فتوگرامتری یا نقشه برداری هوایی چیست؟

فتوگرامتری علم و هنر تعیین موقعیت، اندازه و شکل اشیاء از طریق تحلیل نتایج بدست آمده از تصاویر آنالوگ و دیجیتال می­باشد.

• • علم: مرتبط با ریاضیات کاربردی، فیزیک، شیمی و کامپیوتر

• • هنر: اپراتور ماهری که تصاویر مناسب را از طریق عکاسی و فیلم برداری بدست می­ آورد.

امروزه با پیشرفت تکنولوژی روش های دیگری در علوم نقشه برداری هوایی بوجود آمده که نقشه برداری با پهپاد یکی از این روش ها است. امید قربانی

دسته بندی های متفاوتی را برای نقشه برداری هوایی می توان در نظر گرفت که به آنها در ادامه خواهیم پرداخت:

دسته بندی فتوگرامتری بر اساس فاصله از اجسام:

1-فتوگرامتری برد کوتاه:

فتوگرامتری برد کوتاه اجسام معمولا در فاصله کمتر از 100 متر قرار دارند هدف از انجام آن تهیه مدل های سه بعدی و نزدیک به واقعیت برای آنالیز های متفاوت است. نقششه برداری با پهپادها نمونه ای از برد کوتاه ها می باشند. در مقالات آینده به تشریح کامل این مسئله خواهیم پرداخت. همچنین در صورت نیاز به خرید عکس هوایی می توانید با کارشناسان مجرب و متخصص مپ اسکیل در ارتباط باشید.

2-فتوگرامتری زمینی:

در این دسته هواپیما در فاصله نزدیک به سطح حرکت می کند و تصاویر کاملا شفاف را جهت تهیه نقشه ها با مقیاس بزرگ تهیه میکند.

در ایران نیز بعضا از این نوع نقشه برداری هوایی استفاده شده است.

3-فتوگرامتری هوایی:

در این نوع فاصله پروازی بین 500 تا 1500 متر را در برمیگیرد و برای نقشه های پوششی معمولا استفاده می شود. همچنین پس از تهیه تصاویر مدنظر باید پروسه پردازش تصاویر پهپاد توسط کارشناسان صورت گیرد.

4-فضایی:

جدید ترین شیوه می باشد که تهیه تصاویر با استفاده از ماهواره ها با دقت بسیار بالا صورت می گیرد.

تحولات دستگاه­ های تبدیل در نقشه برداری هوایی:

فتوگرامتری آنالوگ:

در این نوع از تصاویر و سیستم های آنالوگ برای عملیات تبدیل عکس به نقشه استفاده میشود.

اپتیکی (نوری):

در داخل دستگاه زوج عکس­های آنالوگ (کاغذی) را قرار می­ گیرند و اپراتور با استفاده از یک استریوسکوپ که شامل لامپ سبز و لامپ قرمز است، شروع به سه بعدی دیدن تصاویر می کند.

با توجیه شدن عکس­ها توسط اپراتور، دستگاه با استفاده از روزنه روشن (Platen mark) شروع به ترسیم نقاط شناور بر روی نقشه می­نماید.

برای این تبدیل همیشه تصاویر سیاه و سفید نیاز است و باید در اتاق تاریک این تبدیل رخ دهد.

مکانیکی:

در این دستگاه برای برقراری شرط همخطی از میله­ های فلزی استفاده می­شود.

بدین صورت که کاربر با یک استریوسکوپ تصاویر آنالوگ را نسبت به هم توجیه می­نماید، در این هنگام میله­ های فلزی متصل به هم بر روی کاغذ ترسیم نقاط شناور را ترسیم می­نمایند.

فتوگرامتری تحلیلی:

اولین دستگاه تحلیلی بوسیله­ ی آقای هلاوا ( Helava ) در سال ۱۹۵۷ اختراع گردید.هدف این دستگاه­های تبدیل، کم کردن نقش اپراتور و اضافه کردن نقش کامپیوتر می­باشد.روند عملکرد این دستگاه­ها بدین صورت است که از عکس­های آنالوگ استفاده می­کنیم.

