تفسیر عکس هوایی: تاریخچه و ارجاع جغرافیایی

1. تعاریف
2. توسعه عکاسی هوایی
3. تصحیح عکس های هوایی
4. ایرفتوهای دیجیتال

1. تعاریف

تفسیر ایرفوتو علم و هنر شناسایی، اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل ویژگی‌های جغرافیایی سطح زمین از روی عکس‌های هوایی و مرتبط ساختن این ویژگی‌ها به موارد و فعالیت‌های دیگر روی زمین است.

فتوگرامتری علم اندازه گیری از عکس های هوایی است. در ساده‌ترین شکل خود، فتوگرامتری را می‌توان برای محاسبه مقیاس یک عکس هوایی عمودی با اندازه‌گیری فاصله مستقیم بین دو نقطه روی عکس و مقایسه همان فاصله روی نقشه‌ای که از قبل دارای مقیاس مشخصی است، استفاده کرد.

Orthorectification فرآیند حذف اعوجاج هندسی از تصاویر است. تصاویر دارای اعوجاج شیب و برجسته هستند که مقایسه دقیق نقشه و تصویر یک منطقه جغرافیایی را دشوار می کند. هنگامی که یک تصویر تصحیح شد، ویژگی های روی تصویر در مکان های پلانیمتری خود نشان داده می شوند. 

ارجاع جغرافیایی  فرآیند تخصیص مقادیر مختصات به هر پیکسل از تصویر مبتنی بر شطرنجی مانند یک عکس هوایی است که روی یک اسکنر تصویر دیجیتالی شده یا توسط یک دوربین دیجیتال گرفته شده است.

2. توسعه عکاسی هوایی

در سال 1827، جوزف نیکفور نیپس (با تلفظ Nee-ps) اولین عکس را گرفت (Baatz، 1997). سی و یک سال بعد، در سال 1858، گاسپارد فلیکس تورناچون (که بعدها به نام “نادار” شناخته شد) اولین عکس هوایی ثبت شده را از بالونی که بر فراز دره بیور فرانسه بسته شده بود، گرفت (Krule، 2014). در طول باقیمانده ^{قرن نوزدهم} و تا آغاز قرن بیستمقرن، چندین سکوی مختلف علاوه بر بالن برای گرفتن عکس های هوایی استفاده شد، یعنی بادبادک ها، هواپیماها، موشک ها و حتی کبوترها (عکس بالا را ببینید). این عکس ها عمدتاً در زوایای مایل نسبت به سطح زمین به جای زاویه عمودی گرفته شده اند. یک عکس هوایی با مایل کم در زاویه ای گرفته می شود که افق را نشان نمی دهد. یک عکس هوایی با شیب بالا شامل افق است (شکل 1). یک عکس با مایل کم معمولاً برای اهداف شناسایی استفاده می شود و یک عکس هوایی با مایل بالا بیشتر برای اهداف تصویری و مصور مناسب است. در مقایسه با یک عکس هوایی عمودی، هیچ یک از این زاویه‌ها فرمت آسانی برای اندازه‌گیری ویژگی‌ها فراهم نمی‌کنند. یک عکس عمودی تا حد امکان به صورت عمودی گرفته می شود که مستقیماً به پایین به زمین نگاه می کند.

شکل 1. عکس کم مایل از بوستون در سال 1860 (بالا) و عکس مورب بالا از سانفرانسیسکو در سال 1906. منبع: کتابخانه عمومی بوستون (بالا)، کتابخانه کنگره (پایین).

