موبایل مپینگ پهپاد مبنا

(UAV-Based Mobile Mapping)

جایگزینی مقرون به صرفه برای روش های هوابرد و زمینی

پتانسیل ها، چالش ها و چشم انداز

نمایش دقیق و بازسازی سه بعدی از محیط پیرامون با استفاده از هر دو سیستم فعال (active) و غیر فعال (passive) سنجش از دور در کاربردهای غیر سنتی تهیه نقشه به یکی از ملزومات تبدیل شده است. به دلیل هزینه بالا و نیاز به کارشناس متخصص، روش های سنتی تهیه نقشه نمی تواند برای این کاربردها راضی کننده باشد (به عنوان مثال سیستم های تهیه نقشه هوایی سنتی و زمینی متحرک وابسته به نیروی انسانی). پیشرفت های اخیر در توسعه سخت افزار و نرم افزار امکان اجرای نقشه های سه بعدی دقیق بدون استفاده از سیستم های اخذ داده هزینه بر را فراهم کرده است. دوربین های دیجیتال ارزان قیمت، لیزر اسکنرها و سیستم های حمل و نقل اگر بطور مناسبی هم در سطح سخت افزار و هم در سطح نرم افزار با یکدیگر یکپارچه شوند می توانند نقشه های دقیق را تولید کنند.

توأم با تحولات اخیر در تکنولوژی سنسورها، وسایل نقلیه بدون سرنشین (هواپیماهای بدون سرنشین) به عنوان یک پلتفورم موبایل مپینگ در حال ظهور هستند که می توانند مزایای اقتصادی و عملی بیشتری را ارائه دهند. توانایی UAVها در پرواز با ارتفاع پایین تر و سرعت کمتر به نسبت سیستم های هوایی سنتی دارای خلبان اجازه اخذ داده با رزولوشن بالاتر را می دهد. علاوه بر این، UAVها می توانند جای خالی موجود بین (اختلاف) سیستم های هوایی سنتی دارای خلبان و نیز سیستم های زمینی را در ارتباط با رزولوشن، پوشش و تکرار پر کند. این ویژگی ها UAVها را به پلتفورم هایی بهینه جهت تهیه نقشه سریع و مقرون به صرفه ،تبدیل کرده است. پتانسیل های واقع بینانه و ارضا کننده به عنوان پلتفورمی متحرک جهت تهیه نقشه دلیل اصلی رشد محصولات و کاربردهای UAVها در حال حاضر و آینده است. امروزه بازار پهپادها ۱۳٫۲۲ بیلیون دلار آمریکا در سال ۲۰۱۶ تخمین زده شده است و انتظار میرود تا سال ۲۰۲۲ با رشدی معادل ۱۳٫۵۱ درصد به ۲۷ بیلیون دلار آمریکا برسد.

چالش ها

با وجود پتانسیل های اثبات شده در این تکنولوژی هنوز چالش هایی در جهت گسترش تطبیق UAVها با سیستم های موبایل مپینگ ملیاتی وجود دارد:

1. مدیریت و اجرای پرواز: جوامع تحقیقاتی و حرفه ای هنوز با چالش اجازه امنیتی برای پرواز UAVهایی که سنسورهای تصویربرداری active یا passive حمل می کنند مواجه هستند این مشکل در مناطق هوایی ممنوعه بسیار جدی تر است (به عنوان نمونه در نزدیکی فرودگاه های نظامی و غیرنظامی).
2. اپراتور کاردان و ماهر: سیستم های نقشه برداری UAV مبنا باعث شیفت قیمت از پلت فورم به سنسور شده است به این معنا که در سیستم های سنتی نقشه برداری هوایی با خلبان، پلت فورم معمولاً بسیار گران تر از سنسور یا سیستم تعبیه شده در آن است. در سیستم های نقشه برداری زمینی نسبت به پلتفورم ها از جمله پلتفورم های UAV سنسورها بسیار گران تر است. از آنجاییکه UAVها امکان حمل سنسورهای گران قیمت تا بیشتر از ۳۰ برابر قیمت پلتفورم را دارد، این موضوع با در نظر گرفتن ریسک بالاتر UAVها در مقایسه با پلتفورم های زمینی و هوایی سنتی، نیازمندی به یک اپراتور پرواز حرفه ای که بتواند ایمن و مطمئن سیستم را کنترل کند افزایش می دهد.
3. مداومت پروازی محدود: برای UAVهای میکرو و مینی (با محدودیت ارتفاع پرواز ۱۰۰ متر بالای زمین) مدت زمان پرواز کاملاً یک محدودیت محسوب می شود. طول عمر متوسط باتریهای برای این مدل از UAVها بین ۳۰ تا ۴۵ دقیقه است. این مسأله موجب تحمیل محدودیت در مساحت تحت پوشش می شود مخصوصاً زمانی که مطلوب داده های با رزولوشن بالاست که به پرواز در ارتفاع پایین نیاز دارد.
4. محدودیت در ظرفیت حمل و باربری: برای UAVهای مینی و میکرو ظرفیت بار کاملاً محدود است (مخصوصاً در مواجهه با پلتفورم های بال ثابت). پلتفورم های چند موتوره ظرفیت حمل بالاتری تا چند کیلوگرم دارند به هر حال افزایش بار تأثیر منفی در مدت زمان پرواز دارد.
5. ذات غیرحرفه ای سنسورهای نصب شده: محدودیت های هزینه و ظرفیت بار استفاده از سنسورهای غیرحرفه ای رایج و در دسترس را اجبار می کنند (برای مثال سامانه های ناوبری توجیه و موقعیت و همچنین سامانه های تصویربرداری فعال و غیرفعال). این دسته از سنسورها توجه بیشتری را در ارتباط با کالیبره کردن سیستم می طلبد (برای مثال پارامترهای داخلی و پارامترهای مربوط به نصب سیستم های مختلف روی بورد پهپاد).
6. نیاز به تخصص در یکپارچه سازی سیستم: با توجه به طیف وسیع پتانسیل ها و کاربردها غیرممکن است که یک سیستم نقشه برداری متحرک پهپاد مبنا طراحی شده به تنهایی همه نیازهای شما را برطرف کند. بنابراین، بسته به کاربردی که در نظر دارید، مشخصات سخت افزاری و پیکربندی باید به دقت در زمان توسعه سیستم در نظر گرفته شود. این مطلب باعث نیاز مضاعف به کارشناسان با تخصص در هردو زمینه کاربردها و یکپارچه سازی سنسورها می شود. (هماهنگ سازی و ارتباط بین سنسورهای مختلف)
7. نیاز به تخصص در پردازش داده: توام با نیاز به تخصص در یکپارچه سازی سیستم ها، نیاز به تخصص در پردازش داده ها در سطح بالا وجود دارد همچنان به نیازها ی هر کاربردی آگاه بودن. مهمترین مطلب این است که کمیته های فنی نیاز به یک دستورالعمل برای کنترل کیفیت مراحل مختلف پردازش داده تا محصول نهایی دارد.

