فتوگرامتری چیست؟

 

 

1- تعریف

 

فتوگرامتری یا تصویرسنجی دانش و فناوری استخراج اطلاعات مربوط به زمین و محیط پیرامون آن از تصاویر گرفته‌ شده یا حسگرهای دیگر از طریق اندازه‌گیری و پردازش و تحلیل و نمایش آن‌ها است.

 

 

 

به عبارتی دیگر تصویرسنجی فرایند اندازه‌گیری مختصات هندسی اجسام از روی عکسهای هوایی است که عبارت است از هنر، دانش و فن تهیه اطلاعات درست عوارض از طریق اندازه‌گیری، ثبت و تفسیر بر روی عکس یا سایر مدارکی که در بر دارنده اثری از انرژی الکترومغناطیس بازتابیده شده می باشد.

عکس های هوایی مهم‌ترین منبع اطلاعاتی در علم فتوگرامتری می باشند.

 

فتوگرامتری فضایی

 

در فتوگرامتری فضایی با استفاده از آنالیز و پردازش تصاویر ماهواره ای مرئی، می توان به اطلاعات مکانی از یک منطقه وسیع دست یافت. از تصاویر ماهواره ای در حوزه فتوگرامتری فضایی برای کاربردهایی نظیر تهیه نقشه های کوچک مقیاس از مناطق وسیع و تصمیم گیری های کلان استفاده می شود. معمولا سنجنده هایی که بر روی فضاپیماها جهت تصویربرداری فضایی نصب می شوند از ارتفاع چندهزار کیلومتری تصاویری با کیفیت و در رزولوشن های مختلف از سطح زمین اخذ می کنند.

 

فتوگرامتری هوایی

 

اگر ارتفاع پرواز را کمتر کنیم و سنجنده (دوربین تصویربرداری) در زیر یک هواپیمای سرنشین دار قرار دهیم، می توانیم تصاویری از ارتفاع چندهزار متری سطح زمین اخذ کنیم. به مجموعه فعالیت هایی که بر روی تصاویر هوایی صورت می گیرد تا به نقشه برسیم، فتوگرامتری هوایی می گویند. در فتوگرامتری هوایی معمولا مناطقی در حد یک شهر و استان درنظر گرفته می شود. اما برای کشوری با وسعت ایران هر چند دهه یکبار تصاویری کامل از سطح کشور نیز اخذ می شود. از آنجایی که در کشور ما متولیان تصویربرداری هوایی سازمان نقشه برداری کشور و سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح می باشند. بدیهی است که این دو سازمان نمی توانند پاسخگوی نیازهای شرکت های مختلف برای مناطقی با وسعت چند هکتار و یا چند هزار هکتار باشند. به همین دلیل می بایست سیستمی بوجود می آمد تا چنین نیازهایی را بتواند برطرف کند.

از طرف دیگر وجود بروکراسی های اداری جهت درخواست تصویربرداری هوایی از ارگان های دولتی و همچنین کمبود سیستم های تصویربرداری هوایی در کشور به دلیل وجود تحریم ها، باعث گردید تا سامانه ای بوجود آید که بتواند نیازهای متقاضیان در این خصوص را برطرف نماید. این سیستم چیزی نبود جز سامانه پهپاد فتوگرامتری.

 

فتوگرامتری زمینی (برد کوتاه)

 

شاخه دیگری از علم فتوگرامتری که از اهمیت و کاربردهای ویژه ای برخوردار است، فتوگرامتری زمینی یا برد کوتاه نامیده می شود. علت این نامگذاری این است که فاصله دوربین تصویربرداری تا جسم بسیار کم شده و در حد چند صد متر تا چند سانتیمتر می باشد. بطور کلی بسته به وضعیت منطقه و یا جسم، دوربین در حالت برد کوتاه یا می تواند بر روی یک پرنده بدون سرنشین نصب شده و از بالای یک منطقه تصویربرداری کند. و یا اینکه دوربین دست یک شخص باشد و یا  بر روی وسیله ای بر روی زمین نصب شود و از یک منطقه کوچک و یا یک جسم کوچک تصویربرداری کند. فتوگرامتری برد کوتاه بر اساس نوع کاربرد می تواند به دو دسته فتوگرامتری توپوگرافی و غیر توپوگرافی دسته بندی شود.

 

 

 

در فتوگرامتری توپوگرافی، هدف تهیه نقشه های توپوگرافی یا منحنی میزان، تولید DEM ، DSM و … از یک منطقه است. در فتوگرامتری غیرتوپوگرافی هدف تهیه اطلاعات مکانی و انجام اندازه گیری های خاص از اجسام صنعتی، پزشکی و یا عوارضی از این دست است. حال که با وضعیت فتوگرامتری برد کوتاه بطور کلی آشنا شدیم، متوجه شدیم که استفاده از پرنده های بدون سرنشین در تصویربرداری هوایی در زمره محاسبات و پردازش های فتوگرامتری برد کوتاه قرار می گیرد. به همین دلیل اکثر نرم افزارهای مورد استفاده در بحث پهپاد فتوگرامتری، جهت مدلسازی اجسام و عوارض کوچکتر هم استفاده می شود.

 

2- تقسیم بندی

 

عموماً تصویرسنجی ( فتوگرامتری ) را به دو شاخه تصویرسنجی متریک و تصویرسنجی تفسیری تقسیم‌بندی می‌کنند.

 

1-2- تصویرسنجی متریک

 

در تصویرسنجی متریک، اندازه‌گیری‌های کمی مطرح است، یعنی با استفاده از اندازه‌گیری‌های دقیق نقاط از طریق عکس می‌توان فواصل، حجم، ارتفاع و شکل زمین را تعیین کرد، که رایج ترین کاربردهای این شاخه از تصویرسنجی تهیه نقشه‌های مسطحاتی و توپوگرافی از روی عکسهاست.

 

2-2- تصویرسنجی تفسیری

 

تصویرسنجی تفسیری خود به دو شاخه تفسیر عکس و سنجش از دور تقسیم می‌شود.

در قسمت تفسیر عکس بیشتر مطالعات کیفی بر روی عکس انجام می‌گیرد، به‌عنوان مثال وضعیت پوشش گیاهی یک منطقه یا میزان پراکندگی جمعیت یک شهر را از طریق عکس مورد مطالعه و تحقیق قرار می‌دهند.

عکس‌های هوایی در دو رشته علمی فتوگرامتری( به معنی کلی تهیه نقشه از عکس‌های هوایی) و دیگری تفسیر (به معنی شناسایی و تشخیص عوارض و اشیاء از روی تصویر) به کار می‌روند که بتدریج و با پیشرفتهای فناوری، این دو رشته توسعه یافته و در نتیجه، کاربرد و ابزار دو گروه هر یک در تخصص‌های جداگانه‌ قرار گرفته و بتدریج نیز بر کاربرد آنها اضافه خواهد شد.

 

3- تاریخچه عکسبرداری هوایی

 

عکسبرداری هوایی برای هر دو مصارف فوق دارای قدمت چندان زیادی نیست، بلکه تاریخ آن کم و بیش مقارن با پیدایش هنر و علم عکاسی و همچنین، صنعت هوانوردی است. اولین گزارش کتبی اختراع عکسبرداری به علوم آکادمی علوم و هنرهای فرانسه به سال ۱۸۳۹ بازمی‌گردد. این عکسبرداری توسط دو فرانسوی به نام‌های داگر و نیپس انجام گرفت. اولین گزارش قطعی پرواز هواپیما نیز مربوط به ۱۷ دسامبر ۱۹۰۳ به‌وسیله برادران آمریکایی رایت می‌باشد، بنابراین باید توجه نمود که تاریخ عکسبرداری هوایی به زمان مابین دو تاریخ فوق برمی گردد. اولین عکسبرداری هوایی از اروپا (فرانسه) به وسیله G.S.Tournachon که بعداً Nadar نامیده شد، در سال ۱۸۵۸ در پاریس انجام گردید و مقارن با او، در همان سال شخص دیگری به نام لوسدا (Laussedat) بادوربین عکاسی و فیلم‌های شیشه‌ای که با خود در بالن داشت، که از دهکده‌ای عکسبرداری نمود. او توانست از عکس‌ها نقشه توپوگرافیک تهیه نماید .در آمریکا، اولین عکس هوایی که با بالن گرفته شد، در تاریخ ۱۳ اکتبر ۱۸۶۰ ثبت گردید. این عکس از ارتفاع ۱۲۰۰ پایی (۳۶۵ متری) از بندر بوستون گرفته شد. و در اتحاد جماهیر شوروی سابق، تاریخ اولین عکسبرداری هوایی به سال ۱۸۸۶ بر می‌گردد.

