کاربردهای پهپاد برای تعیین تغییر شکل های زمین ناشی از استخراج زیرزمینی
این مقاله یک مطالعه موردی را ارائه می‌کند که کاربرد داده‌های فتوگرامتری وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) را برای نظارت بر تغییر شکل سطح زمین در مناطق تحت تأثیر معادن زیرزمینی نشان می‌دهد. نتایج ارائه شده شامل داده‌هایی از دو شی واقع در حوضه زغال سنگ سیلسی بالا در لهستان است. حدود دقت مختصات و جابجایی با مقایسه محصولات فتوگرامتری مشتق شده از پهپاد با داده های مرجع تعیین می شود. جابجایی های عمودی بر اساس تفاوت بین مدل های سطح دیجیتال ایجاد شده با استفاده از تصاویر پهپاد از چندین سری اندازه گیری تعیین می شوند. مشکلات تفسیری مربوط به رشد پوشش گیاهی در سطح زمین که به طور قابل‌توجهی بر خطای جابجایی عمودی تأثیر می‌گذارد اشاره شده است. جابجایی های افقی بر اساس نقاطی از خطوط مشاهده ای که در میدان برای اهداف نظارت ایجاد شده اند و همچنین بر اساس جزئیات موقعیتی پراکنده تعیین می شوند. استفاده از این نوع پردازش به دلیل نیاز به جزئیات موقعیتی بدون ابهام با خطوط مشخص محدود شده است. یافتن چنین جزئیاتی در مناطق شهری آسان است اما در مزارع و مراتع به سختی می توان یافت. علاوه بر این، انواع مختلفی از تغییر شکل های ناپیوسته شناسایی شده و توسعه آنها در طول زمان ارائه می شود. نتایج با تغییر شکل های زمین پیش بینی شده مقایسه می شود. در نتیجه پردازش داده ها، تخمین زده شده است که دقت تعیین مختصات XY و جابجایی های افقی (RMS) در بهترین سناریو در سطح 1.5-2 GSD و حدود 2-3 GSD برای ارتفاع است. و فرونشست .
1. مقدمه
تغییر شکل های سطحی ناشی از عملیات معدنکاری زیرزمینی منبع خطر قابل توجهی برای سازه های ساختمانی است به همین دلیل برای چندین دهه تحت مشاهدات ژئودتیکی بوده اند. این مشاهدات امکان نظارت بر دامنه و مقیاس آنها و در صورت لزوم اقدام پیشگیرانه به نفع امنیت عمومی را فراهم می کند. روش های نظارت با پیشرفت علم و فناوری تغییر کرده است. اندازه‌گیری‌های ژئودتیک کلاسیک با هدف شناسایی شاخص‌های تغییر شکل با استفاده از خطوط مشاهده در امتداد پروفیل‌های زمین انتخاب شده انجام می‌شود . آنها معمولاً با استفاده از نقاط ثابت کاملاً دقیق انجام می شوند که هزینه بر و زمان بر است. نیاز به به حداقل رساندن هزینه‌های مالی و زمانی به این معنی است که تعداد چنین پروفیل‌های مشاهده‌شده معمولاً کم است و مکان آنها اغلب برای تناسب با شبکه جاده‌ای موجود تنظیم می‌شود. علیرغم مزایای آنها، نتایج چنین اندازه گیری ها تنها تصویر محدودی از توسعه تغییر شکل ارائه می دهد.
در سال های اخیر، ماهواره های Sentinel-1 به یک منبع داده محبوب تبدیل شده اند. آنها داده های رایگان و اغلب دقیق را از اندازه گیری های تداخل سنجی ارائه می دهند و معمولاً برای مشاهده توسعه تغییر شکل زمین استفاده می شوند . مشاهدات انجام شده توسط ماهواره ها به فرد امکان می دهد تا فرونشست را در امتداد پروفیل ها پیدا کند و میدان های جابجایی را تعیین کند، که بسیار ارزشمند است. هر دو فواصل و وضوح این مشاهدات در شرایط مساعد برای تعیین جابجایی عمودی کافی است. در بسیاری از موارد، آنها نسبت به اندازه‌گیری‌های کلاسیک، دید بهتری از توسعه و میزان تغییر شکل ارائه می‌دهند. این مشاهدات همچنین به فرد اجازه می دهد تا اثرات لرزه های معدنی را تخمین بزند، که ارزیابی عملی از طریق روش های ژئودتیک کلاسیک غیرممکن است . با این حال، استفاده از داده های ماهواره ای دارای محدودیت هایی در پردازش داده های تصویربرداری است (به عنوان مثال، DInSAR، PSInSAR، SBAS، و InSAR). از همه مهمتر، وابستگی شدید امکان به دست آوردن نتایج قابل اعتماد به وضعیت پوشش گیاهی و فرصت محدود برای تعیین جابجایی های افقی است. در بسیاری از موارد، قابلیت های این روش به طور قابل توجهی محدود است، به ویژه در مناطق کشاورزی، و تفسیر نتایج می تواند دشوار یا غیر ممکن باشد. روش پردازش اخیراً توسعه یافته زیرمجموعه خط پایه کوچک متناوب (ISBAS) ، بر اساس روش SBAS ، می تواند انسجام را در مناطق غیر شهری و روستایی بهبود بخشد. استفاده از روش ISBAS می تواند پوشش پیکسل های منسجم مناطق پردازش شده را از 4-12٪ در مورد روش SBAS تا 39-99٪ در روش ISBAS افزایش دهد .
در معدن، از اسکن لیزری هوابرد (ALS) و زمینی (TLS) برای تعیین فرونشست سطح زمین ناشی از عملیات معدنکاری زیرزمینی استفاده می شود. ALS برای تعیین میزان تغییر شکل های پیوسته (حوضه های فرونشست) و تغییرات آنها در طول زمان استفاده می شود . TLS به فرد اجازه می دهد تا اشیاء یا بخش هایی از زمین را که تحت تأثیر عملیات استخراج هستند با جزئیات بیشتر نظارت کند . با این حال، هیچ کمبودی در تلاش برای استفاده از TLS برای نظارت بر کل حوضه های فرونشست وجود ندارد . استفاده از اسکن لیزری برای تعیین جابجایی های عمودی نیازمند طبقه بندی ابرهای نقطه ای برای استخراج مدل رقومی ارتفاع (DEM) است . در مقایسه با روش های نقشه برداری کلاسیک، استفاده از داده های اسکن برای ایجاد یک مدل حوضه فرونشست به فرد امکان می دهد اطلاعات غنی در مورد تغییر شکل های سطح زمین به دست آورد. با این حال، بدون نقص مانند هزینه های بالای جمع آوری داده ها نیست. به همین دلیل، این رویکرد در حال حاضر با استفاده از سایر منابع داده های مکانی، به ویژه داده های ماهواره ای که قبلا ذکر شد، جایگزین شده است.
یکی دیگر از روش‌های اندازه‌گیری که به طور فزاینده‌ای محبوب است، فتوگرامتری هوایی است که از وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) به عنوان حامل دوربین استفاده می‌کند. در این مورد، دستگاه اندازه گیری یک دوربین دیجیتال نور مرئی (RGB) است. اسکنرهای لیزری (LIDAR) . همچنین می توانند برای مشاهده هندسه سطح زمین با استفاده از یک پهپاد به عنوان سکو استفاده شوند. با این حال، هزینه های بالا استفاده از این راه حل را محدود می کند. به همین دلیل، در ادامه مقاله، اصطلاح پهپاد در زمینه دستگاهی که مجهز به دوربین دیجیتال نور مرئی است و نه سایر حسگرهای ممکن استفاده خواهد شد. استفاده از چنین پهپادی برای تعیین هندسه زمین و شناسایی تغییر شکل ها به دلیل مزایای متعددی است که این روش جمع آوری داده ارائه می دهد. آنها شامل هزینه های نسبتاً کم اکتساب، قابلیت های عملیاتی بالا، ماهیت فضایی مشاهدات، تصاویر با وضوح بالا و دقتی هستند که برای بسیاری از اهداف کافی است. هم فناوری اندازه گیری و هم منابع پردازش داده بهتر، ارزان تر و در دسترس تر می شوند. با این حال، این روش دارای چندین نقطه ضعف است. از جمله آنها تأثیر پوشش گیاهی بر داده های به دست آمده به منظور نظارت بر تغییرات هندسه سطح است. با توجه به وضوح فوق العاده بالای تصاویر پهپاد، این مشکل به شدت در مورد فناوری InSAR نیست، اما همچنان تاثیر قابل توجهی دارد.
