مقاله جمع آوری اطلاعات سه بعدی سطح زمین با استفاده از فتوگرامتری سکوهای پرنده بدون سرنشین

چکیده : 

در حال حاضر روشهای تهیه نقشه شامل عملیات زمینی ، سنجش از دور ، فتوگرامتری و استفاده از سامانه های لیزراسکن زمینی و هوایی میباشد. در برخی موارد به دلیل مسائلی از قبیل هزینه، دسترسی به امکانات، مدت زمان انجام پروژه و دسترسی به داده ها و مدت زمان تهیه نقشه، نیازمند به یک روش مقرون به صرفه از نظر اقتصادی و داری کارایی بالا می باشیم که نه تنها متناسب با ابعاد منطقه باشد بلکه دقت مورد نیاز را نیز برآورده نماید. به منظور کاهش مشکلات فوق روشی که به تازگی برای تهیه نقشه های بزرگ مقیاس استفاده گردیده است روش استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین یا فتوگرامتری پهپاد است. در سالهای اخیر پرنده های بدون سرنشین به طور گسترده ای در کشورهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند. امروزه بسیاری از مأموریت های هوایی تولید نقشه های بزرگ مقیاس بخصوص در مناطق غیر وسیع توسط این پرنده ها انجام میگیرد. مهمترین دلایلی که باعث گرایش کشورهای مختلف به سمت این پرنده ها شده است، هزینههای نسبتاً پایین مربوط به طراحی و ساخت این پرنده ها در مقایسه با نمونه های سرنشین دار - با مأموریت های مشابه - و همچنین خطر کم برای نیروهای انسانی می باشد. سیستم های UAV به دلیل نداشتن سرنشین - خلبان - ، دارای مزایایی همچون کاهش وزن و پیچیدگی و توسعه پایداری سیستم هستند. با توجه به قابلیت های بالای این سکوها استفاده از آنها در فتوگرامتری بعنوان موضوعی مطرح و پویا در سالهای اخیر می باشد. در این مقاله اهمیت ، قابلیت و مزایای استفاده از این سکوها در مباحث فتوگرامتری مورد بررسی قرار گرفته و تحقیقات و پروژه های انجام شده در این زمینه مورد بررسی و ارزیابی قرار داده شده است. ×

واژههای کلیدی : سکوهای بدون سرنشین فتوگرامتری ، تولید نقشه، جمع آوری داده ×

-1 مقدمه

فتوگرامتری پهپاد یک شاخه جدید از فتوگرامتری است که اخیراً در بسیاری از کاربردهای نقشه برداری مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع فتوگرامتری پهپاد تلفیقی از فتوگرامتری هوایی و فتوگرامتری برد کوتاه می باشد که در آن با نصب یک حس گر اخذ داده بر روی یک وسیله پرواز بدون سرنشین - UAV - از ارتفاع اندک داده اخذ می گردد. به دلیل استفاده از پهپادها در این روش در مقایسه با فتوگرامتری سنتی به آن فتوگرامتری پهپاد می گویند. اصطلاح جدید فتوگرامتری پهپاد به معنای یک سکوی فتوگرامتری است که از طریق کنترل از راه دور، نیمه خودکار یا خودکار عمل میکند.این پلت فرم یکسری سنجنده فتوگرامتری ، مانند دوربینهای غیر متریک، سیستم دوربین های حرارتی یا مادون قرمز، سیستم LIDAR هوایی و یا ترکیبی از آنها را در ابعاد کوچک یا متوسط شامل میشود. اخیراً پهپادهای استاندارد اجازه ثبت و ردیابی موقعیت و توجیه سنسورهای وسیله را در یک سیستم مختصات محلی و یا جهانی میدهند. از این رو، پهپاد های فتوگرامتری میتوانند به عنوان یک ابزار اندازه گیری جدید فتوگرامتری قابل درک باشند.

پهپادهای فتوگرامتری برنامههای کاربردی مختلف جدیدی را در حوزه برد کوتاه، ترکیب فتوگرامتری هوایی و زمینی باز میکنند. همچنین کاربردهای جدیدی مانند کاربرد آنی و جایگزین های ارزان قیمتی برای فتوگرامتری هوایی کلاسیک - سرنشین دار - معرفی می کند. مطالعه دقیق بر روی جمع آوری داده ها بصورت آنی با استفاده از سنسورهای هوایی موجود از جمله UAV ها می توان در مقاله ارائه شده توسط kerle و همکارانش در سال 2008 یافت. در ادامه این مقاله ابتدا مروری مختصر به مفاهیم و المانهای تاثیر گذار بر عملکرد سکوهای بدون سرنشین فتوگرامتری داشته و سپس روند انجام این پروژه ها مورد بررسی قرار داده می شود. در پایان با مرور تحقیقات مشابه انجام شده، توانایی سکوهای بدون سرنشین هوایی تولید اطلاعات مکانی در فتوگرامتری مورد بررسی و ارزیابی قرار داده می شود.

-1-1 مزایا و معایب UAV فتوگرامتری

در مقایسه با فتوگرامتری معمولی، به دلیل استفاده از سکوی پرنده مدل در UAV فتوگرامتری، این روش بسیار انعطاف پذیر خواهد بود.UAVها را معمولاً می توان از هر مکانی پرواز داد و باند پرواز نیازمند نیست.همچنین ارتفاع پرواز بسیار کمتر از ارتفاع پرواز در فتوگرامتری معمولی است.بنابراین UAVمعمولاً پایین تر از ابرها قرار خواهد گرفت.در نتیجه در روزهای ابری نیز قابلیت انجام عملیات برای این سیستم ها وجود خواهد داشت.به دلیل ارتفاع پایین پرواز در فتوگرامتری UAV، تصاویری بزرگ مقیاس به دست خواهد آمد.بنابراین، می توان مدل ارتفاعی زمین را با جزئیات بیشتری به دست آورد.همچنین با دقت بیشتری عوارض را انتخاب کرد که منجر به افزایش دقت خواهد شد.