در اواخر جنگ جهانی اول، شرمن میلز فیرچایلد، مخترع بی قراری که دارای ثروت شخصی برای توسعه ایده هایش بود، دوربین هوایی بهبود یافته ای ساخت که تا دهه 1950 استاندارد باقی ماند. دوربین دارای یک شاتر در داخل لنز بود، در نتیجه اعوجاج تصویر ناشی از سرعت شاتر آهسته که نمی توانست با حرکت هواپیما هماهنگ باشد را به میزان قابل توجهی کاهش می داد. فیرچایلد همچنین متوجه شد که تلاش برای به دست آوردن عکس‌های عمودی با نگه داشتن دوربین در کنار هواپیما و پیشبرد دستی فیلم، روشی کاربردی برای گرفتن عکس‌های هوایی به شیوه‌ای منظم و سیستماتیک نیست (شکل 2). در سال 1924 او شرکت هوانوردی Fairchild را تأسیس کرد و اولین هواپیمای ایالات متحده را تولید کرد که شامل کابین و کابین کاملاً بسته بود (دویل، 1080). او با یک هواپیمای محصور، سیستم دوربین خود را در داخل کابین نصب کرد و لنز آن را برای مشاهده از طریق سوراخ در کف کابین قرار داد. این بهبود باعث شد تا عکس های عمودی بهتری نسبت به حرکت هواپیما گرفته شود. او با سیستم خود یک فاصله سنج قرار داد، دستگاهی که دوربین را در یک بازه زمانی بر اساس سرعت هواپیما فعال می کرد. این تغییرات باعث شد تا مجموعه ای از عکس های هوایی عمودی به طور سیستماتیک در امتداد یک خط پرواز تعیین شده به دست آید. فیرچایلد و دیگران شروع مرحله جدیدی را در تفسیر ایرفوتو فراهم کردند، مرحله ای به نام دستگاهی که دوربین را در یک بازه زمانی بر اساس سرعت هواپیما فعال می کند. این تغییرات باعث شد تا مجموعه ای از عکس های هوایی عمودی به طور سیستماتیک در امتداد یک خط پرواز تعیین شده به دست آید. فیرچایلد و دیگران شروع مرحله جدیدی را در تفسیر ایرفوتو فراهم کردند، مرحله ای به نام دستگاهی که دوربین را در یک بازه زمانی بر اساس سرعت هواپیما فعال می کند. این تغییرات باعث شد تا مجموعه ای از عکس های هوایی عمودی به طور سیستماتیک در امتداد یک خط پرواز تعیین شده به دست آید. فیرچایلد و دیگران شروع مرحله جدیدی را در تفسیر ایرفوتو فراهم کردند، مرحله ای به نامفتوگرامتری در سال 1934، دوازده نفر در واشنگتن دی سی ملاقات کردند و از این ملاقات، انجمن فتوگرامتری آمریکا تأسیس شد (ریدینگ، 1952). بعداً این نام به انجمن فتوگرامتری و سنجش از دور آمریکا (ASPRS) تغییر یافت. امروزه نام آن ASPRS:  جامعه اطلاعاتی تصویربرداری و مکانی است. 

شکل 2. هواپیمای شناسایی مورد استفاده در طول جنگ جهانی اول، با خلبان در تلاش برای حفظ یک هواپیمای تراز به طوری که عکاس بتواند در حدود سال 1919 عکس های عمودی بگیرد. منبع: نیروی هوایی ایالات متحده.

