دوربین های هوایی مایل رقومی (۲)

ارزیابی ویژگی ها و سیستم ها

در سال های اخیر، فتوگرامتری هوایی بطور گسترده ای از سامانه های دوربینی که تصاویر نادیر و مایل را بطور همزمان اخذ می کنند، استفاده می کرده است. تعداد سامانه های مایلی که برای گردآوری داده های زمینی از یک سکوی هوایی در بازار ارائه می شوند، بطور پیوسته در حال افزایش است. این یک شاخص قدرتمند برای نشان دادن سرعت بلوغ این فناوری است. در این مقاله، نویسنده به سامانه های مایل Digicam، Dimac، Icaros، VisionMap و Wehrli می پردازد.

(نوشته شده توسط Mathias Lemmens سردبیر ارشد GIM International، هلند)

مقاله پیشین در ارتباط با دوربین های هوایی مایل رقومی مقدمه کلی ای در مورد تصویربرداری هوایی مایل و پیکربندی های دوربینی مختلف که امکان تصویربرداری مایل را فراهم می کنند، را ارائه نمود. آن مطلب به بحث در ارتباط با سامانه های دوربینی Pictometry،  Leica RCD30 مایل، UltraCam Osorey، Midas شرکت Track’Air و Trimble AOS ادامه داد. به علاوه دوربین های قالب متوسط Phase One نیز مورد بررسی قرار گرفتند، چرا که کاربرد آنها به عنوان یک ماژول روی آرایه ها در یک الگوی فراهم آورنده امکان اخذ تصاویر مایل، رو به افزایش است. منابع اولیه انجام این بررسی مقالات، بروشورها، اوراق اطلاعاتی، گزارش شکایات و مشکلات و وب سایت مقایسه نرم افزاری و سخت افزاری محصولات است. در یک مرحله بعدی، تولیدکنندگان خود به دنبال بازخورد محصولاتشان هستند.

DigiCam

شرکت IGI که در سال ۱۹۷۸ تاسیس و در Kreuztal آلمان واقع شده است، در سال ۲۰۰۸ Penta DigiCAM را معرفی نمود (شکل ۱). سامانه دوربینی در بردارنده ۵ سنجنده DigiCam است، یکی از آنها رو به نادیر بوده و چهارتای دیگر با زاویه ۴۵ درجه تیلت پیدا کرده اند. دوربین های مایل فاصله کانونی ای برابر با ۸۰ میلیمتر و این مقدار برای دوربین نادیر معادل ۵۰ میلیمتر است. اندازه تراشه های CCD متفاوت هستند: ۶۰مگا پیکسلی (۸۹۶۴ در ۶۷۱۶ پیکسل)، ۵۰ مگاپیکسلی (۸۱۷۶ در ۶۱۳۲ پیکسل)، و ۳۹ مگاپیکسلی (۷۲۱۶ در ۵۴۱۲ پیکسل). پیکسل ها اندازه ای ۶ میکرونی و قدرت تفکیک رادیومتریکی ۱۶ بیتی دارند. فیلترها اجازه جمع آوری تصاویر را بصورت RGB و رنگی-مادون قرمز (CIR) می دهند. وزن کلی این سامانه ۵۵ کیلوگرم بوده و در یک جعبه با ابعاد ۴۰٫۲ در ۴۳٫۶ در ۸۳ سانتیمتر مکعب جای می گیرد. سامانه دیگر IGI اخذ نماهای مایل را با دو DigiCam ممکن می سازد. این سامانه از دو دوربین که می توانند بطور انعطاف پذیری برای بزرگتر کردن پهنای باند آرایش یابند، بطور همزمان به ثبت تصاویر RGB و CIR بپردازند، و همچنین تصاویر مایلی را در راستای مسیر و عمود بر مسیر اخذ نمایند، تشکیل شده است.

