تصویربرداری هوایی از طریق پهپادها
تصاویر هوایی اخذ شده توسط هواپیماهای بدون سرنشین، با نقش آفرینی تولیدکنندگان تجهیزات، توسعه دهندگان نرم افزار و پدید آورندگان خدمات، به فناوری روز بدل شده است. Richard Groom مروری بر این فناوری نموده و توصیه هایی را به مشتریان ارائه میدهد.
پیشینه فناوری پهپادی
تا سال ۲۰۰۰، برای نقشه برداری از منطقه ای با وسعت بیش از ۵۰ هکتار، تنها انتخاب فناوری فتوگرامتری بود. تصاویر هوایی پوشش دار با استفاده از هواپیماهای سبک مجهز شده به دوربین های متریک کالیبره شده بسیار گران و سنگین، تهیه می شدند. این به متخصصین در حوزه فتوگرامتری امکان ساخت مدل های سه بعدی مجازی را می داد. نقشه برداران به نقشه برداری مختصات و ارتفاع نقاط زمینی قابل مشاهده روی مدل می پرداختند، تا قادر به اعمال دوران و مقیاس بر اساس سیستم مبنای مختصات ملی باشند.
پیشرفت GPS دقیق (و بعدها GNSS با چندین پیکربندی) و سنجنده های حرکت اینرشیال به این معنا بود که نقاط کنترل زمینی کمتری مورد نیاز است و عکسبرداری رقومی تولید مدل بصورت خودکار را از طریق نرم افزار انطباق ممکن ساخت، اما این فناوری اساساً بدون تغییر باقی ماند.
سپس، در حدود سال ۲۰۰۰، لیدار به عنوان یک گزینه عملی برای تولید مدل های زمینی رقومی پا به عرصه گذاشت. این فناوری به GPS و سنجنده های اینرسی در هواپیما برای تعیین موقعیت دقیق و ارتفاع هواپیما وابسته بود. یک اسکنر لیزری امکان اسکن زمین برای تولید یک ابر از نقاط سه بعدی را فراهم می نمود.
به جز مختصات سه بعدی، اطلاعات اندکی را می توان از یک نقطه لیداری به دست آورد، اما این امکان وجود دارد که مشاهدات مربوط به نقاط ابتدایی، میانی و آخرینی که پالس لیدار در در مسیرش از هواپیما به زمین به آنها برخورد می نماید را ثبت نمود. اولین بازگشت ممکن است از چتر یک درخت باشد، دومی ممکن است مربوط به تنه درخت باشد و سومی می تواند از زمین بازتابیده باشد. با بکارگیری این، و الگوریتم های فیلتر کننده سطح بالا، ساخت یک مدل رقومی “زمین ساده” امکان پذیر است. تحت شرایط ایده آل، دقت ارتفاعی می تواند در حد چند سانتیمتر بوده و با هزینه بسیار کمتری نسبت به فتوگرامتری به دست آید.
پهپادهای بال ثابت
در سال های اخیر پرنده های بدون سرنشین بال ثابت (پهپادها) برای انجام وظایف تصویربرداری هوایی توسعه یافته اند. آنها به سادگی می توانند در صندوق عقب ماشین حمل شوند و در فضاهای کوچکی از چمنزارهای باز از زمین بلند شده و یا فرود آیند. زمانی که این ابزارها برای نقشه برداری مورد استفاده قرار می گیرند، قابلیت فنی خارق العاده آنها نه به هواپیما، بلکه به نرم افزار مورد استفاده برای ایجاد مدل های فتوگرامتری مربوط می شود.
شرکت های نوآور نرم افزاری را پدید آورده اند که امکان دریافت مجموعه ای از تصاویر از رده مشتریان و تبدیل آنها به مدل های سه بعدی، بصورت کاملاً خودکار و بسیار ارزان را دارند. نتیجه این است که دیگر نیازی به تهیه تصاویر با استفاده از یک دوربین کالیبره شده سنگین نیست، چرا که پهپادها می توانند دوربین های دارای قدرت تفکیک بالای کوچک تولید شده بصورت انبوه، شبیه آنهایی که در تلفن های همراه می بینید، را حمل نمایند. این ها بسیار سبک بوده و می توانند توسط هواپیماهای سبک حمل شوند، وزن بیشتر آنها کمتر از یک کیلوگرم است.