در اواسط مارس 1936، دو طوفان بارانی متوالی و فوق‌العاده شدید سواحل شرقی از ویرجینیا تا مین را درنوردید (گروور، 1937). این طوفان‌ها رودخانه‌ها را درنوردید و انباشته‌های برف بزرگ را ذوب کرد و سیل بزرگی را در حوضه رودخانه Susquehanna ایجاد کرد که به نام «St. سیل روز پاتریک.» این بزرگترین سیل ثبت شده در حوضه تا آن زمان بود. اهمیت سیل فراتر از آبهای بلند آن گسترش یافت زیرا انگیزه ای برای دولت فدرال شد تا قوانین مهمی را برای پروژه های گسترده مرتبط با سیل به عنوان بخشی از سیاست گذاری دوران رکود بزرگ تصویب کند. پوشش اراضی حوضه های رودخانه های بزرگ کشور با استفاده از فناوری نسبتاً جدید، در زمان حال، عکاسی هوایی. این موجودی های پوشش زمین، که بیشتر آنها در دهه 1930 انجام شد، نشان دهنده اولین پایگاه داده بزرگ زمین-محیط زیست کشور است. سرویس گفتگوی خاک، حتی تا به امروز، روند استفاده از عکس‌برداری هوایی را برای بررسی شرایط پوشش زمین، به ویژه با توجه به تولید بررسی‌های خاک شهرستان خود، ادامه می‌دهد. به عنوان بخشی از این پایگاه داده، تاریخ پرواز و شماره کد مکان روی عکس‌ها قرار داده شد. این اطلاعات، چیزی که قبلا ارائه نشده بود، تجزیه و تحلیل عکس‌ها را آسان‌تر کرد. تاریخ پرواز و شماره کد مکان روی عکس ها قرار داده شده است. این اطلاعات، چیزی که قبلا ارائه نشده بود، تجزیه و تحلیل عکس‌ها را آسان‌تر کرد. تاریخ پرواز و شماره کد مکان روی عکس ها قرار داده شده است. این اطلاعات، چیزی که قبلا ارائه نشده بود، تجزیه و تحلیل عکس‌ها را آسان‌تر کرد.

3. تصحیح عکس های هوایی

یک عکس عمودی دارای یک اعوجاج هندسی است که به عنوان جابجایی موقعیت شناخته می شود. ویژگی‌هایی که مستقیماً در زیر مرکز لنز دوربین قرار دارند، فقط قسمت بالایی آن‌ها قابل مشاهده خواهند بود، در حالی که به نظر می‌رسد همه ویژگی‌های دیگر از مرکز متمایل شده‌اند و بخش‌هایی از بالا و کناره‌های آن‌ها را نشان می‌دهد. هرچه از مرکز دورتر باشد، اعوجاج بیشتر رخ می دهد و در نتیجه خطاهای موقعیتی ایجاد می شود. همچنین ویژگی‌های بلندتر اعوجاج بیشتری نسبت به ویژگی‌های کوچک‌تر ایجاد می‌کنند که به خطا اضافه می‌کنند. برای رفع جزئی این مشکل، عکس‌های عمودی گرفته شده در طول یک خط پرواز معمولاً دارای همپوشانی رو به جلو بین 60 تا 70 درصد هستند. به عبارت دیگر، عکس فعلی بخش بزرگی از عکس قبلی را در خط پرواز ثبت می کند. علاوه بر همپوشانی رو به جلو، یک لایه کناری بین خطوط پرواز مجاور نیز رخ می دهد. مقدار سایدلاپ بین 25 تا 40 درصد متغیر است. فرآیند همپوشانی احتمال از دست دادن مناطق زمینی را کاهش می دهد. همچنین، جفت‌های استریو از ایرفتوها را تولید می‌کند که به مفسران اجازه می‌دهد تا با استفاده از استریوسکوپ، ویژگی‌های زمین را به صورت سه بعدی ببینند. 

با این حال، بیشترین استفاده از عکس‌های همپوشانی ایجاد موزاییکی از منطقه‌ای است که فهرست‌بندی می‌شود. بیشتر عکس‌برداری‌های هوایی برای تولید موزاییک‌هایی از مناطق بزرگ‌تر از یک عکس گرفته می‌شود. قبل از عصر دیجیتال، یک موزاییک با چسباندن عکس‌های مجاور بر روی دیوار و در هم آمیختن نواحی درهم بر روی عکس‌ها ساخته شد (شکل 3). لازم بود همان ویژگی‌ها، که به عنوان نقاط کنترل شناخته می‌شوند، روی هر عکس هم‌تراز شوند، کاری خسته‌کننده که به همان اندازه هنر شامل علم می‌شود. امروزه عکس‌های غیر دیجیتالی اسکن می‌شوند و رنگ‌های خاکستری یا رنگی آن‌ها بر اساس نقاط داده در هر اینچ به صورت عددی ثبت می‌شوند. نرم‌افزاری وجود دارد که این عکس‌ها را به هم متصل می‌کند تا یک موزاییک تشکیل دهند.

