определения ориентации захвата (вертикальной, горизонтальной или промежуточной) в зависимости от направления роста ветвей. Дрон запускается и маневрирует на безопасной высоте. Затем приближаются к испытуемому дереву и выбирают подходящую ветку с помощью камеры.
Как только ветка оказывается в пределах досягаемости захватного манипулятора, запускается последовательность захвата. Захват фиксирует ветку и прижимает ее к вращающемуся пильному диску, пока она не будет отрезана. Захватный рычаг остается закрытым, и ветка может быть транспортирована.
Опытная команда может обследовать с помощью дрона 40-80 деревьев в день – при условии наличия достаточного количества батарей.
Этот метод обеспечивает бережный, безопасный и эффективный отбор проб без трудоемких и опасных подъемов. Использование этой технологии уже позволило получить ценные научные данные для анализа болезней деревьев и генетической информации.
Проблемы и ограничения технологии
Скорость отбора проб с помощью захвата в значительной степени зависит от сложности лесных насаждений. Решающими факторами являются видимость в верхушках деревьев, наличие склонов и сама порода деревьев, с которых будут браться пробы, а также опыт пилота дрона. Важно, чтобы ветви легко захватывались манипулятором. Стержневые и сильно разветвленные ветви трудно захватить, и это может значительно увеличить продолжительность отбора проб. Для выполнения операции требуется как минимум два человека: пилот и наблюдатель. Это необходимо, с одной стороны, из соображений безопасности, а с другой – для оптимизации подхода к деревьям.
Наиболее важным ограничением является количество доступных батарей. За один полет можно взять пробы примерно с двух-четырех разных деревьев. Поскольку для работы дрона требуется две батареи, на 14 батареях, имеющихся для проекта, можно выполнить семь полетов и собрать образцы с 15-30 деревьев. При неограниченном количестве аккумуляторов опытная команда может взять от 40 до 80 образцов деревьев в день, хотя это сильно зависит от породы деревьев и сложности лесного массива. Однако если начнется дождь или усилится ветер, полет дрона придется прервать.
Оценка урожайности и качества семян в древостоях имеет решающее значение для максимизации производительности, рационального использования ресурсов и обеспечения надежности поставок высококачественных семян. Традиционные методы оценки урожая часто отнимают много времени и ресурсов. Использование беспилотников представляет собой экономически эффективный способ получения изображений высокого разрешения и отбора образцов непосредственно с верхушек деревьев.
Проект UAV-SEE показывает, как инновационные технологии беспилотников могут быть использованы в лесном хозяйстве для дистанционного зондирования и отбора проб. Полученные в ходе проекта знания помогут в дальнейшем повысить качество сбора семян и тем самым обеспечить здоровье и устойчивость лесов.
Ссылка на первоисточник:
