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On the Potential of Small UAS for Multispectral Remote Sensing in Large-scale Agricultural and Archaeological Applications

On the Potential of Small UAS for Multispectral Remote Sensing in Large-scale Agricultural and Archaeological Applications

  • Die Arbeit untersucht das Potential kleiner unbemannter Luftfahrtsysteme (UAS) in Landwirtschaft und Archäologie. Der Begriff UAS beinhaltet dabei: Fluggerät, Antriebsmechanismus, Sensorik, Bodenstation, Kommunikationsmittel zwischen Bodenstation und Fluggerät und weiteres Equipment. Aufgrund ihrer Flexibilität, fanden UAS seit der Jahrtausendwende eine blühende Entwicklung. Um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren, muss die landwirtschaftliche Produktion sensibel und nachhaltig intensiviert werden, um Nahrungssicherheit für alle zu gewährleisten und weitere Boden- und Landdegradation zu vermeiden. Präzisionslandwirtschaft umfasst technologische Verbesserungen hin zur effizienteren und weniger schädlichen landwirtschaftlichen Praxis. Hierbei ist die Verfügung über zeitnahe, leicht zugängliche hoch aufgelöste räumliche Daten eine Voraussetzung für die Nahrungsmittelproduktion. UAS schließen hier die Lücke zwischen Bodendaten und teuren bemannten Luftfahrtsysteme und selteneren Satellitenbildern. Die Vorteile der UAS-Daten liegen in der ad-hoc Akquisition großmaßstäbiger Fernerkundungsdaten, den geringeren Kosten gegenüber der bemannten Systeme und einer relativen Wetterunabhängigkeit, da auch unter Wolken geflogen werden kann. Den größten Anteil innerhalb der UAS stellen die Mini-UAS (Abfluggewicht von 5kg) und dabei vertikale Start- und Landesysteme. Diese können über Untersuchungsgebieten schweben, sind dadurch jedoch langsamer und eher geeignet für kleinere Flächen. Flugregularien und die Integration in den bemannten Luftraum werden derzeit europaweit harmonisiert und in den Mitgliedstaaten umgesetzt. Die Hauptziele dieser Arbeit lagen in der Evaluierung wie Schlüsselparametern landwirtschaftlicher Nutzpflanzen (Chlorophyll-, Stickstoffgehalt, Erntemenge, sonnendinduzierter Chlorophyll-Fluoreszenz) mittels UAS abgeleitet und wie UAS-Daten für archäologische Aufklärung genutzt werden können. Dazu wurde ein Quadrokopter (md4-1000, microdrones GmbH) mit einer digitalen Spiegelreflexkamera, einem Multispektralsensor (MiniMCA-6, Tetracam Inc.) und einer Thermalkamera (UCM, Zeiss) ausgestattet. Eine Sensitivitätsanalyse führte zur Ableitung geeigneter Wellenlängenbereiche und untersuchte bidirektionale und Flughöheneffekte auf das Multispektralsignal. Die Studie beschreibt außerdem die Vorgehensweise bei Bildaufnahme und Vorprozessierung mit besonderem Schwerpunkt auf die Multispektralkamera (530-900 nm). Die Vorprozessierung beinhaltet die Korrektur von Sensorfehlern (Linsenverzeichnung, Vignettierung, Kanalkalibrierung), die radiometrische Kalibrierung über eine empirische Korrektur mit Hilfe von Referenzspektren, Atmosphärenkorrektur und schließlich die geometrische Verarbeitung unter Verwendung von Structure from Motion Programme zur Generierung von Punktwolkenmodellen bis hin zum digitalen Orthophotomosaik und Höhenmodell in Zentimeterauflösung. In einer Weinbergsstudie (2011, 2012) wurden geeignete Beobachtungswinkel für die Untersuchung des Einflusses von Bodenbearbeitungsstrategien auf das Multispektralsignal evaluiert. Schrägichtaufnahmen von 45-° Beobachtungswinkel gegenüber Nadir waren am besten geeignet zur Ableitung pflanzenphysiolgischer Parameter und multispektraler Unterscheidung von Bodenbearbeitungstypen. So konnten Chlorophyll-Gehalte über Regressionsanalysen über mehrere saisonale Aufnahmen mit einem kreuzvalidierten R-² von 0.65, Stickstoffgehaltsindex von 0.76 (2012) und Ernte mit 0.84 (2011) und für verschiedene Zeitpunkte nach der Blüte (0.87) und während der Reifephase (0.73) ermittelt werden. Desweiteren wurde die (Fs) in einem Stickstoff-Düngung-Experiment bei Zuckerrüben von Multispektral-, Indizes und Thermaldaten untersucht (HyFlex-Kampagne 2012). Zuckerrübenvarietäten konnten spektral und thermal unterschieden werden, die Fluoreszenzindizes waren wetterbedingt, weniger erfolgreich. Außerdem konnte der Tagesgang der Fs trotz instabiler Einstrahlungsverhältnisse am Morgen abgeleitet werden. Die Werte waren jedoch gegenüber Bodenmessungen um ein Vielfaches erhöht. Archäologische Fernerkundung durch UAS wird bereits seit Jahren (z.B. mit Fesselballons) durchgeführt. Die Mustererkennung profitiert von der spektralen Ausdehnung vom menschlichen Auge hin zu multispektralen, neuerdings auch hyperspektralen Sensoren. Studien in Los Bañales, Spanien, zeigten die Möglichkeiten des Informationsgewinns durch Bildverarbeitung von UAS-Daten: vermutliche historische Siedlungsmuster konnten durch Landoberflächenklassifikation von Multispektraldaten mittels Support Vector Machines und Bestandsmusterdetektion beschrieben werden. Um qualitative hochwertige, hochaufgelöste UAS-Daten zu erhalten, sollten die Daten mit hoher Überlappung (80%) und auch Schrägsicht akquiriert und ggf. durch Referenzmessungen zur radiometrischen Kalibrierung und GPS-Messungen für geometrische Referenzierung ergänzt werden.