شکل 3. نقشه برداری موزاییک. مدرسه عکاسی هوایی ایالات متحده، لنگلی فیلد، ویرجینیا، در حدود 1930. منبع: نیروی هوایی ایالات متحده.

در قاب دوربین هایی که برای عکاسی هوایی طراحی شده اند، علائم وفاداری گنجانده شده است. این علائم یا در چهار گوشه یا نقطه میانی چهار طرف عکس ظاهر می شوند. از آنها برای تعیین مرکز عکس استفاده می شود که به عنوان نقطه اصلی (PP) شناخته می شود. این نقطه روی عکس محل نادر روی زمین را مشخص می کند. نادر نقطه شاقول است، خط عمودی بین مرکز لنز دوربین و مرکز زمین. تلاش برای تعیین نادر روی زمین برای هر عکس آسان نیست. بنابراین، به طور کلی فرض می شود که نقطه اصلی و نادر در یک مکان در یک عکس عمودی هستند.

یک ایرفتو عمودی را می توان orthorectified کرد، فرآیندی که بیشتر جابجایی موقعیت را حذف می کند. در ابتدا این فرآیند از یک ارتوفوتوسکوپ ساخته شده در سال 1955 توسط راسل بین از سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) استفاده می کرد (رادینسکی، 1985). ارتوفوتوسکوپ نور را از روی فیلم اصلی عکس عبور داد و مکان ویژگی های روی عکس را به یک امولسیون جدید تغییر داد. از فیلم جدید برای ایجاد یک ارتفوتو یا تصویر ارتو استفاده شده است. مقیاس روی یک عکس ارتوفوتو یکنواخت بود و اندازه‌گیری فواصل واقعی در سراسر عکس را ممکن می‌کرد و نمایش دقیقی از ناحیه عکس‌برداری شده را تشکیل می‌داد (شکل 4).

تسکین توپوگرافی، اعوجاج لنز و شیب دوربین تصحیح شد و ساخت موزاییک را آسان‌تر کرد، اما این فرآیند ماهیت آنالوگ، زمان‌بر و پرهزینه بود. در اوایل دهه 1980، الگوریتم‌های کامپیوتری برای تولید عکس‌های ارتو سریعتر و آسان‌تر از روش آنالوگ توسعه یافتند. امروزه به یک تصویر دیجیتالی که دارای ویژگی‌های برجسته‌سازی املایی است، چهارگوش اورتوفتو دیجیتال (DOQ) گفته می‌شود. DOQ ویژگی‌های تصویر عکس اصلی را با کیفیت‌های جغرافیایی مرجع یک نقشه ترکیب می‌کند، که امکان اندازه‌گیری فاصله، مساحت و زاویه را می‌دهد. USGS نام اختصاری DOQ را در ساخت نقشه های چهارگوش 7.5-7.5 دقیقه و نقشه های ربع 3.75-3.75 دقیقه ای ابداع کرد.

شکل 4. یک خط لوله که از جنوب شرقی به شمال غربی در سراسر عکس هوایی (سمت چپ) امتداد دارد، به نظر می رسد که منحنی هایی در نتیجه تغییرات زمین دارد. در ارتفتو دیجیتال (سمت راست) خط لوله در حالت واقعی خود به عنوان یک خط مستقیم دیده می شود. منبع: سازمان زمین شناسی ایالات متحده 

