1. معرفی
نقشه برداری و نقشه کشی همیشه مکمل یکدیگر هستند. پیشرفت در تکنیک ها و فن آوری های نقشه برداری منجر به افزایش دقت محصولات نقشه برداری می شود.
عصر دیجیتال تکنولوژی ها و تکنیک های نقشه برداری را متحول کرده است. پیشرفتها در فناوریهای نقشهبرداری مانند
سنجش از دور ماهوارهای، پیمایش هوایی، تشخیص نور و محدوده (LIDAR) و غیره، همراه با تکنیکهای پردازش تصویر و پیشرفتهای نرمافزاری، نقشهبرداری سهبعدی (مدلسازی زمین) سطح زمین را متحول کرده است. نقشه برداری سه بعدی از سطح زمین معمولاً به عنوان مدل سطح دیجیتال (DSM) شناخته می شود. DSM یک نمایش دیجیتالی از بعد افقی و عمودی مربوط به زمین است که شامل تمام اشیاء طبیعی و مصنوعی در ساختار سلول شبکه ای می شود. در تمام فعالیت های اقتصادی-اجتماعی انسان ها، سطح زمین اهمیت زیادی دارد. نقشه برداری آن توسط محققان در جامعه علوم زمین در چند دهه گذشته مورد توجه قرار گرفته است. سطح زمین توسط دانشمندان زمین به صورت دو بعدی (نقشه پلانیمتری)، 2.5 بعدی (نقشه توپوگرافی) و سه بعدی (DSM) مدل سازی می شود. از اوایل دهه 1300 با «کارکنان جیکوب» و «قطبنما» تا به امروز، نسل مدلهای ارتفاعی از نقشههای توپو و پلانمتریک ترسیم شده با دست یا میدانی (با جدول آلیداد در اواخر دهه 1800) به نمایشهای دیجیتالی بهعنوان DSM تکامل یافته است.1 ]. یک
DSM نشان دهنده ارتفاع مرتبط با سطح زمین از جمله توپوگرافی و تمام ویژگی های طبیعی یا ساخت انسان واقع در سطح زمین است [ 2 ]. DSM یکی از اساسی ترین محصولات زمین فضایی است و در بسیاری از کاربردها استفاده شده است [ 3 ]. مهمتر از آن، پیشرفتهای اخیر در فتوگرامتری اجازه میدهد مدلهای زمین با وضوح تصویر واقعی به راحتی ساخته شوند و تجسمهای بیسابقهای از سطح زمین تولید کنند [ 4 ].
نقشه های توپوگرافی مجموعه داده های اساسی زیرساخت داده های مکانی ملی (NSDI) هر کشور است. بنابراین، تغییرات زمانی و پوشش کامل به ویژه در مناطق ناهموار دور و در مناطق شهری متراکم با تکنیک های نقشه برداری زمینی چالش برانگیز است. تصاویر ماهواره ای و تکنیک های پردازش تصویر دیجیتال چالش بزرگی را برای تکنیک های نقشه برداری زمینی برای پردازش و تجسم مدل های سه بعدی از سطح زمین ایجاد می کند. امروزه DSM را می توان با انواع مختلفی از داده ها مانند بررسی های ژئودتیکی، تصاویر ماهواره ای (اپتیکی یا راداری)، عکس های هوایی (معمولی یا پهپاد)، و اسکنرهای لیزری (هوایی یا زمینی) تولید کرد [5
، 6 ] .
فتوگرامتری یک تکنیک سنجش از دور است که از حداقل دو تصویر از یک صحنه برای بدست آوردن مکان سه بعدی ویژگی ها در صحنه از مقادیر شناخته شده موقعیت دوربین، فاصله کانونی و جهت گیری استفاده می کند [7 ] . فتوگرامتری به احتمال زیاد در دهه 1420 در دوران رنسانس ایتالیا اختراع شد، زمانی که نقاشان صحنه های سه بعدی را در یک رسانه دو بعدی نمایش می دادند و در عین حال احساس عمق را ایجاد می کردند. اصطلاح واقعی فتوگرامتری در سال 1867 ابداع شد، زمانی که آلبرشت میدن باوئر شروع به اندازهگیری عکسها برای ایجاد بررسیهای معماری کرد که آن را «فتوگرامتری» نامید [ 8] .]. امروزه هدف فتوگرامتری گرفتن تصاویر دو بعدی از منظرهای مختلف و ایجاد نمایشی سه بعدی از همان فضا است. در طول دهه گذشته، پیشرفتهای قابل توجهی در تکنیکهای فتوگرامتری مبتنی بر تصاویر پهپاد برای تولید
مدلهای ارتفاعی دیجیتال (DEM) وجود داشته است [ 9 ].
اصطلاح وسیله نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) معمولاً در هوش مصنوعی، علوم رایانه و روباتیک و همچنین در جوامع فتوگرامتری و سنجش از دور استفاده می شود. پهپاد به عنوان یک مفهوم شامل وسیله نقلیه هوایی کنترل از راه دور، محموله حسگر متصل، و برنامه ریزی پرواز و نرم افزار پردازش داده مورد نیاز است [ 10 ]. پهپاد بهعنوان یک جایگزین کمهزینه برای سیستم فتوگرامتری معمولی برای یک پلتفرم ثبت تصویر با قابلیت تفکیک مکانی-زمانی بالا برای دستیابی به اهداف مختلف ظاهر شده است [ 11 ]. پهپادها پتانسیل زیادی در انجام کارهای نقشه برداری، نقشه برداری و سنجش از دور با داده های بسیار با وضوح بالا در شرایط پرواز در ارتفاع پایین و شرایط تصویربرداری نشان داده اند [12 ]]. پهپادها توانایی تولید محصولات داده مانند ابر نقطه سه بعدی، DSM، ارتفوتو، مدل زمین دیجیتال (DTM)، خط کانتور، و غیره را دارند که مقیاس بیشتری برای بررسی های میکرو توپوگرافی مناسب هستند [13 ، 14 ] .
