دوربین های تصویربرداری هوایی مایل رقومی (۱)

مروری بر ویژگی ها و سامانه ها

نوشتن یک مقاله ارزیابی با موضوع دوربین های تصویربرداری هوایی رقومی در نسخه ماه آوریل GIM International هر سه سال یکبار، برای من به یک عادت بدل شده است. ارزیابی قبلی (آوریل ۲۰۱۱، شماره ۲۵:۴( به دوربین های با فرمت بزرگ، متوسط و کوچک اختصاص یافته بود، در حالیکه در آوریل ۲۰۰۸ (نسخه ۲۲:۴) بر معماری سنجنده ها تمرکز کرده بودیم. این یک مقاله ترکیبی است که بر سامانه های دوربینی هوایی مایل و کاربردهای رو به رشد و پیوسته هریک در اخذ نواحی شهری، جاده ها، خطوط ریلی و سایر دالان های دیگر، متمرکز می شود.

(مقاله ای از Mathias Lemmens، نویسنده ارشد GIM International، هلند)

پس از ارائه مقدمه ای بر تصویربرداری هوایی مایل و پیکربندی های دوربینی متنوع که امکان اخذ تصاویر مایل را فراهم می کنند، این مقاله به سامانه های زیر خواهد پرداخت: Pictometry، Leica RCD30 مایل، UltraCam Osprey ،Midas  از شرکت Track’Air و Trimble AOS. علاوه بر این،سنجنده های Phase One به عنوان دوربین های قالب متوسط خود که بطور رو به افزایشی به عنوان ماژول های آرایه ای برای کاربردهای سفارشی نصب می شوند، پوشش داده خواهد شد. در ادامه این مقاله (بخش دوم) به سامانه های مایل Digicam، Icaros، VisionMap و Wehrli خواهیم پرداخت. منابع اولیه استفاده شده برای انجام این ارزیابی شامل مقالات کنفرانسی، بروشورها، اوراق اطلاعاتی، گزارش شکایات و مشکلات، و وب سایت مقایسه نرم افزاری و سخت افزاری محصولات Geo-matching.com هستند. در مرحله بعدی، خود تولیدکنندگان به دنبال بازخورد محصولات خود هستند.

مایل

بسیاری از مدل های شهری سه بعدی و نقشه های رقومی در سامانه های ناوبری ماشین و یا برنامه ریزی مسیر از تصاویر هوایی و یا ماهواره ای به عنوان منابع خود استفاده کرده اند. این تصاویر از طریق دوربین های دارای مشخصات بسیار خوبی که توسط شرکت های متعددی تولید می شوند، اخذ شده اند. تلاش های تحقیق و توسعه ای آغاز شده در حدود سال ۱۹۹۰ بر گذار از فیلم به حالت رقومی تمرکز داشته و منجر به بروز سریع سامانه های دوربینی رقومی (مایل) از سال ۲۰۰۰ به بعد شدند. تصاویر مایل به نحوی تهیه می شوند که راستای محور اپتیکی اندکی از راستای قائم انحراف (راستای نادیر) داشته باشد.  اگر افق قابل دیدن باشد، تصویر “بسیار مایل” نامیده می شود و در غیر اینصورت آن را “اندکی مایل” می نامیم (شکل ۱).

شکل ۱- نمای کمی مایل، مقیاس به تدریج از انتها تا بالای تصویر کمتر می شود، این در نما از پیش زمینه تا پس زمینه است.

تصاویر مایل معمولاً از طریق سامانه عدسی های چندگانه اخذ می شوند. این در بردارنده دو یا چند عدسی نصب شده در بدنه دوربین، و یا دو یا چند دوربین استقرار یافته در یک ردیف به منظور ثابت نگه داشتن زاویه میان محورهای اپتیکی آنها است. معمولاً شاترهای آنها برای نوردهی در یک زمان، همگام سازی شده اند. دقت این پروسه به طور گسترده ای به چگونگی کالیبره کردن محورهای اپتیکی و حفظ آنها وابسته است. یک توصیف مناسب از مشخصات تصاویر هوایی مایل را می توانید در پروانه انحصاری Pictometry (در زیر) و یا در ستون پایانی بیابید.

