پهپاد برای نقشه برداری: نحوه کار آنها و کاربردهای آنها
این مقاله نحوه استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین برای نقشه برداری را پوشش می دهد. تمرکز بر نقشه برداری مبتنی بر لیدار با استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین است. توضیح خواهیم داد که چگونه پهپادها می‌توانند داده‌های دقت نظرسنجی را ضبط کنند، چه نوع داده‌هایی گرفته می‌شوند، چه داده‌های قابل تحویلی ایجاد می‌شوند و چه کسی از آن استفاده می‌کند.
نقشه برداری مبتنی بر پهپاد چیست؟
نقشه برداری (یا نقشه برداری) مبتنی بر پهپاد از وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپاد) برای جمع آوری داده های فضایی از هوا استفاده می کند. به جای استفاده از خدمه زمینی برای اندازه گیری ابعاد یک منطقه خاص از سطح زمین، پهپادهای مجهز به اسکنر لیزری سه بعدی و دوربین می توانند داده های مکانی را از هوا جمع آوری کنند. از این داده ها برای تولید یک نقشه کامل یا مدل سه بعدی استفاده می شود.
چرا امروزه نقشه برداری مبتنی بر هواپیماهای بدون سرنشین رایج است؟
فناوری هواپیماهای بدون سرنشین با گذشت زمان قابل اعتمادتر و ایمن تر شده است. سیستم‌های محموله کوچک‌تر و سبک‌تر که باتری‌ها، ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال، دوربین و فناوری اسکن لیزری را ادغام می‌کنند، امکان بررسی‌های حرفه‌ای مبتنی بر هواپیماهای بدون سرنشین را فراهم می‌کنند. در نتیجه، پهپادها حرفه نقشه برداری را دوباره تعریف کرده اند و به ابزاری ضروری برای نقشه برداری و نقشه برداری تبدیل شده اند.
اهداف نقشه برداری مبتنی بر پهپاد چیست؟
قبل از استفاده از فناوری پهپاد و سیستم های نقشه برداری سیار، خدمه نقشه برداری از یک سایت بازدید می کنند و یک یا چند مورد از وظایف زیر را انجام می دهند:
- موقعیت نسبی هر جسم یا نقطه روی زمین را تعیین کنید.
- فاصله و زوایای بین اجسام مختلف را تعیین کنید.
- یک نقشه یا طرحی برای نشان دادن یک منطقه در یک صفحه افقی تهیه کنید.
- نقاط کنترل و مرزهای یک منطقه را تعریف کنید.
پهپادها اکنون یک جایگزین محبوب برای نقشه برداری زمینی برای گرفتن ابرهای نقطه سه بعدی هستند. اینها مبنایی برای چندین قابل تحویل با درجه نقشه برداری است که امکان تعیین فواصل و زوایای بین اشیاء و موقعیت اشیاء در داخل مدل را فراهم می کند.
کدام محصولات قابل تحویل از بررسی‌های پهپادهای LiDAR ایجاد می‌شوند؟
محصولات قابل تحویل ایجاد شده از ابرهای نقطه سه بعدی شامل نقشه های سه بعدی زمین، نقشه های توپوگرافی، نقشه های کانتور و موارد دیگر است:
- نقشه‌های سه‌بعدی زمین: نقشه‌هایی با نمایش سه‌بعدی، معمولاً از زمین، به‌عنوان یک مصنوع فیزیکی عملی می‌شوند.
- نقشه‌های توپوگرافی: نقشه‌های در مقیاس بزرگ که ویژگی‌های طبیعی و دست‌ساز مانند جنگل‌ها، آبراه‌ها، ساختمان‌های مهم و پل‌ها را تعریف و مکان‌یابی می‌کنند.
- نقشه های کانتور: نقشه های توپوگرافی دوبعدی که با خطوط کانتور خیالی نشان داده شده اند که نقاط دارای ارتفاع یکسان را به هم متصل می کنند.
- DEMs: مخفف Digital Elevation Models (یا «مدل‌های زمین برهنه»)، که نمایش‌هایی از سطح توپوگرافی زمین برهنه به استثنای درختان، ساختمان‌ها و سایر اشیاء سطحی هستند.
