بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر استخراج دادههای سه بعدی از سطح اشیاء و بارزسازی و مدلسازی آنها بهدلیل کاربردهای متنوعی که دارند سبب شده است که تکنیکها و روشهای مختلفی جهت استخراج دادههای سهبعدی ارائه گردد. در این بین روش استفاده از تصاویر متوالی، از جمله روشهایی است که به دلیل قابلیتها و امکانات ناچیز برای پیادهسازی آن، توجه خاص محققان را به خود معطوف نموده است.
در این مقاله سیستمی معرفی میگردد که با استفاده از توالی تصاویر اخذ شده با یک دوربین فیلمبردای متصل شده به سیستم هوایی بدون سرنشین - پهپاد - با توان تفکیک مکانی بالا قادر به مطالعه دقیق ویژگیهای زیست سنجی درختان و دسترسی به تصاویر در زمان مطلوب پژوهشگر را ممکن کرده است. با توجه به این موضوع، پژوهش حاضر با هدف بررسی کاربرد فتوگرامتری برد کوتاه و مدل رقومی سطح زمین - DSM - حاصل از تصاویر استریو آنها جهت برآورد مشخصههای کمی درختان است.
مقدمه
مدیریت جنگل به دلیل نقش مهم جنگلها در برقراری تعادل اکولوژیکی در کره زمین، جزء مدیریتهای تاثیرگذار در دنیا محسوب میگردد. امروز میزان سطح جنگل به عنوان شاخصی از توسعهیافتگی از درجه اهمیت بالایی برخوردار است و مدیریت صحیح برای حفظ و ارتقا کمیت و کیفیت جنگلها بسیار ضروری است. در سالیان اخیر تغیرات زیادی در مدیریت جنگل نسبت به سالهای گذشته ایجاد گردیده است. مدیریت جنگل از حالت مدیریت به روش سنتی به روشهای مدرن تغییر کرده است.
جنگلهای ایران در دهههای اخیر به دلایل متعدد دستخوش تغییرات شدیدی گشته است که حفظ، دوام و بقا آن، پایش مداوم، چارهاندیشی و تمهیدات همه جانبه را میطلبد. به همین دلیل کسب اطلاعات دقیق و بههنگام از وضعیت کمی و کیفی این منابع جنگلی میتواند دربرنامهریزی و مدیریت صحیح این منابع، از اولویت بالایی برخوردار باشد.
آماربرداری از جنگل کاری دشوار بوده و ضمن داشتن تجربه و دانش کارشناسی لازم، مستلزم صرف هزینه و وقت زیادی است، ضمن اینکه برداشت داده در بعضی نقاط صعبالعبور ممکن نیست. علاوهبر این گستردگی سطح جنگلها، کوهستانی بودن عرصهها و همچنین تغییرات شدید با فواصل زمانی کوتاه بکارگیری این روشها را با مشکلات اجرایی روبروساختهاست . - Khorami,2004 -
بنابراین، سعی میشود تا با استفاده از دستآوردهای حاصل شده در زمینههای مختلف علمی از روشهای جایگزین با هزینه کمتر و با سطح قابل قبول، استفاده شود . - Sivanpillai et al., 2006 - دادههای ماهوارهای، به دلایل برخورداری از مزایایی چون سطح پوشش وسیع، قابلیت تکرار، سهولت پردازش توام با دادههای میدانی میتواند به عنوان یک گزینه در جمعآوری اطلاعات مطرح شود - خرمی، . - 2004 ولی دقت مکانی متوسط این دادهها باعث شده که نتوان از آنها در بعضی کاربردها که احتیاج به دقتهای بالاتری دارند استفاده کرد .