پیکربندی ها

چیز جدیدی در ارتباط با تصاویر مایل وجود ندارد، آنها بیش از یک صده است که در نقشه برداری نظامی و پروژه های نقشه برداری بزرگ مقیاس مورد استفاده قرار می گرفته اند. در حدود سال ۱۹۹۰، Scheimflug یک دوربین با عدسی های چندگانه که دید مایلی در ۸ جهت را پدید می آورد، را تولید نمود. در طول جنگ جهانی اول، آمریکا یک دوربین با سه عدسی را پدید آورد. در بازه میان دو جنگ، مهندسان شرکت Sherman Fairchild این سامانه دارای عدسی های چندگانه را به پنج عدسی T3A توسعه دادند، که این به عنوان دوربین نقشه برداری دقیق ارتش آمریکا تا سال ۱۹۴۰ مورد استفاده قرار می گرفت. T3A را می توان به عنوان پیش قراول دوربین های رقومی مایل قرار گرفته در حالت صلیبی امروزی به حساب آورد، چرا که قادر به تهیه ۵ نگاتیو ۵٫۵ در ۶ اینچی در آن وحد بود (شکل ۲).

شکل ۲- مفهوم صلیب چلیپا، تصاویر اصلی (چپ) و موزائیکی ترمیم شده Fairchild T3A.

عدسی مرکزی قائم است و در راستای نادیر واقع شده و چهار تای دیگر، که با فواصل ۹۰ درجه ای در اطراف عدسی مرکزی قرار گرفته اند، زاویه ای ۴۳ درجه ای نسبت به قائم دارند. در خلال یک کنفرانس نقشه برداری که در سال ۱۹۴۰ در واشنگتن برگزار شد، کاربرد نظامی T3A به نفع tri-metrogon که مجموعه ای از سه دوربین اکتشافی با زاویه باز K-17، که یکی در راستای قائم واقع شده و دوتای دیگر با فواصل زاویه ای ۶۰ درجه ای نسبت به آن برای پوشش افق تا افق  قرار گرفته اند، کنار رفت. انواع مختلف پیکربندی های دوربینی رقومی سه گانه در سال های اخیر نیز محبوب شده اند. شکل ۳ پیکربندی Fan را که در آن یک دوربین در راستای نادیر بوده و دوربین های دوم و سوم به ترتیب به راست و چپ می نگرند، را نشان می دهد. بطور کلی، Fan مشتمل بر دو یا چند دوربین است که به نحوی سر هم شده اند که محورهای اپتیکی آنها در یک صفحه قائم قرار گیرد اما هریک زاویه دید مختلفی که منجر به یک دید پانوراما در مسیر پرواز می شود، داشته باشند. سر دوربین ها می توانند به نحوی در یک بلوک قرار گیرند که به آنها اجازه پوشش گسترده زمینی برابر در تمامی جهات را در طول فرآیند عکسبرداری بدهد. روش دیگر بدست آوردن نماهای مایل، رفت و برگشت یک یا چند دوربین در راستای عمود بر مسیر است. حرکت رفت و برگشتی یک میدان دید بزرگ را در راستای پرواز فراهم آورده و نماهای مایل را ممکن می سازد. سامانه دو دوربینی A3 Vision Map بر مبنای قوانین رفت و برگشتی کار می کند.

