با پیشرفت‌های اخیر در زمینه نقشه برداری پهپادی، نقاط ضعف و تصورات اشتباهی در مورد لیدار و فتوگرامتری به وجود آمده است. در واقع، این دو تکنولوژی با وجود شباهت‌های زیاد، تفاوت‌های ظریفی با هم دارند. بنابراین، دانستن این مطالب که آنها محصولات متفاوتی تولید می‌کنند و در شرایط مختلفی داده اخذ می‌کنند و مهمتر از همه، برای اهداف مختلفی استفاده می‌شوند، امری ضروری است.

شکی نیست که هر دو تکنولوژی در مقایسه با روش‌های سنتی نقشه برداری زمینی، نتایج را بسیار سریع‌تر و با تراکم بسیار بالاتر برداشت می‌کنند(در هر دو تکنیک همه عوارض بدون درونیابی برداشت می‌شود). با این وجود، انتخاب بهترین تکنولوژی برای پروژه شما، به عوامل مختلفی بستگی دارد که مهمترین آنها نوع استفاده، شرایط محیطی، نوع خروجی‌ها و بودجه است. این مطلب با ارائه دقیق نقاط ضعف و قوت لیدار و فتوگرامتری در انتخاب راه حل صحیح برای انجام پروژه به شما کمک می‌کند.

لیدار یا فتوگرامتری؟ این دو تکنولوژی چطور کار می‌کنند؟

بیایید از ابتدا شروع کنیم و نگاهی دقیق‌تر به دانش ورای این دو تکنولوژی بیندازیم. 

LiDAR مخفف Light Detection and Ranging به معنای سیستم شناسایی و ردیابی نور است که تکنولوژی آن بر مبنای پرتوهای لیزری بنا شده است. در این سیستم دسته پرتوهای لیزر به سمت بیرون پرتاب می‌شوند و زمان رفت و برگشت نور اندازه‌گیری می‌­شود. این سیستم، یک سیستم فعال است. یعنی تشعشعات لیزر را که از منبع انرژی داخلی خودش ساطع شده، پس از بازتاب از عوارض روی زمین دریافت می‌کند. در مقابل، فتوگرامتری یک تکنولوژی غیرفعال است که بر اساس تصاویر دو بعدی منتقل شده به فضای مدل سه بعدی کار می‌کند. در واقع این تکنولوژی از اصول ویدئوهای سه بعدی و یا چشم انسان هنگام دید سه بعدی و درک عمق اشیا پیروی می‌کند و به کاربر اجازه می‌­دهد اشیا را به صورت سه بعدی مشاهده و اندازه­‌گیری کند. از محدودیت‌های فتوگرامتری این است که تنها می‌­تواند نقاط را بر اساس مقدار نوری که سنسور دوربین امکان تشخیص آن را دارد، تولید کند.

به طور خلاصه، لیدار از لیزر برای اندازه­‌گیری استفاده می­‌کند. در حالی که فتوگرامتری، اندازه‌گیری‌ها را بر مبنای تصاویر اخذشده‌ای که پردازش و ترکیب می‌شوند، انجام می‌دهد.

خروجی­‌های دو تکنولوژی لیدار و فتوگرامتری

محصول اصلی نقشه برداری با لیدار یک ابر نقطه سه بعدی است. تراکم ابر نقطه به ویژگی‌های سنجنده(فرکانس اسکن و نرخ تکرار) و همچنین پارامترهای پرواز بستگی دارد. با فرض اینکه اسکنر، با نرخ ثابت پالس بفرستد و نوسان کند، چگالی ابر نقطه به ارتفاع پرواز و سرعت هواپیما بستگی دارد.

در موارد استفاده مختلف، ممکن است نیاز به ابر نقطه با پارامترهای مختلفی باشد. برای مثال، هنگام مدلسازی خطوط برق، شما ممکن است به ابر نقطه ای با بیش از ۱۰۰ نقطه در هر متر مربع نیاز داشته باشید. در حالی که برای ایجاد مدل رقومی سطح زمین از یک منطقه روستایی تعداد ۱۰ نقطه در هر متر مربع، کافی است.

