22
Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za automatizaciju daljinske detekcije pomoću bespilotnih letelica Gostujuće predavanje 18.12.2015 Milan Dobrota

Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za

automatizaciju daljinske detekcije pomoću bespilotnih letelica

Gostujuće predavanje

18.12.2015

Milan Dobrota

Page 2: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

2

Globalni izazovi u poljoprivredi ...

... proizvesti više hrane sa manje obradivog zemljišta !

2050

9 milijardi ljudi,

70 % povećanja proizvodnje

hrane

Većina poljoprivrednog zemljišta se već

obrađuje

Gubici zbog korova, bolesti i štetočina su veći

od 20 % godišnje

Page 3: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

3

Uvod

Precizna poljoprivreda (Precision Agriculture) is the application of geospatial techniques and sensors (e.g. GIS, Remote sensing, GPS) to identify variations in the field and to deal with them. High-resolution satellite imagery was more commonly used. Small unmanned aerial systems (UAS), are shown to be a potential alternative given.

Daljinska detekcija (Remote Sensing) predstavlja metod prikupljanja informacija putem sistema koji nisu u direktnom, fizičkom kontaktu sa ispitivanim objektom. U užem smislu obuhvata analizu i interpretaciju različitih snimaka zemljišta. Informacije se prikupljaju registrovanjem i snimanjem odbijene ili emitovane energije objekta i obradom, analiziranjem i korišćenjem tih podatka.

Bespilotne letelice (UAV, UAS) platforms offer new possibilities to agriculture in order to obtain high spatial resolution imagery delivered in near-real time.

The increase of spatial and temporal resolution of the geomatic products obtained with UAVs should be accompanied with the use of new algorithms and techniques for information abstraction from these products. A clear example of this fact is the use of vegetation indices such as NDVI, which can be substituted by computer vision techniques or other indices based on RGB bands information, which can be obtained with inexpensive sensors.

Page 4: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

4

Šta radimo

AgriSens Tehnologija je deo Precizne poljoprivrede koja koristi:

Daljinsku detekciju za snimanje velikih obradivih površina

Prikupljanje velike količine podataka u realnom vremenu

Obradu i analizu podataka koristeći statističke metode i algoritme sposobne da uče

Razvioj tehnološke platforme za daljinsku detekciju

Izlazi iz sistema su geo-referencirane mape područja sa procesiranim i analiziranim

podacima od interesa za specifični zahtev u poljoprivredi

Page 5: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

5

Kako to radimo

Snimanje i obrada slika visoke rezolucije i

odgovarajućeg spektra (RGB, NIR...), snimljene uz

pomoć bespilotnih letelica i pre-procesiranje algoritmima

obrade slika.

Obrada podataka izvlačenjem skrivenih šablona u

podacima dobijenim iz slike, koristeći analitičke

algoritme, što takođe uključuje samoučeće algoritme,

odlučivanje pomoću neuronskih mreža i sl.

Analiza korišćenjem Vegetativnih Indeksa (VI) dobijenih

obradom podataka rezultat će biti geo-referencirana

mapa posmatranog polja. Algoritmi će u prvim

iteracijama ulazne parametre dobijati od eksperata, da bi

kasnije sami učili i ispravljali se

Page 6: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

6

Inovacija

UAV (bespilotne letelice) uz niže troškove omogućavaju

češća snimanja, visoku rezoluciju zahvaljujućim niskim

visinama i malim brzinama leta i značajno manje potrebne

obuke za korišćenje. Satelitski snimci i fotografije iz vazduha

su ograničeni vremenom potrebnim za snimanje, niskom

rezolucijom, zavisnošću od oblaka i visokim troškovima za

ažurne slike.

Integrisanost i sveobuhvatnost alata za prikupljanje i

obradu velike količine podataka, omogućava krajnjim

korisnicima gotove rezultate, snimanjem u različitim

spektrima, data mining-om, mašinskim učenjem i

automatizacijom čitavog procesa, bez potrebe za

ekpertskim znanjem korisnika.

Očuvanje životne sredine primenom SSWC (site specific

weed control) principa ima značajne ekološke prednosti

smanjenom upotrebom pesticida i hebicida.

Page 7: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

7

Primena tehnologije – u obuhvatu projekta

Identifikacija korova, u prvoj fazi kod široko-rednih zasada

(kukuruz, suncokret, šećerna repa, itd.)

Detekcija stresa koji može biti posledica oboljenja, štetočina ili

suše, praćenjem promena na listovima useva. Razlike refleksije

među različitim delovima EM spektra se koriste za razlikovanje

zdrave vegetacije od uvenule ili bolesne.

Brojanje biljaka i procena prinosa, naročito kod široko-rednih i

višegodišnjih zasada

Page 8: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

8

Drugi primeri primena

Detekcija hlorofila: EM energija emitovana

od useva varira tokom cele sezone i tokom

dana u zavisnosti od sunčevog zračenja.

Detekcija nedostatka azota: distributeri

azotnog đubrivo nemaju algoritam po kome

upravljaju količinom đubriva distribuiranom

na pojedinim delovima zemljišta što može

dovesti do povećanja troškova i smanjenja

prinosa.