یکی از ویژگی های این روش عدم نیاز به تثبیت نقاط اندازه گیری است. از یک سو، این ویژگی هزینه به دست آوردن داده ها را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. از سوی دیگر، تعیین جابجایی‌های افقی نیازمند رویکردی متفاوت از روش‌های مورد استفاده در روش‌های کلاسیک است. باید نقاط یا اجسام مشخص (با خطوط مشخص) را پیدا کرد و از آنها برای تعیین جابجایی های افقی استفاده کرد. تجزیه و تحلیل های انجام شده تا کنون طیف گسترده ای از مسائل مربوط به تغییر شکل زمین را شناسایی کرده است که می توان با استفاده از پهپادها با انواع مختلف حسگرها را حل کرد.
تحلیل‌های مقایسه‌ای داده‌های مکانی به‌دست‌آمده در مناطق معدنی با استفاده از فناوری‌های مختلف اندازه‌گیری ژئودتیک (ایستگاه کل، سیستم‌های ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) و LIDAR) و پهپادها نشان می‌دهد که این روشها سطوح دقت مشابهی را هنگام استفاده برای تعیین فرونشست منطقه معدنی ارائه می‌دهند. با این حال، فناوری پهپاد از نظر اندازه گیری و سرعت پردازش داده ها بر سایرین غالب است . از نظر عملی، معلوم می شود که سودمندترین است. فناوری پهپاد همچنین امکان مشاهده تغییرات پویای کوتاه مدت سطح زمین را فراهم می کند . فرکانس ماموریت های پهپاد تنها به تغییر شکل های قابل تشخیص مورد انتظار بستگی دارد. تحقیقات انجام شده تا کنون نشان می دهد که ابر نقطه ای مشتق شده از پهپاد به دست آمده را می توان با موفقیت برای تعیین فرونشست و سایر پارامترها از مدل تغییر شکل سطح زمین استفاده کرد . به منظور افزایش دقت مدل دیجیتالی زمین (DTM)، طبقه بندی نقطه و فیلتر با استفاده از یک الگوریتم انجام شد. الگوریتم مناطق پوشیده از پوشش گیاهی متراکم را حذف کرد و با استفاده از یک تابع مسطح، مناطق خالی را از طریق درون یابی پر کرد.
فناوری پهپاد در حال حاضر به طور گسترده برای موجودی معادن روباز استفاده می شود . داده های فتوگرامتری پهپاد به فرد اجازه می دهد تا حجم مواد مورد استفاده و پایداری شیب ها را تعیین کند. مفهوم ارجاع جغرافیایی یک مدل تولید شده از تصاویر نیز جالب است . نقاط کنترل زمینی (GCP) بر اساس ابر نقطه به دست آمده از طریق TLS انتخاب شدند. الگوریتم تبدیل ویژگی تغییر ناپذیر مقیاس (SIFT) برای جستجوی نقاطی استفاده شد که ارتوموزائیک پهپاد و ابر نقطه TLS مشترک بودند. این رویکرد امکان استفاده از نقاط واقع در مناطق خطرناک (مین‌های روباز با شیب تند) را برای ارجاع جغرافیایی محصولات پهپاد با استفاده از TLS فراهم می‌کند، بنابراین تعداد نقاط تعیین‌شده در میدان از طریق GNSS را به حداقل می‌رساند.
تغییر شکل سطح زمین می تواند ناشی از عواملی غیر از استخراج معدن باشد. اغلب، این پدیده توسط عوامل طبیعی مانند حرکات زمین لغزش (انبوه) ایجاد می شود . بیشتر مطالعات بر روی تجزیه و تحلیل جابجایی های سطح زمین متمرکز نشده اند، بلکه حرکت زمین را از ابرهای نقطه ای تولید شده با استفاده از داده های چندین سری اندازه گیری تجزیه و تحلیل کرده اند.
تحقیق ارائه شده در این مقاله طیفی از احتمالات برای استفاده از فناوری پهپاد برای نظارت بر مناطق تحت تأثیر عملیات معدن را توصیف می کند. همانطور که در مطالعات قبلی، اندازه‌گیری‌های میدانی با استفاده از فناوری آزمایش‌شده و روش‌های مرجع انجام شد. علاوه بر تجزیه و تحلیل فرونشست، این مطالعه شامل یک روش پیشنهادی برای تعیین جابجایی زمین افقی و مقایسه نتایج تحلیلی با نتایج مدل‌سازی نظری است. اهداف توسعه و ایده هایی برای انطباق تکنیک های موجود نیز به منظور افزایش کاربردها و بهبود استفاده از پهپادها پیشنهاد شده است. هدف اصلی این مطالعه ارزیابی دقت تعیین مختصات و جابجایی نقاط سطح زمین با استفاده از پهپاد بود. این مطالعه همچنین امکان یافتن نقاط قوت و ضعف فتوگرامتری پهپاد و محدودیت‌های استفاده از آن در تعیین میدان جابجایی را فراهم کرد.
2. مواد و روشها
داده های ارائه شده حاوی مشاهداتی از دو منطقه مطالعاتی مستقل واقع در لهستان در حوضه زغال سنگ سیلسی بالا (USCB) است. تحقیقات در هر دو زمینه برای سالهای زیادی انجام شده است . نتایج این تحقیق امکان ارزیابی بدون ابهام را فراهم می کند که منبع اصلی تغییر شکل زمین استخراج معادن زیرزمینی است. مشاهدات هر دو منطقه با استفاده از پهپادها و تکنیک‌های نقشه برداری کلاسیک مانند اندازه‌گیری‌های GNSS استاتیکی و سینماتیکی ، اندازه‌گیری‌های ایستگاه کل و تسطیح دقیق انجام شد.
اولین منطقه تحقیقاتی شامل ساختمان های تخریب شده از معدن زغال سنگ در حال حاضر منحل شده در Piekary Śląskie بود. این منطقه تحت تأثیر استخراج زیرزمینی ذخایر زغال سنگ سخت قرار گرفت که زمانی در ستون محافظ ساختمان های معدن یافت می شد. ارتباط تأثیرات مشاهده شده با عملیات معدنکاری کنونی به دلیل اثرات آشکار همزمان استخراج غیرمستند و تاریخی زیرزمینی ذخایر کم عمق روی و سنگ سرب دشوار بود. این فعالیت معدنی غیرمستند باعث ناهنجاری های بزرگی از جمله ظهور تغییر شکل های ناپیوسته در چندین منطقه شد.
مجموعه داده دوم مربوط به منطقه جاوورزنو بود که شامل یک منطقه استخراج زیرزمینی زغال سنگ سخت بود. مطالعات تغییر شکل سطح زمین توسط نویسندگان همکار مقاله از سال 2009 در این منطقه انجام شده است. در دوره مورد تجزیه و تحلیل، یعنی از آوریل 2016، تغییر شکل‌های ناشی از عملکرد سه دیوار بلند در دو درز: A (عمق 607 متر زیر سطح زمین، ضخامت متوسط 3.75 متر) و B (عمق 635 متر زیر سطح زمین، متوسط ضخامت 2.8 متر) روی سطح زمین آشکار شد. مکان های دیوار در نظر گرفته شده در طول مدل سازی تغییر شکل زمین در شکل در بخش 2.2.2 نشان داده شده است . دیوارهای A1 و A2 در درز A در طول 2016/09-04/09 (840 متر باند) و 03/2017-07/2017 (590 متر باند) مورد بهره برداری قرار گرفتند. استخراج زیرزمینی دیوار B1 در درز B از تاریخ 2019/08/20 انجام شد و تا تاریخ 26/02/2020 یک باند 860 متری تولید شد.
2.1. شرح اندازه گیری ها و پردازش داده های وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV).
این تحقیق شامل نتایج اندازه‌گیری‌های پهپاد برای چهار سری اندازه‌گیری در Piekary Śląskie است. آنها به این صورت مشخص می شوند: Piekary 03.2016، Piekary 09.2016، Piekary 11.2016 و Piekary 04.2017. همچنین شامل دو سری اندازه‌گیری است که در جاورزنو انجام شده‌اند و با نام‌های جاورزنو 04.2016 و جاورزنو 02.2020 مشخص می‌شوند.
پهپاد مورد استفاده برای انجام پروازهای فتوگرامتری در منطقه Piekary و Jaworzno 04.2016 یک هشت کوپتر DJI S1000 با کنترلر پرواز A2 بود که توسط شرکت DJI (شنژن، چین) ساخته شد. این پلتفرم مجهز به دوربین Sony ILCE A7R مجهز به لنز Sony Zeiss Sonnar T* FE 35 mm F2.8 ZA (توکیو، ژاپن) بود که موقعیت آن توسط گیمبال Zenmuse Z15-A7 (DJI، شنژن، چین) تثبیت شد. اندازه سنسور مورد استفاده در دوربین دیجیتال 35.8 × 23.9 میلی متر با وضوح 7360 × 4912 پیکسل بود.