- Lillesand et al.,2014 - اخیراً ترویج سیستمهای هوایی بدون سرنشین، امکانات جدیدی برای نقشهبرداری و برآورد خواص بیوفیزیکی جنگل فراهم کردهاست و وضوح مکانی و زمانی بالا در برگیرنده برخی از مهمترین ویژگیهای دادههای سیستم هوایی بدون سرنشین است . - Whitehead et al., 2014 - علاوه برانعطافپذیری قابل توجه - Whitehead et al., 2014 - ، توانایی سفارشی بودن پروژه، تحویل سریع داده، کم هزینه بودن کسب تصاویر، ایجاد ابرنقاط، و توانایی ایجاد منحنی سطحی، از قابلیتهای سیستمهای هوایی بدون سرنشین است. - Paneque -Gálvez et al., 2014 -
هدف از این تحقیق معرفی کاربرد فتوگرامتری برد کوتاه در برآورد مشخصههای کمی جنگل و زیست سنجی است. که در ایران تاکنون از این روش جهت اهداف مدیریتی استفاده نشده است. تاکنون تحقیقات مختلفی در زمینه برآورد مشخصههای بیوفیزیکی درختان با پهپاد صورت گرفته است. در مطالعهای Zarco-Tejada و همکاران - 2014 - با استفاده از تصاویر پهپاد با قدرت تفکیک مکانی بالا، ارتفاع درختان یک باغ زیتون در اسپانیا را برآورد کردند.
در پژوهشی دیگر Lisein و همکاران - 2013 - با استفاده از تصاویر پهپاد ارتفاع درختان را با مجذور میانگین مربعات خطا در دو منطقه مطالعاتی به ترتیب به میزان 0/84 و 2/45 متر برآورد نمایند. مطالعه دیگری که توسط Puliti و همکاران - 2015 - در جنگلهای بورآل در سطح قطعه نمونه با استفاده از الگوریتم SFM انجام گرفت، توانستند با استفاده از مدل سه بعدی، میزان ارتفاع درختان را با ضریب تبیین 0/97 و مجذور مربعات خطا 0/7 متر درهکتار برآورد کردند.
فتوگرامتری
علم و هنر و تکنیک بدست آوردن اطلاعات قابل اعتماد درباره عوارض فیزیکی و محیط از طریق ثبت، اندازهگیری و تفسیر بر روی عکس و یا سایر مدارکی که با استفاده از انرژی الکترو مغناطیسی تابشی ثبت شده است. معمولا فتوگرامتری را به سه شاخه فتوگرامتری فضایی، فتوگرامتری هوایی و یا فتوگرامتری برد کوتاه - زمینی - تقسیم بندی می کنند. کلی اگر فاصله دوربین تا جسم بین چند متر تا چندصد متر باشد، تکنیک مورد استفاده در زمره فتوگرامتری برد کوتاه قرار می گیرد. پس توجه شود که هر دو مورد - فتوگرامتری زمینی - و - پهپاد فتوگرامتری - می تواند در دسته فتوگرامتری برد کوتاه قرار گیر - Rosneli and. - Honkavaara, 2012
کاربردهای فتوگرامتری برد کوتاه
کاربردهای برد کوتاه در باستانشناسی، صنعت اتومبیلسازی، طراحی شهرسازی، معادن، تولید نقشه های توپوگرافی و کشاورزی و منابع طبیعی است .
کاربردهای فتوگرامتری برد کوتاه در جنگلداری
تکنیکی که امروزه بخوبی توانسته است در بحث تصویربرداری هوایی، تهیه نقشههای توپوگرافی، برآورد مشخصههای کمی درختان جنگلی، ارزیابی بیوماس و.. کمک شایانی کند سامانه پهپاد فتوگرامتری است. از این تکنیک با نام فتوگرامتری پهپاد مبنا نیز یاد میشود. با استفاده از این روش میتوان با بکارگیری یک پرنده فوق سبک بدون سرنشین، تصاویر هوایی را از منطقه مورد مطالعه تهیه نمود، سپس با پردازش این تصاویر و تولید مدلهای سه بعدی و ارتوفتو علاوه بر تولید نقشههای مسطحاتی و توپوگرافی دقیق به استخراج پارامترهای کمی درختان جنگلی هم پرداخت - . - Tomi and Honkavaara, 2012
فرآیندهای سنتی آماربرداری میدانی، کاری بسیار زمانبر، طاقتفرسانسبتاَ، هزینهبر و نیازمندداشتن تجربه دانش کارشناسی است. ضمن اینکه برداشت داده در برخی نقاط دور از دسترس و کوهستانی با مشکلات زیادی همراه است. این موارد باعث کاهش دقت آماربرداری و مسائل ناشی از آن میشود - . - Zimble et al.,2003 دسترسی مشکل به برخی از جنگلها و همچنین وجود تعداد بسیاری درخت در آنها، مستلزم آن است تا راه حلی اقتصادی و روشی دقیق به منظور برآورد اطلاعاتی مانند ارتفاع، قطر برابر سینه، قطر تاج وغیره ارائه شود - . - Lim et al., 2015
پهپادها نسبت به ماهوارهها دارای تفکیک مکانی بالایی هستنند، دوره عکسبرداری و یا برداشت دادهها، بسته به هدف کاربر قابل برنامهریزی است - Bhardwaj et al., 2016 - همچنین دارای مزیتهای مختلفی ازجمله کنترل ارتفاع پرواز، زاویه دید سنجنده و تنظیم میزان همپوشانی تصاویر میباشند - . - Gaston & Anderson,2013 پهپادها با برداشت داده های طیفی و به سبب برداشت تصاویر با همپوشانی زیاد و تولید ابرنقاط توسط الگوریتمهای مختلف، بحث تفکیک درختان را وارد گام جدیدی کرده است.