شکل ۳- مفوم Fan با استفاده از آرایش سه دوربینی

Pictometry

اولین شرکتی که به احیای مجدد مفهوم صلیبی در دوران دیجیتال پرداخت، Pictometry و سامانه اخذ PentaView آن بود. اگرچه، Chriss Barrow که از سال ۲۰۰۸ مدیر عامل EagleView شرکت مادر Pictometry بوده است، در مصاحبه ای در مارس ۲۰۱۴ با GIM International اظهار داشت که سامانه اخذ داده های PentaView دقیقاً یک پیکربندی صلیبی مشابه Fairchild ندارد و از آنجایی که دوربین ها زاویه میل بیشتری دارند، نتیجه به جای مشاهده یک صلیب روی زمین، ۵ تصویر مجزای اخذ شده خواهد بود. Pictometry که دفتر مرکزی آن در روچستر نیویورک واقع شده، سامانه PentaView را عمدتاً برای بازرسی بصری با هدف برنامه ریزی و امنیت عمومی به کار می گیرد. در سال ۱۹۹۳ این شرکت به امتیاز انحصاری یک مجموعه از پنج دوربین رقومی با قالب متوسط روی یک سکو دست یافت و تولید آنها ۵ سال بعد آغاز شد. هر CCD از پنج دوربین سامانه ثبت شده، مشتمل بر ۴۹۰۰ در ۳۲۰۰ پیکسل بوده و

هر پیکسل اندازه ای ۹ میکرونی و قدرت تفکیک رادیومتریکی ۱۲ بیتی دارد. این تراشه ها تصاویر رنگی (RGB) را اخذ می نمایند. بخشی از این سامانه یک بسته نرم افزاری اندازه گیری و نمایش است که EFS (Electronic Field Study) نامیده می شود. اندازه گیری طول، ارتفاع و مساحت به بکارگیری یک DEM دقیق وابسته است. Picometry در سپتامبر ۲۰۰۵  و زمانی که به یک توافق امتیاز اختصاصی با شرکت Blom Group برای اخذ داده های شهرهای دارای جمعیتی بیش از ۵۰۰۰۰ نفر در ۲۳ کشور اروپایی دست یافت، پیشرفت قدرتمندی را تجربه نمود.

Leica RCD30

سامانه دوربینی مایل Leica RDC30 که در ۲۰۱۱ معرفی شده است، در دو پیکربندی در دسترس قرار دارد: سه تایی و پنج تایی. پیکربندی سه تایی مشتمل بر یک دوربین نادیر با فاصله کانونی ۵۰ میلیمتری و دو دوربین مایل با فاصله کانونی ۸۰ میلیمتری است که یکی رو به جلوست و دیگری رو به عقب، زاویه تیلت هر دو دوربین ۴۵ درجه است. پیکربندی پنج تایی مشتمل بر پنج دوربین است که در قالب یک صلیب مرتب شده اند، فاصله کانونی در دوربین نادیر ۵۰ میلیمتر و در دوربین های مایل ۸۰ میلیمتر است و زاویه تیلت چهار دوربین مایل ۳۵ درجه است. CCD 80 مگاپیکسلی در بردارنده ۱۰۳۲۰ در ۷۷۵۲ پیکسل با اندازه ۵٫۲ میکرونی و قدرت تفکیک طیفی ۱۴ بیتی است. برد طیفی سر هر ۵ دوربین یا RGB است و یا چندطیفی، یعنی RGB به علاوه باند مادون قرمز نزدیک (NIR: 780-880 نانومتر). وزن سامانه، در بردارنده سر دوربین ها، کنترل گر ها، سکو و GNSS/IMU یکپارچه، ۳۰ کیلوگرم است. پیکربندی سه تایی برای نقشه برداری دالان های سه بعدی مناسب است، در حالیکه پیکربندی پنج تایی اختصاصاً برای نقشه برداری شهری سه بعدی به کار گرفته می شود.