  • The work examined the potential use of small unmanned aerial systems (UAS) for agricultural crop observations and archaeological applications. The term UAS encompasses the aerial vehicle and its propulsion mechanism, the sensor payload, a ground control station, the communication means between ground station and the vehicle and any other support equipment. Due to their flexibility UAS have found a booming development since the turn of the millennium. For the world- growing population, agricultural production requires a sensible intensification to ensure food security to all people and to avoid further soil and land degradation. Precision agriculture subsumes the technical improvements aiming at more efficient yet less harmful agricultural practices. In this context, one prerequisite for food production is the fast and easy access to high-resolution geospatial data required to local famers. UAS have bridged the gap on cost-intensive manned aircraft and rare satellite imagery. Potential benefits lie in the ad-hoc acquisition of large-scale environmental remote sensing data, lower costs of data acquisition compared to manned aircraft and relative independency of cloud coverage. Most UAS being developed are Mini-UAS (5kg take-off weight), and thereof vertical take-off and landing systems. They offer the potential to hover over sites, yet are slower than fixed wing systems, and appropriate for smaller sites during one flight. Flight regulations and integration into manned airspace are currently being developed on at the European and national levels. The main aims of this study were to evaluate how key physiological crop parameters (chlorophyll content, nitrogen content, yield, sun-induced chlorophyll fluorescence: Fs) may best be retrieved with a UAS, and how multispectral data may be used for archaeo-logical reconnaissance. A quadrocopter UAS (md4-1000, microdrones GmbH) was equipped with a digital single-lens reflex, a six-band multispectral camera array (MiniMCA-6, Tetracam Inc.) and a broadband thermal camera (UCM, Zeiss). A sensitivity analysis selected suitable wavelengths for the multispectral assessment of plant parameters and assessed bidirectional and altitudinal effects on the multispectral signal. The study then describes the required workflow from image acquisition to pre-processing for the respective cameras with special focus on the multispectral camera (equipped spectral filters in the range of 530-900 nm). Pre-processing included sensor radiometric corrections (lens distortion, vignetting correction, band-to band image alignment), radiometric calibration to reference spectra by means of empirical line calibration or atmospheric correction, and geometric corrections by Structure from Motion software to retrieve digital elevation models and orthophoto mosaics of centimeter-range spatial resolution. For a vineyard, the best viewing geometry to detect soil management effects on the spectral signal were evaluated. Oblique viewing geometries of illuminated canopies 45-° off nadir were found to be most suitable for estimating physiological parameters, and soil management strategies could well be differentiated. Thus, plant parameters could be predicted throughout the season by regression analysis, i.e. chlorophyll R-²cv of 0.65, nitrogen balance index by 0.76 (2012), and yield with 0.84 for 2011, and R-²cv for early season and mid-season of 0.87 and 0.73 respectively. Effects of nitrogen fertilizer experiments on the Fs of sugar beet were analyzed by visual inspections and two-factorial ANOVAs of the multispectral and thermal signal during the HyFlex campaign in 2012. Varieties could well be discriminated by spectral and broadband thermal signal, less though for respective fluorescence vegetation indices within the O2 absorption band. Diurnal fluorescence signals were obtained by multiple UAS flights. Despite less stable atmospheric conditions in the morning, a diurnal course of Fs could be retrieved, yet Fs signals showed to be higher than comparative field measurements. Archaeological reconnaissance by UAS has been applied since the 1970ies when tethered balloons were used. Pattern recognition is improved through the extension of the human vision to multispectral, thermal, or recent hyperspectral ranges, a.o.. Studies in Los Bañales, Spain illustrated the general information gain UAS data, pattern recognition of possible land-use related vegetation distribution by means of land cover classification of multispectral data and texture measures by support vector machines. Furthermore, crop mark detection was analyzed. Concluding, high quality multispectral/thermal UAS data may be derived by high image overlap (80%) including oblique imagery, where required, simultaneous reference spectral or thermal measurements for radiometric calibration should be carried out, and geometric referencing with ground control points derived at cm to dm accuracy.

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Metadaten
Author:Rebecca Retzlaff
URN:urn:nbn:de:hbz:385-9672
Title Additional (German):Zum Potential kleiner unbemannter Flugsysteme (UAS)für multispektrale Fernerkundung bei großskaligen Anwendungen in Landwirtschaft und Archäologie
Advisor:Thomas Udelhoven
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2016/02/10
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2015/11/20
Release Date:2016/02/10
Tag:MiniMCA; UAV; multispectral; remote sensing; vineyard
GND Keyword:Bildverarbeitung; Fernerkundung; Flugkörper; Quadrocopter; Weinberg
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften

$Rev: 13581 $