تاریخچه نقشه برداری و کاربرد پهپاد 2

مقدمه 

حالا به معرفی سامانه پهپاد نقشه برداری برای دوستانی که به تازگی با این سیستم آشنا شده اند می پردازیم .

برای شروع بهتر است به بیان جایگاه این تکنیک در علم مهندسی نقشه برداری بپردازیم.

اگر به دنبال آن هستید که بدانید

نقشه برداری هوایی با پهپاد چیست؟!

چه اجزا و کاربردهایی دارد؟!

از چه پرنده هایی می توانید برای تصویربرداری هوایی استفاده کنید؟!

 چه دوربینی برای پهپاد نقشه برداری احتیاج است؟!

و سوالاتی از این قبیل با من همراه باشید.

مهندسی ژئوماتیک

همانطور که می دانیم هدف اصلی از علم مهندسی ژئوماتیک تهیه نقشه و یا جمع آوری اطلاعات مکانی از تمامی عوارض بر روی سطح زمین می باشد. 

این اجسام و عوارض می توانند به بزرگی یک کره زمین و یا فراتر از آن تا به کوچکی یک دندان یا کوچکتر از آن باشد .

برحسب ابعاد و اندازه جسم، برحسب روش های مختلف برای جمع آوری داده و تهیه اطلاعات و همچنین بر حسب تجهیزات مورد استفاده، 

از روش های مختلفی برای تهیه نقشه و یا بهتر بگوییم برای تولید اطلاعات استفاده می شود. 

همین تنوع در مواردی که ذکر شد باعث ایجاد شاخه های مختلف در علم مهندسی ژئوماتیک گردید.

از گرایش های مختلف مهندسی ژئوماتیک می توانیم به علم ژئودزی، فتوگرامتری، سنجش از دور، هیدروگرافی و  (سامانه اطلاعات مکانی) اشاره کنیم. 

در علم مهندسی ژئودزی و هیدروگرافی هدف اصلی تعیین شکل و بررسی تغییرات سطح زمین در ابعاد و وسعت زیاد است. 

در بحث سنجش از دور همانگونه که از اسم آن پیداست  با استفاده از سنجنده هایی که در فواصل بسیار زیاد از زمین داده هایی را اخذ می کنند، به بررسی وضعیت زمین می پردازند. 

سنجنده های مختلفی از قبیل سنجنده های مرئی و غیر مرئی بر روی سکوهای فضایی نصب می شوند و داده های مختلفی از سطح زمین و حتی از زیر سطح زمین برداشت می شود.

مهندسی هیدروگرافی

یکی از علومی که در کشور ما از حساسیت بالایی برخوردار است علم مهندسی هیدروگرافی است. 

با استفاده از علم هیدروگرافی می توان به اعماق دریاها و آب ها دست یافت و از وضعیت توپوگرافی زیر سطح دریاها داده های بسیاری را جمع آوری نمود.

 به هر طریق با استفاده از داده هایی که به روش های مختلف علم مهندسی ژئوماتیک بدست می آید، 

می توان آنالیزهای بسیار جالب و کاربردی با استفاده از سامانه اطلاعات مکانی (GIS)  انجام داد. 

در علم GIS هدف اصلی آنالیز داده ها و تولید اطلاعات مکانی است.  

از آنجایی که در تولید اطلاعات، داده های مختلفی می تواند دخیل باشد، این گرایش از مهندسی ژئوماتیک در بین علوم دیگر نیز از اهمیت بالایی برخوردار است.

فتوگرامتری

 برای درک بهتر علم فتوگرامتری بهتر است تعریف صحیحی از آن بیان کنیم. 

بطور کلی فتوگرامتری را علم، فن و هنر اندازه گیری و تعیین شکل جسم با استفاده از تصاویر آنالوگ و دیجیتال می نامند. 

پس در فتوگرامتری ابزار اندازه گیری ما دوربین تصویربرداری و تصویر است. 

بر همین اساس فتوگرامتری را به سه بخش فتوگرامتری فضایی، هوایی و زمینی (برد کوتاه) تقسیم بندی می کنند.

فتوگرامتری فضایی

در فتوگرامتری فضایی با استفاده از آنالیز و پردازش تصاویر ماهواره ای مرئی، می توان به اطلاعات مکانی از یک منطقه وسیع دست یافت. 