اولین فیلمبرداری هوایی به‌وسیله ویلبر رایت در ۱۹۰۹ با هواپیما از چنتوچیلی ایتالیا انجام شد؛ ولی استفاده عظیم از عکس‌های هوایی، در ارتش و از جنگ جهانی اول بود، در حالی که برای مصارف غیرنظامی، از جنگ جهانی دوم به‌طور وسیع آغاز گردید. با پیشرفت در صنایع شیمیایی و تهیه فیلم بهتر و همچنین تکنولوژی هوایی، در مجموع، این شاخه از علوم توسعه پیدا نمود. دوربین‌های عکسبرداری هوایی با پیشرفت های شگرف در صنعت و هنر ساختمان عدسی‌ها به حد بسیار مرغوب رسید. ساختمان انواع فیلم‌های سفید و سیاه به صورت پانکروماتیک و مادون قرمز توسعه یافت و فیلم های رنگی نیز از سال ۱۹۳۵ عرضه گردید. فیلم‌های رنگی کاذب نیز کاربردی عظیم در تفسیر پیدا نمود.

 

4- تاریخچه فتوگرامتری

 

پایه گذار علم فتوگرامتری یک سرگرد فرانسوی به نام لوسدا(A. Laussedat)  بوده است. او در سال ۱۸۵۹ به کمیسیون آکادمی علوم پاریس نشان داد که انسان چگونه می تواند با استفاده از زوج عکس، مختصات نقاط را محاسبه کند. در همین زمان در آلمان شخصی به نام مایدن باور(A. Meydenbaver) اولین آزمایش موفق خود را تحت عنوان فتوگرامتری ساختمان پشت سر گذاشت. این علم در اتریش از تاریخ ۱۸۸۷ تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است. دو مهندس اتریشی به نام های هافرل(Hefferl) و ماورر(Maurer) اولین طرح دستگاه فتوگرامتری را جهت استفاده در راه سازی و آبرسانی به انجام رساندند. بعد از اینکه در سال ۱۹۰۱ پالفریش (Pulfrich ) مقدمات علم استریو فتوگرامتری را ارائه کرد، راه را برای مخترع با ذوقی به نام اورلز (Orels) که دستگاه استریو فتوگراف را در سال ۱۹۰۹ اختراع کرد، هموار ساخت .

 

5-  تشریح روش های فتوگرامتری

 

فتوگرامتری به معنای عملیات اندازه گیری روی عکس می باشد که شامل عکسبرداری از اشیا، اندازه گیری تصاویر اشیا روی عکس ظاهر شده و تبدیل این اندازه ها به شکلی قابل استفاده(مثلا نقشه های توپوگرافی) می شود. امروزه فتوگرامتری به دو شکل استفاده می شود .

 

۱ ) شکل کلاسیک آن عبارت است از اندازه گیری های کمی روی عکس که حاصل آن تعیین موقعیت مسطحاتی و ارتفاعی نقاط، مساحت و حجم بوده و در نتیجه آن، نقشه های مسطحاتی و توپوگرافی به دست می آید.

 

۲) دومین شکل استفاده از فتوگرامتری، تفسیر عکس است که در آن عکس ها به صورت کیفی بررسی و از آن ها در زمین شناسی، خاک شناسی، تخمین سطح زیر کشت در کشاورزی، تشخیص آلودگی آب و بسیاری موارد دیگر استفاده می شود. در عملیات فتوگرامتری و تفسیر عکس های هوایی، کیفیت عکس چه از نظر ابعاد و اندازه و چه از نظر سایر مشخصات اهمیت ویژه ای دارد. در واقع عکس های هوایی اساس کلیه عملیات اجرایی هستند و به همین دلیل برای انجام عکسبرداری هوایی، مطالعه کامل برای تعیین مشخصات عکس، از هر نظر لازم است. به علاوه چون بیشتر اوقات علاوه بر تهیه نقشه های توپوگرافی، از عکس ها به منظور مطالعات استفاده می شود، در تعیین مشخصات عکسبرداری هوایی علاوه بر ملاحظات فنی نقشه برداری، سایر ضوابط مربوط به تفسیر عکس های هوایی نیز مد نظر قرار می گیرد. این عوامل عبارتند از :

 

1 ) محدوده یا مسیر عکسبرداری

2) مقیاس عکس یا نقشه مورد تقاضا

3 ) مقدار پوشش طولی و عرضی هنگام تنظیم زاویه عدسی دوربین

4 ) نوع دوربین

5) نوع سنسور دوربین

6) سامانه تعیین موقعیت ( RTK& PPK )

7 ) تاریخ، فصل و یا ساعت عکسبرداری

 

6- فرآیندهای فتوگرامتری

 

نقشه برداری هوایی ( فتوگرامتری ) به واسطه ۴ فرآیند کلی انجام می شود. این ۴ فرآیند شامل موارد زیر می باشند:

 

۱) ثبت تصویر

۲ ) ثبت اطلاعات ایستگاه های زمینی

۳ ) تطبیق دقیق تصویر با نقاط کنترل زمینی

۴) پردازش تصاویر و تهیه نقشه

 

هر پروژه بوسیله مجموعه ای از داده های مکانی توصیف می شود. این داده ها مختصات مشخصی از زمین می باشد که شامل مجمو عه ای از تصاویر با انواع دقت ها می باشد. هر قسمت از فرایندهای فوق شامل تعدادی زیر مرحله پردازشی است که بر اساس نیازمندی های مجموعه عوارض برای هر پروژه

 

6-1- ثبت تصاویر:

 

تصاویری که برای نقشه برداری فتوگرامتری استفاده می شود می تواند به دو سطح کلی تقسیم شود:

 

۱) تصاویر مربوط به موقعیت افقی و عمودی عوارض و جزئیات اشکال که با استفاده از عکس های هوایی نزدیک به عمود با رنگ طبیعی یا تک رنگ(سیاه و سفید) یا از تصاویر رقومی ماهواره ای بدست می آیند.

 

۲) دیگر انواع تصاویر از قبیل عکس های هوایی مادون قرمز، تصویر اسکنر حرارتی، تصاویر ریز موج ها، تصاویر ماهواره ای چند طیفی و فراطیفی عموما برای تعیین داده های عوارض تکی به غیر از موقعیت و جزئیات تصویر استفاده می شوند. این نوع از تصاویر می تواند وارد یک سیستم اطلاعات جغرافیایی شده و با دیگر اطلاعات زمین مرجع به کار رود .

 

6-2- عکس های هوایی عمودی:

 

عکسبرداری هوایی نزدیک به عمود که برای نقشه برداری پِلانیمتری و توپوگرافی استفاده میشود، عموما بصورت جفت عکس های برجسته نمایی(Stereo pair) جمع آوری میشود. هر عکسی با عکس بعدی که در همان مسیر پرواز برداشت میشود، همپوشانی دارد. برداشتن عکس ها بصورتی است که هر عکس با عکس بعدی خود ۶۰ درصد و با عکس قبلی خود ۳۰ درصد همپوشانی داشته و این پارامتر کمک می کند که بتوان عکس ها را بصورت برجسته مشاهده کرد.

 

عموما عوارض پِلانیمتری(ساختمان ها، جاده ها و ...) و توپوگرافی(نقاط جرمی، خطوط شکسته و کانتورها) از عکسبرداری هوایی نزدیک به عمود با رنگ طبیعی یا سیاه و سفید جمع آوری می شوند. نقشه برداری پِلانیمتری و توپوگرافی عموما دسته داده های نقشه ای پایه، برای یک سیستم GIS یا دسته داده های مهندسی می باشد، زیرا درستی محاسبات و استعلامات بر اساس درستی و کامل بودن این داده های پایه می باشد.