پارامترهای کالیبراسیون دوربین توسط نرم افزار پردازش ناشناخته در نظر گرفته شده و بعداً و همزمان با ساخت مدل سه بعدی حل می شوند. اما برای انجام این کار نیاز به انجام عکسبرداری ها با پوشش ۸۰ تا ۹۰% داریم. پروسه پردازش به داده های تصویری اضافی وابسته است، بنابریان، با توجه به زمان اندک لازم برای پوشش منطقه، پرواز مجدد بر فراز منطقه و در نوارهای عمود بر خطوط قبلی، منطقی به نظر می رسد.
پهپادها یک موقعیت یاب GPS اولیه و سنجنده های اینرسی MEMS را حمل می کنند. این مشاهدات به عنوان ابزاری برای آگاهی دادن به برنامه در ارتباط با موقعیت تقریبی اخذ تصاویر پیش از شروع پروسه پردازش و همچنین مشارکت در زمین مبنا نمودن محصول نهایی، وارد عمل می شوند.
پهپادهای هلیکوپتری
پهپادهای هلیکوپتری برای امور مرتبط با بازرسی ایده آل هستند، چرا که این امکان وجود دارد که آنها را بصورت شناور بر فراز عارضه ای که در حال تصویربرداری از آن هستیم، کنترل کنیم. آنها عموماً از نمونه های بال ثابت سنگین تر بوده و می توانند بار اضافی بیشتری را حمل کنند. با در اختیار داشتن دوربین های با قدرت تفکیک بالا و یا تهیه ویدئو، آنها بطور منظم برای انجام بازرسی در تجهیزات نفتی، برج های انتقال نیرو و سایر مناطقی که ممکن است دور از دسترس و یا مخاطره آمیز باشند، مورد استفاده قرار می گیرند. پهپادهای هلیکوپتری معمولاً به خاطر برد کوتاهشان مناسب انجام نقشه برداری نیستند، اما دارای مزیت قابلیت حمل بار اضافی بیشتر هستند. آنها می توانند دوربین های پیشرفته تری را حمل نموده و پیشرفت های اخیر موجب شده اند که پهپادهای هلیکوپتری قادر به حمل سایر سنجنده ها نظیر اسکنرهای لیزری و تصویربردارهای چندطیفی نیز باشند. در حال حاضر زمان پرواز (برد) پهپادهای هلیکوپتری در حدود ۱۵ دقیقه است. برای اهداف نقشه برداری این به معنای پوشش حدود ۱۰ هکتار در هر پرواز است. شکی وجود ندارد که همگام با پیشرفت های فنی، برد نیز افزایش خواهد یافت.
از آنجایی که پهپادهای هلیکوپتری می توانند هم در امور مرتبط با بازرسی بکار گرفته شوند و هم نقشه برداری، به بازار بسیار گسترده تری نسبت به پهپادهای بال ثابت دسترسی داشته و به نظر می رسد که در طول سالهای پیش رو آنها حاکم بی چون و چرای این بازار خواهند بود.
پهپادها – یک بازار جدید
فتوگرامتری از طریق تصویربرداری هوایی با پهپادها جایگزین فتوگرامتری سنتی در مناطق وسیع نمی شود، اما یک جایگزین (و یا مکمل) عملی و مقرون به صرفه برای سنجش دور در مناطق کوچکتر نسبت به نقشه برداری زمینی خواهد بود.
موقعیت نسبت به زمین که بر مبنای مشاهدات از یک سنجنده از رده ناوبری بدست می آید، پهپاد را به دقت یک متر در مسطحات و بسیار بدتر در ارتفاعات خواهد رساند. مشتریان باید از این مساله آگاه بود و محتاط باشند، چرا که امکان تولید مدل های فتوگرامتری با استفاده از داده های GPS از رده ناوبری وجود دارد. این مدل ها ممکن است از دید یک فرد غیر حرفه ای دقیق به نظر بیایند. برای دقت های بالاتر، تا حدود ۳۰ میلیمتر در ارتفاعات، نقشه بردار با دو گزینه مواجه است.
