مرحله سوم پروژه نقشه برداری با پهپاد: طراحی پرواز

 در مقالات قبل با مراحل اول و دوم یک پروژه نقشه برداری آشنا شدیم:

مرحله اول: شناسایی منطقه
این مرحله شامل بررسی اولیه منطقه پروژه با استفاده از ابزارهایی مانند تصاویر ماهوارهای، نقشه های توپوگرافی، و بازدید میدانی است. اهداف اصلی عبارتند از:

• تعیین محدوده جغرافیایی و مساحت منطقه.

• شناسایی موانع فیزیکی (مانند درختان، ساختمانها، و خطوط برق).

• بررسی شرایط جوی و محیطی (مانند باد، دما، و رطوبت).

• تحلیل الزامات قانونی (مانند مجوزهای پرواز و حریم هوایی).

• جمع آوری داده های مرجع مانند نقاط کنترل زمینی (GCPs) برای افزایش دقت.

مرحله دوم: عملیات زمینی
این مرحله شامل آماده سازی تجهیزات و اجرای فعالیتهای میدانی است:

• کالیبراسیون پهپاد، سنسورها، و دوربین ها.

• نصب و ثبت نقاط کنترل زمینی (GCPs) با دقت سانتیمتری.

• تست سیستم های ارتباطی (مانند رادیو کنترل و ارتباط با GNSS).

• برنامه یزی مسیرهای پرواز اولیه و بررسی ایمنی منطقه.

• آموزش تیم عملیاتی برای واکنش به شرایط اضطراری.

---

در این مقاله مرحله سوم یک پروژه نقشه برداری با پهپاد شرح داده می شود.

مرحله سوم — طراحی پرواز اتوماتیک

فهرست مطالب

1. مقدمه

2. انواع پهپادها و ویژگیهای آنها

   • مولتی روتورها (Multirotors)

   • بال ثابتها (Fixed-Wing)

   • پهپادهای VTOL (عمودپرواز و بالثابت)

   • تیلت-روتورها (Tilt-Rotor)

3. پرواز دستی (Manual) vs. پرواز اتوماتیک

4. نرم افزارهای طراحی پرواز اتوماتیک

   • نرم افزارهای تحت ویندوز

   • نرم افزارهای اندروید و iOS

   • مقایسه رایگان vs. پولی

5. فاکتورهای طراحی پرواز اتوماتیک

   • تعیین محدوده و ارتفاع پرواز

   • محاسبه GSD (فاصله نمونه برداری زمینی)

   • پوشش طولی و عرضی (Overlap)

   • سرعت پرواز و تأثیر آن بر دقت

   • تنظیمات وابسته به شرایط جوی

6. تنظیمات دوربین در نرم افزارها

   • نرم افزار (DJI GO 4)

   • پارامترهای کلیدی: دیافراگم، شاتر، ISO، فوکوس

7. مطالعه موردی: نرم افزارهای Pix4Dcapture و DJI Pilot 2

8. ملاحظات پیشرفته و نکات فنی

9. نتیجه گیری

---

۱. مقدمه

طراحی پرواز اتوماتیک قلب تپنده نقشه برداری با پهپاد است. این مرحله تضمین میکند که داده ها با بیشترین دقت و کمترین خطا جمع آوری شوند. در این مقاله، به طور جامع به بررسی فناوری ها، نرم افزارها، و پارامترهای حیاتی این فرآیند میپردازیم.

---

۲. انواع پهپادها و ویژگیهای آنها

الف) مولتی روتورها (Multirotors)

• ساختار: ۴ تا ۸ موتور با پروانه های عمودپرواز.

• مزایا:

  • قابلیت پرواز در فضای محدود و مانورپذیری بالا.

  • امکان توقف در هوا (Hovering) برای ثبت تصاویر دقیق.

  • مناسب برای مناطق شهری و پروژه های کوچک و متوسط.

• معایب:

  • محدودیت زمان پرواز (۱۵–۳۰ دقیقه).

  • حساسیت به بادهای شدید.

• مدلهای شاخص:

  • DJI Phantom 4 RTK: دقت سانتیمتری با سیستم RTK.

  • DJI Matrice 300: قابلیت حمل سنسورهای چندگانه.

ب) بال ثابتها (Fixed-Wing)

• ساختار: بالهای ثابت مشابه هواپیما.

• مزایا:

  • زمان پرواز طولانی (۶۰–۱۲۰ دقیقه).