- ابرهای نقطه رنگی: یک ابر نقطه سه بعدی (مقیاس خاکستری) و اطلاعات RGB از تصاویر شطرنجی گرفته شده با دوربین فتوگرامتری را ترکیب می کند که منجر به ایجاد یک ابر نقطه سه بعدی فوتورالیستی می شود.
چه صنایعی از داده های بررسی پهپادها استفاده می کنند؟
پهپادها در نقشه برداری، معدن، کشاورزی، شهرسازی و ساخت و ساز استفاده می شود.
- نقشه برداری: بررسی های هواپیماهای بدون سرنشین روش های سنتی نقشه برداری را بهبود می بخشد و دقت و جزئیات بالایی را ارائه می دهد.
- استخراج معادن: شرکت‌های معدنی از سیستم‌های LiDAR برای جمع‌آوری اطلاعات مکانی سطح طبیعی، زیرساخت یک معدن، توسعه برنامه‌ریزی شده آن و محاسبه حجم تولید استفاده می‌کنند.
- کشاورزی: LiDAR بهره وری کشاورزی را با ارائه بینش دقیق در مورد سلامت محصول و شرایط مزرعه افزایش می دهد.
- برنامه ریزی شهری: لیدار با ارائه اطلاعات جامع و به روز در مورد محیط شهری، به برنامه ریزان شهری کمک می کند تا منابع را به نحو احسن تخصیص دهند.
- ساخت و ساز: شرکت های ساختمانی و مهندسان عمران از راه حل های UAV LiDAR در پروژه های مختلف برای ایجاد مدل های دیجیتال زمین (DTM)، مدل های دیجیتال سطح (DSM) یا مدل های دیجیتال ارتفاع (DEM) استفاده می کنند.
انواع مختلف بررسی پهپادها
اکنون دو نوع اصلی از بررسی‌های مبتنی بر پهپاد را پوشش خواهیم داد: بررسی‌های پهپاد مبتنی بر LiDAR و بررسی‌های مبتنی بر فتوگرامتری.
نقشه برداری پهپاد مبتنی بر LiDAR و نقشه پهپاد مبتنی بر فتوگرامتری چیست؟
نقشه برداری پهپاد مبتنی بر LiDAR از اسکنرهای لیزری سه بعدی استفاده می کند که ابرهای نقطه سه بعدی را روی دستگاه ضبط و ذخیره می کند. اینها از میلیون ها نقطه منفرد تشکیل شده اند که امکان بازسازی دقیق و دقیق سه بعدی ناحیه اسکن شده را فراهم می کنند. نحوه عملکرد LiDAR در پهپادها در مقاله ای جداگانه با جزئیات بیشتر توضیح داده شده است.
بررسی‌های پهپادی مبتنی بر فتوگرامتری از دوربین‌های فتوگرامتری استفاده می‌کنند که تصاویر دو بعدی را ثبت می‌کنند. سپس با استفاده از نرم‌افزار مخصوص به هم دوخته می‌شوند تا تصویری منفرد و منظم از منطقه نقشه‌برداری تولید کنند. این فرآیند دوخت یک مرحله ضروری و میانی قبل از تولید ابرهای نقطه سه بعدی و مدل‌هایی از تصاویر است. تفاوت بین فتوگرامتری و LiDAR نیز در مقاله دیگری به تفصیل بیان شده است.
نقش گیرنده های GNSS در پروژه های نقشه برداری هواپیماهای بدون سرنشین چیست؟
بررسی های میدانی از دو گیرنده GNSS برای اندازه گیری دقیق استفاده می کنند. اولی یک ایستگاه پایه است که در مکان مشخصی قرار گرفته است. در حین کار نظرسنجی حرکت نمی کند. وظیفه آن دریافت داده های موقعیت یابی از ماهواره ها و ارسال آن به گیرنده دوم GNSS است که توسط نقشه بردار برای اندازه گیری نقطه ای نگهداری می شود. ایستگاه پایه ثابت دقت داده های گرفته شده با گیرنده GNSS متحرک را افزایش می دهد.