زمانی که عکس­ها را وارد رایانه می­نماییم با دو مرحله می­توان از تصاویر به مدل یا نقشه مورد نظر برسیم.

ترفیع در :

در این روش ورودی­های ما به کامپیوتر نقاط مشترک عکسی به همراه موقعیت زمینی آن­ها می­باشد، که می­توان به وسیله­ی آن­ها عکس­ها را نسبت به هم توجیه نماییم.

تقاطع :

در روش تقاطعما با استفاده از مختصات عکسی نقاط گرهی بین دو تصویر دیجیتایز شده ارتباط برقرار می­کنیم، با وارد کردن موقعیت و جهت هر عکس می­توان برای تک تک نقاط گرهی به موقعیت زمینی برسیم.

فتوگرامتری ، نقشه برداری هوایی رقومی:

در این دستگاه ­های تبدیل تلاش شده است که به جای تصاویر آنالوگ از تصاویر دیجیتال به عنوان ورودی استفاده شود. بنابراین یا از عکس­های دیجیتایز شده (دستگاهی که خطوط تصویر پیوسته را به کدهای دیجیتال تبدیل می­کند.)  استفاده می­شود یا مستقیما از عارضه با دوربین های دیجیتال عکس­برداری می­شود.

تصاویر دیجیتال نسبت به تصاویر آنالوگ دو محدودیت را برای ما به وجود می ­آورد.

محدودیت اول مربوط به Resample  کردن سیگنال­های برگرفته از یک محدوده داخل یک Pixel به وسیله یک درجه خاکستری می­باشد و محدودیت دوم مربوط به ناتوانی ساخت CCD به طوری که بتوان ابعاد تصویر دیجیتال را به ابعاد تصویر آنالوگ رساند می­باشد.

تبدیلات رقومی آخرین تکنولوژی این علم می ­باشد که محققین در تمامی نقاط جهان به دنبال طراحی Application هستن که بتواند در زمینه Computer Vision بدون نیاز به کاربر و به صورت کاملا اتوماتیک شروع به استخراج اطلاعات و عوارض از تصویر برای کارهای متنوع فتوگرامتری نماید. همچنین در صورت داشتن هر گونه سؤال در خصوص نسق زراعی می توانید با تیم متخصص و کارشناس مپ اسکیل در ارتباط باشید.

انواع نقاط در فتوگرامتری:

نقطه شناور:

این نقاط مربوط به مداد ترسیم می­شود که بنابر توجیه عکس­ها شروع به ترسیم نقشه می­نماییم.

نقطه گرهی:

نقاط مشترک بین تصاویر می­باشند که مختصات زمینی آن­ها مجهول است.

نقطه کنترل:

نقاط مشترک بین تصاویر می­باشند که مختصات زمینی آن­ها معلوم است.

نقطه چک:

همان نقاط کنترل زمینی می­باشد با این تفاوت که در محاسبات وارد نمی­شود و تنها برای چک کردن محاسبات و برآورد خطاها به کار می­رود.

قاب­های سنجنده رقومی:

Frame Camera:

به این دوربین­ها، دوربین­های سطحی نیز می­گویند.

شرکت سازنده­ی این دوربین­ها قاب دوربین­ها را در دو جهت به صورت اصطحکام بالا، پیکسل­ها را در کنار هم تنظیم نموده است.

(Linear Array Camera (Push broom:

این دوربین­ها بیشتر برای تصاویر ماهواره­ای استفاده می­شوند.

زیرا نیازی به شاتر ندارند و چون در یک جهت استحکام بالاتری دارند می­تواند در آن جهت تهداد پیکسل­ها و دقت آن­ها را افزایش داد.

(Point Scanner (Whisk broom:

همان طور که از اسمش مشخص است برداشت ما تک پیکسل می­باشد.

