بکارگیری پهپاد فتوگرامتری برای نقشه برداری از کوهستان ها

نقشه برداری سه بعدی سریع از کوه های Erciyes در مرکز ترکیه

İdris Altundağ, Ali İnak, Burak Kaygısız

کوهستان های مرتفع مکان های جذابی برای ورزش در فضای باز هستند. اگرچه، برخی اوقات این مناطق از نواحی تفریحی به خطرناک تغییر می کنند. در تمام طول سال، سقوط سنگ ها و لغزش زمین کوه نوردان را تهدید نموده و ممکن است موجب بروز تلفاتی شوند. برای جلوگیری از پا گذاشتن کوه نوردان به مناطقی که در خطر بروز زمین لغزه بوده و یا ممکن است با سقوط تخته سنگ مواجه گردند، به نقشه هایی با قدرت تفکیک بالا و داده های به روز نیاز است. در این مقاله، نویسندگان نشان می دهند که سامانه های حمل و نقل هوایی بدون سرنشین (پهپادها) پتانسیل بزرگی برای نقشه برداری سریع از نواحی کوهستانی دارند.

کوه نوردانی که از مسیرهای کوهنوردی استفاده می کنند ممکن است در اثر سقوط تخته سنگ ها و یا جابجایی شیب ها مجروح شوند و اندادگران ممکن است در تلاش برای نجات آنها خود نیز قربانی شوند. برای کاهش ریسک، در دست داشتن اطلاعاتی در ارتباط با شرایط مسیرها، خصوصاً در قالب نقشه های با کیفیت سه بعدی تهیه شده از داده های به روز، ضروری است. می توان از برخی فناوری ها برای تهیه نقشه های سه بعدی از کوه ها بصورت منظم استفاده نمود. بکارگیری نقشه برداری زمینی یکی از این دست روش هاست. نقشه برداری های زمینی قابل اعتماد اما وقت گیر و پر هزینه هستند و در مواردی که زمین قابل دسترسی نباشد، مانند نواحی دارای تغییرات عمده در ارتفاع، انجام آن ها بسیار دشوار است. تصاویر ماهواره ای و تصویربرداری هوایی نیازی به دسترسی به زمین ندارند، اما قدرت تفکیک این تصاویر غالباً کم است. در حالی که هزینه اخذ این تصاویر معمولاً بسیار بالا است. این مسایل این پرسش را در ذهن پدید می آورد که آیا پهپادها به عنوان جایگزینی برای نقشه برداری از کوه های غیر قابل دسترسی، مناسب هستند؟ یک مطالعه آزمایشی در مرکز ترکیه نشان می دهد که پهپادها قادرند به سرعت مدل های رقومی سطح (DSM) و تصاویر قائم با کیفیت بالایی را ار کوهستان های دارای شیب تند تهیه نمایند.

کوه Erciyes

نقشه برداری با هدف ایجاد یک DSM و یک تصویر قائم از کوه Erciyes واقع شده در مرکز ترکیه، در ۱۵ کیلومتری جنوب قیصریه به انجام رسید. در دامنه کوه، در ارتفاع ۲۱۵۰ متری، یک مرکز ورزش های زمستانی قرار دارد. در قله آن، ارتفاع تا ۳۱۹۷ متر از سطح دریا می رسد.تیم نقشه برداری با یک کوه نورد حرفه ای و پروفسور Erkan Besdok، رئیس دپارتمان نقشه برداری دانشگاه قیصریه همراهی می شدند. پس از بررسی نقشه، Coban Ini، یک کمپ منطقه ای واقع شده در شمال شرقی قله در ارتفاع ۲۸۵۸ متری (شکل ۱) به عنوان سایت مناسب برای به پرواز در آوردن و فرود پهپاد انتخاب شد. پهپاد فتوگرامتری بال ثابت ساخته شده توسط شرکت ترکیه ای سیستم های بدون سرنشین ATLAS، عرضی معادل ۱٫۲ متر و وزنی برابر با ۲٫۳ کیلوگرم داشت و قادر بود به مدت ۷۰ دقیقه در آسمان بماند.

شکل ۱- Coban Ini، ایستگاه مبنای نقشه برداری

قیود

برای نشان دادن قابل انجام بودن بکارگیری یک پهپاد فتوگرامتری برای نقشه برداری از کوهستان، چندین شرط برای نقشه برداری هوایی در نظر گرفته شد. برای بررسی کارآیی فناوری پهپادی تحت قیود زمانی سنگین، اخذ داده های منطقه باید تنها با یک پرواز انجام می شد. در صورتی که تلفاتی رخ داده باشد و یک تیم امداد مشغول آماده سازی عملیات امداد و نجات خود در شرایط زمانی بحرانی باشند، به پرواز در آوردن و فرود چندباره پهپاد می تواند زمان بسیار زایدی را صرف کند. سایت به پرواز در آوردن پهپاد نیز باید با توجه به قیود زمانی انتخاب می شد، مرکز ورزش های زمانی تنها ۳۰ دقیقه رانندگی با این سایت فاصله داشت.