از تصاویر ماهواره ای در حوزه فتوگرامتری فضایی برای کاربردهایی نظیر تهیه نقشه های کوچک مقیاس از مناطق وسیع و تصمیم گیری های کلان استفاده می شود. 

معمولا سنجنده هایی که بر روی فضاپیماها جهت تصویربرداری فضایی نصب می شوند،

 از ارتفاع چندهزار کیلومتری تصاویری با کیفیت و در رزولوشن های مختلف از سطح زمین اخذ می کنند.

فتوگرامتری هوایی

اگر ارتفاع پرواز را کمتر کنیم و سنجنده (دوربین تصویربرداری) در زیر یک هواپیمای سرنشین دار قرار دهیم، 

می توانیم تصاویری از ارتفاع چندهزار متری سطح زمین اخذ کنیم.

 به مجموعه فعالیت هایی که بر روی تصاویر هوایی صورت می گیرد تا به نقشه برسیم، فتوگرامتری هوایی می گویند. 

در فتوگرامتری هوایی معمولا مناطقی در حد یک شهر و استان درنظر گرفته می شود. 

اما برای کشوری با وسعت ایران هر چند دهه یکبار تصاویری کامل از سطح کشور نیز اخذ می شود. 

از آنجایی که در کشور ما متولیان تصویربرداری هوایی سازمان نقشه برداری کشور و سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح می باشند. 

بدیهی است که این دو سازمان نمی توانند پاسخگوی نیازهای شرکت های مختلف برای مناطقی با وسعت چند هکتار و یا چند هزار هکتار باشند. 

به همین دلیل می بایست سیستمی بوجود می آمد تا چنین نیازهایی را بتواند برطرف کند.

از طرف دیگر وجود بروکراسی های اداری جهت درخواست تصویربرداری هوایی از ارگان های دولتی و همچنین کمبود سیستم های تصویربرداری هوایی در کشور به دلیل وجود تحریم ها، 

باعث گردید تا سامانه ای بوجود آید که بتواند نیازهای متقاضیان در این خصوص را برطرف نماید. 

این سیستم چیزی نبود جز سامانه پهپاد فتوگرامتری.

فتوگرامتری زمینی (برد کوتاه)

شاخه دیگری از علم فتوگرامتری که از اهمیت و کاربردهای ویژه ای برخوردار است،فتوگرامتری زمینی یا برد کوتاه نامیده می شود.

 علت این نامگذاری این است که فاصله دوربین تصویربرداری تا جسم بسیار کم شده و در حد چند صد متر تا چند سانتیمتر می باشد.

بطور کلی بسته به وضعیت منطقه و یا جسم، دوربین در حالت برد کوتاه یا می تواند بر روی یک پرنده بدون سرنشین نصب شده و از بالای یک منطقه تصویربرداری کند. 

و یا اینکه دوربین دست یک شخص باشد و یا  بر روی وسیله ای بر روی زمین نصب شود و از یک منطقه کوچک و یا یک جسم کوچک تصویربرداری کند. 

فتوگرامتری برد کوتاه بر اساس نوع کاربرد می تواند به دو دسته فتوگرامتری توپوگرافی و غیر توپوگرافی دسته بندی شود.

در فتوگرامتری توپوگرافی، هدف تهیه نقشه های توپوگرافی یا منحنی میزان، تولید DEM ، DSM و … از یک منطقه است. 

در فتوگرامتری غیرتوپوگرافی هدف تهیه اطلاعات مکانی و انجام اندازه گیری های خاص از اجسام صنعتی، پزشکی و یا عوارضی از این دست است. 

حال که با وضعیت فتوگرامتری برد کوتاه بطور کلی آشنا شدیم، متوجه شدیم که استفاده از پرنده های بدون سرنشین در تصویربرداری هوایی در زمره محاسبات و پردازش های فتوگرامتری برد کوتاه قرار می گیرد.

به همین دلیل اکثر نرم افزارهای مورد استفاده در بحث پهپاد فتوگرامتری، جهت مدلسازی اجسام و عوارض کوچکتر هم استفاده می شود.