پلت فرمهای پهپاد به طور فزایندهای برای تولید نقشههای با وضوح بسیار بالا برای مطالعات علوم زمین استفاده میشوند که به مناطق غیرقابل دسترس به جای تکنیکهای اندازهگیری سنتی زمانبر زمینی نیاز دارند [ 15 ، 16 ]. استفاده از
پهپادها برای اهداف نقشه برداری مانند نقشه برداری،
مدل سازی سه بعدی، استخراج ابر نقطه ای، و تولید ارتوفوتو به یک عملیات استاندارد در سال های اخیر تبدیل شده است [ 17] .]. فرآیند فتوگرامتری پهپاد شامل برنامه ریزی پرواز پهپاد، استقرار و پردازش
نقاط کنترل زمینی (GCP) و نقاط چک (CPs)، جمع آوری داده های تصویر، پردازش تصویر و ارزیابی محصولات نقشه برداری با توجه به پروژه نقشه برداری است. کیفیت داده های پهپاد تحت تأثیر عوامل متعددی مانند پارامترهای سنسور و پرواز قرار می گیرد. از آنجایی که پهپادها به عنوان جدیدترین و پرکاربردترین تجهیزات نقشه برداری در سرتاسر جهان ظاهر شده اند، محققان در جامعه سنجش از دور در حال بررسی اثرات پارامترهای برنامه ریزی پرواز پهپاد برای کاربردهای مختلف در علوم زمین هستند. برنامه ریزی پرواز به تعیین اولیه هندسه پرواز با توجه به منطقه مورد علاقه و محصول نهایی مورد نیاز و در نتیجه دقت مطلوب اشاره دارد [ 18]]. مهمترین پارامترهای برنامه ریزی پرواز عبارتند از زمان پرواز، ارتفاع پرواز، خطوط پرواز، الگو و تصاویر، درصد همپوشانی جانبی و جلو.
برای مدل سازی سه بعدی، باید همپوشانی کافی در تصاویر طبقه بندی شده به عنوان همپوشانی جانبی و رو به جلو وجود داشته باشد. همپوشانی جانبی همپوشانی بین دو خط مسیر پرواز مجاور است، در حالی که همپوشانی بین دو تصویر متوالی در یک مسیر، همپوشانی رو به جلو یا دور پایانی نامیده میشود. درصد همپوشانی تعداد خطوط پرواز، تعداد تصاویر گرفته شده و فاصله زمانی بین ثبت تصویر را تعیین می کند. در هر پروژه فتوگرامتری، درصد همپوشانی جانبی و جلویی در امتداد سرعت پرواز، تعیین کننده ثبت یک صحنه در چندین عکس از زوایای دید چندگانه است. بنابراین، همپوشانی تصاویر کیفیت محصولات فتوگرامتری پهپاد را تعیین می کند، زیرا بر تراکم نقطه به عنوان تابعی از زاویه دید تأثیر می گذارد.
همراه با درصد همپوشانی تصویر، الگوی خطوط پرواز نیز بر تعداد تصاویر ثبتشده از یک صحنه تأثیر میگذارد. تعدادی از الگوهای خط پرواز را می توان بر اساس بعد منطقه مورد مطالعه و نیاز داده ها توسعه داد. با این حال، در جامعه علوم زمین، الگوی خط پرواز به طور کلی یا یک طرح پرواز ماشین چمن زنی (هواپیما در حال حرکت به جلو و عقب در خطوط پروازی موازی) یا یک طرح پرواز عمود است (هواپیما در حال حرکت به جلو و عقب در دو الگوی عمود بر هم متعامد). تعدادی از محققین در کاربردهای علوم زمین تأثیر همپوشانی تصاویر پهپاد بر کیفیت محصولات نقشه برداری را مورد مطالعه قرار داده اند، اما آنها به طرح مسیر پرواز به عنوان یک عامل کلیدی مؤثر بر کیفیت محصولات فتوگرامتری، همراه با درصد همپوشانی تصویر اشاره چندانی نکرده اند. زینگ و هوانگ [19 ] تنها از دو تصویر برای مطالعه تجربی اثرات همپوشانی تصویر بر روی عملکرد الگوریتم تغییر ویژگی تغییر ناپذیر مقیاس (SIFT) با تغییر همپوشانی از 10% تا بیش از 90% استفاده کرد و آستانه درجه همپوشانی 55% را برای جهت مسیر و پیشنهاد کرد. 30٪ برای جهت جانبی. داندویس و همکاران [ 20] داده های پهپاد را برای اندازه گیری ارتفاع درخت با دو تغییر همپوشانی رو به جلو (96٪، 60٪) و چهار تغییر همپوشانی جانبی (20٪، 40٪، 60٪ و 80٪) تجزیه و تحلیل کرد. آنها به این نتیجه رسیدند که به حداکثر رساندن همپوشانی عکاسی، به ویژه همپوشانی رو به جلو، برای به حداقل رساندن خطای ارتفاع تاج پوشش و برای نمونه برداری کلی از تاج پوشش جنگل بسیار مهم است. با این حال، همپوشانی زیاد منجر به عکسهای بیشتر و افزایش زمان محاسبات، صرف نظر از تجهیزات محاسباتی میشود، که مبادلات مهم بین کیفیت داده و توانایی تولید سریع نتایج با کیفیت بالا را برجسته میکند. Mesas-Carrascosa و همکاران. [ 21 ] 80-50٪ همپوشانی رو به جلو و 70-40٪ همپوشانی جانبی را برای نقشه برداری سایت باستان شناسی مورد مطالعه قرار دادند. Mesas-Carrascosa و همکاران. [ 22] دو تنظیمات مختلف همپوشانی رو به جلو و همپوشانی جانبی را بررسی کرد: 60-30٪ و 70-40٪، با همپوشانی رو به جلو 60٪ و 70٪ و یک همپوشانی جانبی 30٪ و 40٪ برای نقشه برداری محصول، و پیشنهاد کرد که 70٪ همپوشانی رو به جلو و 40 درصد همپوشانی جانبی نتایج مورد نظر را ارائه کردند. فری و همکاران [ 23 ] با انتخاب تعداد تصاویر برای نقشه برداری جنگل از طریق طرح پرواز ماشین چمن زنی، پروژه های همپوشانی متعددی را از یک پروژه پرواز ایجاد کرد. دومینگو و همکاران [ 24 ] اثرات همپوشانی تصویر بر پیشبینی زیست توده در جنگلهای استوایی را مورد مطالعه قرار داد. برای بررسی های پهپاد، همپوشانی تصویر رو به جلو تا 90٪ ثابت شد و همپوشانی جانبی از 80٪ تا 70٪ متغیر بود. یافته های این مطالعه این بود که بهترین مدل زیست توده با استفاده از همپوشانی جانبی 70 درصد و همپوشانی رو به جلو 90 درصد به دست آمد. سیفرت و همکاران [25 ] برای تصاویر در فرکانسهای مختلف نمونهبرداری شد تا نسبتهای همپوشانی رو به جلو بین 91% و 99% برای نقشهبرداری جنگل از طریق ویدئوهای گرفته شده توسط پهپاد بدست آید. گابارا و ساویکی [ 26 ] دقت چند متغیره بررسی های پهپاد انجام شده با 85% و 65% همپوشانی رو به جلو و 85%، 65% و 45% همپوشانی جانبی را ارزیابی کردند. این مطالعه به منظور ارزیابی تأثیر همپوشانی کمتر رو به جلو و جانبی و کاهش تعداد تصویر بر کاهش قابل توجه دقت تنظیم بلوک بسته نرم افزاری (BBA) انجام شد. نتیجهگیری شد که نوع بهینه از نظر دقت و زمان محاسبه با استفاده از ایستگاه کاری درجه استاندارد، عکسهای کاهشیافته است که در سطح 65 درصد برای همپوشانی رو به جلو و همپوشانی جانبی همپوشانی دارند.