یک پهپاد BIRDIE (پهپاد Fly Tech، کراکوف، لهستان) برای انجام پروازهای فتوگرامتری در Jaworzno 02.2020 استفاده شد. این یک سیستم بال ثابت با یک ماژول GNSS PPK (سینماتیک پس پردازش) برای موقعیت یابی با دقت بالا بود . این پلتفرم مجهز به دوربین Sony DSC-RX1RM2 مجهز به لنز Carl Zeiss Sonnar T* 35 mm F2 بود. اندازه سنسور مورد استفاده در دوربین دیجیتال 35.9 × 24.0 میلی متر با وضوح 7952 × 5304 پیکسل بود. برای افزایش همپوشانی عکس‌ها، از یک شبکه عمود دوتایی برای پروازهای جاوورزنو 02.2020 استفاده شد.
برنامه های ماموریت فتوگرامتری پس از در نظر گرفتن مشخصات تجهیزات نقشه برداری مورد استفاده، ویژگی های سایت، فواصل نمونه زمین هدف (GSDs)، و خطاهای ابزار پهپاد داخل هواپیما تهیه شد که تشخیص داده شد . همپوشانی های رو به جلو و جانبی و ارتفاع پرواز بر اساس این پارامترها تعیین شد . به دلیل مدت زمان پرواز پهپاد، ماموریت ها به بخش هایی تقسیم شدند. مختصات GCP با استفاده از روش سینماتیک زمان واقعی GNSS (RTK) به دست آمد. دقت سه بعدی تعیین مختصات نقطه مرجع بر اساس مشخصات ابزار در 20-30 میلی متر تعیین شد. زمان اختصاص داده شده به کار میدانی در هیچ موردی از 1 روز تجاوز نمی کند ، از جمله زمان صرف شده برای ایجاد و اندازه گیری GCPs.
پردازش داده ها با استفاده از Agisoft Metashape Professional v. 1.6.2 build 10247 (Agisoft LLC، سنت پترزبورگ، روسیه) انجام شد. Aerotriangulation در سطح بالایی از دقت انجام شد، به این معنی که برنامه روی تصاویر با اندازه اصلی کار می کرد. برای بهبود کیفیت تراز تصویر، با استفاده از ابزار انتخاب تدریجی در نرم افزار، نقاط پرت حذف شدند. بهینه‌سازی در مرحله بعدی انجام شد، از جمله تنظیم مجدد بلوک هوا مثلثی و تعیین پارامترهای کالیبراسیون دوربین. ریشه میانگین مربعات خطاهای مکانی (RMS) برای GCPها در ارائه شده است . یک ابر نقطه متراکم در سطح جزئیات بالا ایجاد شد، به این معنی که الگوریتم نرم افزار به دنبال تعیین مختصات مکانی برای هر گروه از چهار پیکسل در تصویر (2×2 پیکسل) بود.
2.2. اندازه گیری های مرجع
2.2.1. سایت Piekary
به منظور ارزیابی دقت تعیین مختصات مشتق شده از پهپاد، 34 نقطه چک سری اندازه گیری Piekary 11.2016 با استفاده از GNSS RTK اندازه گیری شد. این نقاط بازرسی در امتداد پروفیل P قرار داشتند که در جهت غرب به شرق در امتداد مسیر راه‌آهن می‌گذرد. این مسیر با نقاط آبی در شکل 1 مشخص شده است . دقت تعیین مختصات ایست بازرسی بر اساس مشخصات ابزار حدود 1 سانتی متر در صفحه XY و حدود 1.5 سانتی متر برای ارتفاع برآورد شد.
برای منطقه مورد مطالعه Piekary Śląskie، مختصات نقاط درون شبکه خطوط مشاهده که به صورت نقاط قرمز در شکل 1 نشان داده شده است، به عنوان داده مرجع هنگام تخمین دقت تعیین جابجایی استفاده شد. مشاهدات، که برای تعیین مختصات نقطه مرجع مورد استفاده قرار گرفتند، به عنوان دو سری اندازه گیری به صورت موازی با ماموریت های پهپاد با علامت گذاری Piekary 03.2016 و Piekary 09.2016 به دست آمدند. 93 نقطه مرجع در محدوده ماموریت های پهپاد وجود داشت. فاصله افقی بین نقاط مرجع در شبکه خطوط رصد تقریباً 25 متر در طول مسیرهای ترافیکی و 50 متر در مناطق سبز بود.
مختصات افقی نقاطی که این شبکه مشاهده را تشکیل می‌دهند بر اساس اندازه‌گیری‌های انجام شده با استفاده از ایستگاه کل دقیق (Leica TCRA 1102+، Canton St. Gallen، سوئیس) تعیین شد. کل اندازه‌گیری‌های ایستگاه به نقاط تعیین‌شده از طریق اندازه‌گیری‌های GNSS استاتیکی که با استفاده از دو ایستگاه مرجع شبکه شبکه ژئودتیک فعال – سیستم تعیین موقعیت اروپا (ASG-EUPOS) انجام شد، گره خوردند. طول بردار اندازه گیری از 20 کیلومتر تجاوز نکرد. خطای RMS در تعیین مختصات افقی نقاط شبکه هرگز از 10 میلی متر تجاوز نکرد و در اکثر موارد کمتر از 4 میلی متر بود.
ارتفاع نقطه مرجع با دقت 1-2 میلی متر (خطای RMS) با استفاده از تسطیح دقیق (Leica DNA 03) که به نقاطی فراتر از محدوده تاثیر عملیات معدن گره خورده است، تعیین شد. مجموعه نقاط مرجع را می توان به 58 نقطه واقع در مناطق شهری (آسفالت، بتن و سنگفرش) و 35 نقطه واقع در مناطق پوشیده از پوشش گیاهی (چمنزارها، مناطق سبز، مناطق جنگلی) تقسیم کرد. دقت تخمینی (RMS) تعیین مولفه جابجایی در صفحه XY برای هر نقطه بدتر از 15 میلی متر و ~ 3-4 میلی متر برای ارتفاع نبود.
2.2.2. سایت جاورزنو
برای منطقه مورد مطالعه جاورزنو، 63 نقطه در اندازه گیری مرجع گنجانده شد ( شکل 2 ). از این تعداد، هشت مورد در دو سری (2016/04 و 2020/02) و بقیه فقط در سری 2020/02 اندازه گیری شدند. نقاط اندازه گیری شده در هر دو سری با رنگ قرمز مشخص شده و در شکل 2 به عنوان W1-W8 مشخص شده اند ، در حالی که نقاط باقیمانده آبی روشن هستند. فاصله بین نقاط روی خطوط مشاهده برای بیشتر نقاط تقریباً 25 متر است اما در موارد معدودی 50 متر است.
مختصات نقاط مرجع در سری Jaworzno 02.2020 بر اساس اندازه‌گیری‌های GNSS RTK تعیین شد. علاوه بر این، اندازه‌گیری‌های زاویه‌ای خطی با استفاده از یک ایستگاه کل (ژئودیمتر 650 Pro، Zeiss، Oberkochen، آلمان) و تسطیح دقیق (Zeiss DiNi 012، Sunnyvale، کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا) در هر نقطه انجام شد ( شکل 2 ). ایستگاه پایه مورد استفاده برای اندازه‌گیری‌های GNSS RTK از طریق اندازه‌گیری‌های GNSS استاتیک به دو ایستگاه مرجع شبکه ASG-EUPOS (KATO، KRA1)، که به ترتیب در 23 کیلومتری و 44 کیلومتری نقطه اندازه‌گیری قرار داشتند، گره خورده است. در نتیجه این تنظیم، عدم قطعیت تعیین موقعیت (RMS) برای نقاط مرجع ~1.5-2 سانتی متر برای هر دو سطح XY و ارتفاع برآورد شد.
مختصات نقاط مرجع در سری Jaworzno 04.2016 تنها بر اساس اندازه‌گیری‌های GNSS RTN انجام‌شده در ارجاع به شبکه ASG-EUPOS تعیین شد. دقت تخمینی (RMS) برای این مختصات حدود 2-3 سانتی متر در صفحه XY و حدود 3-4 سانتی متر برای ارتفاع بود.
دقت تخمینی (RMS) تعیین مولفه جابجایی بدتر از 3-4 سانتی متر در صفحه XY و حدود 4 سانتی متر در صفحه عمودی برای هر نقطه نیست.