شکل ۱- نمایی از بسته بندی سامانه دوربینی مایل Penta DigiCam تولید شده توسط IGI

Dimac

شرکت نقشه برداری هوایی Cicade که در بلژیک واقع شده و در سال ۱۹۸۵ تاسیس شده است، سامانه دوربینی مایلی برای انجام امور مربوط به املاک را ایجاد نموده است. این سیستم به فروش گذاشته نشده است، و تنها برای انجام نقشه برداری های هوایی توسط خود این شرکت به کار گرفته شده است. در حدود سال ۲۰۰۰، این شرکت فرصت های جدیدی در حوزه فتوگرامتری در عصر دیجیتال را شناسایی نموده و تصمیم گرفت تا برای خود یک دوربین هوایی رقومی را بسازد. قدم های ابتدایی منتج به خط تولید سامانه های دوربینی ماژولار Dimac و شرکت Dimac Systems در سال ۲۰۰۴ شد. هدف شرکت ارائه دوربین به دیگر شرکت های نقشه برداری هوایی بود. اما ارائه تجهیزات بسیار تخصصی به مشتریان متخصص به یک شبکه جهانی نیاز دارد. بنابراین، در تابستان ۲۰۱۰، Dimac تصمیم به واگذاری بخشی از دارایی های دوربین های خود به شرکت کانادایی Optech که از طریق اسکنرهای لیزری زمینی و هوایی خود شناخته شده بود، نمود. فعالیت های مرتبط با تولید دوربین به کارخانه اصلی Optech در Vaughan انتقال یافت و سامانه Dimac با CS-6500 (1.9 کیلوگرم) معرفی شده در ۲۰۱۳، CS-MS1920 (2.8 کیلوگرم) معرفی شده در ۲۰۱۱، CS-10000 (6 کیلوگرم) معرفی شده در ۲۰۱۲، CS-15000 (12.2 کیلوگرم) معرفی شده در ۲۰۱۲، به رشد و تکامل خود ادامه داد. تنها بخشی از فروش به سامانه مایل Dimac که در بردارنده ۶ دوربین متریک که همگی با کنترل حرکت در پرواز مجهز شده و بر مبنای پیکربندی صلیبی آرایش یافته بودند (دو دوربین در راستای نادیر و چهار دوربین مایل) اختصاص یافته است. اندازه تصویر مایل ۱۱۶ مگاپیکسل (۱۳۰۰۰ در ۸۹۰۰ پیکسل) است و تصاویر مایل هریک پوششی ۶۰ مگاپیکسلی (۶۷۰۰ در ۹۰۰۰ پیکسل) دارند. شکل ۲ نشان دهنده یک ترکیب از ۵ تصویر صلیب چلیپای تهیه شده بصورت همزمان توسط سامانه Dimac است.

شکل ۲- تصاویر مایل (فاصله نمونه برداری زمینی = ۱۵ سانتیمتر) و قائم (فاصله نمونه برداری زمینی = ۱۲ سانتیمتر) از شهر پورتوی فرانسه، تهیه شده توسط دوربین Dimac در یک زمان

IDM 1000

شرکت Icaros که در سال ۲۰۰۴ تاسیس شده و در Fairfax آمریکا استقرار یافته است، نقشه بردار رقومی Icaros (IDM) 1000 را در سال ۲۰۱۳ معرفی نمود. سامانه IDM 1000 با چهار دوربین مایل که در یک الگوی صلیبی و زاویه ۴۵ درجه ای نسبت به راستای نادیر شکل یافته اند، به توسعه سامانه دوربینی نادیر IDM 200 می پردازد (شکل ۳). سنجنده دوربین RGB/NIR رو به نادیر ۸۰ مگاپیکسلی (۱۰۳۲۸ در ۷۷۶۰ پیکسل) است و سنجنده های دوربینی RGB مایل ۳۶٫۳ مگاپیکسلی هستند. هر پیکسل اندازه ای معادل ۴٫۸۸ میکرون و قدرت تفکیک رادیومتریکی ۱۴ بیتی دارد. دوربین ها کالیبره شده هستند و دامنه ای از فواصل کانونی را پشتیبانی می کنند. وزن سامانه ۵۴ کیلوگرم بوده و در جعبه ای با ابعاد ۶۱ در ۵۳ در ۳۰ سانتیمتر مکعب جای می گیرد. طراحی ماژولار امکان تغییر ساده سنجنده های RGB، NIR و حرارتی را در هنگام انجام کار، فراهم می کند. این سامانه در بردارنده نرم افزار Icaros Collection Suite (ICS) برای برنامه ریزی ماموریت های تصویربرداری مایل، ناوبری، مدیریت ماموریت و پردازش داده ها پس از انجام ماموریت هاست. تصاویر IDM 1000 را می توان از طریق ابزارهای فتوگرامتری نظیر Icaros Photogrammetric Suite (IPS) که شامل مثلث بندی هوایی خودکار و تعدیل دسته بلوک های تصویری مایل است، نیز پردازش نمود.