 اکنون که با جایگاه سامانه پهپاد فتوگرامتری یا پهپاد نقشه برداری آشنا شدیم، به بررسی مفصل تر این سامانه می پردازیم.

سامانه پهپاد نقشه برداری

عبارت سامانه پهپاد نقشه برداری و یا پهپاد فتوگرامتری، شاخه ای از علم فتوگرامتری برد کوتاه است 

و اشاره به مجموعه ای از عوامل دارد که با تلفیق و در کنار هم قرار دادن آنها می توان بوسیله یک پرنده بدون سرنشین از مناطقی با وسعت مختلف تصویربرداری هوایی کرد 

و با نرم افزارهای پیشرفته فتوگرامتری عملیات تبدیل را انجام داد و در نهایت به نقشه رسید.

شاید این سوال برای شما پیش آید که با اینکه علم  فتوگرامتری قدمتی بسیار دارد، اما چرا اکنون ما شاهد این تکنولوژی هستیم و چرا سال ها قبل نمی توانستیم از این سیستم استفاده کنیم؟!

شاید در ابتدا این پاسخ به ذهنتان برسد که قبل از این پرنده های بدون سرنشین وجود نداشتند و یا به پیشرفتگی امروز نبودند.

 اما پاسخ اصلی چیزی غیر از این است.

 تکنولوژی ساخت پرنده های بدون سرنشین به سال ها قبل بر می گردد. 

یعنی در ساخت چنین پرنده هایی هیچ ضعفی وجود نداشته است. 

اما پاسخ نهایی اشاره به ضعف در الگوریتم های پردازش تصاویر دارد.

ضعف پرنده های بدون سرنشین سبک در نقشه برداری

دقت داشته باشید با توجه به آنکه پرنده های بدون سرنشین سبک هستند، نمی توانند تصاویری کاملا عمود از سطح زمین اخذ کنند. 

پس بدلیل آنکه معمولا میزان تیلت این تصاویر از حد مجاز تصاویر هوایی بیشتر است.

نمی توان آنها را با استفاده از نرم افزارهای فتوگرامتری هوایی تبدیل نمود.

 علاوه بر این، مشکلات دیگری نیز وجود دارد که استفاده از نرم افزارهای فتوگرامتری هوایی مثل LPS و یا اینفو را برای تبدیل تصاویر پهپاد با مشکل روبرو می کند.

 از آنجایی که ارتفاع پرواز در این سیستم نسبت به فتوگرامتری هوایی کمتر است، پس در هر تصویر وسعت کمی را می توان مشاهده نمود. 

همچنین بدلیل ارتفاع پایین پرنده، تعداد تصاویر بسیار بسیار زیاد می شود که در اکثر موارد استفاده از نرم افزارهایی که محیط برجسته بینی دارند را با مشکل روبرو می کند. 

اما دقت شود که در برخی موارد که ارتفاع پرنده زیاد است و یا از دوربین هایی با قطع سنسور بزرگ استفاده شده است، 

می توان از نرم افزارهای فتوگرامتری هوایی با یک سری اصلاحات بر روی تصاویر، عمل تبدیل تصویر به نقشه را انجام داد.

 با توجه به موارد بیان شده، می بایست نرم افزار و الگوریتمی پیاده سازی کرد که با شیوه ای نوین بتواند تصاویر حاصل از پهپاد را به صورت اتوماتیک پردازش کند.

همین قسمت یکی از اساسی ترین مشکلاتی بود که باعث دیر روی کار آمدن تکنولوژی پهپاد فتوگرامتری شد.

 توسعه الگوریتم

در اواخر سال های ۲۰۰۸- ۲۰۰۹ بود که محققین پردازش تصویر، توانستند الگوریتم هایی را توسعه دهند که بتوان عمل رسیدن از فضای تصویر به مدل سه بعدی را بصورت اتوماتیک انجام داد.

 بنظر بنده توسعه این الگوریتم ها انقلابی عظیم در علم مهندسی فتوگرامتری و ابعاد برداری ایجاد کرد.

با توسعه چنین الگوریتم هایی مراحل توجیه داخلی، توجیه نسبی و توجیه مطلق نیز بصورت اتوماتیک و یا نیمه اتوماتیک انجام می شوند.

