پهپادهای مناسب برای عکسبرداری هوایی

تصاویر هوایی تهیه شده از طریق پرنده های بدون سرنشین، با وارد عمل شدن بسیاری از تولیدکنندگان تجهیزات، توسعه دهندگان نرم افزار، و ارائه دهندگان خدمات، فناوری روز محسوب می شوند. در این مقاله Richard Groom به مرور این فناوری به روز پرداخته، توصیه هایی را برای مشتریان فراهم آورده و قوانین تنظیمی را شرح می دهد.

بررسی دقیق تر

عکسبرداری از طریق پهپادها (UAVها، UASها، UA) اساساً برای اهداف بازرسی و نقشه برداری مورد استفاده قرار میگیرد. در ارتباط با اهداف بازرسی، پهپادها از زاویه ای به عوارض می نگرند که از طرق دیگر با هزینه بسیار زیادی قابل دسترسی بوده، به عنوان مثال از طریق احداث داربست، و یا با خطرات ایمنی و سلامت همراه است. پهپادهای هلیکوپتری برای استفاده در این کاربردها فوق العاده هستند، چرا که می توانند در نزدیکی عارضه تحت مطالعه بطور شناور باقی مانده و معمولاً قادر به حمل دوربین های با کیفیت تری هستند. برخی از آنها قابلیت ارسال تصاویر به یک کنترل گر بصورت آنی را نیز دارند. بازرسی از سقف، با صرفه جویی فوق العاده در زمان و هزینه و با تعمیرات و نگهداری هدفمند و شناسایی مسائل پیش از بروز مشکلات جدی، در حال تبدیل به یک کاربرد محبوب است. برای کار بازرسی، محصولات نهایی تصاویر هستند.

تصویربرداری برای تهیه نقشه

این مقاله بر بکارگیری پهپادها در تهیه نقشه تمرکز خواهد داشت، جایی که تصاویر ابزاری برای تهیه محصولات نقشه ای هستند. برای شروع، بررسی تصویربرداری پهپادی در پس زمینه تاریخی آن خالی از لطف نخواهد بود. تا سال ۲۰۰۰، برای نقشه برداری از یک منطقه با مساحتی بیش از ۵۰ هکتار، فناوری مورد انتخاب فتوگرامتری بود. تصویربرداری هوایی قائم بصورت پوشش دار، از طریق پرنده های سبک خاص که دوربین های متریک کالیبره شده گران قیمت و سنگینی را حمل می کردند، انجام می شد.

این متخصصین در حوزه فتوگرامتری را قادر به ساخت مدل های سه بعدی مجازی می نمود. نقشه برداران باید روی زمین مختصات و ارتفاع نقاط ظاهر شده در تصاویر را نقشه برداری می نمودند تا امکان دوران و مقیاس دهی به مدل ها بر اساس سیستم مبنای مختصات ملی فراهم شود. این روش هنوز برای نقشه برداری از طریق تصاویر هوایی قائم تهیه شده توسط پرنده های بال ثابت، بکار گرفته می شود. روش همان است اما اکنون فناوری به ما عکسبرداری رقومی و نرم افزار انطباق پیکسلی را عرضه داشته است که قادر به ساخت خودکار مدل های سطحی سه بعدی و تصاویر قائم هستند. ساختار حرکتی اصطلاح جدیدی در حوزه مدل سازی تصویری سه بعدی است، اگرچه این اساساً بر قدرت فتوگرامتری تکیه دارد.

امروزه، تعیین موقعیت ماهواره ای از طریق پیکربندی های چندگانه قادر به حل مساله موقعیت پرنده در هنگام تهیه هر تصویر به صورت سه بعدی است، که نیاز به نقاط زمینی را کاهش داده و یا از بین می برد. این یک اقدام پر هزینه و عظیم است که شما را قادر به پرواز بر فراز مناطق بزرگ و پردازش و تهیه خروجی ها با سرعت بسیار بالا می کند. شرایطی نیز وجود دارند که فتوگرامتری از طریق تصویربرداری ماهواره ای استریو مناسب تر خواهد بود. با بکارگیری پهپادها برای تصویربرداری از مناطق کوچک، و تصاویر قائم حاصل، می توانیم از همان تکنیک استفاده کنیم. تمامی قوانین ذکر شده در بالا برای هواپیماها در این مورد نیز صدق نموده و همانند آنها برخی سیستم ها با GNSS از رده نقشه برداری برای حل مساله موقعیت پرنده در هر عکسبرداری مجهز شده اند. بدون این امکانات، نقاط کنترل زمینی برای دست یابی به نتایج با سطح دقت سانتیمتر باید از طریق نقشه برداری تهیه شوند. پهپادها قادر به حمل یک بار سبک هستند، بنابراین امکان بکارگیری دوربین های متریک کالیبره شده بزرگ در مورد آنها وجود ندارد.