شکل ۳- سیستم IDM 1000 در بردارنده یک دوربین نادیر IDM 200 توسعه یافته با چهار دوربین مایل با زاویه ۴۵ درجه نسبت به راستای نادیر

شکل ۴- نمودار سیستم دو دوربینی رفت و برگشتی VisionMap A3 که نشان دهنده روند کار آن است

VisionMap A3

روش دیگر برای بدست آوردن نماهای مایل حرکات رفت و برگشتی یک یا چند دوربین در راستای عمود بر مسیر است. حرکت اسکنی یک میدان دید وسیع را در راستای عمود بر مسیر را به وجود آورده و نماهای مایل را فراهم می آورد. سامانه دو دوربینی VisionMap A3 معرفی شده در سال ۲۰۰۸، بر مبنای این قانون رفت و برگشتی عمل می کند. دو عدسی ۳۰۰ میلیمتری می توانند با یک زاویه ۹۰ درجه ای نسبت به راستای پرواز دوران کنند (شکل ۴ را ببینید) و یک میدان دید تا ۱۰۶ درجه ای را پدید آورند. یک قاب منفرد ۷۸۱۲ در ۲۶۶۶ پیکسل را پوشش می دهد. هر پیکسل اندازه ای ۹ میکرونی و قدرت تفکیک رادیومتریکی ۱۲ بیتی دارد. تا ۲۹ قاب دوتایی را می توان در یک حرکت رفت و برگشتی اخذ نمود و این منتج به ۶۲۵۰۰ در ۷۸۵۰ پیکسل می شود. بخش مرکزی قاب کلی، تا میدان دید ۴۰ درجه ای، برای تولید تصاویر قائم مناسب است. هر قاب اخذ شده در خارج از این میدان دید، یعنی قاب های واقع شده در  انتهای حرکت رفت و برگشتی در عمل تصاویر مایل هستند. ارتفاع پرواز معمولاً از ۳۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ متر متغیر است. وزن دوربین با در نظر گرفتن کامپیوتر ۳۸ کیلوگرم بوده ودر یک جعبه با ابعاد ۶۰ در ۶۰ در ۵۰ سانتیمتر مکعب جای می گیرد. تصاویر قائم و مایل بصورت کاملاً خودکار پردازش شده و این پردازش ها عملیات سرشکنی بلوک، تولید تصاویر قائم و ایجاد مدل های ارتفاعی رقومی (DEMها) را نیز شامل می شود. کلید دست یابی به روش VisionMap را می توان در سه مرحله زیر خلاصه نمود: بازده بالای نقشه برداری های هوایی، تهیه تصاویر قائم و مایل در یک پرواز و با یک سامانه دوربینی، تولید تمام خودکار تصاویر قائم. پنج سال پس از راه اندازی A3، A3 Edge به بازار معرفی شد. این سامانه برای افزایش مساحت اخذ شده در هر ساعت با قدرت تفکیک مکانی بالاتر طراحی شده است (شکل ۵). قاب کلی تصویر A3 Edge 78000 در ۹۶۰۰ پیکسل را پوشش می دهد، هر پیکسل اندازه ای ۷٫۴ میکرونی و قدرت تفکیک رادیومتریکی ۱۲ بیتی دارد. میدان دید بیشینه در راستای عمود بر مسیر ۱۰۹ درجه است. در یک ارتفاع پرواز ۴۲۵۰ متری، فاصله نمونه برداری زمینی ۱۰ سانتیمتر است. شکل ۶ به مقایسه بازده دوربین های هوایی رقومی در حوزه کیلومتر مربع اخذ شده در هر ساعت به عنوان تابعی از فاصله نمونه برداری زمینی می پردازد.

شکل ۵- نمایی از بسته سامانه دوربین رفت و برگشتی A3 Edge

شکل ۶- مقایسه بازده کیلومتراژ اندازه گیری شده در هر ساعت برای A3، A3 Edge و دیگر دوربین های هوایی رقومی به عنوان تابعی از فاصله نمونه برداری زمینی