  • پوشش مناطق وسیع (مثلاً ۵۰۰ هکتار در یک پرواز).

• معایب:

  • نیاز به باند فرود یا سیستم پرتاب/فرود.

  • عدم توانایی در Hovering.

• مدلهای شاخص:

  • SenseFly eBee X: مجهز به سنسورهای چندطیفی.

ج) پهپادهای VTOL

• ترکیب مزایا: پرواز عمودی مانند مولتی روتور + پرواز افقی مانند بال ثابت.

• کاربرد: مناطق دورافتاده با محدودیت فرود.

• مدل شاخص: Quantum-Systems Trinity.

د) تیلت-روتورها (Tilt-Rotor)

• ویژگی: پروانه ها برای پرواز عمودی و افقی میچرخند.

• مزیت: کارایی در محیطهای پیچیده.

• مدل شاخص: V-Bat .

---

۳. پرواز دستی در مقایسه با پرواز اتوماتیک

---

۴. نرم افزارهای طراحی پرواز اتوماتیک

دسته بندی نرم افزارهای طراحی پرواز اتوماتیک پهپاد

1. نرم افزارهای تحت ویندوز (عموماً برای پهپادهای بال ثابت)

• رایگان:

  • Mission Planner: نرم افزار متن باز برای طراحی مسیر پرواز، تحلیل دادهها، و کنترل پهپادهای مبتنی بر سیستم ArduPilot.

  • APM Planner: مشابه Mission Planner، برای پهپادهای بال ثابت و مولتی روتور با قابلیت برنامه ریزی مسیرهای پیچیده.

  • QGroundControl: نرم افزار چند پلتفرمی (ویندوز، لینوکس، مک) برای پهپادهای مبتنی بر PX4 و ArduPilot با رابط کاربری ساده.

• غیررایگان:

  • UgCS (Universal Ground Control Software): نرم افزار حرفه ای برای طراحی مسیرهای پرواز سه بعدی، پشتیبانی از پهپادهای بال ثابت، و ادغام با سنسورهای LiDAR و دوربین های حرفه ای.

  • Litchi (برای ویندوز): نسخه ویندوزی این نرم افزار که برای طراحی مسیرهای Waypoint و کنترل پهپادهای DJI استفاده میشود.

---

2. نرم افزارهای تحت موبایل (اندروید و iOS)

• رایگان:

  • DJI Pilot 2: نرم افزار رسمی DJI برای کنترل پهپادهای Enterprise مانند Matrice 300 RTK با قابلیت طراحی مسیرهای پرواز هوشمند.

  • Pix4Dcapture: نرم افزار رایگان برای طراحی پروازهای نقشه برداری و فتوگرامتری با پهپادهای DJI و Autel.

  • DroidPlanner: نرم افزار اندرویدی برای پهپادهای مبتنی بر ArduPilot.

• غیررایگان:

  • UGCS Mobile: نسخه موبایلی UgCS با قابلیت طراحی مسیرهای پرواز و ادغام با سخت افزارهای حرفه ای.

  • Maps (Mobile Aerial Photogrammetry Software): برای طراحی پروازهای نقشه برداری با خروجی GeoTIFF و DEM.

---

3. نرم افزارهای چندپلتفرمی (ویندوز + موبایل)

• DroneDeploy: تحت وب و موبایل، برای نقشهبرداری و تحلیل دادههای هوایی.

• Pix4Dmapper: ترکیبی از نرم افزار دسکتاپ و موبایل (Pix4Dcapture) برای فتوگرامتری.

---

توضیحات تکمیلی درباره Pix4Dcapture و DJI Pilot 2

1. Pix4Dcapture

• هدف اصلی: طراحی پروازهای نقشه برداری هوایی و فتوگرامتری با پهپادهای سازگار (DJI، Autel، Parrot).

• ویژگیهای کلیدی:

  • الگوهای پرواز خودکار: شامل شبکه (Grid)، دایره ای (Circular)، و تکخطی (Single-line) برای پوشش کامل منطقه.

  • تنظیمات پیشرفته: تعیین ارتفاع پرواز، همپوشانی تصاویر (Overlap)، و زاویه دوربین.

  • ادغام با Pix4Dmapper: داده های جمع آوری شده مستقیماً به نرمافزار Pix4Dmapper برای پردازش ابر نقطهای و مدلسازی 3D منتقل میشوند.