با این حال، طبق آخرین اطلاعات موجود، پارامتر درصد همپوشانی تصویر در رابطه با طرح پرواز عمود بر تغییرات توپوگرافی در مقیاس بزرگ هنوز باید توسط محققان مورد توجه قرار گیرد. نقشه برداری توپوگرافی یکی از قدیمی ترین کاربردهای نقشه برداری است و این تکنیک همیشه در حال تکامل است. عکاسی هوایی و
فتوگرامتری دیجیتال یکی از مهم ترین رسانه های مدرن برای نقشه برداری توپوگرافی است [ 27 ].
فرضیه این تحقیق این است که طرح پرواز عمود بر هم که به عنوان شبکه متقاطع یا دوتایی نیز نامیده می شود، اثر همپوشانی رو به جلو و درصد همپوشانی جانبی را به حداقل می رساند. کابریرا و همکاران [ 28] مروری بر الگوهای خطوط پروازی متعدد با توجه به شکل منطقه ارائه کرد. طبق اصل اولیه فتوگرامتری، افزایش درصد همپوشانی جانبی و همپوشانی رو به جلو به این معنی است که یک صحنه خاص در تعداد بیشتری از تصاویر ثبت می شود. نتایج تعداد بیشتری از نقاط ویژگی منطبق، ابرهای نقطه سه بعدی و به طور همزمان، افزایش دقت DSM است. با این حال، افزایش همپوشانی رو به جلو و همپوشانی جانبی منجر به افزایش تعداد تصاویر و متعاقبا افزایش زمان پردازش پروژه فتوگرامتری میشود. هدف مشابهی را می توان با پرواز پهپاد در خطوط پروازی عمود بر هم به دست آورد. همچنین، هدف مشابهی از ثبت یک صحنه فردی در تعداد بیشتری از تصاویر را می توان با خطوط پرواز عمود بر هم به دست آورد. بنابراین، با تدوین یک طرح پرواز عمود بر،
در این تحقیق، 16 پروژه فتوگرامتری با نقشه های پروازی عمود بر هم با تغییرات 55 تا 85 درصد همپوشانی رو به جلو و همپوشانی جانبی از ارتفاع پرواز ثابت، زمان پرواز و سرعت پرواز مقایسه شد. تصاویر به دست آمده در نرم افزار Pix4D با استفاده از 10 GCP و 18 CP پردازش شدند. برای مقایسه اثرات تغییرات همپوشانی تصویر بر روی دادههای فتوگرامتری و محصولاتی مانند نقاط پیوند، ابر نقطه، خطای میانگین مربع ریشه افقی و عمودی (RMSE) و تغییرات توپوگرافی در مقیاس بزرگ استفاده شد. شکل 1 گردش کار مفصلی را برای این مطالعه ارائه می دهد. کل این مطالعه در سه مرحله اصلی به نامهای: جمعآوری دادهها، پردازش دادهها و تجزیه و تحلیل انجام میشود. ویژگی های اصلی هر فاز در شکل 1 ارائه شده استدر بخش بعدی این مقاله مورد بحث قرار خواهد گرفت.
2. سایت مطالعه
مکان مورد مطالعه بر اساس ناهمگونی پوشش زمین و تغییرات توپوگرافی انتخاب شد. منطقه ای که از طریق فتوگرامتری پهپاد گرفته شده است 0.51 کیلومتر مربع در دانشگاه فناوری مالزی، جوهور، مالزی است. این منطقه از 172957.68663 متر بالا، چپ 347،951.55466 متر، راست 349،070.47732 متر و پایین 171،999.48669 متر، منطقه مرکاتور عرضی جهانی 48N محدود شده است. مالزی کشوری استوایی است که با روزهای گرم آفتابی و بارانی مشخص می شود، بنابراین مناسب ترین زمان بررسی از نظر بارندگی و زاویه نور خورشید قبل از ظهر است. منطقه مورد مطالعه (پردیس UTM-Johor) تقریباً 575 ساختمان را در خود جای داده است. دایره داخلی فشرده شامل چهار دانشکده، یک منطقه اداری، یک مسجد، یک کتابخانه و یک سالن اصلی است. این منطقه با مفهوم شعاعی [29 ]. منطقه مورد مطالعه بر روی تپه کوچک با شیب ملایم با زوایای شیب متفاوت قرار دارد. ارتفاع از 37.4 متر تا 107 متر متغیر است. شکل 2 منطقه مورد مطالعه را نشان می دهد که مجموعه ای از ساختمان ها، جاده ها، لکه های سبز و درختان بلند با موج های زمین را نشان می دهد.