سخت افزار و نرم افزار مورد نیاز اضافی برای بررسی پهپادها
در مورد بررسی هواپیماهای بدون سرنشین، پهپاد پرنده مجهز به گیرنده GNSS است که داده‌های موقعیت‌یابی ماهواره‌ای را از یک گیرنده ثابت زمینی GNSS دریافت می‌کند، شبیه به بررسی زمینی با مریخ‌نورد و نقشه‌بردار در حال حرکت در اطراف یک سایت. تفاوت این است که یک پهپاد یک مسیر از پیش تعریف شده را برای اندازه گیری دنبال می کند و به طور مستقل عمل می کند. نرم افزار تخصصی برنامه ریزی پرواز هواپیماهای بدون سرنشین به نقشه برداران اجازه می دهد تا قبل از جمع آوری داده ها، پرواز خود را با جزئیات برنامه ریزی کنند.
پهپادها سکوهای متحرکی هستند که دارای یک اسکنر لیزری سه بعدی و دوربین هستند تا از ابرهای نقطه ای و تصاویر سه بعدی در طول پرواز عکس بگیرند. یک IMU (واحد اندازه گیری اینرسی) سرعت و جهت گیری پهپاد را برای موقعیت یابی سیستم اسکن و داده هایی که گرفته می شود ثبت می کند. این اطلاعات با داده های اسکن ترکیب می شود تا همه داده ها را در یک سیستم مختصات مشترک تراز کرده و یک مدل سه بعدی از منطقه بررسی را تولید کند.
بررسی های هواپیماهای بدون سرنشین چقدر دقیق هستند؟
فناوری LiDAR دقت در سطح سانتی متر را فراهم می کند . برای بررسی پهپادها، دقت به دست آمده به دقت اجزای مختلف فردی بستگی دارد: LiDAR، IMU، و GNSS. دقت کامل وجود ندارد زیرا در هر مرحله از فرآیند جمع آوری داده ها و ایجاد خروجی ها به طور بالقوه یک عامل خطای کوچک به نتیجه اضافه می شود. دقت به‌دست‌آمده با هر پروژه بررسی پهپادی، ارزش این ضریب خطا را تا حد امکان دقیق نشان می‌دهد.
هنگام بحث در مورد دقت در بررسی‌های هواپیماهای بدون سرنشین، بین دقت نسبی و مطلق تمایز قائل می‌شود. این مفاهیم بین دقت و دقت تمایز قائل می‌شوند: دقت نسبی بر سازگاری اندازه‌گیری‌ها نسبت به یکدیگر در مجموعه داده تأکید می‌کند و در عین حال اطمینان می‌دهد که داده‌های جمع‌آوری‌شده با مختصات واقعی یا شناخته‌شده در دنیای واقعی همسو هستند. به طور کلی، دقت نظرسنجی به دقت مطلق 10 سانتی متر یا کمتر دلالت دارد .
مزایا و معایب بررسی پهپادهای LiDAR چیست؟
بررسی‌های پهپادی با LiDAR به چند دلیل محبوب هستند:
- داده‌های با دقت بالا : هم فتوگرامتری و هم داده‌های LiDAR که با هواپیماهای بدون سرنشین گرفته می‌شوند، می‌توانند استانداردهای با دقت بالا صنعت نقشه‌برداری را برآورده کنند.
- ایمنی: پرواز یک پهپاد در طول زمان ایمن‌تر شده است و دیگر نیازی به اپراتور انسانی برای پرواز پهپاد در صورت بروز مشکل ندارد. با پهپادهایی که داده ها را از هوا می گیرند، خدمه زمینی دیگر مجبور نیستند وارد مناطق خطرناک شوند و خطرات را از بین ببرند.
- دسترسی: پهپادها می توانند وارد مکان های غیرقابل دسترس مانند مناطق طبیعی حفاظت شده شوند. بررسی های Bathymetric LiDAR اغلب با هواپیماهای بدون سرنشین انجام می شود و جایگزین عملیات های سرنشین دار بالقوه خطرناک می شود.
- ضبط داده های سه بعدی: LiDAR ابرهای نقطه سه بعدی را مستقیماً روی دستگاه ضبط می کند، در حالی که دوربین های فتوگرامتری برای تولید ابرهای نقطه سه بعدی نیاز به یک مرحله واسطه دارند.
- ثبت ساختار جنگل: با میلیون ها پالس در ثانیه، یک حسگر LiDAR می تواند از سوراخ های کوچکی بین ساختارهای جنگلی متراکم عبور کرده و به زمین برسد. داشتن چندین بازگشت از یک پالس لیزری، دیدن آنچه در زیر سایبان است را امکان پذیر می کند.