برای غلبه بر این مشکل، دوربین های کالیبره شده کوچکی در بازار موجودند، اما استفاده از دوربین های ارزان قیمت و کالیبره نمودن آنها از طریق داده های تصویری مشاهده شده در طول پرواز، رویه ای معمول تر است. تقریباً برای تمام پروژه ها، به جز موارد بسیار کوچک، باید یک برنامه پروازی برای هدایت پرنده در یک مسیر و تهیه عکس ها به نحوی که پوشش و همپوشانی های مورد نیاز را ایجاد نمایند، وجود داشته باشد. پرنده های بال ثابت برای انجام چنین عملیاتی مناسب هستند. آنها زمان پرواز بیشتری نیز دارند که امکان پوشش مناطق بزرگتر در هر پرواز را فراهم می آورد. اما پهپادهای هلیکوپتری را نیز می توان برای پرواز با همین شرایط برنامه ریزی نمود، قابلیت انعطاف ارائه شده توسط این پرنده ها برای انجام امور مرتبط با نقشه برداری و بازرسی با یک پرنده، آنها را از نقطه نظر تجاری جالب توجه تر می کند.

پهپادها تنها می توانند در شرایط بادی ملایم پرواز کنند و به نظر می رسد که نرم افزارهای انطباق تصاویر، عوارض درخشانی نظیر سقف های دارای پوشش فلزی قرار گرفته در معرض نور خورشید را دوست نداشته باشند. مشکل پوشش گیاهی را تا حدودی می توان با پرواز در زمستان کاهش داد. فراموش نکنیم که یک عیب بزرگ در ارتباط با تصویربرداری با پهپادها وجود دارد و آن قوانین محدود کننده مرتبط با این پرنده هاست. برای بکارگیری پهپادها در کارهای هوایی تجاری، به آموزش رسمی نیاز است، که تا حدودی نامانوس است، چرا که اگر هدف از وضع مقررات حفظ ایمنی باشد، قطعاً تمامی راهبران پهپادی (بدون استثنا) باید از آن پیروی کنند. در ارتباط با اینکه پهپادها در چه مناطقی قابل بکار گرفته شده هستند نیز قیود و قوانین مهمی وجود دارد. حفظ حریم شخصی و حفاظت از داده ها نیز مشکلات دیگر هستند، اگرچه بسیار عجیب به نظر می رسد که با وجود اینکه برای پروازهای عکسبرداری از طریق یک پرنده هدایت شونده نیازی به کسب اجازه از ساکنان منطقه نیست، اما مالکان در هنگام مشاهده یک پهپاد در حال پرواز بر فراز مایملکشان، رفتاری منفی از خود بروز می دهند. موارد ذکر شده در فوق را می توان از طریق دو سکوی پهپادی بال ثابت و یا هلیکوپتری به انجام رساند، اگرچه انواع دیگری نیز وجو داردند، به عنوان مثال عکسبرداری دستی که در آن تصاویر با پوشش های لازم و به ترتیبی تهیه می شوند که قابل استفاده برای تولید مدل های سه بعدی باشند. در حقیقت، تصویربرداری دستی می تواند با تصاویر تهیه شده از طریق پهپاد ترکیب شود، خصوصاً اگر یک دوربین برای هر دو مرحله مورد استفاده قرار گیرد.