2.3. تعیین و برآورد دقت مختصات به دست آمده با استفاده از وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV)
هنگام به دست آوردن و پردازش داده ها از پهپادها، فرض بر این است که هر جزئیات در حداقل سه عکس قابل مشاهده است. با این حال، بیشتر اشیاء به دلیل همپوشانی های بزرگ جلو و کناری، روی تعداد بسیار بیشتری از عکس ها قابل مشاهده هستند. به لطف اندازه‌گیری مستقیم مختصات پیکسل در بسیاری از عکس‌ها، می‌توان مختصات سه بعدی را از تقاطع چندین پرتو که در نقطه اندازه‌گیری شده همگرا می‌شوند، تعیین کرد، یعنی با استفاده از یک تقاطع فتوگرامتری. این رویکرد برای تعیین مختصات نقطه در این مقاله AERO نامیده می شود. با این حال، اکثر کاربران فتوگرامتری پهپاد از DSM ها و فرآیندهای متعامد استفاده می کنند که به جای انجام اندازه گیری عکس ها، ارتوموزائیک را تشکیل می دهند. بنابراین، می توان مختصات افقی را از ارتوموزائیک و ارتفاعات را از DSM ها به دست آورد. این روش برای تعیین مختصات از اندازه گیری های پهپاد از این پس به عنوان ORTO نامیده می شود.
از مزایای اندازه گیری ORTO می توان به سرعت و سهولت اندازه گیری اشاره کرد، زیرا می توان از هر سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) برای این منظور استفاده کرد. به طور کلی، همیشه ارزش اندازه گیری ارتوموزائیک را دارد زیرا هنگام ایجاد هر پیکسل از تصاویر زیادی استفاده می شود. اندازه گیری AERO که قبلا ذکر شد از نظر تئوری دقیق تر است زیرا مسیر پردازش داده آن در مقایسه با روش ORTO کوتاه تر است. این شامل خطاهایی در عناصر جهت گیری تصویر به دست آمده از طریق مثلثات هوایی و خطا در شناسایی و اندازه گیری نقاط روی تصاویر است. از این منظر، اندازه‌گیری‌های ORTO باید نتایج دقیق‌تری در رابطه با اندازه‌گیری AERO ایجاد کنند، زیرا آنها با استفاده از منبع داده‌ای با کیفیت پایین‌تر از عکس‌ها انجام می‌شوند. علاوه بر این، دقت روش ORTO به کیفیت ابر نقطه متراکم که DSM از آن تولید می‌شود و برای تصحیح تصاویر پهپاد استفاده می‌شود، بستگی دارد.
مختصات نقاط از داده های پهپاد مورد استفاده در تحقیق ارائه شده از طریق ORTO و AERO به دست آمد. این به ما اجازه داد تا دقت واقعی هر دو روش را با استفاده از داده‌های مشاهده مقایسه کنیم و در بخش‌های بعدی مطالعه در مورد بهینه‌سازی پردازش داده‌ها تصمیم‌گیری کنیم. تجزیه و تحلیل دقت شامل مقایسه خطاهای دو روش (ORTO و AERO)، که با مقایسه نتایج آنها با مختصات تعیین شده از طریق روش‌های مرجع تعیین می‌شود.
برای سایت Piekary 11.2016، تجزیه و تحلیل بر اساس مختصات 34 نقطه اندازه گیری شده از طریق RTK GNSS انجام شد. بیشتر این نقاط در امتداد خاکریز راه آهن و در نتیجه در زمین سختی قرار داشتند که پوشش گیاهی ندارد ( شکل 1 ، نقاط آبی). در مورد سایت جاورزنو، تحلیل مشابهی از دقت تعیین مختصات با استفاده از داده‌های سری Jaworzno 02.2020 انجام شد. در مجموع، 63 نقطه تقسیم شده به دو مجموعه برای تجزیه و تحلیل استفاده شد: 28 نقطه در زمین سخت و 35 نقطه در زمینه ( شکل 2 ، نقاط آبی و قرمز).
2.4. تعیین و برآورد دقت جابجایی های به دست آمده با استفاده از پهپاد
به منظور برآورد عدم قطعیت جابجایی های فضایی (3D) تعیین شده بر اساس اندازه گیری های پهپاد، مقادیر آنها با مقادیر مرجع مقایسه شد. تجزیه و تحلیل شامل 93 نقطه از سایت Piekary (سری 03.2016 و 09.2016) است که در شکل 1 با رنگ قرمز مشخص شده اند . برای سایت جاورزنو، جابجایی های هشت نقطه مرجع اندازه گیری شده در هر دو سری اندازه گیری (04.2016 و 02.2020) و با نقاط قرمز در شکل 2 مشخص شده است.
فقط جابجایی ها مقایسه شد. مختصات نقطه از سری مقایسه نشد. این امر با توجه به هدف این نوع اندازه گیری ها موجه به نظر می رسد. علاوه بر این، تمام نقاط در تصاویر پهپاد (در مورد سایت Piekary) قابل مشاهده نبود. در چنین مواردی، جابجایی نقاط مشخصه واقع در فاصله بیش از 5 متر از نقطه اندازه گیری تعیین شد. نقاط مشخصه شامل چاه های فاضلاب، خطوط جداکننده خطوط جاده، پیچ خوردگی در حاشیه ها و غیره بود.
به منظور برجسته کردن پتانسیل روش فتوگرامتری پهپاد برای هر دو سایت تحقیقاتی، بسیاری از جزئیات موقعیتی واقع در دور از خطوط مشاهده موجود نیز شناسایی و جابجایی افقی آنها تعیین شد. این نقاط به طور کلی یک شبکه یکنواخت را در کل سایت تحقیقاتی تشکیل می دادند. آنها به گونه ای انتخاب شدند که در تصاویر جمع آوری شده برای همه سری های مشاهده به وضوح قابل شناسایی و قابل مشاهده باشند.
2.5. شناسایی تغییر شکل های ناپیوسته
تشخیص تغییر شکل‌های ناپیوسته در سایت Piekary از طریق آنالیز بصری مدل‌های DSM، مدل‌های دیفرانسیل DSM و ارتوموزائیک انجام شد. ابتدا DSMهای اولین و آخرین سری اندازه گیری (2016/03 و 2017/04) مقایسه شدند. مناطقی که تغییر شکل‌های ناپیوسته را نشان می‌دهند با استفاده از ارتوموزائیک برای حذف تأثیر احتمالی پوشش گیاهی تأیید شدند. سپس، این نواحی تغییر شکل ناپیوسته را در سری میانی (2016/09 و 2016/11) جستجو کردیم.
در مورد سایت جاورزنو، تغییر شکل ناپیوسته گسترده در طی یک بازرسی میدانی در ابتدای سال 2009 شناسایی شد. این از طریق اندازه‌گیری جابجایی نقطه شبکه مشاهده فضایی در نزدیکی تغییر شکل تأیید شد. در آن زمان تعیین سیر این تغییر شکل و تغییرات آن در طول زمان ممکن نبود. در سال 2016، نتایج ماموریت پهپاد این تحلیل را ممکن کرد. توسعه DSM مبنایی را برای تعیین مکان و میزان تغییر شکل ناپیوسته (تصویربرداری از داده‌های مکانی از طریق روش تسکین سایه‌دار) فراهم کرد. به دست آوردن فرونشست سطح زمین بر اساس ماموریت های بعدی پهپاد (2016/04 و 2020/02) امکان مطالعه بیشتر تغییرات هندسه تغییر شکل و تأثیرات آنها بر توسعه تغییر شکل های سطح زمین پیوسته را فراهم کرد.
3. نتایج
3.1. ارزیابی دقت تعیین مختصات نقطه
تجزیه و تحلیل نتایج نشان می دهد که دقت RMS در تعیین مختصات افقی تقریباً 3-5 سانتی متر در سایت Piekary ( جدول 2 ) و 1.5 سانتی متر در سایت Jaworzno است. تناظر واضحی بین دقت و اندازه GSD وجود دارد که در سایت Piekary حدود دو برابر بزرگتر از سایت Jaworzno است ( جدول 1 ). همچنین شایان ذکر است که فقدان همبستگی بین پوشش زمین و دقت مختصات افقی وجود دارد. دقت نقاط واقع در مزارع و روی آسفالت مشابه است.
وضعیت تعیین ارتفاع متفاوت است، زیرا پوشش زمین از اهمیت خاصی برخوردار است. برای سایت جاورزنو، خطاهای تعیین ارتفاع برای نقاط واقع در امتداد آسفالت (~2 سانتی متر) تقریباً نصف اندازه خطاهای نقاط واقع در جاده های خاکی (~3 سانتی متر) است. تفاوت دقت در اینجا کوچک است اما قابل توجه است. این احتمالاً با فصلی که در آن اندازه گیری انجام می شود (زمستان) و شرایط پوشش گیاهی مرتبط است.