- صرفه جویی در هزینه : هواپیماهای بدون سرنشین به شرکت های نقشه برداری اجازه می دهند سریعتر و با پرسنل کمتر کار کنند. کار یک خدمه پنج نفره را می توان با یک پهپاد و اپراتور انجام داد، بدون اینکه کیفیت داده ها به خطر بیفتد. این به آنها امکان می دهد سریعتر عمل کنند.
شکل 2. داشتن برگشت های متعدد از یک پالس لیزری، دیدن آنچه در زیر سایبان است را قادر می سازد.
همانطور که گفته شد، استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین برای پروژه های نقشه برداری دارای اشکالات یا چالش هایی نیز می باشد:
- مجوزهای مورد نیاز : کسب مجوز برای پرواز پهپاد مستلزم کسب مجوز از مقامات است. در مورد ماموریت های BVLOS (Beyond Visual Line of Sight) ، ممکن است قبل از ادامه پروژه کمی زمان و تلاش لازم باشد.
- زمان و تلاش اضافی برای تضمین دقت بالای داده ها : داده های با دقت بالا نیاز به تلاش بیشتری برای اطمینان از این دقت ها دارند، مانند استفاده از نقاط کنترل زمینی بیشتر. تلاش بیشتر به معنای هزینه های بیشتر پروژه است.
- دید محدود از هوا: سازه‌های ساخته شده مانند پل‌ها ممکن است دید پهپاد را از هوا مسدود کنند و به بررسی زمینی اضافی نیاز دارند.
- تجربه کاربر مزاحم : نظرسنجی های هواپیماهای بدون سرنشین ممکن است توسط دیگران، به عنوان مثال در مناطق پرجمعیت مانند شهرها، به عنوان مزاحم تجربه شود. در اینجا، نقشه برداری زمینی ممکن است گزینه بهتری باشد.
بهترین پهپاد برای نقشه برداری پهپاد چیست؟
از سه نوع سکوی پهپاد زیر برای نقشه برداری هواپیماهای بدون سرنشین استفاده می شود: پهپادهای چند روتور، بال ثابت و تک روتور.
- پهپادهای مولتی روتور شامل چندین موتور هستند که با هم کار می کنند تا پهپاد را به صورت عمودی بلند کنند.
- پهپادهای بال ثابت به جای پروانه از بالهای خود نیروی بالابر تولید می کنند.
- پهپادهای تک روتور دارای یک روتور بزرگ برای بلند کردن و یک روتور دم هستند که جهت و پایداری را کنترل می کند.
انتخاب بهترین نوع پهپاد برای پروژه نقشه برداری شما به عوامل متعددی بستگی دارد، از جمله برخی از موارد زیر:
- اندازه و شکل منطقه نقشه برداری که بر چابکی پرواز، برخاستن و فرود پهپاد تأثیر می گذارد.
- حداکثر زمان پرواز موجود در هر نظرسنجی، بر اساس قدرت باتری.
- محموله پهپاد، یا حداکثر وزن پهپاد سیستم LiDAR؛
- ارتفاع پرواز همراه با میدان دید (FoV)، برای یافتن نقطه شیرین بهره وری و دقت داده ها.
پهپادهای بال ثابت زمان پرواز طولانی تری نسبت به پهپادهای چند روتور دارند و می توانند مناطق بزرگ تری را پوشش دهند. مقایسه دقیق بین هر سه پلتفرم و مروری بر همه عوامل کلیدی برای بررسی بعدی هواپیمای بدون سرنشین LiDAR شما در یک مقاله جداگانه ارائه شده است.
انتخاب سیستم LiDAR مناسب برای پهپاد شما می تواند یک کار دلهره آور باشد. YellowScan چندین سکوی پهپاد را در چند سال گذشته آزمایش کرده است، از جمله پهپادهای چند روتوری، پهپادهای هلیکوپتری، پهپادهای بال ثابت و هواپیماهای سرنشین دار. برای فهرست جامعی از پهپادهایی که با سیستم YellowScan LiDAR سازگار هستند، صفحه ادغام پلتفرم LiDAR YellowScan را بررسی کنید .
شکل 3. YellowScan Navigator نصب شده بر روی Acecore Noa