 

6-3- تصویر طبقه بندی عوارض( Feature Classification Imagery )

 

تصویر طبقه بندی عوارض شامل عکسبرداری هوایی مادون قرمز، تصاویر ماهواره ای(چند طیفی و فرا طیفی) و اسکنرهای رقومی(حرارتی، ریزموج ها و ...) می باشد. استفاده اولیه از تصاویر مادون قرمز در تحلیل سلامتی گیاهان و تعیین پوشش گیاهان بوده است. این تصاویر می توانند رنگی و یا سیاه و سفید باشند و نمی توانند تغییرات حرارتی را مشخص کنند. تصاویر مادون قرمز سیاه و سفید در مقایسه با مادون قرمز رنگی دارای تصاویری با توان تفکیک درشت هستند، بنابراین بطور مستمر مورد استفاده قرار نمی گیرند.

 

6-4- کنترل زمینی :

 

کنترل زمینی در فتوگرامتری جهت تصحیح تصاویر با زمین ضروری بنظر می رسد. دقت های کنترل زمینی باید عموما خیلی بیشتر از دقت مورد نیاز در نقشه برداری فتوگرامتری باشد. کنترل زمینی باید بر اساس روش اصلاح تصاویر که برای پروژه مورد استفاده قرار می گیرد، برنامه ریزی شود. یک تیم ماهر مشتمل بر فتوگرامترها با ابزارهای نقشه برداری و مهندسین باید بر این برنامه نظارت داشته باشند. کنترل زمینی باید در اطراف منطقه مورد نقشه برداری باشد. نقاط کنترلی نیز در بخش هایی از عوارض زمینی موجود که در عکس ها دیده خواهد شد، مستقر می شوند و بقیه نقاط هم بر اساس نیاز در مجاورت عوارض زمینی موجود قرار می گیرند. پیشرفت های امروز در زمینه فن آوری GPS باعث شده که جمع آوری موقعیت های افقی و عمودی مرکز هر عکس که در حین عملیات عکسبرداری برداشت شده، میسر شود. تعداد ایستگاه های زمینی بر اساس روش های اصلاح تصاویر تعیین می شوند. در پروژه های مناطق بسیار کوچک از روش های قراردادی برای اصلاحات استفاده می شود. این روش نیاز به حداقل ۳ نقطه کنترلی افقی و ۴ نقطه کنترلی عمودی در هر جفت عکس برجسته نما(Stereo pair) دارد. مثلث بندی هوایی یک روش پردازش ریاضی است.

 

6-5- تطبیق تصویر با زمین:

 

فرآیند تطبیق عکس هوایی با زمین برای دقت نقشه نهایی حیاتی است. امروزه بیشتر پروژه ها با استفاده از روش مثلث بندی هوایی تطبیق داده می شوند. این روش به نقاط کنترل زمینی کمتری نسبت به روش های تطبیق قراردادی نیاز دارد. در روش مثلث بندی از نرم افزارهای کامپیوتری برای کنترل کیفیت نقاط انتخاب شده در تمام طول پروژه استفاده می شود. این روش نیازمند آن است که تصاویر گرفته شده ابتدا بلوک بندی شوند، بنابراین برای اجرای پروژه در مناطق بزرگ، می تواند مورد بررسی قرار گیرد. سرعت و کیفیت کنترلی بالای این روش باعث شده که برای پروژه های مناطق کوچک هم مورد استفاده قرار گیرد.

 

6-6- جمع آوری عوارض:

 

عوارض در نقشه برداری فتوگرامتری عموما شامل ۴ دسته می باشد:

 

۱) عوارض توپوگرافیکی

۲) عوارض پِلانیمتری

۳) ارتوفتوگرافی

۴) کاربری زمین این نوع عوارض می توانند با دقت از روی جفت تصاویر برجسته نما (Stereo pair) جمع آوری شوند

 

۱) عوارض توپوگرافیک:

 

این عوارض شامل دو دسته اند:

 

الف) نقاط جرمی Mass point : که شامل موقعیت افقی و عمودی نقاط ویژه روی زمین است.

 

ب) خطوط شکسته Break lines : خطوطی هستند که بیانگر تغییر شدید در ارتفاع هستند مثل عوارض آبراهه ای و یا لبه جاده ها.

 

دو عارضه فوق در چندین نوع مدل ارتفاعی مورد استفاده قرار می گیرند و بصورت مدل عوارض زمین رقومی(Digital Terrain Model) یا (DTM) برای ساختن مدل ارتفاعی رقومی که تنها به نقاط جرمی برای ساختن آن نیاز است به کار می روند. مدل TIN بصورت یک مدل سطحی ایجاد می شود و توسط کامپیوتر مورد پردازش قرار گرفته و خطوط کانتور را ایجاد می کند. همچنین از این مدل برای طراحی و ایجاد داده های مقاطع عرضی در منطقه مورد مطالعه (مثل مسیر رودخانه ها برای تحلیل های هیدولیکی) استفاده می شود.

 

۲) عوارض پِلانیمتری:

 

پِلانیمتری یک روش اندازه گیری برای تعیین مساحت یک شکل دو بعدی می باشد.

 

عوارض پِلانیمتری ساختمان ها، جاده ها، راه آهن و ... را شامل می شود. این عوارض معمولا بصورت چند ضلعی هایی مبتی بر پیرامون عوارض، جمع آوری می شوند. این عوارض باید در عکسبرداری هوایی دیده شوند. عوارض زیرزمینی بطور فتوگرامتریکی جمع آوری نمی شوند. میزان جزئیات پِلانیمتری عموما توسط مقیاس عکسبرداری جمع آوری میشود، مثلا نقشه برداری با مقیاس ۱:۶۰۰ عموما مسیر پیاده روها، تیرهای چراغ برق، پرچینها، جاده ها، جدول ها، مسیرهای فاضلاب، آبگیرها و شکل ساختارهای مجزا را در اختیار قرار می دهد. ولی در نقشه ای با مقیاس ۱:۱۶۸۰۰ موارد ذکر شده فوق دیده نخواهند شد و ساختمان ها با سمبول های خاص نشان داده می شوند. هر چه مقیاس نقشه برداری فتوگرامتری بزرگ تر باشد به عکس های هوایی بیشتری با مقیاس بزرگتر نیاز است. زیرا جزئیات بیشتری از عوارض پِلانیمتری که قابل دید و چاپ هستند باید جمع آوری شود.

 

۳) ارتوفتوگرافی:

 

جمع آوری عوارض پلانیمتری زمان بر و پرهزینه است. ارتو فتوگرافی یک بستر اقتصادی را برای بیشتر پروژه ها فراهم می کند. ارتوفتوگرافی فرآیندی است که توسط آن انحرافات حاصل در سیستم دوربین و تغییرات ارتفاع را در عکس های هوایی اولیه از بین می برد. مقیاس عکس های هوایی باید با مقیاس افقی ارتوفتو نهایی و دقت تفکیک پیکسل زمینی متناسب باشد. بنابراین اسکن عکس های هوایی باید با دقت تفکیک بسیار بالا انجام شود. مدل ارتفاعی رقومی بدست آمده از عکس های هوایی نیز باید اسکن شود. این مدل برای ایجاد خطوط کانتور یا مدلسازی سطح زمین مورد استفاده قرار می گیرد. نرم افزارهای کامپیوتری، DEM و تصاویر اسکن شده را ادغام نموده و فایل هایی با تصاویر ارتوفتو را ایجاد می کنند. این فایل های تصویری دوباره مورد بازبینی قرار گرفته و تصحیحات رادیومتریک روی آن ها انجام می شود. از دیگر تصحیحات انجام شده، می توان به تصحیح تغییرات ارتفاع پل ها و روگذرها با زمین اشاره کرد. تغییرات ارتفاعی مربوط به ساختمان های بلند معمولا انجام نمی شود مگر اینکه بطور ویژه در پروژه مطرح شده باشد.

 

نقش پهپادها در فتوگرامتری و نقشه برداری

 

 

پهپاد چیست؟

 

پرنده هدایت‌پذیر از دور (پهپاد) که در جهان به UAV مشهور است، درواقع نوعی وسیله هوایی است که کنترل و هدایت آن بدون حضور انسان در داخل آن صورت می‌گیرد.

 

 

 

عبارت سامانه پهپاد نقشه برداری و یا پهپاد فتوگرامتری، شاخه ای از علم فتوگرامتری برد کوتاه است و اشاره به مجموعه ای از عوامل دارد که با تلفیق و در کنار هم قرار دادن آنها می توان بوسیله یک پرنده بدون سرنشین از مناطقی با وسعت مختلف تصویربرداری هوایی کرد و با نرم افزارهای پیشرفته فتوگرامتری عملیات تبدیل را انجام داد و در نهایت به نقشه رسید.

