Multispectral proximal remote sensing by unmanned aerial vehicles (UAVS): low-cost sensors application in precision agricolture and coastal monitoring

In the last few years the use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), or simply drones, has involved many fields. Their extreme versatility has made them effective devices also in the field of remote sensing, thanks to the increasing availability of instrumentation that can be installed onboard, from LiDAR (Light Detection And Ranging) systems to digital cameras of different types. Among these, the number of low-cost multispectral cameras able to detect spectral information in the near infrared region has increased significantly. Thanks to the high geometric resolution (at a centimetre level) made possible by the use of UAVs, the applications of these cameras may now space from the precision farming (or precision agriculture) to the detection and characterization of the different ground cover types. However, the effective reliability of the data sensed depend on both the knowledge of the spectral sensitivity of the used sensors and the actual environmental light conditions at the time of each image acquisition. Therefore, this PhD thesis analyses the results retrievable by the use of some low-cost multispectral cameras with particular regard to the precision farming and the coastal monitoring of the submerged seaweed in the lagoon of Goro, both in terms of final accuracy and effectiveness in using radiometric calibration procedures. The results highlight how multispectral low-cost cameras can be successfully used to assess the health status of crops as well as detecting the seaweed. However, it is only applying rigorous radiometric calibration procedures that becomes possible to perform a monitoring over time, computing accurate and reliable reflectance values. In lack of devices such as downwelling light sensors or known reflectance panels it is only possible to compute spectral indices with a temporal validity limited to the single survey.

Negli ultimi anni l’uso di Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR), o semplicemente droni, ha interessato molti campi. La loro estrema versatilità li ha resi efficaci strumenti anche nel campo del telerilevamento, grazie alla crescente disponibilità di sensoristica installabile a bordo, da sistemi LiDAR (Light Detection And Ranging) a camere digitali di vario tipo. Tra queste ultime, è aumentato il numero di camere multispettrali a basso costo capaci di acquisire informazioni spettrali nel campo del vicino infrarosso. Grazie all’elevata risoluzione geometrica (centimetrica) che è possibile raggiungere mediante l’uso di APR, le applicazioni di queste camere multispettrali possono oggi spaziare dall’agricoltura di precisione alla determinazione delle varie coperture al suolo attraverso procedure di classificazione. L’effettiva attendibilità dei dati acquisiti dipende tuttavia sia dalla conoscenza della sensibilità spettrale dei sensori impiegati, sia dalle reali condizioni di illuminazione ambientale al momento dell’acquisizione di ogni singola immagine. In questa tesi di dottorato vengono pertanto analizzati i risultati ottenibili attraverso l’impiego di alcune camere multispettrali a basso costo con particolare riguardo all’agricoltura di precisione e al monitoraggio costiero delle alghe nella Sacca di Goro, sia in termini di accuratezza finale conseguita che di necessità ed efficacia nell’impiego di procedure di calibrazione radiometrica. Dai risultati ottenuti si evince come sia possibile utilizzare con successo camere multispettrali a basso costo sia nell’ambito della caratterizzazione dello stato di salute di una coltivazione che nel monitoraggio algale. Tuttavia è solamente grazie a procedure rigorose di calibrazione radiometrica che diventa possibile effettuare un monitoraggio nel tempo, grazie alla possibilità di calcolare valori di riflettanza accurati ed attendibili. In mancanza di dispositivi quali sensori di irradianza ambientale o pannelli a riflettanza nota risulta solamente possibile effettuare computi di indici spettrali con una validità temporale limitata al singolo rilievo.