BIG DATA, TECHNOLOGIES AND METHODOLOGIES

Drones tillen veldonderzoek naar hoger plan

Foto: Henk Kramer/WUR

DOOR Marion de Boo


Wetenschappers filmen en fotograferen de aarde voortdurend om landbouwgronden, bossen en natuurgebieden te monitoren. Drones bewijzen daarbij goede diensten, als aanvulling op het gebruik van satellietbeelden, omdat ze veel meer detail leveren.

IN Wageningen werkt men al sinds de jaren negentig met satellietbeelden, remote sensing, vertelt geo-informaticus en dronepiloot Henk Kramer van Wageningen Environmental Research: “Satellieten nemen regelmatig het aardoppervlak op en leveren informatie over het grondgebruik. Maar die informatie is niet voor elke toepassing nauwkeurig genoeg, zeker als je bedenkt dat de meeste landbouwpercelen in Nederland niet zo groot zijn. Bovendien neemt de satelliet alleen op als hij overkomt, en dan moet het ook nog onbewolkt zijn.”

Drones blijken een nuttige aanvulling. Kramer: “Drones zijn veel flexibeler, die vliegen ook bij bewolkt weer. Je kunt zelf bepalen wanneer je wilt opnemen, afgestemd op de gewasontwikkeling.” Het enige waar je rekening mee moet houden zijn de weersomstandigheden: het mag niet te hard waaien of regenen.

Fruitvlieg

Drones zijn multi-inzetbaar: je kunt zien hoe planten en gewassen zich ontwikkelen, je kunt wilde dieren in een gebied opsporen, beginnende sprinkhanenzwermen signaleren en zoutstress bij planten waarnemen. Drones kunnen mosselbanken in kaart brengen en helpen bij de modellering van heidebranden.


Kramer: “Door heel veel gegevens te verzamelen met een hoge resolutie kunnen wetenschappers ook kleine veranderingen in de vegetatie zien. Onderzoekers hangen bijvoorbeeld plakstrips in een veld bessen- of frambozenstruiken op om de opmars van de fruitvlieg te monitoren en gebruiken dan camerabeelden van drones om te bekijken hoeveel vliegjes er al op die plakstrips zitten.”

De RiCopter, WUR’s grootste en zwaarste drone. Hij weegt 25 kilo en meet, met uitgevouwen armen, twee bij twee meter. Foto: Henk Kramer/WUR

Uitgerust met extra sensoren die bijvoorbeeld gasmetingen doen, kunnen drones in een boomgaard zelfs meten hoe snel het fruit rijpt, door de ethyleenproductie van rijpende vruchten te meten.


Sinds 2012 wordt er in Wageningen veel onderzoek gedaan met drones. In vier of vijf jaar tijd heeft Kramer de drone-technologie razendsnel zien veranderen. “We begonnen met grote drones, met zware camera’s. De eerste camera’s ontwikkelden we zelf. We knutselden bijvoorbeeld een gewone en een infrarode spiegelreflexcamera aan elkaar vast. Zo’n constructie woog wel twee kilo. Nu koop je een kant-en-klare multispectrale camera die maar een paar honderd gram weegt. Ook de drones zelf worden steeds kleiner en makkelijker te bedienen en ze kunnen steeds verder vliegen.”

Soorten camera’s

Er zijn verschillende soorten camera’s: de standaard RGB-camera, multispectrale camera’s, hyperspectrale camera’s en thermische camera’s. Kramer: “De RGB-camera is een veelgebruikte camera. Deze levert in korte tijd zeer gedetailleerde kleurenfoto’s met een centimeter resolutie, bijvoorbeeld van gewassen of natuurgebieden.”


Bij de RGB-camera bestaat het spectrum uit drie banden uit het zichtbare licht (Rood, Groen en Blauw). De multispectrale camera voegt daar nog een vierde band aan toe, voor nabij infraroodlicht. Nabij infraroodlicht wordt, in tegenstelling tot het zichtbare licht, niet gebruikt door planten voor fotosynthese en teruggekaatst. Op die manier kun je goed zien hoe goed vegetaties ervoor staan, bijvoorbeeld hoe grasland zich ontwikkelt en of gebieden al dan niet begroeid zijn.