3. اکتساب داده
3.1. برنامه ریزی پرواز پهپاد و تهیه تصاویر
تجهیزات پهپاد مورد استفاده در این مطالعه یک مدل فانتوم 4 پیشرفته Da-Jiang Innovations (DJI) بود که توسط SZ DJI Technology Corporation Limited (شنژن، چین) با اسکنر 20 مگاپیکسلی در هیئت مدیره توسعه یافت. این مدل سایز متوسط، با وزن خالص 1388 گرم و فاصله بین دو محور مورب (بدون اندازه پروانه) تنها 350 میلی متر است. DJI Phantom 4 Advanced قادر است با حداکثر ارتفاع 6000 متر و برد پرواز 5000 متر پرواز کند. DJI Phantom 4 Advanced که مجهز به باتری 5870 میلی آمپر ساعتی LiPo 4S است، حداکثر زمان پرواز را تقریباً 30 دقیقه دارد و حداکثر مقاومت در برابر سرعت باد آن بین 29 تا 38 کیلومتر در ساعت است. مطابق با کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC) و 3، این دستگاه مجهز به یک کنترل از راه دور با فرکانس کاری 2.4-2.483 گیگاهرتز با حداکثر فاصله انتقال 5 کیلومتر است.https://www.dji.com/phantom-4/info). Phantom 4 Advanced مجهز به سیستم Flight Autonomy متشکل از 5 حسگر بینایی، موقعیت یابی ماهواره ای دو باند (GPS و GLONASS)، فاصله یاب اولتراسونیک و حسگرهای اضافی است، Phantom 4 Advanced می تواند دقیقاً در مکان هایی با GPS شناور شود و می تواند در محیط های پیچیده پرواز کند. سنسورهای دوگانه دید رو به جلو می توانند تا فاصله 30 متری جلو را ببینند و ترمز خودکار، شناور شدن یا انحراف در مقابل موانع را در محدوده 15 متری فعال می کنند. این در کنار حالتهای پرواز هوشمند متعدد (طراحی، مسیر فعال، پرواز ضربه بزنید، بازگشت به خانه، و حالت اشاره) اجازه میدهد تا آزادی بینظیری برای تمرکز روی عکس و کمتر در خلبانی داشته باشید. Phantom 4 Advanced همچنین می تواند با فرمت RAW عکس بگیرد و دیافراگم آن را در لحظه تنظیم کند. نتیجه کیفیت تصویر بی نظیر است (اطلاعات جمع آوری شده از انجمن DJI در 17 سپتامبر 2020).30 ].
قبل از بررسی پهپاد، آشنایی با منطقه مورد مطالعه مهم بود تا بتوانیم پارامترهای مناسب برنامه ریزی پرواز را انتخاب کنیم. بنابراین، به عنوان اولین گام در مرحله جمعآوری دادهها، یک بررسی شناسایی با مشاهدات عمده از ارتفاعات زیرساختهای مصنوعی، خوشههای درختان و تغییرات زمین انجام شد تا اطمینان حاصل شود که طرح پرواز پهپاد با استقامت سکوی پهپاد سازگار است.
برنامه پرواز پهپاد لیستی از سفارشات است که یک پهپاد باید انجام دهد تا ماموریت طراحی شده را انجام دهد (یعنی برخاستن، به یک ایستگاه بین راهی بروید، سپس برای گرفتن عکس، شناور را نگه دارید، سپس به ایستگاه دوم برسید، سپس دوباره شنا کنید. برای گرفتن عکس، تکمیل نظرسنجی، و در نهایت، فرود). امروزه ابزارهای اختصاصی زیادی برای تعریف ماموریت برای پهپادها وجود دارد. این ابزارها به کاربر این امکان را می دهند که به صورت دستی پهپاد را به پرواز درآورد یا مجموعه ای از نقاط را ایجاد کند که مسیری را که باید توسط پهپاد دنبال شود مطابقت دارد. آنها به فناوریهای استاندارد نقشه مانند Google Maps متکی هستند و دیدگاهی دوبعدی ارائه میدهند [ 31]. طرح بررسی با استفاده از نرم افزار Drone Deploy تهیه و اجرا شد. Drone Deploy یک برنامه آنلاین است که هم در رایانه شخصی و هم در دستگاه تلفن همراه قابل استفاده است. هدف اصلی آن آسان کردن نقشه برداری توسط پهپاد برای هر نوع کاربری است. خدمات استقرار پهپاد را می توان تقریباً به دو دسته تقسیم کرد: اتوماسیون پرواز و ضبط داده. Drone Deploy به کاربر اجازه می دهد تا مسیر پرواز پهپاد را دقیقا مشخص کند و تصمیم بگیرد که چه زمانی عکس ها توسط پهپاد گرفته شود [ 32 ].
از آنجایی که هدف اصلی این مطالعه بررسی تأثیر درصد همپوشانی تصویر در رابطه با الگوی خط پرواز بود، سایر پارامترها مانند ارتفاع پرواز، زمان بررسی پهپاد، الگوی خط پرواز و غیره برای هر 16 پروژه فتوگرامتری ثابت نگه داشته شدند. جدول 1 نمای کلی از پارامترهای پرواز پهپاد را نشان می دهد.
تمامی پروازها دارای خطوط پروازی عمود با ارتفاع پرواز 300 متر بودند. ارتفاع پرواز به بخشی جدایی ناپذیر از فتوگرامتری تبدیل شده است. در درجه اول در فتوگرامتری برد نزدیک با استفاده از پهپاد، ارتفاع پرواز به موضوع حساس تری تبدیل می شود. علیرغم تأثیر آن بر اندازه فاصله نمونه برداری زمینی مورد انتظار (GSD)، ارتفاع پرواز کمتر به زمان طولانی تری برای تکمیل کل منطقه نیاز دارد. از آنجایی که مهمترین محدودیت برای یک پهپاد، عمر باتری آن است، در اکثر سناریوها، منطقه بزرگتری از علاقه احتمالاً به خرید چند پرواز ختم میشود. اگر گرفتن تصویر بیش از حد طول بکشد، مشکل دیگری مربوط به وجود سایه ایجاد می شود. سایه در اثر حرکت خورشید شکل خود را تغییر می دهد و بر نتایج تأثیر منفی می گذارد [ 33]. از آنجایی که بلندترین سازه در منطقه مورد مطالعه 107 متر ارتفاع دارد، ارتفاع پروازی 300 متری با دو ملاحظات عمده در نظر گرفته شد: اول اینکه به دلیل بلندی ساختمان ها، ارتفاع کم پرواز می تواند منجر به اثر زمین مرده و ایجاد تصاویر با کیفیت پایین شود. ، ترجیحاً طبق زمان باتری DJI Phantom 4 Advanced منطقه را در یک پرواز پوشش دهید. زمان جمعآوری دادهها بین 10 صبح تا 12 ظهر برای حفظ و به حداقل رساندن تأثیر نور خورشید، سایه و اثر بازتابی بود. درصد همپوشانی تصویر رو به جلو و جانبی دارای چهار تغییر بود که از 55٪ تا 85٪ متغیر بود که منجر به 16 پروژه نظرسنجی شد. شکل 3نقشه های پرواز را برای همپوشانی های متعدد نشان می دهد که تغییرات تعداد خطوط پرواز و تعداد تصاویر گرفته شده با تغییر پارامتر همپوشانی تصویر را نشان می دهد. تعداد کل تصاویر گرفته شده در 16 نظرسنجی از حداقل 37 تا حداکثر 275 تصویر (یعنی نقطه قرمز نشان دهنده نقطه راه یا ایستگاه نوردهی) انتخاب شده برای پردازش نهایی متفاوت است.