تهیه نقشه از تصاویر هوایی

فتوگرامتری در گذشته یک پروسه دستی بوده است. هندسه همپوشانی فتوگرامتری در یک ماشین ترسیم تکرار می شد تا اپراتور قادر به دیدن همپوشانی هر مدل بصورت سه بعدی، مقیاس نمودن آن و همسطح نمودن آن با نقاط کنترل زمینی، و سپس ردیابی جزئیات و دنبال کردن منحنی های میزان در سطح مدل باشد. محصول معمول تصویربرداری پهپادی تصاویر قائم و یک مدل سطحی رقومی بدست آمده از نرم افزار پیشرفته ای است که قادر به منطبق نمودن الگوهای پیکسلی در همپوشانی ها و تنظیم هر مدل بصورت تحلیلی است. این نه بطور کامل، اما در ابعاد وسیعی، یک پروسه ناشناخته (معادل یک جعبه سیاه) است. مدل سطحی رقومی (DSM) مدل سطحی است که در تصاویر قابل مشاهده است. اگر در نتیجه وجود ساختمان ها، درختان و یا علف، زمین قابل دیدن نباشد، در اینصورت مدل تهیه شده مربوط به پوشش گیاهی و نه زمین خواهد بود. تهیه نقشه از طریق تصاویر پهپادی برای زمین های خالی (بایر) مانند معدن، و سقف ساختمان ها ایده آل خواهد بود، و نه در صورتی که بخواهید مدل زمین خالی مربوط به ساحل رودخانه که پوشیده از بوته و خار است را تهیه نمایید. برخی تولیدکنندگان نرم افزار، مدل سازی سطحی را به عنوان یک خدمت برخط ارائه می دهند، سایرین اجرای نرم افزار را روی کامپیوتر شخصی کاربر فراهم می سازند. سطوح مختلفی برای مدل سازی از محاسبه نقاط سه بعدی نسبتاً محدود با سرعت بالا، تا کاملترین پوشش ممکن که احتمال دارد تا چندین ساعت زمان صرف کند، وجود دارند. برخی نرم افزارها امکان فیلتر کردن پوشش گیاهی در DSM فتوگرامتری تولید شده برای ایجاد یک مدل زمین خالی یا DTM را دارند. اما به کاربران به خوبی توصیه شده است که پیش از قبول نتایج، منطق این پروسه را در ذهن داشته باشند. عملیات فیلتر کردن به قابلیت مشاهده زمین در برخی نقاط و شناسایی آنها به عنوان نقاط زمینی وابسته است. هرچه تعداد این نقاط قابل مشاهده در تصاویر کمتر باشد، DTM منتج شده ضعیف تر خواهد بود. این نکته برای مشتریان ضروری است که دقت مورد نیاز برای DTM را مشخص نموده و به سنجش اعتبار نتایج نیز بپردازند.

سنجنده های دیگر

پهپادهای هلیکوپتری امکان حمل بارهای سنگین تر و تعدادی سنجنده های دیگر که برای این سکوها طراحی شده اند را نیز دارند. سنجنده های لیداری می توانند برای تهیه نقشه مورد استفاده قرار کیرند، اما پهپاد باید سنجنده های شیب، مسیر و موقعیت با کیفیت بالا را نیز به همراه داشته باشد. سنجنده ها اولین عوارضی که سیگنال لیدار در مسیرش با آنها برخورد می کند را ثبت می کنند، این ممکن است سطح بالای پوشش گیاهی، و یا هر عارضه دیگری در مسیر باشد. آخرین بازگشت سیگنال بازتابیده لیدار می تواند زمین باشد. به همین دلیل، لیدار، نسبت به فتوگرامتری، منبع داده بسیار مفیدتری را برای تولید DTM به دست می دهد. RIEGL یک سیستم لیداری عمق سنجی را برای پهپادهای بزرگ خود درنظر گرفته است. این پتانسیل تقشه برداری از کانال های رودخانه ای (در صورت وضوح کافی آب) را دارد. همچنین، دوربین های چندطیفی، حرارتی، و مادون قرمز نیز برای سوار شدن روی پهپادهای هلیکوپتری در دسترس هستند.

بیایید خلاق باشیم

ممکن است عجیب به نظر برسد که شرکت های نقشه برداری در ارتباط با بهره گیری از سنجش از دور پهپادی محتاطانه عمل کنند، اما همانطور که در بالا اشاره شد، بازار محدود و هزینه گزاف آموزش و تجهیزات اصلی حقایقی غیر قابل انکار هستند. این فناوری موضوع برخی بازاریابی های آتشین و ادعاهای اغراق آمیز بسیاری بوده است. برخی شرکت ها که این فناوری را خریداری نموده اند، در مقابل هرجا که امکان داشته است آنرا غیرمنصفانه به فروش رسانده اند. در حالیکه آنها احتمالاً در هنگام ارائه خدمات بازرسی مطمئن عمل کرده اند، شواهد بسیاری دال بر ارائه خدمات غیر حرفه ای در حوزه نقشه برداری وجود دارد. داستان هایی در ارتباط با کنترل زمینی ناکافی برای تهیه تصاویر، یک شبکه DTM 5 متری بی معنی از یک دیوار حائل دریا، که باید از طریق یک شبکه مثلث بندی مدل می شد، نقشه برداری از حاشیه رودخانه های پوشیده از گیاهان مرتفع، و بسایری موارد دیگر، وجود دارند.