Wehrli

سامانه های متشکل از پنج دوربین مایل Wehrli/GeoSystems که یک شرکت واقع شده در وینیستای اکراین و با تخصص در دوربین های هوایی رقومی و اسکنرهای عکسی گران قیمت است، از یک دوربین پوش بروم قالب متوسط RGB 12 کیلوگرمی که در ابتدا برای کار در کنار یک اسکنر لیدار هوایی ایجاد شده بود، و در اطراف یک ۱-DAS-1 رو به نادیر طراحی شده است، تشکیل شده است. پرتوهای قرمز، سبز و آبی بطور همزمان توسط سنجنده های خطی مجزای نصب شده روی یک صفحه کانونی ثبت می شوند. سنجنده های واقع شده در آرایه خطی در بردارنده ۸۰۲۳ پیکسل هستند و هریک اندازه ای ۹ میکرونی و قدرت تفکیک رادیومتریکی ۱۴ بیتی دارند. در هنگام پرواز در یک ارتفاع ۱۰۰۰ متری فاصله نمونه برداری زمینی دوربین رو به نادیر ۱۰ سانتیمتر است. اولین دوربین به وجود آمده توسط این شرکت ۳-DAS-1 بود که در بردارنده ۳ دوربین در یک محفظه بود. عدسی های مجزایی برای هر نما مورد استفاده قرار می گیرند: یکی رو به نادیر، یکی رو به جلو و با زاویه تیلت ۲۶ درجه ای، و یکی رو به عقب و با زاویه تیلت ۱۶ درجه ای. سر همه دوربین ها، چه رو به نادیر باشند و چه مایل، فاصله کانونی ای معادل ۱۱۰ میلیمتر دارند. ۳-DAS-2، همانگونه که از نامش پیداست، همان ۳-DAS-1 با قابلیت های افزوده است، این سامانه دو دوربین رو به نادیر و دو دوربین در جهات رو به جلو عقب دارد. فاصله کانونی هر دوربین ۸۰ میلیمتر است. البته، این دوبرابر ساختن منتج به یک سامانه سنگین تر با وزن ۶۸ کیلوگرم می شود، در حالیکه ۳-DAS-1 59 کیلوگرم وزن داشت. ۴-DAS-1 همان ویژگی های ۳-DAS-1 را دارد، با این تفاوت که یک دوربین رو به نادیر مادون قرمز نزدیک (NIR) به آن اضافه شده است و فاصله کانونی تمام دوربین ها ۸۰ میلیمتر است. ۳-OC-1 یک سیستم سه دوربینی است. مهمترین تفاوت آن با ۳-DAS-1 این است که زاویه شیب هر دو دوربین مایل رو به جلو و عقب ۴۵ درجه است و فاصله کانونی دوربین نادیر به جای ۱۱۰ میلیمتر، ۸۰ میلیمتر است. سامانه مایل پنجم، ۶-DAS-1 (شکل ۷ را ببینید)، بطور واقعی ۴-DAS-1 و ۳-OC-1 را در یک سیستم با هم ادغام می کند. دو دوربین رو به نادیر در این سامانه موجود است: یکی برای اخذ باندهای RGB و دیگری برای ثبت داده ها در باند مادون قرمز نزدیک. زاویه میل یکی از دوربین های رو به جلو درست مانند ۴-DAS-1، ۲۶ درجه است، و دیگری درست مانند ۳-OC-1 زاویه ای ۴۵ درجه ای دارد. یکی از دوربین های رو به عقب زاویه میل ۴۵ درجه ای دارد و دیگری میلی معادل ۱۶ درجه دارد. ۶-DAS-1 برای راه اندازی در بهار ۲۰۱۴ برنامه ریزی شده است.

نتایج

استخراج اطلاعات هندسی دقیق از تصایر هوایی در سطح محصولات در سالیان گذشته به تصاویر قائم محدود بوده است. سنجنده های امروزی می توانند بطور دقیق کالیبره شوند، زمین مبنا کردن می تواند به تنهایی از طریق GNSS/IMU انجام شود و مودم های کامپیوتری نرم افزارها می توانند محاسبات پیچیده لازم برای استخراج مختصات دنیای واقعی از تصاویر را به سرعت انجام دهند و بنابراین امکان سرشکنی دسته بلوک و تولید تصاویر قائم و DEM از تصاویر مایل را نیز فراهم می آورد. در حقیقت، کاربرد و ارزش سامانه های دوربینی مایل به ور کامل با نرم افزارهای فتوگرامتری پیشرفته امروزی در هم آمیخته است.

توضیح اشکال

شکل ۱- نمایی از بسته بندی سامانه دوربینی مایل Penta DigiCam تولید شده توسط IGI

شکل ۲- تصاویر مایل (فاصله نمونه برداری زمینی = ۱۵ سانتیمتر) و قائم (فاصله نمونه برداری زمینی = ۱۲ سانتیمتر) از شهر پورتوی فرانسه، تهیه شده توسط دوربین Dimac در یک زمان

شکل ۳- سیستم IDM 1000 در بردارنده یک دوربین نادیر IDM 200 توسعه یافته با چهار دوربین مایل با زاویه ۴۵ درجه نسبت به راستای نادیر

شکل ۴- نمودار سیستم دو دوربینی رفت و برگشتی VisionMap A3 که نشان دهنده روند کار آن است

شکل ۵- نمایی از بسته سامانه دوربین رفت و برگشتی A3 Edge

شکل ۶- مقایسه بازده کیلومتراژ اندازه گیری شده در هر ساعت برای A3، A3 Edge و دیگر دوربین های هوایی رقومی به عنوان تابعی از فاصله نمونه برداری زمینی

شکل ۷- نمایی از بسته (چپ) و سامانه عدسی های سیستم دوربینی مایل Wehrli 6-DAS-1

منبع: gim-international.com

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