فناوری تصویربرداری طیفی با ترکیب پهپادها، امکان نظارت دقیق و پایش بلادرنگ را فراهم کرده است. تیمی از محققان با ایجاد محیط شبیه‌سازی توانسته‌اند مرحله جدیدی برای تست و اعتبارسنجی الگوریتم‌های پردازش تصاویر طیفی بلادرنگ فراهم کنند.
فناوری تصویربرداری طیفی طی سال‌های اخیر به دلیل توانایی آن در ارائه تصاویری با جزئیات بالا که تفاوت‌های ظریفی را آشکار می‌کند، محبوبیت بیشتری یافته است. سنسورهای طیفی جدید به دلیل کاهش ابعاد و قیمت‌های رقابتی، به گزینه‌ای مناسب در کاربردهایی مانند دفاع، امنیت، شناسایی مواد معدنی و حفاظت از محیط‌زیست تبدیل شده‌اند. توسعه این فناوری در کنار پهپادها عصر جدیدی را در حوزه سنجش از دور ایجاد کرده است و به توسعه پلتفرم‌های مخصوص با هزینه کمتر و مزایای خاص نسبت به ماهواره‌ها و هواپیماها منجر شده است.
یک تیم تحقیقاتی از محققان موسسات مختلف در اسپانیا، فنلاند و اتریش به سرپرستی پابلو هورسترند و همکاران، به ارائه فاز میانی جدیدی برای آزمون و اعتبارسنجی الگوریتم‌های پردازش تصاویر طیفی برای سیستم‌های بلادرنگ پرداخته‌اند. محیط شبیه‌سازی پیشنهادی آنها، یک نمایشی وفادار از دنیای واقعی را فراهم می‌کند که می‌تواند به شکل‌گیری سناریوهای مختلف و آزمایش الگوریتم‌ها در شرایط شبیه‌سازی‌شده منجر شود.
استراتژی پیشنهادی برای اعتبارسنجی و تأیید
فرآیند توسعه الگوریتم در این تحقیق از فاز طراحی آغاز می‌شود که در آن نیازهای کاربرد هدف بررسی و راه‌حل‌های احتمالی تعریف می‌شوند. سپس در فاز پیاده‌سازی، راه‌حل کدگذاری می‌شود تا نتایج اولیه به سرعت در دسترس قرار گیرد و به دنبال یافتن مناسب‌ترین راه‌حل باشند. این مرحله معمولاً به‌صورت آفلاین و با استفاده از تصاویر طیفی سنتتیک یا واقعی از مخازن عمومی انجام می‌شود. مشکل اصلی زمانی آغاز می‌شود که الگوریتم‌ها به دستگاه هدف منتقل شده و سیستم واقعی برای تست در میدان اجرا می‌شود. در اینجا اغلب مشکلاتی که در فازهای طراحی و پیاده‌سازی آفلاین نادیده گرفته شده‌اند، سبب عدم عملکرد مورد انتظار سیستم می‌شوند. این فرآیند باعث ایجاد رفت و برگشت‌های مکرر می‌شود که موجب تأخیرهای غیرمنتظره و هزینه‌های اضافی می‌شود.
در مقاله‌ای که محققان منتشر کرده‌اند، پژوهش‌های خود را بر اساس یک دوربین طیفی Pushbroom که یکی از رایج‌ترین سنسورها برای نصب روی پهپاد است، توضیح داده‌اند. ترکیب این نوع دوربین با پهپاد بسیار پیچیده است، زیرا فریم‌های ثبت‌شده به صورت خطوط مجزا هستند که هیچ گونه هم‌پوشانی ندارند. بنابراین، مراحل ثبت و پردازش باید به گونه‌ای انجام شود که یک تصویر دو‌بعدی تولید شود.
فرآیند برداشت خودکار با وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) در حالت تشخیص موانع.
محیط شبیه‌سازی کشاورزی و نمایش ماشین‌آلات. (a) نمایش پهپاد؛ (b) نمایش کمباین؛ (c) نمایش پهپاد، کمباین و تراکتور به همراه یک محیط شبیه‌سازی‌شده کشاورزی.
محیط شبیه‌سازی توسعه‌یافته در این پروژه، امکان شبیه‌سازی و تحریک سنسور را فراهم می‌کند، به طوری که تصاویر طیفی به‌صورت مجازی و به شکل بلادرنگ ثبت شده و الگوریتم‌های پردازش بر روی آنها اعمال می‌شوند تا نتایج به سرعت به دست آیند. به این ترتیب، قبل از اجرای تست‌های واقعی با سیستم کامل، می‌توان شبیه‌سازی‌ها را چندین بار اجرا کرد و در کد یا پارامترهای ورودی تغییرات ایجاد نمود. این روش زمان فاز تست را کوتاه کرده و نیاز به نیروی کار کلی را کاهش می‌دهد که در نهایت منجر به صرفه‌جویی قابل توجه در هزینه‌های پیاده‌سازی کل سیستم می‌شود.