همچنین، مهم است بدانید که سنجنده لیدار، نمونه‌برداری موقعیت را بدون برداشت تصویر RGB انجام می‌دهد و یک مجموعه داده تک رنگ ایجاد می‌کند. این موضوع در موقع تفسیر، می‌­تواند چالش­‌برانگیز باشد. در چنین مواقعی برای آنکه خروجی‌ها معنی‌دارتر شوند، معمولا داده با استفاده از ترکیب رنگی کاذب بر اساس ارتفاع و یا بازتاب عارضه به صورت بصری قابل مشاهده می‌شود.

می‌توان برای ترکیب رنگی داده های لیدار در فرآیند پس پردازش، آنها را با تصاویر یا داده‌هایی از منابع دیگر ترکیب کرد اما این خود به پیچیدگی فرآیند پردازش می‌افزاید. همچنین، رنگ‌ها می‌توانند بر اساس طبقه‌بندی اضافه شوند. (طبقه‌بندی هر نقطه به یک نوع یا گروه از عوارض، برای مثال درختان، ساختمان‌ها، ماشین‌ها، زمین و سیم‌های برق).

در سوی دیگر، فتوگرامتری می‌تواند مدل های دو بعدی و سه بعدی از سطح زمین در باندهای طیفی مختلف، تولید کند. این تصویربرداری در باندهای مختلف، باعث مشاهده بصری و تفسیر آسان‌تر نسبت به نتایج لیدار می‌شود. خروجی اصلی نقشه برداری فتوگرامتری تصاویر خام، تصاویر ارتو، مدل های رقومی سطح و ابر نقاط سه بعدی است که از کنار هم قرار گرفتن و پردازش صدها یا هزاران تصویر ایجاد شده‌اند. خروجی‌ها کاملا بصری هستند و رزولوشن آن‌ها حتی می‌تواند کمتر از ۱ سانتی‌متر باشد.

با توجه به این نکته، به نظر می‌رسد که فتوگرامتری در مواقعی مورد استفاده قرار می‌گیرد که ارزیابی بصری مورد نیاز است(مثلا در بازرسی ساختمان‌ها، مدیریت دارایی و کشاورزی). از سوی دیگر، لیدار ویژگی‌های خاصی دارد که به خاطر آن ویژگی‌ها، برای کاربردهای خاص، پراهمیت است.

پرتوهای لیزر به عنوان یک تکنولوژی سنجنده فعال می‌تواند در پوشش گیاهی نفوذ کند. لیدار می‌تواند از طریق فضای خالی بین شاخ و برگ درختان به زمین و عوارض زیر پوشش گیاهی برسد، بنابراین برای تولید مدل های رقومی سطح زمین کاربرد دارد.

همچنین لیدار برای مدلسازی عوارض باریک مانند خطوط برق یا برج‌های مخابراتی مفید است. چرا که فتوگرامتری ممکن است قادر به تشخیص عوارض باریک و عوارضی که به سختی مشاهده می‌شوند، نباشد. علاوه بر این، لیدار می‌تواند در شرایط نور کم و حتی شب هم کار کند. ابر نقاط فتوگرامتری بیشتر بصری هستند (یعنی هر پیکسل دارای مقادیر RGB است)، اما اغلب جزئیات کمی دارند؛ به همین دلیل هم برای مشاهده عوارضی که سطح دقت هندسی پایینی نیاز دارند، مناسب است، اما برای تفسیر بصری، تا حد زیادی خوب است.

دقت

بیایید از تعریف دقت شروع کنیم. در نقشه برداری، دقت همیشه دو بعد دارد: نسبی و مطلق. دقت نسبی، عبارت است از اینکه عوارض نسبت به هم در چه موقعیتی قرار گرفته‌اند. دقت مطلق به اختلاف بین موقعیت عوارض و موقعیت واقعی آنها روی زمین اشاره دارد(این مسئله علت اینکه چرا هر نقشه برداری دارای دقت نسبی بالا اما دقت مطلق پایینی است را بیان می‌کند).