3.2. جمع آوری داده های پایه
جدا از تصاویر پهپاد، داده های پایه نیز برای پردازش فتوگرامتری و ارزیابی دقت مورد نیاز است. GCPها و CPها عمدتاً برای ارجاع جغرافیایی غیرمستقیم و ارزیابی دقت محصولات داده پهپاد استفاده می شوند. نقاط کنترل زمینی (GCPs) اهداف مصنوعی یا اشیاء طبیعی درون صحنه با موقعیت مشخصی هستند که میتوان آنها را شناسایی کرد و برای جهتدهی مدل نهایی استفاده کرد [ 4]]. برای GCPها و CPها، یک رویه رایج در میان دانشمندان زمین شناسی، استقرار علائم مصنوعی در منطقه مورد مطالعه قبل از بررسی پهپاد و به دست آوردن موقعیت دقیق آنها از طریق تکنیک سریع GPS استاتیک است. اندازه این علائم مصنوعی مطابق با GSD زمینی است و اطمینان حاصل می شود که در عکس های پهپاد قابل مشاهده هستند. با این حال، در این مطالعه، تنوع زیادی در تعداد عکسهای 16 نظرسنجی وجود داشت. بنابراین، GCP ها و CP ها پس از بررسی پهپاد جمع آوری شدند. انتخاب GCPها و CPها بر اساس این شرایط انجام شد که آنها عمدتاً شامل اشیاء قابل تشخیص در تمام پروژههای فتوگرامتری و توزیع مناسب با توجه به پوشش زمین و تغییرات زمین بودند. شکل 3همچنین مکانهای GCP و CP (یعنی صلیب آبی) را نشان میدهد زیرا همه آنها به خوبی در منطقه مورد مطالعه توزیع شدهاند و عمدتاً در جادهها به دور از زیرساختهای بلند قرار دارند. آنها عمدتاً شامل علائم ترافیکی در جاده ها، روکش منهول ها و نقاط قابل شناسایی در مسیرهای پیاده روی بودند. مکان دقیق این نقاط با GPS استاتیک سریع به دست آمد. GPS استاتیک سریع تکنیکی است که در آن گیرنده مریخ نورد و ایستگاه پایه (مرجع) مکان را به طور همزمان مشاهده می کنند. با استفاده از نرم افزار Trimble Business Center مکان نقاط پس از پردازش پست مشخص می شود.
برای این مطالعه، از گیرنده درجه نظرسنجی TOPCON GR5 استفاده شد و دادههای مشاهدهشده با ترکیب دادههای ایستگاههای مرجع دائماً فعال (CORS) موجود در دانشگاه فناوری مالزی (UTM) به نام شبکه ISKANDAR، بیشتر در مرکز تجاری Trimble پردازش شد. مختصات نقطه نهایی در پروجکشن جهانی عرضی مرکاتور (UTM) با استفاده از سیستم جهانی ژئودتیک 84 (WGS84) به عنوان داده تولید شد.
4. پردازش داده ها
در طول دهه گذشته، پیشرفت های قابل توجهی در تکنیک های فتوگرامتری بر اساس تصاویر پهپاد [ 16] صورت گرفته است.]. فتوگرامتری دیجیتال تکنیکهای خوبی برای تولید مدلهای سهبعدی زمین از عکسهای دوبعدی همپوشانی دارد. تعدادی نرم افزار منبع باز و تجاری برای پردازش داده های پهپاد موجود است. هدف اصلی پردازش تصویر ایجاد یک ابر نقطه متراکم است. در فتوگرامتری دیجیتال، یک ابر نقطه مبتنی بر تصویر با رویکرد ساختاری از حرکت (SFM) بدست میآید. با توجه به مجموعه ای از تصاویر به دست آمده از نقاط مشاهده مختلف، SFM موقعیت و جهت دوربین را برای هر تصویر ورودی و بازسازی سه بعدی صحنه به شکل یک ابر نقطه پراکنده بازیابی می کند. پس از این اولین بازسازی پراکنده، می توان یک فاز بازسازی متراکم را با استفاده از استریو چند نمای (MVS) اجرا کرد [ 34]. مزایای ارائه شده توسط الگوریتم SFM منجر به بهبود کیفیت محصولات زمین به دست آمده از فتوگرامتری هوایی با پهپادها می شود [ 35 ].
در این تحقیق، 16 پروژه فتوگرامتری با استفاده از نرم افزار Pix4D Mapper، نسخه 4.5.2، پردازش شد که الگوریتم SIFT را در روش سنتی SFM شرح داده شده در [36، 37 ، 38 ، 39 ، 40 ، 41 ، 42 ، 44 ، گنجانده است .]. Pix4DMapper محصول شاخص شرکت سوئیسی Pix4D بود که اکنون بخشی از گروه Parrot است. این یک بسته کامل فتوگرامتری است که میتواند ورودیهای عکاسی از پهپاد و سایر دستگاههای دوربین، ویدئو، چشم ماهی یا تصاویر 360 درجه و همچنین تصاویر طیفی از جمله حرارتی را مدیریت کند. Pix4D از یک رویکرد تغییر یافته ساختار از حرکت یا SFM برای پردازش تصاویر پهپاد استفاده می کند. SFM یک تکنیک فتوگرامتری است که برای تخمین ساختار سه بعدی (3D) اجسام از توالی های تصویر افست چند بعدی دو بعدی (2D) استفاده می شود [45] .]. SFM با استفاده از SIFT برای مطابقت با ویژگی ها، می تواند موقعیت دوربین و جهت گیری آن را فقط از روی تصاویر، بدون اطلاعات قبلی از پارامترهای آنها محاسبه کند. ابر نقطه ای به دست آمده برای زمین شناسی مناسب است. به طور گسترده ای در زمینه فتوگرامتری برای پردازش تصاویر پهپاد و تولید ارتوموزائیک و مدل های بافت استفاده شده است. این یک گردش کار کامل فتوگرامتری را فراهم می کند و از تکنیک CPU و GPU چند هسته ای برای شتاب بخشیدن به کارایی استفاده می کند [ 46 ].