البته UAV فتوگرامتری در مقایسه با فتوگرامتری معمولی چالش هایی نیز دارد. این چالش ها، ناشی از کوچکتر بودن سکو و همچنین به کار بردن تجهیزاتی است که اغلب ساده تر و ارزان تر از تجهیزات به کار برده شده در فتوگرامتری معمولی هستند.به کار بردن تجهیزات ساده تر و با دقت کمتر، چالش هایی را ایجاد خواهد کرد.اولین مسئله این است که دقت تجهیزات پیشرفته UAV فتوگرامتری، کمتر از دقت تجهیزات مشابه در فتوگرامتری معمولی خواهد بود.بنابراین دقت اندازه گیری های موقعیت و وضعیت هواپیما پایین خواهد بود.

اعوجاجات زیاد لنز دوربین مورد استفاده در UAV فتوگرامتری دقت را به شدت کاهش می دهد و همچنین دوربین به جای قرار گرفتن روی یک صفحه ژایرو، مستقیماً روی هواپیما قرار می گیرد، بنابراین تمام دوران های سکو به دوربین منتقل خواهد شد.همچنین هواپیماهای ملخ دار، لرزش هایی ایجاد می کنند که باز هم به دوربین منقل می شوند و منجر به ابهام در تصویر می شوند.از طرفی به دلیل وزن کم UAV، کنترل آن را، به خصوص در هوای بادی مشکل می کند. در حال حاضر فتوگرامتری پهپاد براساس دوربینهای غیرمتریک و نیمهمتریک پایهگذاری شده است. این دوربین ها که به طور گسترده در اختیار مصرف کنندگان قرار دارند، به دلیل ارزان بودن و کم بودن هزینه نگهداری،به صورت روزافزون در جمع آوری اطلاعات سه بعدی سطح زمین با استفاده از…

مهدی مدیری ، عباسعلی صالح آبادی و همکاران

کاربردهای مختلف در زمینه فتوگرامتری مورد استفاده قرار میگیرند. پهپادهای فتوگرامتری برنامه های کاربردی مختلف جدیدی را در حوزه برد کوتاه، ترکیب فتوگرامتری هوایی و زمینی باز میکنند. -2-1 معیارهای مناسب بودن سکوی بدون سرنشین برای اهداف فتوگرامتری معیارهای مختلفی برای مناسب بودن سکوی بدون سرنشین برای اهداف فتوگرامتری بیان شده است. با این حال تمامی آن ها، معیارهای توان تفکیک بالای دوربین، دقت نهایی، هزینه و قابلیت حمل را نیازهای اصلی برای سکو دانسته اند.علاوه بر ملاحظات عمومی بالا، برای اطمینان از کارایی و پایداری UAV به عنوان ابزاری ژواینفورماتیک، سکوی مورد استفاده در فتوگرامتری باید ویژگی های و قابلیت های دیگری نیز داشته باشد.سایر ملاحظاتی برای مناسب بودن سیستمUAV می توان لحاظ کرد عبارتند از:

·    سیستم مورد نظر از لحاظ حداقل زمان و منابع مورد نیاز برای راه اندازی و پرواز سیستم باید به آسانی در دسترس باشد؛

·    سیستم باید به راحتی قابل حمل باشد؛

·    زمان مورد نیاز برای باز کردن و بستن سیستم، سرعت اجرا را افزایش می دهد؛

·    محدودیت مهارت خلبان. در کاربرد های غیر نظامی، سیستمی مناسب تر است که خلبانی با حداقل میزان مهارت توان هدایت آن را داشته باشد؛

·    خلبان اتوماتیک و ناوبری بر نقاط هوایی و ایمنی. برای امکان پرواز در مسیر طراحی شده برای پرواز و تصویر برداری در نقاط مورد نظر، وجود خلبان خودکار برای ناوبری الزامی است؛

·    ماژولار بودن محموله سیستم.استفاده از سنجنده های چندگانه را آسان می کند.بنابراین سیستم برای کاربردهای چندگانه قابل استفاده خواهد بود؛

·    حجم و وزن حداکثر بار مفید قابل حمل با سکو. سیستم مورد نظر باید توانایی و ظرفیت قراردادن محموله های مورد نظر را داشته و تاحدی در مورد تغییر نوع محموله قابل انعطاف باشد؛

·    میزان پایداری و لرزش. برای اخذ تصاویری قائم و با کیفیتی خوب، پرواز سیستم باید پایدار و با کمترین تلاطم بوده و لرزش موتور به سنجنه ها منتقل نشود؛

-2 فرایند UAV فتوگرامتری

با توجه به مزایا و محدودیتهای فتوگرامتری پهپاد برنامهریزی پرواز برای پروژههای فتوگرامتری پهپاد پیچیدهتر از فتوگرامتری هوایی می باشد، بنابراین در پروژه فتوگرامتری پهپاد، این گونه سیستمها باید تمامی جوانب را در نظر گرفت. شکل 2 مراحل انجام یک پروژه فتوگرامتری پهپاد را نشان میدهد.