 این امر، یعنی پردازش اتوماتیک هزاران تصویر و تولید ابرنقاط متراکم و همچنین تولید مدل سه بعدی با کیفیت رویای فتوگرامتریست ها بود. 

پس روی کار آمدن چنین الگوریتم هایی باعث شد تا بتوان با تلفیق تصاویر هوایی اخذ شده از پرنده های بدون سرنشین و نرم افزارهای اتوماتیک پردازش تصاویر، سامانه ای بوجود آید که امروزه از آن با عنوان سامانه پهپاد فتوگرامتری یاد می کنند.

اجزای سامانه پهپاد فتوگرامتری

 همانطور که از نام این سیستم بر می آید، با یک سیستم یا سامانه روبرو هستیم. 

وقتی می گوییم سامانه، منظورمان این است که این تکنولوژی از اجزاء مختلفی تشکیل شده که با همکاری صحیح و دقیق این اجزا می توان به نتیجه نهایی و قابل قبول رسید. 

بطور کلی اجزاء سامانه پهپاد فتوگرامتری را می توان به دو دسته «پرواز و تصویربرداری هوایی» و همچنین «پردازش تصاویر و تهیه نقشه» تقسیم بندی نمود.

در سال های اولیه که این سیستم رواج یافته بود، به دلیل عدم وجود پرنده های تمام اتوماتیک نقش یک اپراتور پرواز و کسی که بتواند یک پرنده را مونتاژ، کنترل و تعمیر و نگهداری کند بسیار پر رنگ بود.

 اما امروزه با روی کار آمدن پرنده های تمام اتوماتیک و سیستم های نوینی در این زمینه، نقشه یک اپراتور پرواز و یا متخصص هوافضا کم رنگ تر شده است. 

البته این بدان معنی نیست که در تمامی پروژه ها یک نقشه بردار می تواند به تنهایی از پس قسمت پرواز بر آید. 

منظور این است که با توسعه پرنده های بدون سرنشین، امروزه یک نقشه بردار نیز می تواند در اغلب پروژه ها به تنهایی یک پرنده عمود پرواز و یا یک هواپیمای بال ثابت را جهت تصویربرداری هوایی برای مقاصد نقشه برداری به راحتی کنترل نماید. 

پس جهت آشنایی بیشتر با جزئیات دو بخش اصلی این سیستم با ادامه مطلب با بنده همراه باشید.

پرنده های مورد استفاده در نقشه برداری با پهپاد

 در ادامه قصد بر این است که با انواع پرنده های مورد استفاده در زمینه پهپاد نقشه برداری آشنا شوید. 

عموما برای تصویربرداری هوایی جهت تولید نقشه از دو نوع پرنده استفاده می شود. 

دسته اول مولتی روتورها (عمود پروازها) و دسته دوم هواپیماها (بال ثابت ها) می باشند.

 هر کدام از این دو دسته موارد استفاده خاص دارند که در ادامه مزایا و معایب هرکدام را بررسی میکنیم.

 مولتی روتور

از آنجایی که در ساخت چنین پرنده هایی از تعدادی موتور (روتور) استفاده شده است به آنها مولتی روتور گفته می شود. 

برای چنین پرنده هایی حداقل ۴ موتور درنظر گرفته می شود. عمود پروازهای دیگری هم وجود دارند که شش، هشت، ده موتور و یا بیشتر دارند.

 بطور کلی دو نوع عمود پرواز در بازار وجود دارد. یک مدل پرنده هایی هستند که بصورت پک شده و آماده پرواز هستند. 

یعنی تمامی قطعات و حتی دوربین تصویربرداری نیز بر روی آنها نصب شده و از کارخانه سازنده بصورت یک پک کامل به بازار وارد می شوند. 

از پر فروش ترین نوع این پرنده ها می توان به پرنده های کمپانی DJI چین اشاره کرد.

دسته دوم پرنده هایی هستند که در شرکت های خدمات پروازی مونتاژ می شوند.

یعنی بسته به کاربرد شما یک پرنده طراحی شده، قطعات خریداری می شوند و توسط یک متخصص مونتاژ می شوند.

توصیه نقشه برداری با پهپاد

توصیه می شود جهت نقشه برداری هوایی با پهپاد از پرنده های پک شده آماده پرواز استفاده کنید.

