بخشی از مقاله
چکیده :
طراحی شبکه یکی از مراحل مهم و کلیدی در انجام همهی پروژههای فتوگرامتری برد کوتاه میباشد. از سوی دیگر لزوم استفاده از فتوگرامتری پهباد مبنا در مدلسازی سایتهای میراث فرهنگی غیر قابل تردید است. استفاده از این تکنیک بدون لحاظ کردن اصول طراحی شبکه منجر به پردازشهای طولانی و غیر ضروری میشود.
در این مقاله روشی ارائه شده است که به کمک آن با در نظر گرفتن اصول طراحی شبکه فتوگرامتری، از بین تصاویر متعدد اخذ شده توسط پهباد، تصاویر و موقعیتهای مناسب و بهینه انتخاب میگردند. نتایج بدست آمده برای تصاویر اخذ شده از یک سایت میراث فرهنگی نشان داده است که کارایی مدلسازی سه بعدی با استفاده از این روش حدوداٌ چهار برابر افزایش یافته است.
-1 مقدمه
تولید و به کارگیری مدلهای سه بعدی سایتهای باستانی با اهداف تحقیقاتی، بازسازی اشیاء تاریخی ارزشمند، ایجاد موزه های مجازی و مستندسازی سایت های باستانی مورد استفاده قرار می گیرد. به منظور مستندنگاری و ایجاد مدل سه بعدی و تهیه اطلاعات بناهای تاریخی، اولین گام داشتن نقشه های دقیق از وضعیت موجود بناها می باشد تا بتوان با اضافه کردن دیگر اطلاعات مانند نوع مصالح، کاربری در گذشته و حال و... اطلاعات کاملی از بنا را داشت.
بدین منظور بایستی از روش هایی برای تهیه نقشه ها استفاده کرد که علاوه بر دقت بالا بتوان با صرف کمترین هزینه و زمان به طور مستمر نسبت به تهیه نقشه اقدام نمود و با مقایسه نقشههای تهیه شده در بازههای مختلف زمانی روند تغییرات ایجاد شده در بنا را شناسایی کرده و تصمیم مناسبی در مقابل آنها اتخاذ نمود.
روشهای متعددی مانند مترکشی، نقشهبرداری کلاسیک - استفاده از دوربینهای معمول نقشهبرداری - ، فتوگرامتری - خصوصاً فتوگرامتری برد کوتاه - و لیزر اسکنرها برای تهیه این نقشه ها از گذشته مورد استفاده قرار گرفته اند.[2 ,1 ] از بین این روشها معمولاٌ روش های فتوگرامتری به دلیل اینکه اطلاعاتی از بافت و رنگ عوارض در اختیار کاربر قرار میدهد، در مدلسازی سایتهای باستانی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. ولی این روشها اغلب در برخی از موارد مانند عدم دسترسی به عوارض، با محدودیت هایی مواجه هستند.در نتیجه نیاز به اطلاعات دقیق از عوارض بخصوص در مناطق پرخطر و دور از دسترس و همچنین لزوم صرفه جویی در زمان و هزینه منجر به استفاده از فتوگرامتری پهباد مبنا1 گردیده است.
فتوگرامتری پهباد مبنا تلفیقی از فتوگرامتری هوایی و فتوگرامتری برد کوتاه است که در آن یک سنسور اخذ داده که می تواند دوربین متریک یا غیرمتریک و یا هر وسیله اخذ داده دیگری باشد، بر روی یک وسیله پرواز بدون سرنشین 2 - UAV - نصب شده و از ارتفاع کم داده ها اخذ می گردند.UAVاصطلاحاً به وسایل پرواز بدون سرنشینی گفته میشود که می تواند به صورت اتوماتیک یا با به کارگیری سیستم کنترل از راه دور در طول پرواز هدایت شود و میتوان از آن ها برای مقاصد مختلفی از قبیل دیده بانی، عکسبرداری، نقشه برداری هوایی، مدلسازی ابنیه، فعالیت های نظامی و... استفاده نمود.
هزینه کم برای ساخت، عدم نیاز به فرودگاه و باند پرواز طولانی، قابلیت مانوربیشتر، امکان استفاده از موتورهای الکتریکی با مزیت عدم نیاز به استفاده از سوخت فسیلی و گران قیمت از پارامترها و ویژگیهای مهم در استفاده از پرندههای بدون سرنشین میباشند.[4] البته محدودیتهایی نیز در استفاده از پرنده بدون سرنشین مثل ناپایداری در هنگام پرواز به دلیل سبک بودن وزن و محدودیت حمل سنجنده های بزرگ و دقیق تر و نیاز به زمان بیشتر برای عکسبرداری، پردازش و محاسبات وجود دارد که با یک طراحی شبکه مناسب میتوان تا حدودی برخی از این محدودیت ها را کاهش داد. طراحی شبکه، تعیین موقعیت و وضعیت دوربین برای اخذ تصاویر اضافی به منظور بهبود نواحی ضعیف شبکه است. پس به علت نیاز به دقت بالا در فتوگرامتری پهباد مبنا برای مستندنگاری سایتهای باستانی، توجه بیشتری به پیکربندی ایستگاهی دوربین یا هندسه شبکه نیاز است تا دقت مورد نظر تأمین گردد.