اولاً، او می تواند نقاط کنترل زمینی را مشاهده نماید. اینها نقاطی با مختصات سه بعدی هستند، که معمولاً روی زمین صاف مانند گوشه خط پارکینگ روی آسفالت مشخص شده اند، اما در عمل یافتن نقاطی روی زمین صاف که بخوبی روی نقشه نیز قابل تعریف باشند کار مشکلی است، بنابراین بیشتر نقشه برداری ها از طریق بکارگیری علامت های از پیش تهیه شده کنترل می شوند. آنها باید رنگ (مات) و اندازه ای داشته باشند که به سادگی در عکس قابل شناسایی باشد. عوارض درخشانی که باعث انعکاس بیش از حد نور می شوند، عملیات انطباق پیکسل ها را دچار اختلال نموده و منتج به تاری می شوند.
به عنوان یک گزینه دیگر، برخی پهپادها با استفاده از روش های کینماتیک آنی GPS امکان ثبت موقعیت نوردهی دوربین را با دقت بالا دارند. با بکارگیری این تکنیک نیازی به نقاط کنترل زمینی نخواهد بود، اما نقشه بردار باید با وارد نمودن چند نقطه کنترل زمینی، از ریسک احتمالی خطاهای سیستمی جلوگیری کند. تصویربرداری هوایی پهپادی می تواند برای تولید یک مدل سطحی رقومی مورد استفاده قرار گیرد. این یک مدل از زمین به تنهایی نخواهد بود، چرا که تنها عوارض موجود در تصویر قابل مدل شدن هستند. بر خلاف لیدار، سطح زمین تنها در صورت دیده شدن در تصویر قابل ثبت شدن خواهد بود. اگر فروشنده قابلیت مدل زمینی تنها را به شما ارائه می دهد، بررسی کیفیت الگوریتم های فیلتر کننده ای که او بکارگیری شان را توصیه می کند خالی از لطف نخواهد بود.
به همین دلیل تصویربرداری پهپادی برای نقشه برداری از مناطق بدون پوشش گیاهی، مانند معادن بسیار محبوب بوده است. این روش برای نقشه برداری از دیگر مکان های مخاطره آمیز مانند مکان های دفع ضایعات که مشکلاتی در ارتباط با ایمنی نقشه بردار هنگام کار در آنها وجود دارد و یا اصولاً دسترسی به آنها مشکل است، مفید است. تصویربرداری قائم از طریق مرتب کردن تصاویر روی یک مدل سطحی به منظور ارائه یک توصویر واقعی زمین مبنا، انجام می شود. تصاویر قائم می توانند برای ثبت عوارض سطحی در اهداف ثبتی ارزشمند واقع شده و پروازهای منظم این امکان را دارند که ابزاری مقرون به صرفه و مفید برای ثبت پیشرفت سایت های در حال توسعه باشند.
باد
پهپادها از دو طریق تحت تاثیر باد قرار می گیرند. اولاً اگر باد بسیار شدید باشد، ممکن است موتور پرنده قادر به به زمین نشاندن آن پس از پرواز در باد نباشد. دوماً آشفتگی حاصل از وزش بادمی تواند موجب تاری تصاویر و همچنین رخ دادن همپوشانی به میزانی بیشتر و یا کمتر از میزان برنامه ریزی شده شود. این اثر در ارتباط با هواپیماهای بزرگتر، کم اهمیت تر خواهد بود. در نظر داشتن اینکه پرواز به شرایط آب و هوایی وابسته است و اینکه پیمانکارانی که در موقعیت مکانی نزدیک تری نسبت به سایت هستند امکان بیشتری برای بهره برداری از بازه های مناسب آب و هوایی را خواهند داشت، خالی از لطف نیست. باد عملیات برخاستن از زمین و فرود را نیز تحت تاثیر قرار می دهد. پهپادهای بال ثابت روی شکم خود فرود می آیند و در نتیجه بدنه آنها پیش از آنکه به تعویض نیاز پیدا کند، عمر محدودی خواهد داشت. طبیعتاً، هر چه فرآیند فرود سخت تر باشد میزان فرسودگی و سایندگی نیز بیشتر خواهد بود. این می تواند هزینه قابل توجهی را به شما تحمیل کند. این مساله در ارتباط با پهپادهای هلیکوپتری مشکلی را ایجاد نمی کند.