این منطقه شیب های بسیار تندی دارد و محدوده ارتفاعی از ۲۸۵۸ در سایت به پرواز در آرودن تا ۳۹۱۷ در قله کوه Erciyes متغیر بود. ارتفاع پرواز پهپاد از ۳۳۳۷ تا ۴۲۳۱ متغیر بود. برای دست یابی به یک فاصله نمونه برداری زمینی ثابت ۷ سانتیمتری، مسیرهای پروازی بصورت سه بعدی تعریف شدند تا پهپاد را قادر به حفظ یک ارتفاع ثابت بر فراز زمین نمایند. پس از به پرواز در آوردن، پهپاد ابتدا به بیشترین ارتفاع پرواز در نقشه برداری صعود کرد و سپس به آهستگی شروع به کاهش ارتفاع نمود. زمان پرواز نزدیک به ۵۰ دقیقه، سرعت متوسط ۸۸ کیلومتر بر ساعت و فاصله پرواز شده ۶۴٫۵ کیلومتر بود.

شکل ۲- برنامه ماموریت پروازی پهپاد بر فراز کوه Erciyes

نقشه برداری و محصولات

نقشه برداری در نیمه سپتامبر ۲۰۱۷ انجام شد. پهپاد به یک دوربین Sony a6000 مجهز شده بود که دارای یک عدسی Sony E 20mm f/2.8 بود و با اندازه تصویری ۲۳٫۵ در ۱۵٫۶ میلیمتری دوربین، قدرت تفکیک موثر آن برابر با ۶۰۰۰ در ۴۰۰۰ پیکسل بود. برای دست یابی به یک فاصله نمونه برداری زمینی ۷ سانتیمتری، ارتفاع متوسط پرواز روی ۳۵۰ متر تنظیم شد. پرواز در ۱۳ خط شمالی-جنوبی موازی با طول متوسط ۳ کیلومتری و با پوشش های طولی ۸۰ و عرضی ۳۰ درصدی انجام شد. اخذ تصاویر در موقعیت های از پیش تعریف شده به جای بکارگیری فواصل زمانی، در اختیار داشتن حداقل تعداد تصاویر در هنگام وزش بادهای مخالف و یا موافق را تضمین نموده و همچنین، زمان پردازش را کاهش می دهد. بنابراین تصاویر در مختصات های تعیین شده توسط برنامه ریز ماموریت ATLAS (شکل ۲) اخذ شدند. شکل ۳ مسیر پرواز را نشان می دهد. منطقه پوشش داده شده تقریباً ۱۳۵۹ هکتار بود و ۵۶۹ تصویر حاصل شد. تصاویر از طریق پارامترهای توجیه خارجی که مشتمل بر ۳ زاویه تعریف کننده حالت صفحه و موقعیت سه بعدی مرکز تصویر در هنگام نوردهی است برچسب گذاری شده، و با نرم افزار Pix4DMapper که روی یک کامپیوتر با پردازنده i5 Intel و ۱۲ گیگابایت RAM نصب شده بود، پردازش شدند. نرم افزار یک DSM و یک تصویر قائم را تولید نمود (شکل ۴). این عملیات نقشه برداری سه بعدی در یک بازه ۲۴ ساعتی شامل زمان های مسافرت، برنامه ریزی پرواز، انجام پرواز و ایجاد DSM/تصاویر قائم به انجام رسید.

نتایج

پروژه آزمایشی نشان داد که تصویربرداری پهچادی یک گزینه عملی برای نقشه برداری در ارتفاع بالا و با هزینه پایین، زمان کوتاه عملیاتی، قدرت تفکیک و قابلیت انعطاف بالاست. هزینه کم و زمان نسبتاً اندک لازم برای نقشه برداری و پردازش، راه را برای انجام نقشه برداری های منظم پهپادی در نواخی مرتفع هموار نمود. چنین نقشه برداری هایی امکان ردیابی تغییرات سطحی و به روز نگه داشتن نقشه های سه بعدی مربوط به این نواحی را فراهم نمودند، که برای کوه نوردان و همچنین نیروهای امدادی در صورت بروز یک عملیات امداد و نجات بسیار مهم است. پهپاد بکار گرفته شده در این ماموریت می تواند در نقشه برداری از بهمن/یخچال ها به منظور ردیابی تغییرات آب و هوایی نیز مورد استفاده قرار گیرد و فهرستی از بهمن ها، زمین لغزه ها و جریان های آوار را تهیه نماید.