انتخاب دوربین برای نقشه برداری با UAV

مروری بر دوربین های محبوب میان نقشه برداران هوایی

در پی توسعه فراگیر بکارگیری دوربین های رده نقشه برداری در وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپادها) برای نقشه برداری و کاربردهای فتوگرامتری، این مقاله، به دنبال مرور دوربین­های مختلف و ویژگی های حیاتی آنهاست. اولاً، به تعیین مهم ترین مواردی که در هنگام انتخاب یک دوربین برای نقشه برداری باید در ذهن داشته باشید می پردازیم. دوماً، نویسندگان توصیه هایی را در ارتباط با سطح قیمتی به شما ارائه می کنند.

اگرچه این فهرست کامل و جامع به نظر نمی رسد، اما قصد دارد تا مجموعه ای از دلایل را که بکارگیرندگان UAV باید در هنگام انتخاب یک دوربین برای اهداف نقشه برداری در نظر داشته باشند، ارائه نماید.

وزن، سرعت و زمان پرواز

وزن یکی از نکات مهمی است که در هنگام تصویربرداری هوایی باید در نظر گرفته شود، این مساله در عکسبرداری زمینی غالباً به عنوان یک عامل محدود کننده وارد عمل نمی شود. بنابراین در این مقاله روی دوربین های کم وزن، جدید و با مشخصات فنی بهتر متمرکز خواهیم شد. به علاوه، پتانسیل پوشش هوایی یک عملیات نقشه برداری به ارتفاع پرواز، زمان پرواز و سرعت UAV وابسته است، همه این موارد با افزایش وزن بار محدودیت های بیشتری پیدا می کنند.

به منظور افزایش انعطاف در انتخاب ارتفاع پرواز، زمان و سرعت، وزن را باید در حالت کمینه حفظ نمود. تعدادی از دوربین های سبک وزن برای بکارگیری روی UAV ها در زیر ارائه شده اند.

پارامترهای تصویربرداری

اندازه سنجنده، در کنار فاصله کانونی عدسی که المان اصلی تعریف کننده فاصله نمونه برداری زمینی (GSD) یا اندازه پیکسل در دنیای واقعی است، یکی از کلیدی ترین پارامترهای تصویربرداری در پیکربندی یک عملیات نقشه برداری است. اگرچه بحث کامل در ارتباط با عدسی دوربین فراتر از اهداف این مقاله است، باید اشاره کنیم که انتخاب عدسی مناسب تاثیر چشم گیری بر کیفیت تصاویر و محصولات استخراج شده از آنها خواهد داشت. به منظور مقایسه، فاصله کانونی موثر نیز معرفی شده است، این مقدار، فاصله کانونی عدسی ضرب شده در تغییرات مقیاس سنجنده نسبت به یک سنجنده فول فریم (۳۶*۲۴ میلیمتری) است.

پهنای پیکسل، یا عرض هر پیکسل روی سنجنده، نیز باید مورد توجه قرار گرفته و به سادگی از طریق تقسیم عرض یک ردیف از سنجنده های دوربین به تعداد پیکسل ها در آن تعیین می شود. این پارامتر از نزدیک با اندازه دریچه دیافراگم، میزان بازشدگی دیافراگم که به نور اجازه ورود به عدسی را می دهد، در ارتباط است. انادزه دریچه، تعیین کننده میزان بزرگی تاثیر انکسار بر هر تصویر خواهد بود. دریچه دیافراگم معمولاً از طریق یک “عدد f” مشخص می شود که برابر با نسبت فاصله کانونی به قطر بازشدگی است. بنابراین، f/8 یک دریچه دیافراگم با قطری معادل یک هشتم اندازه کانونی عدسی است. اگر دریچه دیافراگم کوچک باشد (عدد f بزرگ) و یا پیکسل ها کوچک باشند، اثر انکسار سیگنال ها را در هم می پیچد، چرا که نور روی چندین پیکسل فرود آمده و وضوح را کاهش خواهد داد.

بنابراین، اگرچه GSD ممکن است در دو پیکربندی تصویربرداری ثابت باقی بماند، یکی ممکن است رفتار محدودی در برابر اثر انکسار داشته و در نتیجه در عمل بطور چشم گیری بدتر عمل کند. برای کاهش این اثرات، یک پهنای پیکسلی بالاتر مطلوب است.