شاید این سوال برای شما پیش آید که با اینکه علم  فتوگرامتری قدمتی بسیار دارد، اما چرا اکنون ما شاهد این تکنولوژی هستیم و چرا سال ها قبل نمی توانستیم از این سیستم استفاده کنیم؟! شاید در ابتدا این پاسخ به ذهنتان برسد که قبل از این پرنده های بدون سرنشین وجود نداشتند و یا به پیشرفتگی امروز نبودند. اما پاسخ اصلی چیزی غیر از این است. تکنولوژی ساخت پرنده های بدون سرنشین به سال ها قبل بر می گردد. یعنی در ساخت چنین پرنده هایی هیچ ضعفی وجود نداشته است. اما پاسخ نهایی اشاره به ضعف در الگوریتم های پردازش تصاویر دارد. دقت داشته باشید با توجه به آنکه پرنده های بدون سرنشین سبک هستند، نمی توانند تصاویری کاملا عمود از سطح زمین اخذ کنند. پس بدلیل آنکه معمولا میزان تیلت این تصاویر از حد مجاز تصاویر هوایی بیشتر است نمی توان آنها را با استفاده از نرم افزارهای فتوگرامتری هوایی تبدیل نمود.

علاوه بر این، مشکلات دیگری نیز وجود دارد که استفاده از نرم افزارهای فتوگرامتری هوایی مثل LPS و یا اینفو را برای تبدیل تصاویر پهپاد با مشکل روبرو می کند. از آنجایی که ارتفاع پرواز در این سیستم نسبت به فتوگرامتری هوایی کمتر است، پس در هر تصویر وسعت کمی را می توان مشاهده نمود. همچنین بدلیل ارتفاع پایین پرنده، تعداد تصاویر بسیار بسیار زیاد می شود که در اکثر موارد استفاده از نرم افزارهایی که محیط برجسته بینی دارند را با مشکل روبرو می کند. اما دقت شود که در برخی موارد که ارتفاع پرنده زیاد است و یا از دوربین هایی با قطع سنسور بزرگ استفاده شده است، می توان از نرم افزارهای فتوگرامتری هوایی با یک سری اصلاحات بر روی تصاویر، عمل تبدیل تصویر به نقشه را انجام داد.

با توجه به موارد بیان شده، می بایست نرم افزار و الگوریتمی پیاده سازی کرد که با شیوه ای نوین بتواند تصاویر حاصل از پهپاد را به صورت اتوماتیک پردازش کند. همین قسمت یکی از اساسی ترین مشکلاتی بود که باعث دیر روی کار آمدن تکنولوژی پهپاد فتوگرامتری شد. در اواخر سال های ۲۰۰۸- ۲۰۰۹ بود که محققین پردازش تصویر، توانستند الگوریتم هایی را توسعه دهند که بتوان عمل رسیدن از فضای تصویر به مدل سه بعدی را بصورت اتوماتیک انجام داد. بنظر بنده توسعه این الگوریتم ها انقلابی عظیم در علم مهندسی فتوگرامتری و ابعاد برداری ایجاد کرد.

ویژگی های پهپاد سبب شده است که با نصب دوربین های عکس برداری و سنسور های مختلف جهت مقاصد نقشه برداری از آن استفاده شود که منجر به ایجاد شاخه فتوگرامتریِ پهپاد ( UAV Photogrammetry ) شده است. این روش به دلیل ویژگی هایی نظیر سرعت و دقت بالا و تنوع محصولات خروجی در سال‌های اخیر به‌عنوان جایگزین روش نقشه‌برداری زمینی مطرح‌شده است.

 

 

 

 

با توسعه چنین الگوریتم هایی مراحل توجیه داخلی، توجیه نسبی و توجیه مطلق نیز بصورت اتوماتیک و یا نیمه اتوماتیک انجام می شوند. این امر، یعنی پردازش اتوماتیک هزاران تصویر و تولید ابرنقاط متراکم و همچنین تولید مدل سه بعدی با کیفیت رویای فتوگرامتریست ها بود. پس روی کار آمدن چنین الگوریتم هایی باعث شد تا بتوان با تلفیق تصاویر هوایی اخذ شده از پرنده های بدون سرنشین و نرم افزارهای اتوماتیک پردازش تصاویر، سامانه ای بوجود آید که امروزه از آن با عنوان سامانه پهپاد فتوگرامتری یاد می کنند.

 

 

مزیت‌های استفاده از روش فتوگرامتریِ پهپاد

 

به طور معمول روش هایی که برای تهیه نقشه های توپوگرافی استفاده می‌شوند، شامل: فتوگرامتری هوایی با استفاده از دوربین‌های متریک، استفاده از تصاویر ماهواره‌ای، نقشه‌برداری زمینی و یا استفاده از تکنولوژی لایدار است. اما در بعضی از موارد به دلیل مشکلاتی از قبیل: هزینه، دسترسی به منطقه، صعب‌العبور بودن منطقه، مجوزهای موردنیاز، زمان انجام پروژه و … استفاده از این تکنیک ها دور از انتظار می‌باشد. در این موارد جهت انجام کار نیازمند روش های مقرون‌به‌صرفه می‌باشد که نه‌تنها متناسب با ابعاد منطقه (عارضه) و سرعت تغییرات، بلکه قدرت تفکیک مکانی موردنظر را نیز برآورده نماید. به‌ منظور رفع مشکلات فوق الذکر، روشی که به‌تازگی برای تهیه نقشه‌هایی با ‌مقیاس بزرگ  استفاده گردیده است، اخذ تصویر توسط وسایل پروازی بدون سرنشین یا همان فتوگرامتری هوایی برد کوتاه است.

 

نقشه‌ برداری با پهپاد به نسبت سایر روش‌های نقشه‌برداری دارای مزیت هایی است که در زیر به بخشی از آن‌ها اشاره می‌شود.

 

دقت بالا

 

دقت نسبی و مطلق محصولات تهیه‌شده در این روش وابسته به پارامترهایی نظیر کیفیت و دقت دوربین تصویربرداری، ارتفاع پرواز، دقت تعیین موقعیت ماهواره‌ای و … می‌باشد. با در نظر گرفتن شرایط فوق امکان تهیه نقشه با مقیاس ۱:۲۰۰۰ دقت مسطحاتی 4 cm و ارتفاعی 8 cm میسر شده است.

 

سرعت‌بالا

 

سرعت تهیه نقشه با استفاده از این روش بسیار بالاتر از روش نقشه‌برداری زمینی و فتوگرامتری کلاسیک می‌باشد. با استفاده از این روش بر اساس مقیاس و دقت نقشه مورد نیاز ۴۰ الی ۴۰۰ هکتار در روز تهیه نقشه می‌شود. علاوه بر آن زمان تجهیز کارگاه،زمان دسترسی به نقاط صعب‌العبور، زمان لازم جهت هماهنگی ورود به املاک شخصی و… به‌شدت کاهش می‌یابد.

 

کامل بودن نقشه

 

برداشت جزئیات در این روش به‌صورت یکپارچه، متراکم و یکنواخت می‌باشد. این ویژگی از به وجود آمدن نقص در نقشه و هم‌چنین تغییر میزان تراکم نقاط برداشتی جلوگیری می‌نماید که بنا بر نیاز کارفرما می‌توان ابر نقاط بافاصله 1 سانتیمتر  از منطقه تهیه کرد.

 

محصولات متنوع

 

محصولات تهیه ‌شده از این روش دقت و تنوع بالایی خواهد داشت. ازجمله محصولات خروجی می‌توان به اورتوفتو (عکس قائم) با قدرت تفکیک مکانی بالا، ابر نقاط رنگی متراکم و با جزئیات بالا، مدل سه‌بعدی، تصاویر موزاییک شده از منطقه و زمین موردنظر، نقشه­های مسطحاتی و ارتفاعی در فرمت DWG و … بسته به نیاز کارفرما ، اشاره نمود.

 

امکان تحلیل

 

در این روش تصاویر رنگی با کیفیت بالا از منطقه تهیه می‌شود. این ویژگی می‌تواند امکان تشخیص عوارض با دقت بالا را میسر نماید. هم‌چنین کنترل و بررسی نقشه، امکان اضافه نمودن عوارض نقشه و هم‌چنین تحلیل، با حداقل هزینه میسر می‌شود.