این دوربین­ها بیشتر به اطلاعات رادیومتریکی عوارض بها می­دهند.

حالت­های سکو:

استا:

در این سکوها دوربین بر روی سه پایه قرار می­گیرد و شروع به عکسبرداری می­نماید.

این حالت بیشتر در برد کوتاه یا فتوئودولیت مورد استفاده قرار می­گیرد.

متحرک:

در این حالت سکو به همراه سنجنده در حال جابجایی می­باشند که در پهپاد، هواپیما، هلکوپتر و ماهواره ­ها این دوربین­ها قرار می­گیرند.

معرفی برخی دوربین­ های فتوگرامتری:

دوربین­ ها در نقشه برداری هوایی در یک تقسیم بندی به دو دسته آنالوگ و رقومی تقسیم می­شوند.دوربین­ های آنالوگ دارای دقت هندسی و رزولوشن مکانی بالایی هستند. با تولید دوربین­ های رقومی سعی بر این شد تا به دقت و کیفیت دوربین­ های آنالوگ دست پیدا کنیم.

دوربین­های رقومی به دو دسته small format و large format تقسیم می­شوند. push broom و modular دو تکنیک استفاده شده در دوربین­های large format برای رسیدن به دقت دوربین­های آنالوگ هستند.

معرفی دوربین DMC1:

دوربین رقومی DMC1 دوربین modular از نوع large format متشکل از ۴ دوربین در یک قاب است.از لحاظ هندسی یک دوربین متریک محسوب می­شود که عملکردی شبیه به تئودولیت دارد.این دوربین دارای استحکام هندسی بالایی است و در طراحی آن سعی شده است به قدرت تفکیک و استحکام هندسی دوربین آنالوگ برسند.

از آن بیشتر برای mapping و مدل سازی بلایای طبیعی استفاده می­شود.این دوربین توسط شرکت ZEISS/INTERGRAF تولید شدند.

هر دوربین حدودا دارای ۷۰۰۰ در ۴۰۰۰ پیکسل می باشد لذا دوربین نهایی دارای قدرت تفکیکی به اندازه ۱۴۰۰۰ در ۸۰۰۰ پیکسل است.

دو دوربین بصورت across track و دو دوربین هم بصورت along track دارد. پوشش زمینی ۴ دوربین با دوربین مجازی برابر است ولی رزولوشن کمتری نسبت به دوربین مجازی دارند.

 

نقاط قوت دوربین DMC1:

یکی از مزیت‌های مهم DMC وجود سیستم تصویر مرکزی می باشد، در نتیجه تصاویر DMC با تمامی نرم افزارهای موجود در فتوگرامتری رقومی سازگار بوده و نیاز به نرم افزار خاصی نمی‌باشد.

1. • قدرت تفکیک بالاتری نسبت به تصاویر آنالوگ دارند لذا این امر تا حد زیادی مشکل قدرت تفکیک پایین آن­ها را جبران کرده است.

• • در آن امکان تصویربرداری هم زمان پانکروماتیک و چندطیفی وجود دارد.

• • تولید دیتا در آن سریع است.

• • دارای استحکام هندسی داخلی بالایی است.

• • به دلیل ساختار modular، دارای FOV بالایی است.

• • احتیاج به فرآیند اسکن و چاپ ندارند.

• • می توانند تصاویر چندطیفی RGB و Near Infra Red تولید کنند.

• • تصویر مجازی حاصل از موزاییک کردن رقومی ۴ تصویر پانکروماتیک دارای رزولوشن بالایی است.

• • دارای دقت هندسی نسبتا بالایی در کاربرد­های فتوگرامتری هستند.

• • بر خلاف دوربین های push broom نیاز به GPS، INS و STAR TRACKER ندارند.

نقاط ضعف دوربین DMC1:

1. • به دلیل این که نمی­توان فاصله بین دوربین­ها را از یک حدی بیشتر کرد (بدلیل کاهش استحکام هندسی) لذا به ناچار باید به دوربین­ها تیلت امگا و فی داده شود.