Drone waarmee de ontwikkeling van verschillende maisvarianten op een perceel met honderden proefplots wordt gevolgd. Foto: Henk Kramer/ WUR

De hyperspectrale camera is nog een tandje gedetailleerder: die deelt het gereflecteerde licht op in nog veel meer banden, meestal zestien tot soms wel dertig. Daarmee kunnen Kramer en zijn collega’s bijvoorbeeld schimmelziektes opsporen.


“We bekijken het gewas in heel veel detail om erachter te komen welke details nu samenhangen met de ontwikkeling van de ziekte. Ons onderzoek kan vervolgens bijdragen aan de ontwikkeling van een specifieke sensor die precies die details detecteert zodat je niet meer al hyperspectrale data van zo’n zware camera nodig hebt. Maar zover zijn we nog niet.”

Voor het real-time analyseren van drone-data is de snelheid van het mobiele datanetwerk nog niet toereikend

Thermische camera’s meten de warmtereflectie, bijvoorbeeld de warmte die dieren in het veld uitstralen. Zo kun je weidevogelnesten in grasland opsporen, of bijvoorbeeld jonge hazen en reeën, om die bij het maaien te kunnen sparen. Dankzij razendsnelle beeldherkenningstechnieken worden de metingen real-time verwerkt en doorgegeven aan de bestuurder van de maaimachine. Dit werkt echter alleen ’s morgens vroeg goed, als levende wezens warmer zijn dan hun omgeving.


Thermische camera’s worden ook wel gebruikt om de stand van het gewas en de vochthuishouding op te nemen. “Maar dat is voorlopig nog een stuk lastiger, want elk materiaal zendt de warmte anders uit”, aldus Kramer.

WUR-onderzoeker Lammert Kooistra maakt met behulp van drones 3D-beelden van het bos om zo nauwkeurig te meten wat de omvang van het bladerdek is. Op basis daarvan kan hij de koolstofopname van een bos berekenen.

Drones kunnen, naast camera’s, ook uitgerust worden met andere meetinstrumenten, zoals een 3D laserscanner. LiDAR is een meettechniek waarbij een laser 300.000 keer per seconde hoogtemetingen doet, bijvoorbeeld om de hoogte van bomen, struiken en andere vegetatiestructuren vast te stellen. Dit levert informatie op over hoe snel een vegetatie zich ontwikkelt, of hoe gewassen opkomen en groeien.


Kramer: “Hierin werken we bijvoorbeeld samen met zaadveredelaars. Zij leggen in een maïsveld van 100 x 400 meter honderden proefplotjes aan, dat zijn veldjes van vijf bij twee meter, waarin allerlei nieuwe maïsselecties worden getest. LiDAR is heel geschikt om te meten hoe al die proefplots erbij staan, hoe hoog de planten al zijn, waar de kolven zitten, of de plant niet omwaait enzovoort. ”

Niet toereikend

Beperkingen zijn er ook: voor het real-time analyseren van de meeste drone-data is de snelheid van het mobiele datanetwerk nog niet toereikend. Kramer verwacht dat 5G internet als opvolger van 4G hierin verandering gaat brengen. Daarnaast begint het echte (reken)werk pas na ontvangst van de beelden, waarbij de verwerking van de multispectrale en hyperspectrale camerabeelden meer tijd kost dan die van de RGB-camera.


“Automatische detectiesystemen zijn in opmars en door het systeem met allerlei foto’s te trainen en de ‘bibliotheek’ steeds verder uit te breiden, worden de machine learning algoritmen steeds beter in patroonherkenning op foto’s”, vertelt Kramer.

Een praktische beperking is nu nog dat drones wettelijk alleen mogen vliegen binnen het zicht van de piloot, ofwel 500 meter. Dit wordt de visual line of sight (VLOS) genoemd. “Bij het monitoren van kilometerslange mosselbanken bleek dat knap lastig”, aldus Kramer. “Uiteindelijk zijn we in een bootje langs de mosselbank gevaren om onze drone steeds opnieuw op te laten.”

WIE

Henk Kramer, geo-informaticus en dronepiloot bij het team Aardobservatie van Wageningen Environmental Research

ONDERZOEK

Het gebruik van drones om landbouw en natuur te monitoren

TEAM

verschillende teams van WUR-onderzoekers die samenwerken binnen de Unmanned Airborne Remote Sensing Facility (UARSF)

Deel dit artikel

Lees het volgende artikel

Social Innovation for Value Creation | Burgers dagen de wetenschap uit