  • پشتیبانی از RTK/PPK: افزایش دقت مکانی با استفاده از سیستم های ناوبری ماهوارهای پیشرفته.

  • سازگاری: کاربرد گسترده در کشاورزی، معدن، و ساخت و ساز.

• محدودیتها:

  • تنها برای پهپادهای خاص (عمدتاً DJI) بهینه شده است.

  • نسخه رایگان آن محدودیتهایی در ذخیره سازی پروژه ها دارد.

---

2. DJI Pilot 2

• هدف اصلی: کنترل پهپادهای Enterprise DJI مانند Matrice 300 RTK و Mavic 3 Enterprise برای مأموریت های صنعتی.

• ویژگیهای کلیدی:

  • طراحی مسیرهای هوشمند: Waypoint، شبکه، و الگوهای اسکن سه بعدی (3D Scan).

  • پشتیبانی از سنسورهای چندگانه: همزمانی با دوربینهای دید در شب (Thermal)، LiDAR، و سنسورهای چندطیفی.

  • Real-Time Kinematic (RTK): دقت سانتیمتری در نقشه برداری.

  • زمان بندی پرواز: برنامه ریزی خودکار پرواز بر اساس زمان یا شرایط جوی.

  • پخش زنده دادهها: انتقال ویدئو و دادههای مکانی به صورت زنده به تیم های زمینی.

• محدودیتها:

  • فقط با پهپادهای DJI Enterprise سازگار است.

  • نیاز به آموزش حرفه ای برای استفاده از تمام قابلیتها.

---

۵. فاکتورهای طراحی پرواز اتوماتیک

الف) تعیین محدوده و ارتفاع

• محدوده: ترسیم منطقه در نرم افزار با مختصات GPS.

• ارتفاع:

  • رابطه مستقیم با دقت GSD:

GSD = (سایز سنسور (mm) × ارتفاع (m)) / (فاصله کانونی (mm) × رزولوشن تصویر)

• مثال: ارتفاع ۱۰۰ متر با دوربین  GSD 3cm   ≈  ۲۰MP

ب) همپوشانی طولی و عرضی

• حداقل همپوشانی: ۷۰% طولی و ۶۰% عرضی برای مدلسازی 3D.

• تأثیر باد: افزایش همپوشانی تا ۸۰% در شرایط باد شدید.

ج) سرعت پرواز

• بهینه سازی: سرعت بالا ⇒ زمان کمتر، ولی لرزش بیشتر.

• فرمول:

  سرعت (m/s)=GSD(m)×نرخ فریم(Hz)

د) تنظیمات وابسته به دما و فشار هوا

• ارتفاع دینامیکی: در مناطق کوهستانی، ارتفاع پرواز بر اساس فشار هوا تنظیم میشود.

---

۶. تنظیمات دوربین

توضیحات فنی پارامترهای عکاسی: عملکرد و شرایط تنظیم 

در عکاسی با پهپاد، تنظیم سرعت شاتر، دیافراگم، ISO، و فوکوس به شرایط نوری، سوژه، و اهداف خلاقانه شما بستگی دارد. در ادامه، بازنگری دقیقتری بر اساس مثالهای کاربردی ارائه میشود:

---

۱. سرعت شاتر (Shutter Speed)

عملکرد:

• سرعت شاتر مدت زمان باز بودن پرده شاتر و رسیدن نور به سنسور را کنترل میکند.

• با واحد کسر ثانیه بیان میشود (مثلاً ۱/۱۰۰۰، ۱/۲۵۰، ۱/۵۰).

شرایط تنظیم:

• سوژههای بسیار سریع (پرندگان، خودروها):

  • ۱/۱۰۰۰ تا ۱/۲۰۰۰ ثانیه برای فریز کردن حرکت بدون محوشدگی (Motion Blur).

  • مثال: ثبت پرواز پرنده در آسمان با سرعت بالا.

• سوژه های متحرک معمولی (درختان در باد، انسانها):

  • ۱/۲۵۰ تا ۱/۵۰۰ ثانیه برای جلوگیری از محوشدگی جزئی.

  • مثال: عکاسی از یک رودخانه با جریان سریع.

• صحنه های ثابت یا ویدیوهای سینمایی:

  • ۱/۵۰ تا ۱/۱۰۰ ثانیه برای ایجاد Motion Blur طبیعی (با قانون ۱۸۰ درجه).