UltraCam Osprey

مایکروسافت به خط تولید نسل سوم دوربین های هوایی UltraCam خود نام پرنده های شکاری را داده است: شاهین، باز، عقاب و همای. آخری یک سامانه مایل/نادیر است که در بهار ۲۰۱۳ معرفی شده و دوربین های آن در قالب یک صلیب مرتب شده اند (شکل ۴). دوربین نادیر همان دوربینی است که در UltraCam  شاهین بکارگرفته شده است، یک دوربین نقشه برداری ۹۰ مگاپیکسلی معرفی شده در ۲۰۱۳٫ دوربین نادیر (با فاصله کانونی ۵۱ میلیمتری) داده ها را در پنج باند جمع آوری می کند: پان، RGB و مادون قرمز نزدیک. اندازه تصویر باند پان ۱۱۶۷۴ در ۷۵۱۴ پیکسل است و هریک اندازه ای برابر با ۶ میکرون دارند که منتج به یک قالب CCD 70.04 در ۴۵٫۰۸ میلیمتری می شود. در ارتفاع پرواز ۸۵۰ متری، فاصله نمونه برداری زمینی ۱۰ سانتیمتر است. دوربین های مایل تیلتی به اندازه ۴۵ درجه، فاصله کانونی ۸۰ میلیمتری و اندازه پبکسل ۵٫۲ میکرونی دارند. دوربین های رو به مسیر حرکت CCDهایی مشتمل بر ۶۸۷۰ در ۴۵۲۰ پیکسل هستند، در حالیکه دوربین های رو به جلو رو به عقب هریک دو CCD از این دست دارند که در راستای ضلع کوچکتر CCD (4520 پیکسل) جفت شده و منتج به یک تصویر دوخته شده ۱۳۴۵۰ در ۴۵۲۰ پیکسلی می شوند.

شکل ۴- نمایی از UltraCam Osprey که به وضوح سرهای رو به نادیر و مایل را نشان می دهد.

Trimble AOS

پوشش صلیبی می تواند از طریق تنها سه دوربین نیز به دست آید، یکی رو به نادیر، و دوتای دیگر بصورت مایل. چنین سامانه ای یک سیستم مایل هوایی (AOS) است که در ابتدا توسط RolleiMetric برای Alpha Luftbuild که یک شرکت نقشه برداری آلمانی است ساخته شد، اما حالا بخشی از ثوابت Trimble است. AOS در بردارنده سه واحد دوربین رقومی قالب متوسط Rollei AIC است که هریک به یک CCD 39 مگاپیکسلی که شامل ۷۲۲۸ در ۵۴۲۸ پیکسل با اندازه ۶٫۸ میکرونی است مجهز شده اند. شاترهای سه دوربین هماهنگ شده اند تا تصویر قائم و دو تصویر مایل از دوربین هایی که هریک به جهات مختلف در راستای عمود بر مسیر نظر دارند، همزمان اخذ شوند. سپس واحد سه دوربینه کامل می تواند به سرعت ۹۰ درجه دوران کند و جفت دوم تصاویر را در راستای مسیر تهیه نماید. واحد سه دوربینی می تواند از ورودی پرنده پایین برده شود تا بیرون از آن کار کرده و در هنگام بلند شدن از زمین و یا فرود، و یا زمانی که کار نمی کند، می تواند به داخل بازگردانده شود. قدرت تفکیک رادیومتریکی ۱۶ بیت در هر رنگ و فاصله کانونی ۴۷ میلیمتر است. اینها در ترکیب با یک CCD با اندازه ۴۹٫۱ در ۳۶٫۹ پیکسلی، میدان دیدی برابر با ۵۵ در ۴۱ درجه را نتیجه می دهند.