4. عکس های هوایی دیجیتال

عکس‌های هوایی دیجیتال، چه از دوربین دیجیتال گرفته شده یا از یک عکس چاپ شده اسکن شده باشند، تصاویر شطرنجی هستند. یک تصویر شطرنجی دارای یک فایل مبتنی بر شبکه است که در آن هر سلول شبکه یا پیکسل (عنصر تصویر) دارای یک مقدار عددی است. برخی از فایل های شطرنجی دارای ارجاع جغرافیایی هستنداطلاعات جاسازی شده در یک رکورد هدر؛ دیگران یک فایل فراداده ثانویه دارند. فرآیند ارجاع جغرافیایی اجازه می‌دهد تا عکس‌های هوایی تصحیح‌شده به‌طور دقیق – درون یک پلت‌فرم نقشه‌برداری – بر روی سطح دیجیتالی زمین در منطقه‌ای که عکس گرفته شده است، قرار گیرند. در این روش، ارتوفوتوموزائیک اغلب به عنوان تصاویر پس زمینه استفاده می شود. بر روی این تصاویر ممکن است اطلاعات ویژگی مبتنی بر برداری مانند مکان ساختمان‌های مدرسه، جاده‌ها و پارک‌ها قرار گیرد. یک فایل مبتنی بر برداری نه تنها حاوی داده های ویژگی است، بلکه مقادیر مختصاتی را نیز در بر می گیرد که برای ترسیم اطلاعات ویژگی استفاده می شود. چالش، ارجاع جغرافیایی یک تصویر شطرنجی با داده های ویژگی مبتنی بر برداری است. اطلاعات ارجاع جغرافیایی مرتبط با فایل تصویر شطرنجی نه تنها شامل مقادیر مختصات بلکه اندازه سلول‌های شبکه یا پیکسل‌ها (عناصر تصویر) مربوط به تصویر در هنگام گرفتن آن است. اگر فایل مبتنی بر شطرنجی عکس یا تصویر تصحیح شده باشد، اندازه سلول‌های شبکه باید یکسان باشد. با استفاده از این اطلاعات، مقادیر مختصات هر سلول شبکه جداگانه را می توان محاسبه کرد، و در نتیجه، به مختصات ویژگی ها در فایل مبتنی بر برداری پیوند داد.

روش دیگری که در ژئو ارجاع استفاده می شود، یکسوسازی کششی لاستیکی است. این فرآیند سعی می کند با استفاده از نقاط کنترل قابل اعتماد، یک تصویر را در سطح یک نقشه کشیده شود. با این حال، فرآیند کشش می تواند خطاهای دقت متغیری را به دلیل اختلاف ارتفاع و عدم وجود نقاط کنترل خوب در سراسر منطقه مورد مطالعه ایجاد کند. تصویری که ارتورکتیف شده یا لاستیک کشیده شده است، ارجاع جغرافیایی دارد اما دقت کلی متفاوت است.

هنگامی که یک عکس ارتو ارفرانس جغرافیایی شد، با استفاده از نرم افزار GIS می توان لایه های برداری جدید را دیجیتالی کرد و از اطلاعات قابل مشاهده در عکس استخراج کرد. مقادیر دیجیتالی مختصات داده های ویژگی هستند که در فایل مبتنی بر برداری وارد می شوند. در این مرحله یک تصویر شطرنجی مانند یک ارتفوتو و ویژگی مبتنی بر برداری با هم ادغام می شوند. شکل 5 یک تصویر ماهواره ای مبتنی بر شطرنجی است که به طور مستقیم تصحیح شده است، بخش کوچکی از آتش سوزی جنگل اسپرینگ کریک را نشان می دهد که در جنوب کلرادو در طول سال 2018 رخ داد. بر روی تصویر، به عنوان یک لایه برداری جداگانه GIS، مکان خانه های تخریب شده در طول آتش سوزی قرار گرفته است. . خانه ها به صورت دایره های زرد نمایش داده می شوند. مناطق سبز رنگ در سطوح مختلف قرمز ظاهر می شوند. و مناطق جنگلی و نیمه جنگلی سوخته به صورت سایه های مختلف آبی خودنمایی می کنند.

شکل 5. بخشی از آتش سوزی جنگل اسپرینگ کریک 2018 در جنوب، کلرادو و محل خانه های ویران شده، به عنوان نقاط زرد نشان داده شده است. منبع: نویسنده