GoPro Hero 4  نقره ای

GoPro به عنوان یک محصول خانگی در چند سال گذشته ظهور کرده و دوربین های بسیار کوچک و سبک وزن آن بسیار محبوب بوده اند. این دوربین ها به خاطر دوام خود شناخته شده اند. یکی از بهترین ویژگی های آنها وزن کم آنهاست، که عموماً زیر ۱۰۰ گرم است. با در نظر گرفتن نقشه برداری های فتوگرامتری هوایی جدید که با استفاده از UAVهای از رده تجاری قابل انجام هستند، GoPro یک انتخاب جذاب برای آنهایی که نگران پوشش سطح وسیعی از زمین بوده و یا در حال نقشه برداری از مناطق دور دست هستند، است، چرا که وزن کم دوربین می تواند زمان پرواز را بطور چشم گیری افزایش دهد. GoPro دوربین انتخاب شده بسیاری از تولیدکنندگان UAV از رده تجاری است. به علاوه، سری پهپادهای بسیار محبوب DJI Phantom با یک دوربین درونی با مشخصاتی بسیار مشابه با GoPro ارائه می شوند (البته با یک فاصله کانونی موثر ۲۰ میلیمتری). اگرچه، بهای در اختیار داشتن چنین مشخصاتی مستلزم در اختیار داشتن یک سنجنده بسیار کوچک است، در هنگام تصویربرداری با این سنجنده ها در بالاترین قدرت تفکیک، اثر انکسار بسیار آشکار خواهد بود. این مساله در کنار اعوجاجات بسیار عدسی، می توانند برنامه ریزی برای ماموریت های مرتبط با فتوگرامتری را با مشکل مواجه سازد.کاربرد دوربین های GoPro به اهداف علمی محدود می شود. اگرچه، آنها در حوزه سرگرمی بسیار پرطرفدار هستند و می توانند برای انجام نقشه برداری های اولیه از سایت مفید واقع شوند.

مشخصات و ویژگی های فنی GoPro Hero 4  نقره ای

Ricoh GR2

Ricoh GR2 یک گزینه مناسب در حوزه سرگرمی برای کسانی است که به دنبال تهیه نقشه با کیفیت بالاتری هستند و بطور موفقیت آمیز با بسته های UAV برخی شرکت ها ادغام شده است (مثل Smart planes, www.smartplanes.se). وزن کم این دوربین ها که کمی از ۲۰۰ گرم بیشتر است، با در نظر گرفتن سنجنده بزرگ APS-C، بسیار مناسب به نظر می رسد. عدسی درونی با فاصله کانونی ثابت در آزمایش نقاط مبنایی وضوح خوبی را نشان می دهند (DxOMark, 2016) و عملکرد بهینه آن با یک دریچه دیافراگم بزرگ قابل توجه است (دریچه دیافراگم موثر f/4.5). بنابراین این دوربین ها در کاربردهایی که نور صحنه کم است، به درد بخور هستند. چرا که دریچه دیافراگم بزرگتر دریافت نور بیشتری را برای عدسی بدون کاهش عملکرد در اثر انکسار، ممکن می سازد. این قابلیت اثر بالقوه انکسار را نیز کمتر می کند، چرا که نسبت به دریچه های دیافراگم باریک تر، نور را روی سطح کمتری از سنجنده پخش می نمایند؛ در حالت f/2 اثر انکسار قابل توجهی وجود نخواهد داشت. یکی از معایب این دوربین عدسی ثابت است، چرا که فاصله کانونی موثر ۲۸ میلیمتری آن بطور بالقوه برای برخی کاربردهای فنی میدان دید کافی را فراهم نمی آورد. اگرچه همیشه می توانید بالاتر پرواز کنید، محدودیت های ارتفاع پرواز و عمر باتری، به فواصل کانونی کوتاه تر (همچین وزن عدسی) خدمت بیشتری خواهند نمود. بنابراین، این مدل تنوع سایر دوربین های این فهرست را ارائه نمی دهد، با این حال برای این قیمت انتخاب بسیار مناسبی خواهد بود.

Sony سری A7

دوربین های سونی سری A7 بدون آئینه و با عدسیهای قابل تعویض (MILCها) یک قدم فنی رو به جلو را در مسیر مقرون به صرفه شدن سنجنده های فول فریم، ارائه می کنند. اولین نسخه این دوربین ها بسیار سبک است و تنها ۴۱۷ گرم وزن دارد (۷۶۹ گرم با یک بسته عدسی ۲۸*۷۰ میلیمتری و f/3.5-5.6) و یکی از فشرده ترین دوربین های فول فریم موجود در بازار است. ProDrone (www.prodrone-tech.com) خبر پشتیبانی از مجموعه ای از دوربین های فشرده و MILCها که در بردارنده هر دو مدل Ricoh – GR2 و سونی سری A7 نیز هست را اعلام نموده است. بنابراین دوربین های سری A7 سونی یک نقطه شروع مناسب برای شرکت ها و یا مشاورانی است که به دنبال ارائه خدمات نقشه برداری با کیفیت بالا به مشتریان خود هستند. دوربین های سری A7 به عنوان یک رقیب قابل توجه برای سری M لایکا که برای سالها فضای دوربین های فول فریم را اشغال کرده بودند، ظهور کرده است. این، در کنار امکان انتخاب از میان یک گستره وسیع از عدسیها، به این معناست که سیستم این دوربین ها بسیار متنوع و پویاست. سنجنده فول فریم با قدرت تفکیک بالا و دامنه وسیع انتخاب عدسی احتمال چشم پوشی از وزن بالای آن در مطالعات بلند مدتی که در آنها میدان دید دارای اهمیت است، را بیشتر می کند.