Midas

دوربین های متریک قالب بزرگ و متوسط غالباً برای پروژه هایی که نیازی به دقت بالا ندارند، گران محسوب می شوند. یک راه حل منعطف نصب دوربین های قالب متوسط و کوچک در یک آرایه در طرح های مختلف است. این کاری است که TrackAir، شرکت پدید آمده در هلند انجام داد. آنها طرح های سفارشی شده ای را که مشتمل بر سوار کردن یک تا ده دوربین RGB خارج از ردیف، لیدار و یا سنجنده های چندطیفی است را پدید آورده اند. بسته های سنجنده شامل سه دوربین رو به نادیر، جلو و عقب، و یا پنج دوربین مرتب شده در یک آرایش صلیبی است که در آن هریک از دوربین های مایل زاویه تیلت ۴۵ درجه ای نسبت به راستای نادیر دارند (شکل ۵). زمانی که این سیستم در سال ۲۰۰۶ به عنوان Midas (سیستم اخذ رقومی یکپارچه چند دوربینی) معرفی شد، شامل دوربین های Canon EOS 1Ds Mk2 مجهز به عدسی Zeiss، متمرکز شده بر بینهایت و با فواصل کانونی ۲۸ تا ۵۰ میلیمتر بود. اندازه CCD 5616 در ۳۷۴۴ پیکسل است و هر پیکسل اندازه ای معادل ۶٫۴ میکرون دارد. مدل فعلی Midas از دوربین های Canon 1Ds Mk3 و یا Nikon D800e cameras تعداد پیکسل ۷۳۶۰ در ۴۹۱۲ پیکسل، استفاده می کند. عدسی های Zeiss بر بینهایت تمرکز یافته و فاصله کانونی از ۵۰ تا ۱۳۵ میلیمتر دارند. در مارس ۲۰۱۴، هشت سال پس از به راه اندازی Midas، و پس از ارائه بیش از ۱۰۰ سامانه به مشتریان در سرتاسر جهان، Chimera که در بردارنده ۵ دوربین PhaseOne iXA (اندازه تراشه: ۷۷۵۲ در ۱۰۳۲۰ پیکسل و اندازه پیکسل ۵٫۲ میکرون) است، در کنفرانس ۲۰۱۴ ASPRS معرفی شد. عدسی های Schneider بر بینهایت تمرکز یافته و می توانیم آنها را از میان گستره وسیعی از فواصل کانونی ۲۸، ۵۵، ۸۰، ۱۱۰، ۱۵۰ و ۲۴۰ میلیمتری برگزینیم. در ارتفاع پرواز ۱٫۵ کیلومتری، فاصله نمونه برداری زمینی ۵ سانتیمتر است.

شکل ۵ –Midas، سوار کردن دوربین های قالب متوسط منفرد بر روی یک پیکربندی صلیب چلیپا

Modular

چیدمان دوربین های قالب متوسط و کوچک در یک سکو، الگوهای متفاوتی که ممکن است مطابق با نیاز مشتری شکل یافته باشند را پدید می آرود. به عنوان مثال شرکت دانمارکی COWI سامانه دوربین های مایل را بر اساس مفهوم Midas به کار می گیرد. انواع مختلف دوربین ها بر اساس نیاز مشتری تعدیل شده اند، بنابراین دوربین قرار گرفته در راستای نادیر یک Hasselblad با یک قطعه پشتیبان Phase One است. دوربین های قالب متوسط Phase One بطور گسترده ای در آرایه ها برای شکل دادن به سیستم های دوربینی مایل گرد هم آمده اند. دفتر مرکزی Phase One نیز در دانمارک است، و در اواسط فوریه ۲۰۱۴ این خبر اعلام شد که شرکت سهامی خصوصی بریتانیایی Silverfleet 60% سهام این شرکت را در اختیار گرفته است. Phase One در زمینه تجهیزات و نرم افزارهای عکسبرداری رقومی گران قیمت تخصص دارد. از سال ۲۰۱۲ شرکت از طریق ارائه iXA که فاقد ویزور (Viewfinder) و حداقل بخش های مکانیکی متحرک است، به گسترش حوزه مشتریان خود که عمدتاً در بردارنده عکاس های حرفه ای تا عکسبرداری هوایی است پرداخت. از ابتدای بهار ۲۰۱۴ بازار نقشه برداری هوایی از طریق معرفی یک دوربین قالب متوسط سبک وزن iXU 150 خدمات خود را فراتر برد. این سنجنده ۴۳٫۸ در ۳۲٫۹ میلیمتری، در بردارنده ۸۲۸۰ در ۶۲۰۸ پیکسلی با اندازه ۵٫۳ میکرون است. مهمترین موضوع در مرحله طراحی “وزن کم” بود، و بدنه دوربین تنها ۷۵۰ گرم وزن دارد (۱٫۲۵ کیلوگرم با احتساب یک عدسی ۸۰ میلیمتری). کاهش وزن از طریق یک بدنه منیزیمی که گرانتر است اما ۳۰% سبک تر از مواد اولیه معمول است، امکان پذیر شد. شکل ۶ دوربین و ابعاد بدنه آن را نشان می دهد.