 زیرا این پرنده ها تحت تست های مختلف تمامی باگ های آنها گرفته شده و نسبت به پرنده های مونتاژ شده قابل اعتمادتر هستند.

از مزایای عمودپروازها می توان به عدم نیاز به باند نشست و برخاست،کنترل راحت تر پرنده و دوربین جهت تصویربرداری و فیلمبرداری و همچنین مناسب جهت مناطق کوچک اشاره کرد. 

اما مدت زمان پروازی کم (حدودا ۱۵ دقیقه) از معایب چنین پرنده هایی می باشد.

هواپیما

دسته دوم از پرنده های بدون سرنشین هواپیماها یا بال ثابت ها هستند. 

در ساخت این پرنده ها از یک موتور استفاده می شود. از آنجایی که تنها یک موتور در ساخت هواپیماها بکار می رود مصرف باتری به شدت کم شده و به مدت زمان پروازی اضافه می شود. 

نکته ای که در رابطه با هواپیماها وجود دارد این است که معمولا از هواپیماها برای مناطق وسیع استفاده می شود. 

زیرا فراهم کردن مقدمات کار جهت پرواز یک هواپیما کمی پیچیده تر از یک مولتی روتور است. 

این مقدمات شامل اخذ مجوزهای لازم، درنظر گرفتن یک محوطه آزاد جهت نشست و برخاست پرنده و در برخی موارد تجهیز سیستم پرواز به یک آنتن فرستنده و گیرنده قوی جهت ارتباطات دور با پرنده است. 

به همین دلیل بهتر است از هواپیماها برای مناطق وسیع استفاده شود که بتوان با یک پرواز ۴۵ دقیقه ای یا یک ساعته، منطقه ای در حدود چندصد هکتار را تصویربرداری کرد.

در ساخت هواپیماها معمولا بدلیل فضای کم موجود در بدنه از مانت های (گیمبال های) تک محوره استفاده می شود. 

علاوه بر این در برخی هواپیما از جی پی اس های دقیق نظیر سیستم های RTK یا PPK استفاده می شود.

نکته دیگری که در ساخت و استفاده از هواپیماها باید مد نظر قرار داد این است، 

که بدلیل سرعت بالای پرنده نسبت به مولتی روتورها باید از دوربین هایی استفاده شود که بتوانند در سرعت های بالا پشت سر هم شات زده و تصاویر واضحی اخذ کنند. 

هر دوربینی چنین قابلیتی ندارد. معمولا در دوربین های ساخت کمپانی فوجی فیلم می توان از این مدل دوربین ها را یافت.

بطور کلی مواردی که باید در انتخاب پرنده مناسب جهت نقشه برداری با پهپاد مد نظر داشت به قرار زیراند:

• مدت زمان پرواز پرنده
• نوع کاربرد (شهری، غیرشهری و …)
• وسعت مناطقی که بطور معمول توسط شما نقشه برداری می شوند.
• سهولت در کنترل پرواز پرنده
• سهولت در حمل و نقل و استفاده
• قیمت پرنده
• خدمات پس از فروش و پشتیبانی کامل
• کیفیت قطعات

مزایای سامانه پهپاد نقشه برداری

باتوجه به توضیحات ذکر شده در بالا می توان مزایای تهیه نقشه بوسیله  پهپاد را بصورت زیر برشمرد:

• قابلیت بکارگیری در مناطق صعب العبور و دور از دسترس
• کاهش عملیات زمینی و در نتیجه کاهش هزینه ای انجام پروژه
• تولید محصولات متنوع و با کیفیت بالا
• سرعت بالای اخذ داده و تهیه نقشه
• قابلیت استفاده در کاربردهای گوناگون
• جابجایی و حمل و نقل آسان سیستم از جایی به جای دیگر

هدف شرکت آشیانه ققنوس ایزانیان در این مقاله این بود که در راستای آموزش نقشه برداری با پهپاد مطلب کامل و جامعی در رابطه با سامانه پهپاد نقشه برداری نوشته شود. 

برای تهیه یک آموزش کامل، جامع و اصولی در زمینه نقشه برداری هوایی با پهپاد می تواند به سایت ما مراجعه نمایید.

 امیدواریم این مطلب مورد پسند شما خوانندگان و علاقمندان عزیز قرار گرفته باشد.