  • مثال: فیلمبرداری هوایی از یک منظره با نرخ فریم 24fps و شاتر ۱/۵۰ ثانیه.

• نور کم (غروب/شب):

  • ۱/۵۰ تا ۱/۱۰۰ ثانیه همراه با سه پایه یا گیمبال پایدار.

  • مثال: عکاسی از شهر در شب با نور چراغها.

نکات فنی:

• قانون ۱۸۰ درجه (ویدیو):

  • سرعت شاتر = ۱/(۲ × نرخ فریم).

  • مثال: برای 24fps → ۱/۵۰ ثانیه، برای 30fps → ۱/۶۰ ثانیه.

• فیلترهای ND:

  • در نور شدید، برای کاهش سرعت شاتر به محدوده ایده آل (مثلاً ۱/۵۰ ثانیه) از فیلتر ND8/ND16 استفاده کنید.

---

۲. دیافراگم (Aperture)

عملکرد:

• کنترل عمق میدان و میزان نور ورودی.

• اعداد f-stop مانند f/2.8 (باز) تا f/11 (بسته).

شرایط تنظیم:

• پس زمینه محو (بوکه): f/2.8–f/4 (مناسب برای پرتره هوایی).

• عمق میدان گسترده (مناظر): f/8–f/11.

• نور شدید: f/5.6–f/8 برای جلوگیری از نوردهی بیش از حد.

---

۳. ISO

عملکرد:

• افزایش ISO باعث حساسیت سنسور به نور و افزایش نویز میشود.

شرایط تنظیم:

• نور کافی: ISO 100–200 (حداقل نویز).

• نور کم:

  • سنسورهای کوچک (Mavic Air 2): حداکثر ISO 800.

  • سنسورهای ۱ اینچی (Mavic 3): حداکثر ISO 1600–3200.

---

۴. فوکوس (Focus)

حالتهای کلیدی:

• فوکوس خودکار (AF):

  • برای سوژه های متحرک یا تغییر سریع صحنه.

• فوکوس دستی (MF):

  • تنظیم روی بینهایت (∞) برای مناظر دوردست.

  • استفاده از Focus Peaking برای تشخیص نواحی شارپ.

---

۵. مثالهای کاربردی ترکیب تنظیمات

مثال ۱: عکاسی از یک خودروی در حال حرکت

• هدف: فریز کردن حرکت خودرو.

• تنظیمات:

  • شاتر: ۱/۱۰۰۰ ثانیه.

  • دیافراگم: f/5.6.

  • ISO: ۱۰۰.

  • فوکوس: AF پیوسته (Tracking).

مثال ۲: فیلمبرداری سینمایی از جنگل

• هدف: Motion Blur طبیعی.

• تنظیمات:

  • شاتر: ۱/۵۰ ثانیه (برای 24fps).

  • دیافراگم: f/8.

  • ISO: ۲۰۰.

  • فیلتر: ND8.

مثال ۳: عکاسی شبانه از شهر

• هدف: نوردهی متعادل با نویز کم.

• تنظیمات:

  • شاتر: ۱/۱۰۰ ثانیه (با گیمبال پایدار).

  • دیافراگم: f/2.8.

  • ISO: ۸۰۰.

  • فرمت: RAW برای بهبود جزئیات در post-processing.

الف)  DJI GO 4

تنظیمات دوربین در نرم افزار DJI GO 4 نقش حیاتی در کیفیت تصاویر و ویدیوهای هوایی دارد. در ادامه، توضیحات فنی دقیقتری برای هر پارامتر ارائه میشود:

• دیافراگم: تنظیم برای عمق میدان (مثلاً f/5.6 برای کاهش نویز).

• شاتر: حداقل ۱/۱۰۰۰ ثانیه برای جلوگیری از Motion Blur.

• ISO: ترجیحاً زیر ۲۰۰ برای کاهش نویز.

• فوکوس: استفاده از حالت Manuel و بینهایت (∞).

۱. دیافراگم (Aperture)

• مقدار پیشنهادی:

  • دیافراگم بسته به مدل دوربین (مثلاً در Mavic 2 Pro با سنسور ۱ اینچی) معمولاً بین f/2.8 تا f/11 قابل تنظیم است.

  • f/5.6 به عنوان نقطه شیرین (Sweet Spot) برای تعادل بین عمق میدان (Depth of Field) و وضوح تصویر پیشنهاد میشود.