مقایسه دقت ارتفاع نقاط به‌دست‌آمده در دو منطقه تحقیقاتی، وابستگی قابل‌توجهی به GSD را نشان می‌دهد، همانطور که در مختصات افقی ذکر شده است. خطاهای ارتفاع در سایت Piekary (حدود 3 سانتی متر) بزرگتر از پوشش زمین قابل مقایسه (آسفالت) در سایت Jaworzno (حدود 2 سانتی متر) است.
تجزیه و تحلیل بیشتر نتایج خلاصه شده در جدول 2 نشان می دهد که هنگام استفاده از روش AERO برای تعیین مختصات به جای روش ORTO، هیچ بهبودی در دقت وجود ندارد. در برخی موارد، خطاهای به دست آمده از طریق روش ORTO حتی کوچکتر از خطاهای روش AERO است. به همین دلیل تصمیم بر آن شد که تحلیل های بیشتر تنها با استفاده از روش ORTO انجام شود.
3.2. تعیین و ارزیابی دقت جابجایی نقطه
با توجه به نتایج تجزیه و تحلیل دقت تعیین مختصات، تحلیل دقت تعیین جابجایی تنها با استفاده از روش ORTO انجام شد. با استفاده از مقادیر جابجایی تعیین شده برای 93 نقطه از سایت Piekary (سری 03.2016 و 09.2016) و هشت نقطه از سایت Jaworzno (سری 04.2016 و 02.2020) انجام شد. در طول توسعه داده های پهپاد از سایت Piekary، ما قادر به تعیین جابجایی برای یک نقطه واقع در زمین سخت و سه نقطه واقع در مناطق سبز نبودیم. این بدان معناست که در مجموع از 89 امتیاز برای محاسبه مقادیر خطا برای این ناحیه استفاده شده است. از این تعداد 57 مورد بر روی سطوح سخت و 32 مورد در مناطق سبز قرار داشتند. در مورد سایت جاورزنو، تجزیه و تحلیل بر روی تمام نقاطی که در هر دو سری مشاهده شد، انجام شد. با توجه به روش بکار رفته، در صورتی که نشان دادن مستقیم یک نقطه غیرممکن بود، تلاش برای یافتن و تعیین جابجایی یک جزئیات موقعیتی واقع در 5 متر انجام شد. با این حال، همیشه امکان یافتن چنین جزئیاتی وجود نداشت. مقادیر مرجع جابجایی ها در سایت Piekary از 0.00 متر تا -1.80 متر به صورت عمودی و به 0.50 متر افقی رسید. در سایت جاورزنو، جابجایی‌های عمودی مرجع از -0.17 متر تا -0.42 متر متغیر بود، در حالی که جابجایی‌های افقی در محدوده 0.12 متر تا 0.24 متر بود. ضمیمه A شامل شکل A1 ، شکل A2 ، شکل A3 و شکل A4 است که تفاوت بین مقادیر جابجایی تعیین شده از طریق فتوگرامتری UAV (ORTO) و روش های مرجع را خلاصه می کند.
جدول 3 خطاهای RMS تعیین جابجایی را برای هر دو سایت به عنوان تابعی از پوشش زمینی که نقاط تجزیه و تحلیل شده روی آن قرار دارند، نشان می دهد. این پارامتر برای مختصات افقی تقریباً 1.5-2 برابر GSD ( جدول 1 ) و برای ارتفاعات به 2-3 برابر GSD می رسد. این تحلیل همچنین تفاوت‌های مرتبط با ویژگی‌های پوشش زمینی را که نقطه روی آن ثابت است، به ویژه در مورد تعیین ارتفاع نشان می‌دهد. دقت تعیین جابجایی در سایت Piekary در مناطق تحت پوشش پوشش گیاهی به طور قابل توجهی بدتر است. این به ویژه از خطاهای جابجایی های عمودی مربوطه مشهود است.
تفاوت‌های بین DSMهای توسعه‌یافته برای سری‌های اندازه‌گیری فردی به ما امکان می‌دهد تا توزیع‌های ارزش فرونشست تقریبی را تعیین کنیم. با این حال، این مقادیر فرونشست تحت تأثیر تأثیر پوشش گیاهی است که اهمیت آن به نوع، تراکم و چرخه گیاهی بستگی دارد. در شرایط مساعد، چنین تصویربرداری می تواند به ما امکان تعیین محدوده تغییر شکل سطح زمین و حداکثر فرونشست را بدهد. همچنین به ما امکان می دهد ناهنجاری های احتمالی تغییر شکل زمین را آشکار کنیم.
شکل 3 تصاویر دیفرانسیل (تفاوت DSM) سایت Piekary را در دوره های 03.2016-09.2016، 03.2016-11.2016 و 03.2016-04.2017 نشان می دهد. نتایج این تجزیه و تحلیل ممکن است شامل اختلالات مرتبط با تنوع دوره ای پوشش گیاهی باشد که منطقه را پوشش می دهد. هنگام ایجاد تصاویر دیفرانسیل، داده هایی که برآمدگی ظاهری آنها بیش از 25 سانتی متر بود حذف شدند. بنابراین این مناطق به رنگ سفید ارائه می شوند. این امر در تصویر حوضه فرونشست در حال توسعه در قسمت شمال غربی منطقه به وضوح قابل مشاهده است. مقایسه سری‌های 03.2016 و 09.2016 شکاف‌های قابل توجهی را در داده‌های مربوط به جنگل‌کاری در این منطقه نشان می‌دهد که همچنان در ماه سپتامبر باعث افزایش پوشش گیاهی می‌شد. مقایسه سری های 03.2016 و 11.2016 به ما امکان می دهد تجزیه و تحلیل گسترده تری را به دلیل کمبود جزئی شاخ و برگ انجام دهیم، در حالی که مقایسه داده های به دست آمده از هر دو سری در اوایل بهار به ما امکان می دهد بهترین نتایج را به دست آوریم. تصویر حوضه فرونشست که در قسمت جنوب شرقی منطقه مورد مطالعه تشکیل شده است، به دلیل عدم وجود خوشه های بزرگ از پوشش گیاهی بالا، به طور قابل توجهی مختل نشده است.
شکل 3 همچنین مقادیر و جهت جابجایی های افقی را در قالب بردارهایی که بر اساس شناسایی جزئیات موقعیتی مشخصه تعیین می شوند، نشان می دهد. این جزئیات کل منطقه سایت Piekary را به طور نسبتاً یکنواخت پوشش می دهد. تنها استثناء در این مورد، مزارع زراعی و مراتع است که اغلب نقاط روشنی در آنها وجود ندارد. می توان فرض کرد که دقت تعیین جابجایی نقطه مشابه آنچه در جدول 3 ارائه شده است . جهات و طول بردارهای جابجایی به خوبی با مقادیر تقریبی فرونشست تعیین شده از طریق تفاوت DSM مطابقت دارد.
شکل 4 تفاوت های DSM را برای سایت جاورزنو (سری 04.2016 و 02.2020) نشان می دهد. مانند سایت Piekary، تأثیر پوشش گیاهی قابل مشاهده است و بر مقادیر فرونشست مشاهده شده در بیشتر منطقه مورد تجزیه و تحلیل غالب است. از آنجایی که سری پایه و جاری به ترتیب در آوریل (بهار) و فوریه (زمستان) اندازه گیری شدند، تأثیر پوشش گیاهی در اینجا با علامتی که برعکس آنچه در سایت Piekary ذکر شده است قابل مشاهده است. پوشش گیاهی مقادیر فرونشست را به هم می زند و آن را تا نیم متر افزایش می دهد. این امر به ویژه در قسمت شرقی منطقه تحت اندازه گیری پهپاد مشهود است. از آنجایی که تجزیه و تحلیل اندازه‌گیری‌های مرجع نشان می‌دهد که این منطقه در حال حاضر خارج از دسترس استخراج زیرزمینی است، ما به راحتی می‌توانیم این خطاها را شناسایی کنیم. مرز واضح و تقریباً مستطیلی بین رنگ‌ها که در قسمت شمال غربی شکل 4 قابل مشاهده است، نتیجه یک تغییر شکل ناپیوسته در این قسمت از ناحیه است که به صورت یک “قوز” طولانی ظاهر می‌شود. این تغییر شکل و تاثیر آن در بخش های بعدی به تفصیل شرح داده شده است.