بروشور دوربین Sony سری A7

Hasselblad X1D

دوربین قالب متوسط فشرده Hasselblad (MILC) یک قدم رو به جلو در فناوری تصویربرداری را ارائه نموده است. سنجنده های قالب متوسط، میدان دیدی را ارئه می کنند که هیچ یک از دوربین های فشرده توان رقابت با آن را ندارند و قیمت آن، که بطور چشم گیری بالاتر از سایر دوربین های فهرست شده در اینجاست، برای افرادی که در امور پیشرفته مرتبط با UAV شاغل هستند، ارزش پول صرف شده را خواهد داشت. در حال حاضر، تنها دو عدسی برای این مدل دوربین در دسترس است. اگرچه، میدان دید اضافه ارائه شده توسط این سنجنده های قالب متوسط، با فواصل کانونی موثر ۳۵ و ۷۰ میلیمتری این فقدان در انتخاب عدسی را جبران خواهد نمود.  با وزنی کمی بیش از ۱ کیلوگرم در هنگام اتصال عدسی، همچنان سوار کردن این دوربین روی بسیاری از UAVهای دارای توان کم حمل بار، عملی است.

علاوه بر این گزینه، DJI، تولید کننده UAVهای سری Phantom، همکاری خود با Hasselblad برای ارائه بسته هایی در بردارنده UAVهای Matrice 600 با دوربین های قالب متوسط Hasselblad A5D با بکارگیری یک پایه Ronin-MX را اعلام کرده است. اگرچه مجموعه عدسی A5D (پایه H Hasselblad) با مدل X1D متفاوت است، این بسته یک سامانه UAV با قالب متوسط ساده و کاربردی را که ممکن است برای کاربران بیشتر مناسب باشد را ارائه می دهد.

دیتا شیت Hasselblad X1D

Phase One iXU 1000

مجموعه دوربین های پهپادی Phase One بالاترین رتبه را در بازار دارا هستند و جدیدترین iXU 1000 با یک سنجنده ۱۰۰ مگاپیکسلی بزرگ در قالبی گسترده تر از مدل های Hasselblad، راه حل تحسین برانگیزی را برای نقشه برداری پهپادی ارائه می کنند. این دوربین ها با در اختیار داشتن سه عدسی مختلف Rodenstock (با فواصل کانونی موثر ۲۸، ۳۵ و ۵۰ میلیمتری)، همه آنچه که ممکن است در حال حاضر مورد نیاز نقشه برداران پهپادی باشد، را ارائه می دهند. این آخرین قدم پیش از ورود به قلمرو ماموریت های دارای اپراتور انسانی با بکارگیری راه حل هایی نظیر UltraCam های قالب بزرگ Microsoft است، اگرچه حتی مشخصات تصویری ارائه شده توسط آنها توان رقابت با برخی از مدل های ابتدایی دوربین های معمول فتوگرامتری (Microsoft 2008) را دارند. عدسی های Rodenstock تضاد تصویری بینهایت خوبی را در لبه های تصاویر نشان می دهند، به خصوص با دریچه های دیافراگم بالاتر (f/6.5) که قیمت بالای در حدود ۴۰۰۰ یورویی آنها را توجیه می نماید. Phase One توانایی بکارگیری به همره فناوری رادار را نیز ارائه می دهد. برای این نوع داده ها، سنجنده های بزرگ تر مناسب تر بوده و به عنوان نتیجه میدان دید وسیع ترشان، راه حل دقیق تری را نسبت به نسل فتوموزائیک های بزرگ ارائه می نمایند.

بروشور Phase One Aerial Camera Systems 

نتیجه گیری

نویسندگان این مقاله مرور مختصری بر آنچه که اعتقاد داشتند انتخاب های معقول تری در سطوح حرفه ای/هزینه ای مختلف برای تصویربرداری پهپادی است را ارائه داده اند. این فهرست جامع و کامل نیست و بازار نیز به سرعت در حال توسعه و گسترش است. در حالیکه توسعه دوربین های رقومی فرمت متوسط تحت سلطه محصولات مناسب برای عکاسان تجاری سنتی قرار داشته است، کاربرد فراگیر UAVها علاقه مندی به توسعه دوربین توسط شرکت های تولید کننده پهپاد را بیشتر کرده است، سرمایه گذاری DJI در واحدهای صنعتی Phase One و Hasselblad گواهی بر این مدعاست. در سال های پیش رو، انتظار حرکت رو به جلو به سمت سنجنده های قالب بزرگ در اشکال فشرده و مجموعه عدسی های قابل ادغام با سنجنده های بزرگتر را داریم. به علاوه، می توان انتظار تلفیق داده ها و اخذ داده ها بصورت موازی با دیگر منابع داده (نظیر لیدار) را نیز داشت.

منبع: gim-international.com