چشم انداز

بعضی از پیشرفت ها و توسعه های امیدوار کننده در این زمینه شامل موارد زیر است:

1. سیستم های تعیین موقعیت و توجیه (POS): پیشرفت ها و توسعه مداوم سخت افزاری و نرم افزاری سیستم های تعیین موقعیت ماهواره ای GNSS و INS امکان دسترسی به دستگاه های POS سبک (کمتر از ۱۰۰ گرم) را که توانایی تعیین موقعیت و توجیه را به ترتیب در محدوده ۲ تا ۵ سانتی متر و ۰٫۰۲۵ تا ۰٫۰۸ درجه دارد را فراهم کرده است. اینچنین پیشرفت هایی نیاز به نقاط کنترل زمینی برای سیستم های تصویربرداری passive را کاهش می دهند.
2. دوربین های دیجیتال ارزان با قابلیت همزمان شدن با GNSS و INS: هم اکنون امکان مجهز کردن UAVها به دوربین های رقومی در دسترس با رزولوشن بیش از ۴۰ مگا پیکسل است که توانایی time tagging دقیق تصاویر اخذ شده را فراهم می کند. این توانایی ها تاثیر بسزایی در کاهش نیاز به نقاط کنترل زمینی برای تولید موزاییک های ارتوفوتو دقیق و مدل های رقومی سطح دارد.
3. دستگاه های لیدار کم هزینه: پیشرفت های اخیر در برد لیزر و تکنولوژی های اسکن کردن منجر به معقول شدن قیمت ها شده است (به عنوان مثال ۱۰۰۰۰ دلار آمریکا). دستگاه های سبک لیدار که کمتر از یک کیلوگرم است و بیشتر از ۲۵۰ هزار پالس در ثانیه با برد دقیق در حد سانتی متر تولید می کند. قیمت و وزن متوسط موجب می شود که سیستم را با دوربین های دیجیتال بدون افزایش بار و هزینه ی کل تقویت کنیم.
4. سیستم های تصویربرداری ابرطیفی و چندطیفی سبک: پیشرفت ها در تکنولوژی های تصویربرداری دیجیتال امکان دسترسی به دوربین های ابرطیفی و چندطیفی سبک را فراهم کرده است. این دوربین ها موجب می شوند که پهپادهای حال حاضر در کاربردهایی که نیاز به رزولوشن طیفی بالاتر و رنج طیفی وسیع تری نسبت به دوربین های RGB دارند نیز کاربرد پیدا کنند.
5. نرم افزارهای پردازش تصویر تجاری در دسترس: به لطف پیشرفت های اخیر در یکپارچه سازی فتوگرامتری و ابزارهای بینایی رایانه ای، جامعه نقشه برداری به چندین پکیج تجاری که توانایی پردازش صدها و یا حتی هزاران تصویر را برای تولید موزاییک های ارتوفتوی دقیق و و مدل های رقومی سطح با تراکم بالا دستیابی پیدا کنند. این پکیج ها این امکان را می دهد که طیف وسیعی از تصاویر اخذ شده را در مدت کوتاهی برای کاربردهای متنوع مورد نیاز پردازش کند.
6. قابلیت های نوین کالیبراسیون سیستم ها: جوامع نحقیقاتی در ارائه ابزراهای کالیبراسیون دقیق به منظور براورد پارامترهای داخلی سنسورهای تصویربرداری فعال و غیرفعال و پارامترهای مرتبط با نصب چنین سنسورهایی موفق عمل کرده اند. این پیشرفت ها نیز با استراتژی های ارزیابی کمی پایداری پارامترهای کالیبراسیون همراه شده اند.
7. روش های نوین یکپارچه سازی داده های multi-platform و multi-sensor: جامعه تحقیقاتی در حال توسعه راه حل هایی هستند که برای یکپارچه سازی سنسورهای passive و active که در رنج وسیعی از طیف الکترومغناطیس کاربرد دارند (به عنوان مثال داده های ابرطیفی و چندطیفی با ابر نقاط لیدار مبنا)

8. منبع: توتالینو