Klasifikacija zemljišta: fizičke osobine

zemljišta su u korelacijama sa reflektovanim

elektromagnetnim talasima određenih

talasnih dužina i zbog toga slike imaju

potencijal u automatskoj klasifikaciji vrsta

zemljišta i njihovom mapiranju

Page 9: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

9

Korisnici tehnologije

Page 10: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

10

Koncepet rešenja

Page 11: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

11

Video

Page 12: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

12

Proces, ogledi, analize...

Page 13: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

13

Prikupljanje slika

Prikupljanje slika može biti podeljeno u tri faze:

Planiranje misije

Letenje UAV-om i slikanje (RGB & NDVI, Normalized Difference Vegetation Index)

Spajanje-mozaiking orthophoto slika

Page 14: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

14

Dokumentovanje ogleda

Page 15: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

15

Ekstrakcija vegetacijskih indeksa

Vegetation interacts with solar

radiation in a different way than

other natural materials. The

vegetation spectrum (figure 3)

typically absorbs in the red and blue

wavelengths, reflects in the green

wavelength, strongly reflects in the

near infrared (NIR) wavelength, and

displays strong absorption features

in wavelengths where atmospheric

water is present.

Different plant materials, water

content, pigment, carbon content,

nitrogen content, and other

properties cause further variation

across the spectrum

Page 16: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

16

Automatic labelling Provides the automatic proposal of the OOI on the image.

Various clustering methods are be used for this task, namely k-means and its modifications,

DBSCAN and its modifications, OPTICS and its modifications.

Page 17: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

17

Automatic labelling Method name Parameters Scalability Usecase Geometry (metric used)

K-Means number of clusters Very large n_samples, medium n_clusterswith MiniBatch code

General-purpose, even cluster size, flat geometry, not too many clusters

Distances between points

Affinity propagation damping, sample preference

Not scalable with n_samples

Many clusters, uneven cluster size, non-flat geometry

Graph distance (e.g. nearest-neighbor graph)

Mean-shift bandwidth Not scalable withn_samples Many clusters, uneven cluster size, non-flat geometry

Distances between points

Spectral clustering number of clusters Medium n_samples, small n_clusters

Few clusters, even cluster size, non-flat geometry

Graph distance (e.g. nearest-neighbor graph)

Ward hierarchical clustering number of clusters Large n_samples andn_clusters

Many clusters, possibly connectivity constraints

Distances between points

Agglomerative clustering number of clusters, linkage type, distance

Large n_samples andn_clusters

Many clusters, possibly connectivity constraints, non Euclidean distances

Any pairwise distance

DBSCAN neighborhood size Very large n_samples, medium n_clusters

Non-flat geometry, uneven cluster sizes

Distances between nearest points

Gaussian mixtures many Not scalable Flat geometry, good for density estimation

Mahalanobis distances to centers

Birch branching factor, threshold, optional global clusterer.

Large n_clusters andn_samples

Large dataset, outlier removal, data reduction.

Euclidean distance between points

Page 18: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

18

Automatic labelling – stress monitoring

Page 19: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

19

Image Recognition

Counting:

Template matching, a is a technique in digital image processing

for finding small parts of an image which match a template image

Haar-like feature based cascade sums up the pixel intensities in

each region and calculates the difference between these sums.

This difference is then used to categorize subsections of an images

are digital image features used in object recognition.

Stress identification and Yield estimation:

Histogram matching is the transformation of an image so that its

histogram matches a specified histogram. An image histogram is a

type of histogram that acts as a graphical representation of the

tonal distribution in a digital image

Page 20: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

20

Software

Page 21: Data Science u poljoprivredi: tehnološka platforma za ...odlucivanje.fon.bg.ac.rs/wp-content/uploads/2015-12-18-OAS-PI-PP-MD.pdf · Detekcija hlorofila: EM energija emitovana od

21

Poslovni model

Key Partners Key Activities

Key Resources

Value Propositions Customer Relationships

Channels

Customer Segments

Cost Structure Revenue Streams

Vendors of equipment

Vendors of software tools

External consultants (know-how or sales activities)

Development of technology (integration of HW and SW) and know-how

Sales activities

Skilled experts in area of IT, data science, agriculture, mechatronics...

Funding for development and marketing activities

Raising initial awareness through internet, fairs and exhibitions

Channels of sales is under development at this point (direct sales)

Costs for developers and engineers to develop technologyFees for external consultants (not part of the core project)Purchase of hardware equipment (UAV, camera, etc.)Expenses related to sales activitiesExpenses related to field research

Services of crops examinations provided as a serviceSold out technology, either fully or partiallyIt is expected that customers currently pay more expensive technologyTechnology selling would be less frequent but generating bigger revenue at one shot

Direct contacts and networking with potential customers

Weak relations exists so far, at the level of pilot projects

Delivery of cost-effective intelligence about crops

Increase crops yields and reduction of risks from pests

Comprehensive technology integrated with advanced know-how in use for the benefit of customer

Satisfaction of customer needs of improving their farming in cost-effective manner

Environmental care (decrease of pollution)

Individual agricultural producers, using survey services

Large companies in agriculture who wish to implement technology and perform surveys

Government agriculture sectors

Insurance companies

Large technology companies interested in buying technology