این تحقیق در قالب یک مورد استفاده از پروژه اروپایی H2020 ECSEL ENABLE-S3 تحت عنوان "فراهم‌سازی اعتبارسنجی برای سیستم‌های خودکار امن و ایمن" اجرا شده است. هدف از این سناریو که به عنوان "مورد استفاده کشاورزی" شناخته می‌شود، راندن خودکار یک کمباین در یک مزرعه است که وظایفی مانند برداشت محصول، آبیاری یا سمپاشی را انجام می‌دهد. در ابتدا، یک پهپاد مجهز به دوربین طیفی زمین را برای تولید مجموعه‌ای از نقشه‌های مختلف از شاخص‌های گیاهی مورد بازرسی قرار می‌دهد که اطلاعات مرتبط با وضعیت محصول را ارائه می‌دهد. این اطلاعات به همراه مختصات خاص به کمباین ارسال می‌شود و سپس کمباین به طور خودکار به منطقه موردنظر می‌رود و کار خود را آغاز می‌کند. علاوه بر این، برای کاهش خطرات ناشی از تصادفات ناشی از عملیات برداشت و یا برخورد با موانع بزرگ (مانند حیوانات یا سنگ‌ها)، طرحی در نظر گرفته شده است که پهپاد در ارتفاعی مشخص بالای زمین و چند متر جلوتر از کمباین (فاصله ایمنی) پرواز کرده و میدان را برای شناسایی اشیاء ثابت یا متحرک اسکن می‌کند. از آنجا که تصمیم‌گیری‌های بلادرنگ در این مورد استفاده بسیار حساس است، استفاده از محیط شبیه‌سازی پیشنهادی برای ارزیابی رفتار کل سیستم در شرایط واقع‌گرایانه قبل از عملیات میدانی توصیه می‌شود.
برای برآورده کردن نیازهای این مورد استفاده، تیم تحقیقاتی از محیط شبیه‌سازی کشاورزی (AgSim) که امکان بازسازی مجازی سناریوهای مختلف در مورد استفاده ENABLE-S3 را فراهم می‌کند، استفاده کرده‌اند. این سیستم شامل ماشین‌آلات مختلف مانند کمباین، تراکتور و پهپاد در یک مزرعه است. سیستم شبیه‌سازی‌شده مبتنی بر پهپاد Matrice 600 و دوربین طیفی Specim FX10 است. این محیط پیشنهادی قادر است روتین‌های کنترل پهپاد و همچنین ثبت و پردازش تصاویر طیفی را همزمان آزمایش کند. این تنظیمات نرم‌افزار در حلقه اجازه می‌دهد تا الگوریتم‌های مختلف پردازش تصاویر طیفی مانند تولید تصویر، ایجاد نقشه‌های شاخص‌های گیاهی و شناسایی اهداف اعتبارسنجی و تایید شوند. یکی دیگر از نکات برجسته این ابزار، طراحی ماژولار آن است که امکان آزمایش الگوریتم‌های مختلف پردازش بلادرنگ یا استفاده از ویژگی‌های مختلف سنسورهای طیفی را تنها با جایگزینی ماژول مربوطه فراهم می‌کند.
نتیجه‌گیری‌ها:
فرآیند اعتبارسنجی و تایید در طول چرخه توسعه هر محصول تجاری سهم بالایی در موفقیت آن دارد، زیرا عملکرد و قابلیت اطمینان محصول را تعریف می‌کند. سیستم‌های خودکار نیاز به آزمون‌های گسترده در سناریوهای مختلف دارند تا خطرات احتمالی برای انسان و یا تجهیزات گران‌قیمت کاهش یابد. در خصوص پهپادها، آب‌وهوا (به‌ویژه باد و باران) غیرقابل پیش‌بینی است و بر عملکرد این پلتفرم‌های پروازی تأثیر می‌گذارد. بسته به کاربرد هدف، سطح دشواری متفاوتی به کار اضافه می‌شود. به‌عنوان مثال، استفاده از پهپادها و سنسورهای طیفی در کشاورزی دقیق، در برخی موارد به معنی کار با زمین‌های زراعی موقتی است که در بدترین حالت دارای یک چرخه رشد یک‌ساله هستند. برای مقابله با تمامی این متغیرها، در این تحقیق یک محیط شبیه‌سازی طیفی ارائه شده است که رفتار مجازی پهپادی مجهز به دوربین طیفی pushbroom را برای کاربردهای برداشت محصول تحلیل می‌کند. نتیجه این است که این ابزار فرآیند آزمایش مراحل مختلف اتوماسیون کشاورزی آینده مانند تولید تصویر، بررسی وضعیت سلامت محصولات و شناسایی اهداف را تسهیل می‌کند.
در تحقیقات آینده در این حوزه، پیشنهاد می‌شود که برای نزدیک‌تر کردن نمای مجازی به شرایط واقعی با ایجاد اختلالات اضافی، الگوریتم‌ها در شرایط سخت‌تر مانند باد و سایر پدیده‌های جوی در مدل فیزیکی محیط AgSim آزمون شوند.