• • تیلت امگا و فی باعث متغیر شدن ابعاد پیکسل­ها و همین طور خارج شدن صفحه تصویر از حالت مسطح بودن می­شود (بدلیل stitch کردن ۴ تصویر حقیقی)

• • بجای داشتن یک مرکز عدسی، ۴ مرکز داریم لذا الگوی جابجایی­هایی از قبیل جابجایی ارتفاعی متفاوتی خواهیم داشت. این امر باعث ایجاد یک عدم پیوستگی و خطای ناهمگن در عارضه­ها می­شود.

• • نیاز به دو نوع کالیبراسیون دارد (single / platform cal.) یعنی کالیبراسیون دو مرحله­ای نیاز دارد. کیفیت و دقت تصویر مجازی به platform cal. بستگی دارد. single calibration با دقت خوبی ثابت می­ماند ولی platform calibration به مرور زمان به هم می­خورد و این یک عیب محسوب می شود.

معرفی دوربین ULTRACAM X:

این دوربین متعلق به  Vexecl imaging GMbH می­باشد.

یک دوربین Large format برای Mapping  محسوب می­شود که در کنفرانس APRS 06 در اتریش معرفی گردید.

میتوان گفت که این دوربین براساس طراحی چند مخروطی Vexcel  است.

عملکرد این دوربین با استفاده از سلف کالیبراسیون بهبود داده می­شود و مهم­ترین مزایای این دوربین عبارتند از:

• • سیستم اپتیکی عالی با فاصله کانونی ۱۰۰ mm برای دوربین­های پانکروماتیک و فاصله کانونی ۳۳ mm برای Multi spectral

• • تصاویر Large format  با ابعاد ۱۴۴۳۰ pixels cross track و ۹۴۲۰ pixels Along track

• • ظرفیت ذخیره سازی تصاویر ، ۴۷۰۰ فریم واحد ذخیره سازی برای یک مجموعه داده

• • برداشت تقریبا نامحدود به دلیل واحد­های ذخیره سازی قابل تغییر داده

• • دانلود سریع اطلاعات از هواپیما توسط واحد­های ذخیره سازی متحرک

• • انتقال سریع داده به سیستم های post processing با استفاده از یک ایستگاه اتصال

این دوربین از ۸ مخروط عدسی تشکیل شده است که ۴ مخروط برای تصویر برداری پانکروماتیک و ۴ مخروط برای تصویر برداری Multi spectral

تمام مخروط های دوربین Ultracam X  مجهز به سنسورهای CCD با کارایی بالا FTF 5033 هستند که هر کدام ۱۶ مگا پیکسل اطلاعات تصویر را در یک پهنای باند رایومتریکی بیش از ۱۲ بیت تولید می­کنند.

تعداد کل ۱۳ سنسور بیش از ۲۰۰ مگا پیکسل ۱۶ بیتی با حداقل فاصله زمانی ۱٫۳ ثانیه تولید می­کنند.سیستم نوری قادر به برآورد قدرت تفکیک ۷۰ lp/mm در شبکه پیکسلی CCD است.

دوربین Ultracam X:

سیستم ذخیره سازی جدید Ultracam X  عملیات هوایی را بهبود می­بخشد.

این سیستم شامل ۲ واحد داده مستقل برای تصویر برداری بیش از حد می­باشد.

واحد داده قادر به تصویر برداری تا ۴۷۰۰ عکس ۱۳۶ مگا پیکسلی است و جزو با ارزش ترین دوربین­ها برای عملیات­هایی با مقیاس بزرگ است. بنابراین می­توان تعداد کل تصاویر را برای یک عملیات پرواز ۲ یا ۳ برابر افزایش داد و ظرفیت ذخیره­سازی تصاویر نامحدود داشت.