این الگوریتمها در واقع روشی است که با استفاده از تصاویر دو بعدی دارای همپوشانی، تصاویر سه بعدی قسمتهایی که مشترک هستند را میسازد. یکی از این الگوریتمها SFM فرآیند استخراج یک ساختار سه بعدی از نماهای گوناگون دوربین متحرک است که نقاط کلیدی را در هر تصویر شناسایی میکند - . - Engel et al ., 2014خروجی نهایی این فرآیند یک ساختار سه بعدی است که از شی و مکانهای دوربین تشکیل شده است. ابر نقاط اطلاعاتی در مورد موقعیتهای نسبی دوربین و نیز فاصلههای نسبی بین دوربین و شی ارائه میدهد . - Dellaert et al.,2000 -
بحث
استفاده از تصاویر پهپاد برای برآورد ویژگیهای مختلف درختان به منظور آماربرداری جنگل نه تنها در داخل کشور، بلکه در سطح جهان یک موضوع جدید است. با پیشرفتهایی که در زمینه سنجندههای قابل نصب بر روی این دستگاهها صورت گرفته است، جایگاه آنها را بسیار گسترش داده است. این پژوهش سعی در معرفی کاربرد فتوگرامتری برد کوتاه مبتنی بر تصاویر پهپاد در زیست سنجی جنگل را نمایش دهد.
همچنین به منظور ادامه کار و بهرهگیری هر چه بیشتر از این فنآوری، پیشنهاد میگردد تا با استفاده از تصاویر پهپاد و برآورد ارتفاع درختان، از معادلات آلومتریک جهت براورد میزان زیتوده استفاده گردد. همچنین به منظور ساخت مدل رقومی سطح و بررسی دقت آن در برآورد ارتفاع، تصاویری به وسیله پهپاد با تفکیک مکانی مختلف تهیه کرده و ارتفاع برآورد شده در هر کدام از تصاویر را با یکدیگر مقایسه نمود تا در نهایت به یک میزان مطلوب تفکیک مکانی به منظور ساخت مدل رقومی سطح رسید.
تشخیص خودکار تک درختان و برآورد ویژگیهای بیوفیزیکی آن یکی از موضوعات مهم قابل تحقیق با استفاده از فتوگرامتری برد کوتاه است. در این زمینه به منظور تشخیص تک درخت الگوریتمهای مختلفی تولید شده است، اما با توجه به تفکیک مکانی بسیار بالای این تصاویر قابلیت شناسایی نوع گونه پوشش گیاهی از روی آنها بسیار حائز اهمیت است که این امر میتواند کمک زیادی در زمینه شناخت جنگل و تیپ- بندی آن کند. در زمینه امور اجرایی نیز به منظور افزایش سرعت انجام کارها، کاهش هزینه و افزایش ضریب ایمنی در مکان-های خطرناک، پیشنهاد میگردد از تصاویر پهپاد و مدل سه بعدی سطح منتج از آن جهت آماربرداری جنگل استفاده گردد.