هدف اصلی این مقاله ارائه روشی مناسب برای انتخاب عکسهای بهینه از تصاویر اخذ شده توسط UAV میباشد که منجر به ایجاد مدل سه بعدی دقیق و بهینه از سایتهای باستانی میگردد. برای رسیدن به این هدف در بخش دوم به مطالعه کارهای انجام شده در این زمینه پرداخته میشود. در بخش سوم با علم به کارهای انجام شده در این زمینه روشی جدید برای انتخاب تصاویر بهینه ارائه می شود. در بخش چهارم این روش در یک پروژه عملی مورد ارزیابی قرار میگیرد و در بخش نهایی نتایج مورد ارزیابی قرار میگیرند.
-2 مروری بر تحقیقات انجام شده
کاربردهای روزافزون فتوگرامتری برد کوتاه نشان دهنده فراگیر بودن آن بعنوان یک روش اندازه گیری دقیق ابعاد و شکل اشیاء سه بعدی بوده است. مهم ترین چالش در به کارگیری تکنیک های فتوگرامتری برد کوتاه مساله طراحی شبکه می باشد. محققان زیادی در حوزه فتوگرامتری بردکوتاه تحقیقات مفیدی را در زمینه طراحی شبکه بردکوتاه بعمل آوردند.
Fraser و همکاران در سالهای 1980 تا 1996 تحقیقات گسترده ای در خصوص طراحی شبکه بر مبنای شرایط فیزیکی لحظه عکسبرداری به منظور تعیین مختصات سه بعدی نقاطی مشخص از شئ با بالاترین دقت ممکن انجام دادند
تحقیقات Fritsch در سال 1990 در زمینه تعیین موقعیت و وضعیت ایستگاه های تصویربرداری به منظور اندازه گیری دقیق شکل و ابعاد شئ بوده است .[7] در سال Mason1995 سیستمی به نام CONSENS3 برای طراحی شبکه ایجاد کرد که در این سیستم نیاز به یک مدل CAD از عارضه است CONSENS .[8] دارای محدودیت هایی مانند مقیاس، رزولوشن، زاویه دید، عمق میدان، تعداد و توزیع نقاط، زاویه فرود، نواحی پنهان، فضای کاری و موانع می باشد.
سعادت سرشت در سال 2005 تحقیقاتش را در زمینه طراحی شبکه برای قرارگیری محل بهینه دوربین با هدف اینکه عکس های ثانویه از کدام قسمت عارضه گرفته شود تا با اضافه کردن آنها به تصاویر اولیه به دقت مورد نظر رسید به انجام رسانید
در سال 2014 تحقیقات حسینی نوه در زمینه طراحی شبکه منجر به معرفی نرم افزاری به نام IND شد که در راستای بهبود روند انتخاب تصاویر بهینه نسبت به نرم افزار CMVS ارائه گردید. در این روش برای طراحی شبکه نیاز به یک مدل اولیه از عارضه است تا هندسه عارضه را در طراحی در نظر گرفته شود و با اضافه کردن قیود زاویه دید، مقیاس، رزولوشن، قدرت تفکیک و... به مدل کامل و دقیق رسید.
پیش فرض اغلب روش های طراحی شبکه های فتوگرامتری بردکوتاه در دسترس بودن مدل تقریبی شبیه سازی سه بعدی شئ و محیط اطراف آن میباشد تا به کمک آن از یک سو مساله قابلیت دید تارگتها قابل تحلیل بوده و از سوی دیگر به عنوان اطلاعات اولیه در فرایند طراحی به کار گرفته شود. با توجه به اینکه در اکثر کاربردها اطلاعات بهنگام جهت شبیه سازی شئ و محیط مربوطه در دسترس نیست، از فتوگرامتری پهباد مبنا برای حل این مشکل استفاده می شود.
در گذشته توسعه سیستم های UAV و سیستم عامل آن اغلب کاربرد نظامی داشت و برای نظارت و شناسایی مناطق دشمن بکار می رفت. اولین تجربه ژئوماتیک در پایان دهه 70 میلادی توسط Przybilla و همکارانش بدست آمد و با بهبود سیستم عامل ها و نرم افزارهای کاربردی گسترش یافت.
در سال های اخیر تحقیقات گسترده ای در زمینه طراحی و ساخت هواپیمای بدون سرنشین در گروه های مختلف در کشور انجام پذیرفته است با این وجودعملاً این فعالیت ها در زمینه فتوگرامتری بر مبنای هواپیمای بدون سرنشین نبوده است. اغلب تحقیقات موجود در این زمینه مربوط به مراکز تحقیقاتی خارج از کشور می باشد که البته مواردی مرتبط با موضوع نیز طی سالهای اخیر در کشور وجود داشته که در ادامه برخی از آن ارائه میگردد.
رمضانی در سال 1390 شمسی در پایان نامه خود امکان سنجی استفاده از وسایل پرواز بدون سرنشین و دوربین های غیرمتریک در تولید نقشه های بزرگ مقیاس را مورد بررسی قرار داده است و با استفاده از یک سکوی پرنده بال ثابت کوادرا و یک دوربین کوچک اقدام به جمع آوری و تهیه اطلاعات سه بعدی سطح زمین با مقیاس 1:500 و با دقت استاندارد از یک منطقه بسیار کوچک نموده است.
نورمحمد، سعادت سرشت و فدوی در سال 1391 شمسی ارزیابی تأثیر کالیبراسیون دوربین غیرمتریک در مثلث بندی هوایی تصاویر UAV را مورد بررسی قرار داده اند و با توجه به اینکه در اغلب پرنده های بدون سرنشین فتوگرامتری سایز کوچک، از دوربین های غیرمتریک استفاده می گردد، میزان خطاهای سیستماتیک این دوربینا هم عمولاً روی نتایج مثلث بندی تاثیرگذار است.