در شکل 1گردش کار فتوگرامتری که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است به تفصیل شرح داده شده است. اولین مرحله تطبیق امتیاز ویژگی است. تصاویر به طور خودکار بر اساس اطلاعات فرمت فایل تصویری تبادلی (EXIF) برای تولید نقطه اتصال کالیبره شدند. اطلاعات EXIF یک ابرداده برای هر تصویر است که جزئیات اندازهگیریهای GPS روی برد را که برای شناسایی نقاط ویژگی اولیه استفاده میشود، ارائه میکند. تطبیق تصویر، ایجاد تناظر از یک نقطه ثبت شده در دو یا چند تصویر و تخمین موقعیت سه بعدی متناظر آن با استفاده از هم خطی یا مدل طرح ریزی است. این روش معمولاً دو مرحله دارد: (1) در فضای تصویر، نقشههای عمق از محاسبه جفت استریو استریو یا چند نمایه با در نظر گرفتن اختلاف بین جفت تصویر تولید میشوند، (2) سپس این نقشههای عمق برای ایجاد یک سه بعدی ادغام میشوند. ابر نقطه ای در فضای شی [47 ، 48 ]. تصاویر کالیبره شده به طور غیرمستقیم با استفاده از GCP برای ایجاد یک ابر نقطه 3 بعدی متراکم به زمین ارجاع داده می شوند. ارجاع جغرافیایی تصویر، فرآیند تخصیص اطلاعات مکانی به یک تصویر برای تعیین مکان آن با توجه به یک سیستم مختصات زمینی است. ارجاع جغرافیایی به طور کلی اولین گام اکثر کاربردهای فتوگرامتری است که پیش نیازی برای بهره برداری متریک آنها است [ 49 ]. ارجاع جغرافیایی غیرمستقیم بسته به دقت و داده مرجع مختصات GCPهای مورد استفاده، نتایج موقعیتیابی دقیقی را در دادههای زمینشناسی مورد نیاز فراهم میکند [ 50]]. یک ابر نقطه سه بعدی، در ساده ترین عبارت، به مجموعه داده های نقطه ای در یک فضای تصویر با مختصات X، Y و Z اشاره دارد. با این ابر نقطه متراکم سه بعدی، یک شبکه برای تولید خطوط ارتوموزائیک، DSM، DTM و کانتور ایجاد می شود. وضوح DSM تمام 16 پروژه فتوگرامتری بین 0.083 و 0.085 متر بود. پس از آن، تمام DSM ها با استفاده از تکنیک Nearest Neighbor تا وضوح 0.08 متر نمونه برداری شدند تا برای تجزیه و تحلیل مقایسه ای سازگار شوند.
5. تجزیه و تحلیل
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، پروژه های فتوگرامتری در این مطالعه به چهار روش مختلف برای شناسایی اثر درصد همپوشانی تصویر و ارزیابی این ایده کلی که افزایش درصد همپوشانی تصویر منجر به افزایش دقت محصولات فتوگرامتری می شود، مقایسه شدند. محصولات آماری فرآیندهای مختلف فتوگرامتری مقایسه می شوند.
اولین محصول در گردش کار SFM نقاط اتصال هستند، بنابراین نقاط اتصال برای 16 پروژه مقایسه می شوند. نقاط پیوند به نقاط تصویر از تصاویر مختلف اشاره دارد که با همان نقاط زمین مطابقت دارند [ 51 ]. تعداد نقاط کراوات تأثیر قابل توجهی بر روند مثلث بندی و دقت DSM حاصل دارد. جدول 2پس از ارجاع جغرافیایی داده ها، میانه نقاط اتصال را در هر تصویر کالیبره شده ارائه می دهد. تجزیه و تحلیل دقیق مقادیر میانگین امتیاز نشان می دهد که افزایش منطقی با توجه به همپوشانی رو به جلو وجود دارد. به این معنی که با یک همپوشانی جانبی ثابت، افزایش درصد همپوشانی رو به جلو و مقدار میانه نقاط کراوات رخ می دهد. با این حال، با یک همپوشانی رو به جلو ثابت، افزایش همپوشانی جانبی منجر به افزایش مقدار میانه نقاط کراوات نمی شود، به همین دلیل نمی توان حداکثر تعداد نقاط اتصال را با حداکثر همپوشانی رو به جلو و جانبی پیدا کرد. در عوض، حداکثر مقدار میانه نقاط اتصال با بیشترین همپوشانی رو به جلو و کمترین درصد همپوشانی جانبی مشخص می شود. علاوه بر این، اولین و دومین مقادیر بالاتر در پروژه هایی با حداکثر همپوشانی رو به جلو و افزایش همپوشانی جانبی یافت می شود. با این حال،
در فرآیند فتوگرامتری، مرحله بعدی تولید یک ابر نقطه سه بعدی متراکم بر اساس نقاط اتصال برای تولید DSM است. این مرحله از نظر محاسباتی گرانترین بخش از نظر زمان است. جدول 2 زمان محاسباتی استفاده شده برای تولید ابر نقطه سه بعدی را نشان می دهد، و در مقایسه با زمان استفاده شده برای تولید DSM تفاوت زیادی وجود دارد. همچنین تفاوت بین پروژه های حداقل همپوشانی و حداکثر همپوشانی 8 ساعت، 52 دقیقه و 35 ثانیه است. جدول 2تعداد نقاط سه بعدی را در هر پروژه فتوگرامتری نشان می دهد، اما از روند نقاط اتصال نسبت به درصد همپوشانی رو به جلو و جانبی پیروی نمی کند. افزایش منطقی در تعداد نقاط سه بعدی با افزایش همپوشانی رو به جلو و جانبی مشاهده می شود. در نتیجه حداکثر تعداد نقاط سه بعدی در پروژه فتوگرامتری با حداکثر همپوشانی رو به جلو و جانبی وجود دارد و با سایر مقادیر به ترتیب روند مشابهی مشاهده می شود.