 

تهیه نقشه مناطق صعب‌العبور

 

ازجمله مشکلات پیش­روی روش نقشه‌برداری زمینی عدم دسترسی به برخی مناطق و هم‌چنین عدم امکان استقرار دوربین‌های نقشه‌برداری و عوامل آن می‌باشد که بعضاً منجر به کاهش دقت و کیفیت نقشه در آن مناطق می‌گردد. محدودیت‌های این روش جهت دسترسی به مناطق مذکور بسیار کمتر از دیگر روش‌های متداول می‌باشد.

 

کاربردهای فتوگرامتری پهپاد

 

روش فتوگرامتری پهپاد تقریباً در تمام پروژه‌های تهیه نقشه قابل‌استفاده می‌باشد. ازجمله کاربردهای این روش بدین شرح است:

 

نقشه‌های توپوگرافی

 

با توجه به اینکه اطالاعات برداشتی توسط این روش به‌صورت یکپارچه و یکنواخت است، لذا منحنی های تراز استخراج‌شده از این نقاط نزدیکی بیشتری با توپوگرافی زمین خواهد داشت. هم‌چنین دقت برداشت جزئیات در نقاط شکست، ترانشه ها و سایر عوارض خاص توپوگرافی بسیار بالا خواهد بود.

 

نقشه‌های شهری

 

ورود به املاک، تعیین خط تفکیک آپارتمان‌ها و برداشت عوارض آن‌ها همیشه از مشکلات اصلی تهیه نقشه‌های شهری به روش زمینی بوده است که این محدودیت درروش فتوگرامتری پهپاد به حداقل ممکن کاهش می‌یابد. هم‌چنین امکان تشخیص عوارضی هم چون مبلمان شهری در این روش به ‌سادگی و با دقت بالا صورت می‌گیرد.

 

نقشه‌برداری معدن

 

از تصاویر و نقشه های این روش می‌توان در مطالعات مکان‌یابی و جانمایی طرح های معدنی استفاده نمود. هم‌چنین داده های برداشت شده از این روش، به دلایل ذکرشده می‌تواند معیار دقیق‌تری برای محاسبه حجم عملیات خاک‌برداری، تهیه مقاطع عرضی، تسطیح زمین و یا برداشت و پیاده‌سازی ابنیه و تأسیسات معدنی می‌باشد. در این روش حتی می‌توان نقاط ارتفاعی واقع در پله های استخراج با شیب حدود۹۰ درجه را به‌صورت ابر نقاط برداشت نمود.

 

برداشت کریدوری

 

ازجمله قابلیت‌های این روش برداشت عوارض کریدوری نظیر انواع راه‌ها، خطوط ریلی، آبریزها، کانال‌ها و هم‌چنین تهیه نقشه جهت طراحی این خطوط می باشد.

 

 

 

مدیریت بحران و اهداف تحقیقاتی

 

یکی از سریع‌ترین روش های جمع آوری اطلاعات از مناطق بحرانی در مواقع سیل، زلزله، آتش‌سوزی جهت مدیریت بحران­، محاسبه حجم خسارات و اولویت بندی و برنامه‌ریزی امدادرسانی، جستجو و نجات بازماندگان و… با استفاده از پهپاد می‌باشد. هم‌چنین بهره‌گیری از این تکنولوژی روش مناسبی جهت اهداف تحقیقاتی و مطالعاتی است.

 

دوربین تصویربرداری

 

یکی دیگر از مهمترین وسایلی که بر روی پرنده نصب می شود، دوربین تصویربرداری است. معمولا دوربین برای امور فتوگرامتری از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

 

ساختار ثبت تصویر در یک دوربین تصویربرداری بصورت زیر است.

 

 

 

در نقشه برداری با پهپاد از چه دوربین هایی می توان استفده نمود.

در مبحث پهپاد فتوگرامتری نیازی به تهیه و استفاده از دوربین هایی که با عنوان «متریک» آنها را می شناسیم نیست. شما می توانید از اکثر دوربین های دیجیتال برای این امر استفاده نمایید. دوربین های دیجیتالی که امروزه در دست عموم مردم به وفور یافت می شود. همین امر نیز برای بحث فتوگرامتری برد کوتاه صادق است. اما یک دوربین تصویربرداری چه ویژگی هایی باید داشته باشد تا بتوانیم به دقت و نتیجه بهتری دست پیدا کنیم؟

 

انواع دوربین های تصویربرداری در فتوگرامتری

به طور کلی و از یک نوع دسته بندی دوربین های دیجیتال را به سه دسته متریک، نیمه متریک و غیر متریک می توان تقسیم بندی نمود.

دوربین های متریک

معمولا دوربین هایی هستند که جنس بدنه مقاومی دارند. یعنی شرایط محیطی مثل گرما و سرما (انقباض و انبساط) بر روی آنها تاثیری نمی گذارد. علاوه بر این ابعاد سنسور آنها در قطع فول فریم است. یعنی ابعاد هر پیکسل به نسبت سایر دوربین ها بزرگتر بوده و این خود به رسیدن به تصاویری با نور کافی و وضوح بالا کمک می کند. علاوه بر این معمولا دوربین های متریک از لنزهایی با فاصله کانونی ثابت استفاده می کنند. در ساخت این لنزها از یک عدسی استفاده می شود و این عدسی نیز از بهترین جنس بوده و برش آن با بالاترین دقت انجام می شود. همه این موارد به داشتن تصویری با شارپنس بالا (وضوح بالا) و اعوجاج پایین (چیزی که ما در فتوگرامتری به دنبال آن هستیم) کمک می کند. همچنین وجود چنین لنزهایی سبب می شود که پارامترهای کالیبراسیون معمولا در طول زمان ثابت بوده و تغییرات زیادی نداشته باشد. البته باید خاطرنشان کرد اصطلاح متریک بیشتر برای دوربین های آنالوگ که ویژگی های خاص دیگری داشتند به کار گرفته می شد. امروزه با انتخاب صحیح بدنه و لنز می توان به دوربین هایی نظیر دوربین های متریک دست یافت.

 

دوربین های نیمه متریک

 

اصطلاح نیمه متریک به نوعی برگرفته از دوربین های متریک است. برای داشتن یک دوربین نیمه متریک یا دوربینی که تا حد زیادی به دوربین های متریک نزدیک باشد کافی است که از یک بدنه مناسب به همراه یک لنز با فاصله کانونی ثابت استفاده کنیم. می توان با بهره گیری از دوربین هایی که امروزه در دو قطع فول فریم و هاف فریم (Half Frame or APS-C) در بازار وجود دارند به همراه یک لنز با کیفیت با فاصله کانونی ثابت استفاده کرد و یک دوربین در حد متریک را ایجاد نمود.

 

دوربین های نیمه متریک

 

اصطلاح نیمه متریک به نوعی برگرفته از دوربین های متریک است. برای داشتن یک دوربین نیمه متریک یا دوربینی که تا حد زیادی به دوربین های متریک نزدیک باشد کافی است که از یک بدنه مناسب به همراه یک لنز با فاصله کانونی ثابت استفاده کنیم. می توان با بهره گیری از دوربین هایی که امروزه در دو قطع فول فریم و هاف فریم (Half Frame or APS-C) در بازار وجود دارند به همراه یک لنز با کیفیت با فاصله کانونی ثابت استفاده کرد و یک دوربین در حد متریک را ایجاد نمود.

 

دوربین های غیرمتریک

 

دوربین های غیر متریک معمولا به دوربین های کامپکت خانگی اتلاق می شوند که با هر بار روشن و خاموش کردن لنز به بیرون و داخل هدایت می شود. یکی از مزایای دوربین های نیمه متریک نسبت به غیرمتریک ها همین مورد است. یعنی در لنزهایی که بر روی دوربین های نیمه متریک سوار می شود می توان فاصله کانونی را ثابت نگه داشت. و حتی می توان دوربین را با یک فاصله کانونی خاص ثابت کرد و آن را کالیبره نمود. اما در دوربین های خانگی به دلیل زوم بودن لنزها و تغییر وضعیت آنها با هر بار روشن و خاموش کردن دوربین، نمی توان انتظار داشت که وضعیت هندسی عدسی ها در یک فاصله کانونی خاص در دو مرحله با هم یکسان باشد. یعنی با هربار روشن و خامون کردن دوربین وضعیت عدسی ها به هم ریخته و تغییر می کند. این امر باعث می شود تا پارامترهای کالیبراسیون چنین دوربین هایی ثابت باقی نماند. علاوه بر این موارد در ساخت چنین دوربین هایی از عدسی ها کم کیفیت استفاده شده که باعث اعوجاجات بسیار زیاد در تصاویر می شود. همچنین کیفیت پایین لنز و سنسور در این دوربین ها منجر به ثبت تصاویر کم کیفیت و اعوجاج داری می شود که از نظر فتوگرامتری چنین تصاویری قابل قبول نیستند.