  • در این مقدار، نویز ناشی از پدیدهی Diffraction (تجزیه نور در دیافراگم های بسته) به حداقل میرسد و جزئیات تصویر حفظ میشود.

  • برای عکاسی از مناظر با عمق میدان گسترده (مثلاً کوهستان)، از f/8 تا f/11 استفاده کنید.

۲. سرعت شاتر (Shutter Speed)

• حداقل سرعت شاتر:

  • ۱/۱۰۰۰ ثانیه یا سریعتر برای جلوگیری از Motion Blur ناشی از حرکت سریع پهپاد یا سوژه های متحرک (مثلاً خودروها، حیوانات).

  • در شرایط نوری کم (غروب/طلوع آفتاب)، از قانون معکوس استفاده کنید:

    • سرعت شاتر ≤ ۱/(فاصله کانونی × ۲).

    • مثال: برای لنز ۲۴mm، سرعت شاتر ≤ ۱/۵۰ ثانیه.

  • برای ویدیوهای سینمایی، از قانون ۱۸۰ درجه پیروی کنید:

    • سرعت شاتر = ۱/(۲× نرخ فریم). مثلاً برای 24fps، سرعت شاتر ۱/۵۰ ثانیه مناسب است.

۳. حساسیت سنسور (ISO)

• محدوده بهینه:

  • ISO 100–200 برای سنسورهای کوچک (مثلاً Mavic Air 2) به دلیل نویز ذاتی در ISOهای بالاتر.

  • در سنسورهای ۱ اینچی (مانند Mavic 3 Classic)، تا ISO 400 نیز کیفیت قابل قبول است.

  • از Auto ISO تنها در شرایط نوری متغیر (مثلاً پرواز از سایه به نور شدید) استفاده کنید، اما حداکثر ISO را روی 800 قفل کنید.

۴. فوکوس (Focus)

• حالت Manuel (دستی):

  • فوکوس دستی روی بینهایت (∞) برای عکاسی از مناظر دوردست (مثلاً کوهها یا شهرها).

  • توجه: علامت ∞ در برخی دوربینها ممکن است دقیق نباشد! برای دقت بیشتر:
    ۱. از حالت Peaking Focus (رنگهای هایلایتشده روی سوژههای شارپ) در DJI GO 4 استفاده کنید.
    ۲. با زوم دیجیتال ۲x روی یک نقطه دور، فوکوس را به صورت دستی تنظیم کنید.

  • برای عکاسی ماکرو یا سوژه های نزدیک (مثلاً در ارتفاع پایین)، از فوکوس خودکار (AF) استفاده نمایید.

---

۵. تنظیمات تکمیلی

الف) فیلترهای ND (کاهشدهنده نور)

• کاربرد:

  • در نور شدید، برای حفظ سرعت شاتر ایده آل (مثلاً ۱/۵۰ ثانیه در ویدیو) از فیلترهای ND8/ND16 استفاده کنید.

  • از ND-PL برای کاهش بازتاب نور از سطوح آبی یا شیشه ای بهره ببرید.

ب) فرمت تصویر

• RAW (DNG):

  • برای عکاسی حرفهای، فرمت RAW را فعال کنید تا جزئیات در سایه ها و هایلایت ها در post-processing حفظ شود.

  • حجم فایلهای RAW در Mavic 3 تا ۲۰ مگابایت بر تصویر است.

ج) بالانس سفید (White Balance)

• حالت دستی (Custom WB):

  • برای دقت رنگ بهتر، عدد WB را متناسب با شرایط نوری تنظیم کنید (مثلاً ۵۵۰۰K برای نور روز).

  • از Presetهای مانند «ابری» یا «نور خورشید» در شرایط متغیر اجتناب کنید.

---

۶. ملاحظات پیشرفته

• تأثیر ابری بودن هوا: کاهش کنتراست ⇒ نیاز به تنظیم Exposure.

• تست پرواز: اجرای یک پرواز آزمایشی برای بررسی خطاها.

• ذخیره سازی دادهها: استفاده از کارتهای حافظه با سرعت بالا (UHS-III).

---

۹. نتیجه گیری

طراحی پرواز اتوماتیک ترکیبی از مهندسی، هنر، و فناوری است. انتخاب پهپاد مناسب، نرم افزار بهینه، و تنظیمات دقیق، موفقیت پروژه را تضمین میکند. در مرحله بعدی، پردازش داده ها و تولید خروجی های نهایی مورد بررسی قرار میگیرد.