همانطور که قبلا ذکر شد، صحت محصولات فتوگرامتری را می توان به روش های مختلفی تضمین کرد، بنابراین، گردش کار بعدی تحقیق، ارزیابی دقت خروجی نهایی (DSM) از طریق RMSE است. جدول 2 همچنین اندازه گیری دقت را از گزارش کیفیت تولید شده توسط نرم افزار Pix4D ارائه می کند، زیرا Pix4D دارای میانگین مقادیر خطای بازپرداخت زیر 2 پیکسل در تمام مقیاس های فضایی است [ 52 ]. با این حال، در مقایسه با میانگین نقاط اتصال به ازای هر تصویر کالیبره شده و تعداد ابر نقطه سه بعدی در جدول 2 ، روند کاملاً متفاوتی در مقادیر RMSE مطابق گزارش Pix4D در جدول 2 مشاهده می شود.. به این ترتیب، این ایده اساسی که افزایش همپوشانی می تواند دقت را افزایش دهد در این گزارش مشاهده نمی شود زیرا حداقل RMSE در 65% سمت و 55% در پروژه همپوشانی رو به جلو است. این در حالی است که حداکثر در 75 درصد برای همپوشانی رو به جلو و کناری مشاهده می شود و دومین رقم بالاتر در 85 درصد برای همپوشانی رو به جلو و کناری مشاهده می شود. علاوه بر این، هیچ روند ثابتی را نمی توان با تغییرات در پارامترهای همپوشانی رو به جلو و جانبی مشاهده کرد.
برای به دست آوردن بینش بیشتر در مورد اثرات تغییر در درصد همپوشانی رو به جلو و جانبی، CPs برای اندازه گیری دقت استفاده شد. یک روش اساسی آنالیز باقیماندههای تنظیم بسته (BA) با محاسبه RMSE باقیماندهها در GCPها یا با استفاده از مختصات اندازهگیری شده بر روی زمین مستقل از نقاطی است که با آن مختصات اندازهگیری شده در مدل فتوگرامتری مقایسه میشود. 53 ]، بر اساس استانداردهای دقت انجمن آمریکایی فتوگرامتری و سنجش از راه دور (ASPRS) 2014 [ 39 ]. فن آوری پهپاد و تکنیک های فتوگرامتری مبتنی بر بینایی کامپیوتری در حوزه نقشه برداری و نقشه برداری نسبتاً جدید هستند.
ارزیابی پارامترهای کیفیت عمدتاً بر اساس تحقیقات تجربی در زمینههای خاص است. تعدادی از کشورها و سازمان های نقشه برداری در حال حاضر در حال بررسی قوانین و مقررات برای بررسی پهپادها و تعریف استانداردهایی برای گنجاندن داده های پهپاد در برنامه های به روز رسانی پایگاه های داده ملی خود هستند. با این حال، به طور کلی، هیچ استاندارد بین المللی را نمی توان برای مدل سازی سطوح سه بعدی در مقیاس بزرگ مشاهده کرد. محققان عمدتاً با توجه به کاربردهای خاص در حال بررسی هستند. انجمن آمریکایی فتوگرامتری و سنجش از دور (ASPRS) استانداردهای دقت نقشه برداری در مقیاس بزرگ را برای ارتفتوهای دیجیتال و DEM در سال 2014 ایجاد کرد و این استانداردها مستقل از اندازه پیکسل، مقیاس نقشه و فاصله کانتور هستند [54 ] .
بهعنوان یک پارامتر آماری، مقادیر RMSE توصیف میشوند که بهعنوان «ریشه دوم از میانگین مجموعه تفاوتهای مجذور بین مقادیر مختصات مجموعه داده و مقادیر مختصات از یک منبع مستقل با دقت بالاتر برای نقاط یکسان» تفسیر میشوند [26 ] . در این مطالعه، نقاط چک مبتنی بر RMSEr (دقت افقی) و RMSEz (دقت عمودی) تمام 16 پروژه فتوگرامتری محاسبه و با استانداردهای دقت ASPRS مطابق فرمولهای زیر مقایسه شد:
جایی که ایکسدa t a ( i )ایکسدآتیآ(من)= چک نقاط مشاهده شده است ‘ x ‘‘ایکس’از طریق استاتیک سریع با CORS به عنوان ایستگاه پایه، ایکسr e fe r e n c e ( i )ایکس�ه�ه�ه�جه(من)= بررسی نقاط مرجع ‘ x ‘‘ایکس’به طور مستقیم از هر ارتوموزائیک تولید شده با استفاده از Pix4D Mapper مشاهده شد و n�= تعداد نقاط چک
جایی که yدa t a ( i )�دآتیآ(من)= چک نقاط مشاهده شده است y _‘‘�’از طریق استاتیک سریع با CORS به عنوان ایستگاه پایه yr e fe r e n c e ( i )��ه�ه�ه�جه(من)= بررسی نقاط مرجع y _‘‘�’به طور مستقیم از هر ارتوموزائیک تولید شده با استفاده از Pix4D Mapper مشاهده شد و n�= تعداد نقاط چک
R MاسE2ایکسآرماس�ایکس2= محاسبه شده در معادله (1)، R MاسE2yآرماس��2= محاسبه شده در رابطه (2):
جایی که zدa t a ( i )�دآتیآ(من)= چک نقاط مشاهده شده است z _‘‘�’از طریق استاتیک سریع با CORS به عنوان ایستگاه پایه zr e fe r e n c e ( i )��ه�ه�ه�جه(من)= بررسی نقاط مرجع z _‘‘�’به طور مستقیم از هر ارتوموزائیک تولید شده با استفاده از Pix4D Mapper مشاهده شد و n�= تعداد نقاط چک
بالاترین سطح دقت طبق استانداردهای ASPRS به عنوان کلاس 1 [ 39 ] تعریف شده است. نتایج نشان داد که دقت افقی و عمودی تمام 16 پروژه فتوگرامتری در محدوده معیارهای دقت کلاس 1 ASPRS 2014 قرار دارد. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است ، دقت افقی (RMSEr) بین 0.13 متر تا 0.17 متر است. از آنجایی که تحقیقات عمده مربوط به تغییرات توپوگرافی بود، دقت عمودی نگرانی عمده بود. دقت عمودی (RMSEz) نشان داده شده در شکل 5دارای حداقل مقدار 0.09 متر و حداکثر مقدار 0.32 متر بود، اما رفتار این مجموعه داده با افزایش درصد همپوشانی رو به جلو یا جانبی مطابقت نداشت زیرا حداکثر مقدار RMSEz در پروژه همپوشانی 85/85 درصد بود و حداقل مقدار در پروژه 75% رو به جلو و 85% همپوشانی جانبی بود.