همانند سایت Piekary، جابجایی‌های افقی جزئیات موقعیتی انتخاب شده و عموماً به طور مساوی توزیع شده شناسایی و تعیین می‌شوند. تجزیه و تحلیل طول و جهت بردار جابجایی به خوبی با مقادیر فرونشست تقریبی تعیین شده از تفاوت‌های DSM و همچنین با استخراج انجام‌شده بین سری مطابقت دارد. در این منطقه امکان مکان یابی اشیاء واضح در مناطق کشاورزی و جنگلی وجود ندارد. با این حال، یافتن چنین جزئیاتی در مناطق شهری آسان است.
پروفایل ها در امتداد خطوط مشاهده بر اساس DSM های ایجاد شده تولید شدند. اینها به ترتیب با خطوط آبی در شکل 3 و شکل 4 به عنوان پروفایل های P و W مشخص شده اند. هنگام پردازش داده های پهپاد، پروفایل ها را می توان به عنوان یک ابزار اضافی برای تسهیل تفسیر نتایج استفاده کرد. آنها همچنین ارزیابی سطوح نویز را در مناطق منتخب DSM ها تسهیل می کنند. شکل 5 نمایه ای از تغییرات ارتفاعات زمین در سایت Piekary را نسبت به داده های مرجع (نقاط P1-P24) نشان می دهد. اختلالات خط نمایه مربوط به پوشش گیاهی به وضوح قابل مشاهده است و گاهی تا 0.50 ± متر می رسد. برای اکثر مشخصات، نویز اندازه گیری مرتبط با دقت روش و تأثیر پوشش گیاهی از ± 0.10 متر تجاوز نمی کند.
شکل 6 فرونشست زمین سایت جاوورزنو را در امتداد خط W (نقاط W1-W8) نشان می دهد. تفاوت واضحی بین مسیر منظم تر در قسمت غربی نیمرخ فرونشست و قسمت شرقی که دارای نوسانات ارزش فرونشست بیشتری است وجود دارد. قسمت اول پروفیل، که حدود 200 متر طول دارد، در امتداد یک جاده صحرایی نیمه آسفالت شده می گذرد، در حالی که مابقی از منطقه ای پوشیده از چمن بلند می گذرد.
3.3. تشخیص تغییر شکل های ناپیوسته و تجزیه و تحلیل توسعه آنها در طول زمان
در مورد سایت Piekary، وقوع تغییر شکل‌های ناپیوسته به شکل فروچاله‌ها بر روی حفره‌های توده سنگی حاصل از استخراج کم عمق سنگ‌های روی و سرب در طول قرن نوزدهم رایج است. چندین فروچاله از این دست در طی بازدید از سایت در منطقه مورد مطالعه پیدا شد، در حالی که سایرین در طی آنالیز ارتوموزائیک یافت شدند. شکل 7 ، شکل 8 ، شکل 9 و شکل 10 توسعه دو تغییر شکل ناپیوسته انتخاب شده را نشان می دهد.
شکل 7 و شکل 8 توسعه فروچاله A-B واقع در قسمت جنوبی منطقه مورد مطالعه را نشان می دهند. اختلال در تسکین زمین مرتبط با تغییر شکل در حال توسعه در اولین ارتوموزائیک (03.2016) قابل مشاهده است. در ارتوموزائیک های 09.2016 و 11.2016 تنها یک فروچاله کوچک قابل مشاهده است. بقیه تغییر شکل در حال توسعه به طور موثر توسط کارهای کشاورزی و پوشش گیاهی پوشانده شده است. در سری آخر، تغییر شکل رشد می کند و به وضوح در هر دو تصویر ارتوموزائیک و دیفرانسیل DSM با وجود پوشش گیاهی قابل مشاهده است.
تاثیر پوشش گیاهی بر مستندات پهپاد این تغییر شکل به ویژه در شکل 8 قابل مشاهده است . مقایسه تفاوت قد بین اندازه‌گیری‌های 03.2016 و 09.2016، و همچنین بین اندازه‌گیری‌های 03.2016 و 11.2016، ممکن است نشان دهنده افزایش حدود 10 سانتی‌متری باشد. با این حال، این نتیجه وجود پوشش گیاهی در سری 11.2016 است که نتایج را مختل می کند. در اندازه‌گیری سری 04.2017، تأثیر پوشش گیاهی بر نتیجه اندازه‌گیری به دلیل مقیاس تغییر شکل زمین که آشکار می‌شود، بی‌ربط می‌شود.
دومین تغییر شکل ناپیوسته که C-D نشان داده شده است ( شکل 1 ) در لبه جنوبی منطقه مورد مطالعه قرار دارد. توسعه آن در شکل 9 و شکل 10 به روشی مشابه با آنچه قبلا استفاده شده بود ارائه شده است. هیچ نشانه ای از تغییر شکل ناپیوسته در اولین اندازه گیری وجود ندارد. در سری‌های 09.2016 و 11.2016، توسعه تغییر شکل آهسته تا حدودی قابل توجه است، اما توسط پوشش گیاهی پوشانده شده است. ارتوموزائیک‌های تولید شده بر اساس تصاویر پهپاد جمع‌آوری‌شده در سری 04.2017 به فرد امکان می‌دهد تغییر شکل قابل توجهی را نسبت به سری‌های اندازه‌گیری قبلی مشاهده کند. این مشاهدات در تصاویری که تفاوت بین DSM ها و پروفایل C-D ایجاد شده بر این اساس را نشان می دهد تایید شده است ( شکل 10 ).
با توجه به ساختار زمین شناسی منطقه معدن، سایت جاورزنو نیز تمایل به تغییر شکل های ناپیوسته را نشان می دهد. با این حال، این تغییر شکل ها ناشی از استخراج تاریخی کم عمق نیست. بررسی های ژئوفیزیکی انجام شده در این منطقه نشان می دهد که تغییر شکل های ناپیوسته در مکان هایی با ساختارهای زمین شناسی و زمین ساختی ناپیوسته ظاهر می شود. این نواحی همچنین دارای یک لایه نازک روباره از سنگ های سست چهارتایی، پالئوژن و نئوژن هستند که زیر آن یک نیمکت ضخیم از سنگ های تریاس مختصر تحت سلطه سنگ آهک قرار دارد .
تغییر شکل ارائه شده در شکل 11 در ابتدا زمانی که اندازه گیری های تغییر شکل در این منطقه در سال 2009 انجام شد، شناسایی شد. در ابتدا طول آن حدود 200 متر تخمین زده شد. شکل یک قوز خطی کشیده دارد. تحقیقات ژئوفیزیکی انجام شده با استفاده از توموگرافی مقاومتی الکتریکی نشان می‌دهد که این فرم نتیجه تغییر شکل توده سنگ است که منجر به فشردن سنگ‌های پلاستیکی (مانند رس) برای پر کردن فضاهای ایجاد شده توسط سیستم‌های نابجایی خاص (گسل‌ها) یا اشکال کارستی می‌شود. بلوک های سنگ آهک سفت و سخت بنابراین، ویژگی کاملاً متفاوتی دارد و بزرگتر از تغییر شکل های ناپیوسته است که قبلاً توضیح داده شد. برد کامل آن تنها پس از انجام تحلیل DSM پهپاد قابل تعیین است ( شکل 11 ). اندازه گیری های مکرر پهپاد امکان تجزیه و تحلیل تغییرات در هندسه این تغییر شکل را فراهم می کند.
در قابل مشاهده ترین نقطه (پروفایل E-F)، مقطع تغییر شکل دارای عرض حدود 26 متر و ارتفاع نسبی است که از 0.8 متر تا 1.8 متر متغیر است ( شکل 12 ). در جنوب شرقی این منطقه، ابعاد قوز کاهش یافته و تغییر شکل به تدریج از بین می رود.
تغییرات در مورفولوژی تغییر شکل ناپیوسته در برابر پس‌زمینه فرونشست سطح زمین ناشی از استخراج زیرزمینی در سالهای 2016-2020 در شکل 12 نشان داده شده است . تجزیه و تحلیل پروفیل های زمین و توزیع فرونشست سطح زمین در هر دو طرف تغییر شکل و در محل تغییر شکل (در چندین مقطع) به فرد امکان می دهد سطوح زمین تغییر شکل ناهمگن را در منطقه تغییر شکل شناسایی کنیم. فرونشست در ضلع جنوبی کوهان بیشتر از ضلع شمالی است. از سوی دیگر، خود تغییر شکل نشست کمی را نشان می‌دهد، که ممکن است نشان‌دهنده اکستروژن بیشتر مواد پلاستیکی در طول شکل‌گیری تغییر شکل ناپیوسته باشد.