 

عوامل موثر دیگری در انتخاب یک دوربین جهت تصویربرداری هوایی با هدف تولید نقشه وجود دارد که می توان آنها را به صورت زیر بر شمرد.

وزن قابل حمل پرنده

دقت داشته باشید هر پرنده ای نمی تواند هر نوع دوربینی را از روی زمین بلند کند. در زمان ساخت پرنده ها میزان وزنی که یک پرنده می تواند از زمین بلند کند بصورت خیلی دقیق طراحی و محاسبه می شود. پس هرچقدر دوربین سبکتر باشد فشار کمتری به پرنده وارد شده و این خود باعث می شود که مدت زمان پروازی پرنده بیشتر شود.

ارتفاع پرواز

یکی دیگر از فاکتورهای انتخاب دوربین ارتفاع پرواز است. بدین معنی که باید بدانیم که معمولا قرار است در چه ارتفاعی پرواز صورت گیرد. اگر در ارتفاعات پایین (۱۰۰ و کمتر از آن) پرواز انجام می شود نیازی به استفاده از دوربین های گران قیمت نیست. اما اگر در ارتفاع بسیار زیاد نظیر ۴۰۰متر و بالاتر پرواز صورت می گیرد بهتر است از دوربینی استفاده شود که در آن ارتفاع وضوح تصویر بهتری به شما بدهد.

مقیاس و دقت مورد نیاز

بطور کلی مقیاس نقشه مورد نظر، ارتفاع پرواز، نوع دوربین، پوشش های طولی و عرضی و بسیاری دیگر از پارامترها را مشخص می کند.

سرعت پرواز پرنده

باید بدانیم که معمولا قرار است پرنده ما با چه سرعتی پرواز کند. این امر در هنگام استفاده از هواپیماها بسیار حساس می شود. برای مثال اگر سرعت پرنده زیاد و قرار باشد در ارتفاع پایین تصویربرداری انجام پذیرد، باید از دوربینی استفاده شود که بتواند هر یک ثانیه تصویربرداری کند. قابلیت تصویربرداری در هر ثانیه در اکثر دوربین ها وجود ندارد. به همین دلیل می بایست فاکتور سرعت پرواز را مد نظر داشت.

بطور کلی نمی توان برای هر پروژه یک دوربین خاصی را در نظر گرفت. زمانی که شما از یک پرنده خاص استفاده می کنید نهایتا می توانید از یک و در برخی موارد دو دوربین بسته به پروژه های مختلف استفاده کنید. پس اگر دوربین بصورت پک بر روی پرنده شما وجود نداشت و قصد داشتید که یک دوربین برای پهپاد خود انتخاب کنید حتما به فاکتورهایی که بیان شد دقت نمایید.

پرنده های مورد استفاده در نقشه برداری با پهپاد

عموما برای تصویربرداری هوایی جهت تولید نقشه از دو نوع پرنده استفاده می شود. دسته اول مولتی روتورها (عمود پروازها) و دسته دوم هواپیماها (بال ثابت ها) می باشند. هر کدام از این دو دسته موارد استفاده خاص دارند که در ادامه مزایا و معایب هرکدام را بررسی می کنیم.


مولتی روتور

از آنجایی که در ساخت چنین پرنده هایی از تعدادی موتور (روتور) استفاده شده است به آنها مولتی روتور گفته می شود. برای چنین پرنده هایی حداقل ۴ موتور درنظر گرفته می شود. عمود پروازهای دیگری هم وجود دارند که شش، هشت، ده موتور و یا بیشتر دارند. بطور کلی دو نوع عمود پرواز در بازار وجود دارد. یک مدل پرنده هایی هستند که بصورت پک شده و آماده پرواز هستند. یعنی تمامی قطعات و حتی دوربین تصویربرداری نیز بر روی آنها نصب شده و از کارخانه سازنده بصورت یک پک کامل به بازار وارد می شوند. از پر فروش ترین نوع این پرنده ها می توان به پرنده های کمپانی DJI چین اشاره کرد.

دسته دوم پرنده هایی هستند که در شرکت های خدمات پروازی مونتاژ می شوند. یعنی بسته به کاربرد شما یک پرنده طراحی شده، قطعات خریداری می شوند و توسط یک متخصص مونتاژ می شوند.

از مزایای عمودپروازها می توان به عدم نیاز به باند نشست و برخاست، کنترل راحت تر پرنده و دوربین جهت تصویربرداری و فیلمبرداری و همچنین مناسب جهت مناطق کوچک اشاره کرد. اما مدت زمان پروازی کم (حدودا ۱۵ دقیقه) از معایب چنین پرنده هایی می باشد.

هواپیما

دسته دوم از پرنده های بدون سرنشین هواپیماها یا بال ثابت ها هستند. در ساخت این پرنده ها از یک موتور استفاده می شود. از آنجایی که تنها یک موتور در ساخت هواپیماها بکار می رود مصرف باتری به شدت کم شده و به مدت زمان پروازی اضافه می شود. نکته ای که در رابطه با هواپیماها وجود دارد این است که معمولا از هواپیماها برای مناطق وسیع استفاده می شود. زیرا فراهم کردن مقدمات کار جهت پرواز یک هواپیما کمی پیچیده تر از یک مولتی روتور است. این مقدمات شامل اخذ مجوزهای لازم، درنظر گرفتن یک محوطه آزاد جهت نشست و برخاست پرنده و در برخی موارد تجهیز سیستم پرواز به یک آنتن فرستنده و گیرنده قوی جهت ارتباطات دور با پرنده است. به همین دلیل بهتر است از هواپیماها برای مناطق وسیع استفاده شود که بتوان با یک پرواز ۴۵ دقیقه ای یا یک ساعته، منطقه ای در حدود چندصد هکتار را تصویربرداری کرد. در ساخت هواپیماها معمولا بدلیل فضای کم موجود در بدنه از مانت های (گیمبال های) تک محوره استفاده می شود. علاوه بر این در برخی هواپیما از جی پی اس های دقیق نظیر سیستم های RTK یا PPK استفاده می شود.

نکته دیگری که در ساخت و استفاده از هواپیماها باید مد نظر قرار داد این است که بدلیل سرعت بالای پرنده نسبت به مولتی روتورها باید از دوربین هایی استفاده شود که بتوانند در سرعت های بالا پشت سر هم شات زده و تصاویر واضحی اخذ کنند. هر دوربینی چنین قابلیتی ندارد. معمولا در دوربین های ساخت کمپانی فوجی فیلم می توان از این مدل دوربین ها را یافت.

بطور کلی مواردی که باید در انتخاب پرنده مناسب جهت نقشه برداری با پهپاد مد نظر داشت به قرار زیرند:

مدت زمان پرواز پرنده

نوع کاربرد (شهری، غیرشهری و …)

وسعت مناطقی که بطور معمول توسط شما نقشه برداری می شوند.

سهولت در کنترل پرواز پرنده

سهولت در حمل و نقل و استفاده

قیمت پرنده

خدمات پس از فروش و پشتیبانی کامل

کیفیت قطعات

 

طراحی مسیر پرواز

پس از انجام بررسی های مختلف جهت تهیه پرنده مناسب یکی از موارد مورد نیاز در آموزش نقشه برداری با پهپاد، طراحی مسیر یا رن های پروازیست. پس در بخش پرواز علاوه بر آگاهی جزئی از قطعات و پرنده می بایست به نرم افزارهای طراحی رن های پروازی و کنترل پرنده نیز مسلط بود. امروزه اپلیکیشن های مختلفی برای این امر وجود دارد. با روی کار آمدن پرنده هایی نظیر فانتوم ۴ پرو که با اپلیکیشن های مختلفی کار می کنند تصویربرداری هوایی با پهپادها بسیار ساده شده است. از نمونه های این اپلیکیشن ها می توان به pix4dcapture، drone deploy، GS pro و … اشاره نمود.