نتایج

بخش دوم این دو مقاله دو قسمتی سامانه های دوربینی هوایی مایل، سامانه دوربین های هوایی مایل Digicam ،Dimac ،Icarons ،VisionMap و Wehrli را پوشش خواهد داد. اگر یک سیستم دوربینی در این بررسی مورد توجه قرار نگرفته بود اما به نظر شما باید به آن پرداخته می شد، لطفاً با من تماس بگیرید.

Picometry: بخش هایی انتخاب شده از امتیاز US 20040105090

فتوگرامتری بطور متداول در بردارنده اخذ تصاویر قائم است…اگرچه تصاویر قائم و اصلاح شده به قائم در فتوگرامتری مفیدند، اما نقص اطلاعاتی در ارتباط با عوارض ارتفاعی نشان داده شده در آنها وجود دارد و به تحلیل گران بسیار آموزش دیده نیاز دارند… کاربرد تصاویر مایل در فتوگرامتری کم تلقی می شود. گره زدن یک تصویر به یک سیستم مختصات، تصویر مایل و در نتیجه شناسایی عوارض و اندازه گیری ها را به شدت دچار اعوجاج می سازد. اصلاح جابجایی زمین درون یک تصویر مایل از طریق یک مدل ارتفاعی تصویر را بیشتر با پیچش مواجه ساخته و در نتیجه اندازه گیری ها را مشکل تر نموده و دقت این اندازه گیری ها را نیز کاهش می دهد. نوآوری حاضر شامل یک سامانه کامپیوتری برای نمایش، موقعیت زمینی، و انجام اندازه گیری ها از تصاویر مایل اخذ شده است. نرم افزار نمایش و تحلیل تصاویر توسط سیستم اجرا می شود… نرم افزار داده های موقعیتی را برای یک یا چند نقطه در تصویر نمایش داده شده بازیابی می کند، و فاصله بین هر دو نقطه انتخاب شده را محاسبه می نماید. محاسبه فاصله برای تعیین پارامترهای متفاوتی نظیر فاصله خطی، مساحت محصور شده، ارتفاع نسبی، و اختلاف ارتفاع بین نقاط انتخاب شده، توسط کاربر قابل تغییر است. تصاویر مایل بر خلاف تصاویر قائم، لبه های عوارض زمینی مانند خانه ها، ساختمان ها و/یا کوه ها را نیز در کنار بخش بالایی آنها نمایش می دهد. بنابراین، نمای تصاویر مایل طبیعی تر و ذاتی تر از یک تصویر قائم و یا تصحیح شده به قائم است و حتی مشاهده کننده های معمولی نیز قادر به تشخیص و توصیف ویژگی های زمینی و دیگر عوارض هستند. تصاویر مایل معمولاً یک منطقه ذوزنقه ای را اخذ نموده و یا نمایی از سطح یک عارضه را در یک پیش زمینه ذوزنقه ای که فاصله نمونه برداری زمینی کوچکتری نسبت به پس زمینه ذوزنقه ای دارد، نشان می دهد.

منبع: gim-international.com

برای کسب اطلاعات بیشتر درباره دوره آموزشی پردازش تصاویر پهپاد فتوگرامتری کلیک کنید.