4. بحث
دقت تعیین مختصات و جابجایی خلاصه شده در جدول 2 و جدول 3 باید به عنوان مقادیر حدی در نظر گرفته شود که فقط در شرایط مساعد به دست می آیند. در عمل، مقادیر خطای RMS ارتفاع دو تا سه برابر GSD فقط برای نقاط انتخاب شده به دست می آید. اینها اجسامی با خطوط یا مناطق واضح هستند که تأثیر پوشش گیاهی برای آنها بسیار کم یا حتی ناچیز است. در طول توسعه داده های پهپاد سایت Piekary، تعیین جابجایی ها با استفاده از محصولات مشتق شده از پهپاد برای چهار نقطه روی خطوط مشاهده (یکی در زمین سخت و سه نقطه در مناطق سبز) ممکن نیست. برای این نقاط، نمی توان جزئیات واضحی را که در فاصله کمتر از 5 متر از نقطه مورد تجزیه و تحلیل قرار دارند، شناسایی کرد. با این حال، در سایت جاورزنو، مقایسه مختصات نشان می دهد که دو نقطه خط رصدی واقع در زمین سخت در داده های پهپاد قابل مشاهده نیستند. هنگام برنامه ریزی مشاهدات مشابه آینده، لازم است هنگام طراحی خطوط مشاهده کلاسیک، اطمینان حاصل شود که نقاط روی تصاویر هوایی قابل مشاهده هستند.
مقایسه دقت تعیین مختصات با استفاده از روش‌های AERO و ORTO تفاوت معنی‌داری را نشان نمی‌دهد. با توجه به سرعت جمع آوری داده ها، استفاده از ORTO به ویژه برای عناصر زمین در جاده ها و روسازی ها کافی است.
در بیشتر مناطق سبز، دقت تعیین ارتفاع و نشست زمین به طور قابل توجهی تحت تأثیر پوشش گیاهی قرار دارد. مدل ارتفاع به دست آمده از داده های اندازه گیری خام DSM است نه DEM. اختلاف ارتفاع بین DSM و DEM اغلب برای مراتع و مزارع به ده ها سانتی متر و برای بوته ها و درختان به چندین متر می رسد. این مقادیر چندین برابر بیشتر از خطاهای داخلی (نویز) مرتبط با خود روش های اندازه گیری است. انتقال از DSM به DEM نیاز به پردازش داده های اضافی برای به حداقل رساندن تأثیر پوشش گیاهی دارد. این رویکرد اغلب در ادبیات به عنوان فیلتراسیون گیاهی یا فیلتر زمین شناخته می شود و موضوع بسیاری از مطالعات گذشته و فعلی است. بسیاری از مطالعات انجام شده در این زمینه الگوریتم های مورد استفاده با داده های LIDAR را مورد هدف قرار می دهند. با این حال، این داده ها دارای ویژگی هایی هستند که با داده های فتوگرامتری پهپاد متفاوت است. از یک طرف، وضوح داده های LIDAR کمتر است. از سوی دیگر، داده های LIDAR از تجزیه و تحلیل بسیاری از بازتاب ها پشتیبانی می کند. به همین دلیل، نیاز به ایجاد و توسعه الگوریتم های اختصاص داده شده به فیلتراسیون و طبقه بندی ابرهای نقطه ای مشتق از پهپاد وجود دارد .
هنگام تعیین جابجایی های عمودی، تأثیر پوشش گیاهی باعث خطاهای سیستماتیک می شود که علامت آن به فاز چرخه پوشش گیاهی – کشت که در سری پایه در مقابل سری های بعدی رخ می دهد بستگی دارد. مساعدترین شرایط از این نظر معمولاً در ماه های زمستان یا اوایل بهار است به شرطی که منطقه پوشیده از برف نباشد. کمترین شرایط مساعد با توجه به تعیین ارتفاع زمین و در نتیجه جابجایی عمودی، در ماه‌های تابستان که هم تراکم و هم ارتفاع پوشش گیاهی به حداکثر می‌رسد، حاکم است. متأسفانه، دوره های اندازه گیری مورد استفاده برای نظارت بر هندسه سطح اغلب از قبل اعمال می شود. به همین دلیل، توسعه و استفاده از الگوریتم‌هایی که بتواند تأثیر پوشش گیاهی را به حداقل برساند، حائز اهمیت است.
تحقیقات ما همچنین به فرد اجازه می‌دهد تا دقت تعیین جابجایی‌های افقی سطحی که توسط استخراج زیرزمینی انجام می‌شود را تخمین بزند. این واقعیت که نتایج به‌دست‌آمده امیدوارکننده هستند را می‌توان هم در تحلیل مختصات افقی و هم در مقادیر خطای RMS جابجایی افقی مشاهده کرد. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که محصولات فتوگرامتری مشتق از پهپاد امکان تعیین جابجایی های افقی را با دقت دو تا سه برابر GSD فراهم می کند. مقادیر ذکر شده در جدول 3 با استفاده از خطوط مشاهده که هم بر روی سطوح سخت و هم در مناطق پوشیده از چمن قرار گرفته اند تعیین شدند. با این حال، نقاط به وضوح شناسایی شده برای تجزیه و تحلیل انتخاب می شوند. اینها معمولاً نقاط خط مشاهداتی هستند که روی جزئیات ارتوموزائیک یا زمین در نزدیکی یک نقطه اندازه گیری قابل مشاهده هستند که به طور مؤثر (یا اصلاً) روی ارتوموزائیک قابل شناسایی نیستند.
نتایج جالبی نیز هنگام تجزیه و تحلیل جابجایی های افقی در برابر پس زمینه مدل های دیفرانسیل ساخته شده از طریق DSM مشتق از پهپاد به دست آمد ( شکل 3 و شکل 4 ). نتایج به دست آمده به خوبی با تصویر حوضه فرونشست در حال توسعه مطابقت دارد. نقاط مورد تجزیه و تحلیل جزئیاتی هستند که به طور منحصر به فرد از ارتوموزائیک های پهپاد سری های اندازه گیری مختلف قابل شناسایی هستند. به این ترتیب داده های شبه سطحی نشان دهنده جابجایی های افقی و تغییرات آنها در طول زمان به دست می آید. می توان فرض کرد که دقت پارامترهای تعیین شده با پارامترهای تولید شده در هنگام تجزیه و تحلیل نتایج خط مشاهده قابل مقایسه است. در هر دو مورد، جابجایی افقی نقاطی که به وضوح در ارتوموزائیک قابل شناسایی هستند، تعیین می‌شوند. با این حال، یافتن و شناسایی نقاطی برای این تحلیل ها مشکل ساز و زمان بر است. راه حل این مشکل پیاده سازی الگوریتم هایی است که مقایسه خودکار ارتوموزائیک ها از سری های اندازه گیری مختلف را برای تعیین جابجایی های افقی انجام می دهد. الگوریتم‌های تطبیق تصویر مبتنی بر همبستگی متقابل یا تشخیص ویژگی (مانند SIFT، SURF (ویژگی‌های قوی سریع‌تر)، ORB (ویژگی‌های جهت‌یافته از تست قطعه تسریع‌شده (FAST) و ویژگی‌های ابتدایی مستقل باینری چرخشی (BRIEF)) و BRISK (نقاط کلیدی مقیاس پذیر ثابت دودویی) ممکن است به ویژه برای این منظور مفید باشد با این حال، باید در نظر داشت که الگوریتم های ذکر شده برای ترکیب عکس هایی که معمولاً به طور همزمان از دوره های اندازه گیری گرفته می شوند، ایجاد شده اند. لازم است مشکلات مربوط به تغییرات در اشیاء مختلف در طول زمان که حاصل عملیات معدنی نیستند، حل شود، زیرا توسعه و تنوع آن با فصل رشد همراه است هنگام انجام تجزیه و تحلیل، پوشش گیاهی باید به حداقل برسد. همچنین می توان استفاده از محصولات پهپاد را در تعیین جابجایی افقی به مناطق توسعه یافته محدود کرد.
تحلیل های مشابهی را می توان بر اساس تصاویر ماهواره ای انجام داد. با این حال، وضوح آنها کمتر از ارائه شده توسط ارتوموزائیک پهپاد است. تصاویر ماهواره ای با وضوح بالا دارای GSD 0.3 متر (WorldView-4) هستند، در حالی که داده های ماهواره ای رایگان وضوح بسیار پایین تری دارند (مثلاً 10 متر برای Sentinel). بنابراین با استفاده از این داده ها فقط جابجایی های افقی با مقادیر زیاد قابل تشخیص است.