 

 

بخش دوم: پردازش تصاویر و تهیه نقشه

پس از آنکه تصویربرداری به پایان رسید، می بایست آنها را پردازش کرد و از محصولات بدست آمده نقشه های مورد نیاز را تولید نمود. همانطور که بیان شد، با روی کار آمدن نرم افزارهای پردازش اتوماتیک تصاویر، انقلاب بزرگی در علم فتوگرامتری و روند تهیه نقشه اتفاق افتاد. از آنجایی که تعداد تصاویر اخذ شده توسط سامانه پهپاد نقشه برداری برای یک منطقه مشخص به مراتب خیلی بیشتر از فتوگرامتری هوایی است، طبیعتا زیاد به صرفه نیست که از روش ها و نرم افزارهای فتوگرامتری هوایی برای تبدیل تصاویر به نقشه استفاده نمود.

بطور کلی روند پردازش تصاویر و تهیه نقشه بصورت زیر است:

بررسی اجمالی و فیلترینگ تصاویر نامناسب

بعد از آنکه تصاویر از منطقه اخذ شد بهتر است قبل از پردازش یک بررسی اجمالی بر روی آنها صورت گیرد. در این بررسی می توان تصاویر را از نظر زوایای آنها، کشیدگی و لرزش تصاویر، وضوح تصویر و … بررسی نمود. بهتر است تصاویر نامناسب را بدلیل آنکه بر روی تصاویر مجاور خود تاثیر منفی می گذارند از روند پردازش حذف نمود.

 

 

پردازش اتوماتیک تصاویر و تهیه محصولات مختلف

بعد از آنکه یک دسته تصاویر مناسب مهیا شد، می توان آنها را به صورت نیمه اتوماتیک پردازش کرد. عبارت نیمه اتوماتیک به این دلیل به کار می رود که در روند پردازش تا رسیدن به محصولات اپراتور تبدیل نیز دخیل بوده و در برخی موارد ویرایش های لازم را انجام می دهد. بطور کلی روند پردازش تصاویر در سیستم پهپاد فتوگرامتری بصورت زیر است:

وارد نمودن تصاویر به نرم افزار و بررسی کیفیت آنها

انجام توجیه نسبی اتوماتیک تصاویر

معرفی نقاط کنترل و اعمال اثر آنها به مدل اولیه

تولید ابر نقاط متراکم

ویرایش ابرنقاط متراکم

تولید سطح یا مش (Mesh)

پروجکت نمودن بافت واقعی منطقه بر روی سطح (مش) بدست آمده

تولید ارتوفتو

تولید DEM

ایجاد منحنی های میزان

 

لازم به ذکر است که در مرحله پردازش تصاویر بدلیل آنکه حجم محاسباتی نرم افزار بسیار بالاست، می بایست از سیستم های کامپیوتری قوی استفاده نمود. معمولا جهت پردازش به RAM و CPU قوی احتیاج است. حتی بدلیل آنکه در برخی موارد کامپیوتر مورد نظر ممکن است به مدت چندین روز پیاپی در حال پردازش باشد بهتر است از سیستم های خنک کنندگی (فن) قوی برای کیس کامپیوتر استفاده شود. همچنین توصیه می شود جهت پردازش بجای استفاده از لپ تاپ از سیستم های PC استفاده نمایید. زیرا این سیستم ها از قطعات سخت افزاری قوی تری نسبت به لپ تاپ برخوردارند و قدرت خنک کنندگی بالاتری دارند.

معمولا برای شروع به یادگیری و همچنین راه اندازی این سیستم می توان از سیستم های کامپیوتری با میزان رم ۶ یا ۸ گیگابایت استفاده نمود. اما به مرور زمان و با پیشرفت شرایط کاری بهتر است سیستم کامپیوتری خود را قوی تر کرده تا سرعت پردازش های شما بالاتر رود.

انجام ویرایش های نهایی

از آنجایی که محصولات بدست آمده از سامانه پهپاد نقشه برداری شبیه داده های معمول نقشه برداری نیست می بایست راه هایی را برای تبدیل این محصولات به نقشه های معمول در نظر گرفت. برای مثال اینکه چطور بتوان حجم ابرنقاط متراکم را کم کرد و از آنها جهت تولید منحنی های میزان در نرم افزارهایی مثل Civil 3D استفاده نمود، و یا اینکه چطور از ارتوفتوی بدست آمده ترسیمات مسطحاتی را انجام داد و در نهایت یک نقشه کامل را تولید نمود کارهایی است که در این قسمت انجام می پذیرد.

 

بررسی روند اجرایی تهیه نقشه با استفاده از سامانه پهپاد نقشه برداری

 

 

محدودیت های سامانه پهپاد نقشه برداری

طبیعی است که هر سامانه ای مزایا و محدودیت هایی داشته باشد. پهپاد فتوگرامتری نیز از این قضیه مستثنی نبوده و در عین حال که مزایای بسیاری دارد، محدودیت هایی نیز به همراه دارد. بطور کلی محدودیت های این سیستم را می توان بصورت زیر درنظر گرفت:

عدم امکان استفاده در مناطق جنگلی و درختان انبوه

عدم امکان استفاده در رودخانه ها، دریاچه ها و دریاها

حساسیت به کارگیری در نقاط مرزی

 

برای انجام عملیات فتوگرامتری با پهپادها دو روش دقیق وجود دارد: روش RTK و روش  PPK

 

فناوری تعیین مختصات مکانی PPK & RTK

 

 

روش نقشه برداري RTK

 

 

تعریف

 

روش نقشه برداري RTK یکی از جالبترین اختراعات در زمينه تعيين موقعيت نسبي است كه در آن دو گيرنده براي جمع آوري همزمان با مشاهده فاز، به وسيله راديو به هم مرتبط مي شوند. اين روش در تمامي تعيين موقعيتهاي دقيق همچون كاداستر، پيمايش، ناوبري،mapping mobile  و... قابل استفاده است RTK فرايندي است که در آن تصحيحهای سيگنال GPS به صورت آني از يک ايستگاه گيرنده مرجع با موقعيت معلوم، براي يک يا چندين گيرنده متحرک فرستاده ميشود. به اين معنا كه با استفاده از مشاهدههای كوتاه مدت امكان تعيين موقعيت دينامیك )تعيين موقعيت در حال حركت بين ايستگاهها ( فراهم شده و با استفاده از سيگنالهاي فاز حامل موقعيت مكاني ايستگاه سيار با  صحتی در حد چند سانتيمتر تعيين ميگردد. در حقيقت در روش RTK با استفاده از يک گيرنده ثابت GPS به نام Base  که بر روي يک ايستگاه با مختصات معلوم مستقر شده است، خطاهاي دیداری آشکارسازي مي شوند و از طريق يک آنتن راديويي به گيرنده هاي متحرک(Rover) ارسال مي شوند و آن گيرنده ها با اعمال تصحيح به مشاهده های خود موقعيت دقيق محل خود را مشخص مي نمايند.  با استفاده از RTK در سيستم GPS قادر خواهيم بود خطاي اتمسفري و خطاي مداري و خطاهاي ديگر را به مقدار چشمگيري کاهش دهيم که این امر سبب افزايش صحت تعيين موقعيت real-time در حد سانتيمتر مي شود. بنابراين هر جا که دقت بالا مورد نياز باشد مي توان از روش RTK استفاده کرد. RTK  با استفاده از سيگنال فاز حامل، امکان اعمال تصحيحهای تفاضلي براي ايجاد دقت بسيار  بالا در تعيين موقعيت را فراهم مي‌کند.

 

اجزاء

 

RTK شامل سه بخش است: ایستگاه زمینی ، یک یا چند ROVER (گیرنده رادیویی متحرک)، و یک کانال ارتباطی.

 

عملکرد

 

 

 

مزایا

 

از مزایای استفاده از RTK می توان به مواردی از قبیل :

 

پوشش کامل منطقه

دسترسی به دقت سانتی متری در حداقل زمان ممکن

به حداقل رساندن وابستگی دقت تصحیحات به فاصله گیرنده از ایستگاه اصلی

دستیابی به دقت یکنواخت در نقاط داخل شبکه

نیاز به ایستگاه اصلی کمتر و درنتیجه کاهش هزینه

کاهش تعداد short line و بهبود صحت بسته شدن شبکه های نقشه برداری

توانایی اتصال به نقاط کنترل بسیار دور ،که در شرایط عادی غیر ممکن به نظر می رسد

توانایی برداشت آسان مرزهای طبیعی نامنظم به عنوان یک عملیات کنترلی بسیار دقیق

به کارگیری سریع و آسان توسط نقشه برداران

خطاهای گیرنده به کمترین حد می­‌رسند

خطاهای جوی به کمترین حد می­‌رسند.