اکثر محققان کیفیت محصولات فتوگرامتری پهپاد را برای کل مجموعه داده ها با استفاده از اندازه گیری های RMSE بررسی کرده اند. با این حال، برخی دقت عمودی را برای زیر مجموعههای کوچک دادههای سهبعدی انواع مختلف زمین نیز بررسی کردهاند. پیپو و همکاران [ 55 ] کاربرد DEM ها برای ترسیم اشکال مختلف زمین را بررسی کرد. لیو و همکاران [ 56 ] خطاهای DEM را برای انواع مختلف زمین و ارتفاع محاسبه کرد. هو و همکاران [ 57 ] دقت DEM ها را برای زمین های دشت، تپه و کوهستانی مشاهده کرد. پودگورسکی و همکاران [ 58 ] 2019 دقت را برای شیبهای مختلف ارزیابی کرد. کرام و هافمایستر [ 59] شاخص زبری توپوگرافی را برای DEM های منبع متعدد از جمله داده های تولید شده توسط پهپاد محاسبه کرد.
در این مطالعه، بررسی بیشتر دقت داده ها با توجه به تغییرات توپوگرافی در مقیاس بزرگ از چهار پروفایل مختلف (A-D) انجام شد. شکل 6 مقایسه ها را در تمام 16 DSM فتوگرامتری نشان می دهد.
به طور کلی، اولین پروفیل A (بالای سقف ساختمان) همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است ، نتیجه بهتری را در سمت چپ نسبت به سمت راست نشان می دهد. با این حال، هنوز طبق استانداردها قابل تحمل است. تنها خط قابل توجه در این نمودار که رفتار متفاوتی دارد، پایینترین خط است که دادهها را از 55% طرف و 55% همپوشانی رو به جلو نشان میدهد، اما همچنان الگوی صحیح سقف ساختمان را نشان میدهد. نمایه دوم شکل 6ب گنبد بنای مسجد را نشان می دهد. خطوط در این نمودار به خصوص برای سمت چپ گنبد نزدیک به یکدیگر هستند. با این حال، برخی از خطوط در سمت راست نزدیک بالای گنبد یکنواخت یا نزدیک به یکدیگر نیستند که این امر به دلیل صدای ناشی از انعکاس سطح است. شاید تأثیر نور خورشید باعث انعکاس مصالح سطحی گنبد شده باشد. همچنین به وضوح مشاهده می شود که تمام نمودارها به سمت پایین گنبد در سمت راست به یکدیگر نزدیک می شوند.
شکل 6 C سطح شیب را نشان می دهد. تمام خطوط مشاهده شده برای این نوع ویژگی به یکدیگر نزدیک هستند، که نشان می دهد تمام درصدهای همپوشانی رو به جلو و جانبی نمی تواند بر روی نگاشت چنین ویژگی تأثیر بگذارد و می توان از آنها بیشتر استفاده کرد. هیچ تفاوت قابل توجهی با تغییر همپوشانی پرواز برای این نوع ویژگی ایجاد نمی شود. در نهایت، در آخرین نمایه D، که در شکل 6 نشان داده شده است، به راحتی می توان دید که همپوشانی روی نتیجه در سمت چپ و راست جریان تأثیر نمی گذارد. خطوط به هم نزدیک هستند. شاید انعکاس در دو طرف جریان مانند شیب در شکل 6 خوب باشد.ج- با این حال، با افزایش عمق جریان، خطوط به درستی جریان را نشان می دهند و حتی از یکدیگر عبور می کنند. این مشکل شاید به این دلیل به وجود می آید که مدل SFM به درستی برای بدنه های آبی کار نمی کند. در فتوگرامتری دیجیتال، تطبیق تصویر معمولاً برای ویژگیهای همگن با لحن یکنواخت بدون الگو یا بافت مناسب با شکست مواجه میشود.
6. نتیجه گیری و پیشنهادات
فتوگرامتری پهپاد یکی از جدیدترین فناوریها در صنعت نقشهبرداری برای ارائه دادههای زمین با وضوح مکانی-زمانی بالا در یک محیط دیجیتال است. کاربرد آن برای بررسی نواحی کوچک مورد توجه محققان جامعه علوم زمین است. با پیشرفت های اخیر در پردازش تصویر دیجیتال مدرن، همراه با قابلیت روزافزون رایانه شخصی، ترسیم فتوگرامتری یک ابزار بررسی انعطاف پذیر و در دسترس را ارائه می دهد. کیفیت پهپاد DSM به عوامل مختلفی مانند کیفیت سنسور، ویژگیهای پلت فرم، پارامترهای پرواز و تکنیکهای پردازش تصویر بستگی دارد. پارامترهای پرواز مانند ارتفاع پرواز، سرعت پرواز، زمان پرواز، مسیر پرواز، و درصد همپوشانی تصویر، تعادلی بین کیفیت DSM و هزینه محاسباتی پروژه فتوگرامتری هستند. با این حال، در بین تمام این پارامترها، درصد همپوشانی تصاویر به عنوان عامل کلیدی تاثیرگذار بر کیفیت DSM از نظر تطبیق تصویر، تولید نقطه اتصال و ابر نقطه سه بعدی در نظر گرفته میشود. به طور کلی، در نظر گرفته می شود که همپوشانی تصویر بالا منجر به کیفیت بهتر DSM می شود، اما افزایش درصد همپوشانی یک خط پایه کوتاه برای مثلث بندی هوایی و مشکلات زاویه دید نیز ممکن است باعث خطاهای هندسی شود. علاوه بر این، افزایش بسیار زیاد تعداد تصاویر به دلیل همپوشانی زیاد به فضای دیسک و زمان محاسبات بیشتری نیاز دارد. اما افزایش درصد همپوشانی یک خط پایه کوتاه برای مثلث بندی هوایی و مشکلات زاویه دید نیز ممکن است باعث خطاهای هندسی
بدون دیدگاه