تشخیص تغییر شکل های ناپیوسته به صورت دستی با استفاده از DSM و آنالیز ارتوموسائیک انجام شد. تعیین ابعاد دقیق در صفحه افقی زمانی امکان پذیر است که تغییری رخ دهد، اما زمانی که جسمی با پوشش گیاهی بیش از حد رشد می کند دشوار می شود. با ساختارهای عمیق و فروریخته، به دلیل سایه‌های مکرر این سازه‌ها در طول مأموریت‌های پهپاد، بازسازی درست شکل کف یک شی نیز مشکل‌ساز است. از مزایای بارز این روش با توجه به تشخیص تغییر شکل‌های ناپیوسته می‌توان به امکان اندازه‌گیری سطح وسیع در زمان نسبتاً کوتاه و عدم نیاز به دسترسی فیزیکی به ناحیه تغییر شکل اشاره کرد. با توجه به خطرات ایمنی مرتبط با انجام این گونه موجودی ها، این مزیت مهم به نظر می رسد. فرآیندهای تشخیص خودکار یک زمینه مهم تحقیقاتی در تشخیص تغییر شکل ناپیوسته است. یک رویکرد ممکن، ایجاد یک سیستم ترکیبی است که تشخیص تغییر شکل‌های ناپیوسته بالقوه را از طریق روش‌های دیگر، به عنوان مثال، InSAR ، با تأیید دقیق و موجودی با استفاده از تصاویر به‌دست‌آمده از سکوهای پهپاد ترکیب می‌کند.
پیش‌بینی تأثیر عملیات معدنکاری بر تغییر شکل‌های زمین برای ایمنی سازه‌های ساختمانی در مناطق معدنی اهمیت اساسی دارد. این پیش‌بینی‌ها اندازه‌های تغییر شکل پیوسته سطح زمین را پیش‌بینی می‌کنند و برای ارزیابی خطر آسیب به سازه‌های ساختمانی استفاده می‌شوند . پیش‌بینی‌های تغییر شکل نیاز به تأیید دارند زیرا همه عوامل دخیل در شکل‌گیری تغییر شکل را در نظر نمی‌گیرند. در بسیاری از موارد، نتایج حاصل از بررسی خطوط رصد همچنان برای این منظور استفاده می شود. اندازه‌گیری‌های پهپاد امکان تأیید کل منطقه پیش‌بینی تغییر شکل را با استفاده از نقاط خارج از شبکه‌های رصد موجود فراهم می‌کند. توانایی تعیین پارامترهای مدل های محاسباتی بر اساس این نوع داده ها می تواند قابلیت اطمینان نتایج پیش بینی شده را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. یکی از ویژگی‌های مهم، توانایی تشخیص تغییر شکل‌های غیرعادی است که از تأثیرات استخراج مستقیم پیش‌بینی‌شده توسط مدل‌های نظری منحرف می‌شوند.
به عنوان مثال، نتایج اندازه‌گیری‌های پهپاد در سایت جاورزنو از طریق مقایسه با نتایج مدل‌سازی تغییر شکل معدن مورد تجزیه و تحلیل بیشتری قرار گرفت. محاسبات مدل برای دوره (04.2016-02.2020) انجام شد که تغییر شکل‌ها با استفاده از اندازه‌گیری‌های پهپاد تعیین شد.
نرخ تغییر شکل با استفاده از مدل Knothe که گسترده ترین در لهستان است محاسبه شد . مقادیر پارامتر بر اساس فرونشست ثبت شده در خطوط مشاهده در سایت جاورزنو تعیین شد. داده های اندازه گیری از 2009-2012 برای تعیین پارامترها استفاده شد.
تصویر حاصل از جابجایی های عمودی و افقی مدل ( شکل 13 ) فقط ضربه های مستقیم و پیوسته را در نظر می گیرد زیرا نظریه Knothe فقط مدل سازی چنین تغییر شکل هایی را مجاز می کند. مقایسه نتایج مدل‌سازی و اندازه‌گیری ژئودزی، مبنایی را برای تأیید مدل محاسباتی و برای تشخیص ناهنجاری‌های تغییر شکل سطح زمین، به عنوان مثال، وقوع تأثیرات غیرمستقیم یا تغییر شکل‌های ناپیوسته که از ساختارهای زمین‌شناسی و تکتونیکی یک منطقه خاص ناشی می‌شود، فراهم می‌کند. .
اختلاف بین جابجایی های عمودی و افقی مدل سازی شده و تعیین شده توسط پهپاد در شکل 14 ارائه شده است . این نقشه رنگی شامل تفاوت های فرونشست و بردارهایی است که تفاوت جابجایی افقی را نشان می دهد. در مورد فرونشست، اختلاف بین مقادیر مدل‌سازی‌شده و تعیین‌شده توسط پهپاد از -0.5 متر تا +0.4 متر متغیر است. تا حد زیادی، این اختلافات ناشی از تأثیر پوشش گیاهی است، اما آنها نیز تحت تأثیر عدم قطعیت پیش‌بینی قرار می‌گیرند . با این حال، تأثیر تغییر شکل ناپیوسته در بخش شمال غربی کاملاً واضح است. شکل تغییر شکل شناسایی شده از طریق داده های پهپاد بسیار واضح تر از آن است که فقط از داده های خطوط مشاهده برای این منظور استفاده شود.
مقایسه جابجایی های افقی محاسبه شده و مشاهده شده در نقاطی که بردارهای جابجایی از طریق تجزیه و تحلیل تصویر پهپاد تعیین می شوند امکان پذیر است ( شکل 4 را ببینید ). طول بردار اختلاف بین 0.01 متر تا 0.22 متر است. تغییرات در جهت های بردار اختلاف قابل مشاهده در شکل 14 ناشی از اثرات تغییر شکل ناپیوسته است. مانعی برای انتشار تغییر شکل در سطح است. به همین دلیل، ماهیت جابجایی در یک طرف این تغییر شکل با آنچه در طرف دیگر ذکر شده است متفاوت است. این را می توان با مقایسه فیلدهای بردار جابجایی در شکل 4 و شکل 13 مشاهده کرد . بردارهای جابجایی افقی مدل‌سازی‌شده معمولاً جهت را در ناحیه مورد تجزیه و تحلیل تغییر نمی‌دهند، در حالی که بردارهای جابجایی به‌دست‌آمده از طریق پهپاد در جهات مختلف در طرف‌های مخالف تغییر شکل ناپیوسته قرار می‌گیرند.
5. نتیجه گیری
در سال های اخیر، پیشرفت های فنی و علمی پهپادها را به ابزارهای اندازه گیری ارزان، در دسترس و همه کاره تبدیل کرده است. دقت مختصات و جابجایی های تعیین شده بر اساس فتوگرامتری پهپاد در حال حاضر برای بسیاری از اهداف از جمله نظارت بر سطح مناطق معدن کافی است. فتوگرامتری پهپاد را می توان به عنوان یکی دیگر از ابزارهای موجود برای مشاهده هندسه سطح و تغییرات آنها در نظر گرفت، به خصوص که امکان جمع آوری داده های سطح را فراهم می کند.
در فتوگرامتری پهپاد، محدودیت های اصلی در دقت و توانایی استفاده از داده های اندازه گیری شده تا حد زیادی با پوشش گیاهی در مناطق تحت نظارت مرتبط است. به همین دلیل، یکی از تمرکزهای مهم در توسعه این فناوری، به حداقل رساندن تأثیر پوشش گیاهی در طول پردازش نتایج اندازه‌گیری است. سایر جهت گیری های مهم تحقیقاتی، اتوماسیون تعیین جابجایی و تشخیص تغییر شکل ناپیوسته است.
این مطالعه نشان داد که فتوگرامتری پهپاد می تواند برای تعیین بسیاری از پارامترهای کلیدی مرتبط با وضعیت فعلی تغییر شکل زمین ناشی از عملیات معدنکاری زیرزمینی استفاده شود. انتظار می‌رود در سالهای آینده، توسعه پویا دامنه استفاده از این فناوری را گسترش داده و پردازش داده‌های جمع‌آوری‌شده را بیشتر خودکار کند.
ضمیمه A
شکل A1. جابجایی‌های افقی از طریق روش فتوگرامتری پهپاد (روش ORTO) و اندازه‌گیری‌های مرجع در سایت Piekary تعیین می‌شوند.
شکل A2. اختلاف بین جابجایی های عمودی تعیین شده از طریق روش فتوگرامتری پهپاد (روش ORTO) و اندازه گیری های مرجع در سایت Piekary.
شکل A3. جابجایی های افقی از طریق روش فتوگرامتری پهپاد (روش ORTO) و اندازه گیری های مرجع در سایت جاورزنو تعیین می شود.
شکل A4. اختلاف بین جابجایی های عمودی تعیین شده از طریق روش فتوگرامتری پهپاد (روش ORTO) و اندازه گیری های مرجع در سایت جاورزنو.