در این دوربین برای باندل اجسمنت از نرم افزار BINGO توسط GIP، Aalen، آلمانی استفاده میشود که تنها نرم افزار سازگار برای مانیتور کردن پارامترهای سلف کالیبراسیون دوربین است.

هنگامی که سلف کالیبراسیون خودکار اعمال می شود انتظار می­رود که خطاهای سیستماتیک پایدار باشند و در طول ماموریت پرواز تغییر نکنند.

این ثبات یک مزیت قابل توجه دوربین های دیجیتال نسبت به دوربین های آنالوگ است در مورد دوربین Ultracam  فرایند ثبات ثانویه در جریان کار پس پردازش براساس مدل فیزیکی سخت افزاری دوربین و یک رفتار وابسته دما معرفی می­شود.

پس از این مرحله اطلاعات مربوط به مثلث بندی هوایی واقعی می­تواند برای محاسبه و اعمال پارامترهای اعوجاج تصویر باقی مانده استفاده شود. کیفیت رادیومتریکی CCD با عملکرد بالا FTF5033 تولید شده توسط DALSA اطلاعات رادیومتریکی حدود ۱۳ بیتی ارائه می­دهد که میتوان از طریق تبدیل کننده آنالوگ / دیجیتال ۱۴ بیتی استخراج نمود.

چنین پهنای باند وسیعی اجازه میدهد تا مناطق تاریک و روشن را در یک منطقه مشابه مناطق کوهستانی را در یک روز آفتابی روشن با سایه­ های تاریک و مناطق برفی حل کنیم.

عملکرد در مناطق تاریک تصویر، پتانسیل کامل سنسور و حساسیت آن را نمایش می دهد. فقط از نویز ها می توانند در سایه آشکار شوند که در تصویر پایین مشاهده می گردد.

 

محصولات یا کاربرد نقشه برداری هوایی:

تولید نقشه:

یکی از اهداف این علم تهیه نقشه دو بعدی از عوارض یا زمین می­باشد.

مدل ارتفاعی زمین ( DEM ) :

در این تصاویر درجه خاکستری هر پیکسل سایز نشان دهنده عدد ارتفاعی آن نقطه نسبت به سطح آب­های آزاد می­باشد.

مدل رقومی زمین ( DTM ) :

در این تصویر مدل ارتفاعی زمین بدون عوارض مصنوعی نمایش داده می­شود.

تولید تصاویر:

تصویر ترمیم : زمان اخذ تصویر، تصویر دچار دوران و انحراف نسبت به مسیر اصلی می­گردد.

اگر ما این خطاها را در تصویر برطرف کنیم در حقیقت تصویر را ترمیم کرده­ایم.

تصویر ارتو : همان تصویر ترمیم شده است با این تفاوت که جابجایی نقاط که باعث چند مقیاسی شدن تصویر می­شود را برطرف می­نماید. از این رو برای تهیه ارتوفتو می توانید با کارشناسان ما در ارتباط باشید.

تلفیق تصاویر: در این روش با استفاده از دو یا چند عکس و با هم مرجع سازی کردن ( یعنی پیکسل­های متناظر یک نقطه مشترک را نمایش دهند.)

پزشکی:

در شناسایی سلاح پنهان:

سیستم های تقویت دید:

سامانه های نظارتی:

و موارد بسیار متعدد که می­توان در تلفیق تصاویر ذکر کرد. با تلفیق تصاویر می­توان تصویری طراحی نمود که هیچ سنسوری قادر به تولید آن نمی­ باشد.

سخن نهایی :

نقشه برداری هوایی را می توان شیرینی رشته نقشه برداری خواند که آمیخته با هنر است.این رشته از گذشته تا بحال بار سنگینی جهت نقشه ها با ابعاد منطقه ای بزرگ به دوش کشیده است و هر روز با پیشرفت علمی تحول ها نیز در این رشته مهندسی دیده میشود. همچنین جهت استفاده از خدمات نقشه برداری مپ اسکیل می توانید از طریق شماره های مندرج درخواست خود را ثبت کنید.

سوالات متداول