 

معایب

 

ابهام فاز حامل باید با سعی و خطا حل شود.

مناسب نبودن برای همه افراد

گران بودن تجهیزات

عدم ثبت اطلاعات در صورت قطع ارتباط با ایستگاه زمینی

 

روشهای محاسبه تصحیحات و مقایسه آنها در تعیین موقعیت آنیRTK:

 

تصحیحات بلافاصله پس از مشاهده همزمان ایستگاههای اصلی و گیرنده متحرک قابل محاسبه است.

 

این فرایند به مراحل زیر قابل تفکیک است:

 

مشاهده همزمان ایستگاه سیار و ایستگاههای ثابت شبکه از دسته ای از ماهواره های یکسان

حل ابهام فاز حامل توسط سرور مرکزی

تولید تصحیحات شبکه توسط سرور و ارسال به ایستگاه سیار

محاسبه مختصات دقیق با استفاده از تصحیحات توسط ایستگاه سیار'

 

کاربردهای RTK

 

هرفعالیتی که به نوعی با اندازه گیری فاصله و زاویه و همچنین موقعیت یک نقطه سروکار دارد در قلمرو RTK جای می گیرد که از آن جمله می توان به موارد ذیل اشاره داشت :

 

نقشه برداری پایه : تولید اطلاعات نقشه های پایه مانند اندازه گیری نقاط کنترل  عکسهای هوایی در فتوگرامتری، کنترل محاسبات مثلث بندی ، کنترل روند تبدیل ، ایجاد نقاط مبدا و همچنین بروز رسانی نقشه های تولید شده، مطالعات ژئودزی نظیر برآورد پارامترهای مسیر ماهواره ها و تعیین مدلهای یونیسفری و تروپوسفری

تولید مدل رقومی ارتفاعی

عمران- راه و ساختمان : پیاده سازی سازه ها و ابنیه فنی مانند پلها – مرکز خیابانها و اتوبانها و کنترل رقوم پروژه

امور شهری: برداشت عوارض نقطه ای و مبلمان شهری و پیاده سازی آنها در محیط GIS ، پیاده سازی و یا برداشت کانالها و مجاری عبور شبکه برق و آب و گاز، پیاده سازی هر گونه ابنیه فنی شهری، ایجاد و برداشت محدوده های شهری، برداشت مکانی پروژه های Street View

کاداستر: برداشت حدود اراضی، مونیتورینگ کاربری اراضی

کشاورزی: تسطیح زمینهای بزرگ و پیاده سازی مسیر زهکشی در کشاورزی مکانیزه

ناوبری اتوماتیک: سرویسهای LBS جهت آمبولانس، آتش نشانی، تریلرهای ترانزیت بار و…

میکروژئودزی: مونیتورینگ ارتعاش سازه ها و ساختمانهای بزرگ ، رفتار سنجی گسلها

 

PPK چیست ؟

 

 

PPK عبارتست از روشی که در آن اطلاعات موقعیتی پس از پرواز پردازش می شود، داده ها در هواپیما ثبت و پس از کامل شدن عملیات پرواز، با داده های بدست آمده از ایستگاه مبنا ترکیب می شوند. به عنوان یک نتیجه، در اثر قطع ارتباط رادیویی، داده ها و راه اندازی اولیه، در معرض ریسک نخواهند بود. پروسه پردازش مشابه  RTK است، اگرچه PPK  اندکی کامل تر است، چرا که داده ها را چندین بار به جلو و عقب ردیابی می کند تا نتایج جامع تری را ارائه کند. به عبارت دیگر در این روش تصحیحات بعد از مرحله عکسبرداری بر روی مختصات اعمال می گردد ؛ بنابراین زمانی که نوبت به بررسی نتایج با نقشه برداری هوایی می رسد، PPK  می تواند قابلیت اطمینان و دامنه بیشتری از ایستگاه مبنا را، با هدف ارائه انعطاف پذیری بیشتر به کاربران، محقق سازد.

 

مقایسه روش RTK با PPK

 

در روش RTK علاوه بر نیاز به یک ایستگاه ثابت بر روی زمین , نیاز است این ایستگاه بر روی یک نقطه کنترل با مختصات معلوم قرار داشته باشد و همان طور که گفته شد باید به یک فرستنده تصحیحات نیز مجهز باشد. مشکل زمانی نمایان می شود که باید این ایستگاه ثابت در کل مدت زمان عکسبرداری هوایی مستقر باشد. این مسئله به نوبه خود دارای چند وجه است یکی از آنها به اندازه منطقه عکسبرداری و قدرت ارسال کننده های تصحیحات بستگی دارد. شما فرض کنید قصد دارید نقشه هوایی یک منطقه با ابعاد 100 در 100 کیلومتر را تهیه نمایید . از طرفی قدرت رادیو مودم ایستگاه GPS شما به عنوان مثال 35 وات است با احتساب هر وات یک کیلومتر سیستم شما قادر است اطلاعات مربوط به تصحیحات را به فاصله حدودا 35 کیلومتری ارسال کند. این بدان معناست که اگر ایستگاه ثابت را در بهترین شرایط و در وسط منطقه قرار دهیم باز پرنده در حین عملیات در حاشیه های منطقه عکسبرداری ارتباطش با ایستگاه ثابت قطع می گردد که برای جبران این محدودیت باید از ایستگاه ثابت در چندین قطعه جدا از هم استفاده شود و به نوعی منطقه عکسبرداری را به چند بخش تقسیم نموده و عملیات را انجام داد. اما در روش PPK با چنین محدودیت هایی رو به رو نخواهیم بود زیرا در این روش تصحیحات بعد از مرحله عکسبرداری بر روی مختصات اعمال می گردد. البته در روش PPK نیز به یک ایستگاه ثابت در روی زمین نیاز است اما فقط یک ایستگاه کفایت می کند و به عنوان مثال با مشکل اندازه منطقه عکسبرداری و قدرت ارسال کننده های تصحیحات مواجه نمی شویم. همچنین در روش PPK با ادغام داده های رفت و برگشتی در حین عکسبرداری می توان به یک میانگین معتبرتر دست یافت.  در نهایت می توان گفت امروزه هدف اصلی در تصویر برداری با  پهپادها کاهش نقاط کنترل زمینی است که این امر می تواند با تکنیک های مختلف تعیین موقعیت خود ایستگاه زمینی بدست آید و کمپانی های سازنده سعی می کنند تا راهکار های سریع تر و بهینه تری جهت حصول به این هدف اتخاذ کنند.

 

 

پهپادهای گروه صنعتی فرابرد مورد استفاده در صنعت فتوگرامتری

 

پهپادهای ساخت گروه صنعتی فرابرد که در صنعت فتوگرامتری استفاده می شوند شامل دو گروه است. گروه اول خانواده پهپادهای استورم است که در صنعت فتوگرامتری برای فتوگرامتری برد کوتاه ( close range ) مورد استفاده قرار می گیرند. این پهپادها شامل سه پهپاد با نام های استورم 1، استورم2، استورم 3 می باشد. گروه دوم پهپاد دُرنا  می باشد. این پهپاد از نوع پهپادهای بال ثابت و عمودپرواز برد بلند و بلند پرواز می باشد. از این پهپاد در صنعت فتوگرامتری برای استفاده در ابعاد بسیار زیاد استفاده می گردد. این پهپاد پیشرفته  با قابلیت پرواز در ارتفاع پایین و بالا ؛ قابلیت حمل انواع سامانه های صنعت فتوگرامتری با دقت بالا ، توانسته نیاز صنعت فتوگرامتری را به یک پهپاد کاربردی برآورده سازد. پهپاد درنا با مداومت پروازی 60 دقیقه ای و پرواز در ارتفاع موررد نظر  بیش از هر پهپاد دیگر در صنعت نقشه برداری، می تواند کاربردی باشد.

 

برای آشنایی بیشتر با محصولات و پهپادهای مورد استفاده در صنعت فتوگرامتری ساخت گروه صنعتی فرابرد می توانید به صفحه محصولات مراجعه بفرمایید.