لیدار یکی از دقیق‌ترین روش‌های نقشه برداری است، به‌ویژه برای لیزرهای زمینی که در آن‌ها سنجنده روی زمین قرار گرفته و محل دقیق آن با استفاده از روش های ژئودتیکی تعیین می‌شود. چنین تنظیماتی منتج به دقتی در سطح زیر سانتی‌متر می‌شود. از آنجایی که سنجنده لیدار در حال حرکت است، دستیابی به دقت بالا با لیدار هوایی سخت‌تر است. به همین دلیل، همیشه سنجنده های لیدار هوایی به یک IMU (واحد حرکت اینرسیایی) و گیرنده GNSS که اطلاعات موقعیت، چرخش و حرکت سکو را فراهم می‌کند، مجهز شده‌اند. همه این داده‌ها در فرآیند پرواز ترکیب می‌شوند تا دقت نسبی بالایی(در حدود ۱ تا ۳ سانتی‌متر) را ارائه دهند. برای دستیابی به دقت مطلق بالا، اضافه کردن یک تا دو نقطه کنترل زمینی(GCP) و چند نقطه چک با هدف ارزیابی نیاز است. در بعضی موارد که به دقت موقعیت یابی GNSS اضافی نیاز است، می‌توان از سیستم موقعیت یابی پیشرفته RTK/PPK UAV بهره گرفت.

همچنین، فتوگرامتری هم می‌تواند دستیابی به سطح دقت ۱ تا ۳ سانتی‌متر را ممکن کند. البته به شرط آنکه سخت‌افزار مناسب، پارامترهای پرواز و فرآیند پردازش داده را به درستی انتخاب کنیم. دستیابی به سطح دقت مطلق بالا، با استفاده از تکنولوژی RTK/PPK و GCP های اضافی و یا تنها با تعداد قابل توجهی GCP ممکن می‌شود. با این وجود، با استفاده از پهپاد DJI Phantom-class پانصد دلاری، و چندین GCP می‌توانید به دقت مطلق بین ۵ تا ۱۰ سانتی‌متر برای مناطق نقشه برداری کوچک دست یابید که این می‌تواند برای بیشتر مواقع مناسب باشد.

اخذ داده، پردازش و کارایی

تفاوت‌های قابل توجهی بین سرعت اخذ داده دو تکنولوژی شرح داده شده در بالا وجود دارد. در فتوگرامتری، یکی از پارامترهای حیاتی برای پردازش دقیق داده‌ها، پوشش مشترک بین دو عکس است که می‌بایست در حدود ۶۰ تا ۹۰ درصد (از کنار و از جلو) باشد که مقدار آن به ساختار سطح زمین و سخت‌افزار به کار گرفته شده بستگی دارد. نقشه برداری با لیدار معمولی تنها به ۲۰ تا ۳۰ درصد همپوشانی بین خطوط پرواز نیاز دارد که این موجب افزایش سرعت اخذ داده‌ها می‌شود.

علاوه بر این، برای داشتن دقت مطلق بالا در فتوگرامتری، نیازمند نقاط GCP بیشتری هستیم تا به سطح دقت لیدار برسیم. اندازه گیری نقاط GCP معمولا روش های نقشه برداری زمینی قدیم را نیاز دارد که به معنای زمان و هزینه اضافی است.

علاوه بر این، پردازش داده های لیدار بسیار سریع انجام می‌شود. داده‌های خام فقط چند دقیقه زمان نیاز دارند(بین ۵ تا ۳۰ دقیقه) تا فرآیند کالیبراسیون و تولید محصول نهایی را انجام دهند. در فتوگرامتری، بیشترین زمان کل فرآیند، صرف پردازش داده‌ها می‌شود. بنابراین، این فرآیند نیاز به کامپیوترهای قوی دارد که بتوانند پردازش حجم عظیم تصاویر را انجام دهند. پردازش داده‌ها به طور متوسط بین ۵ تا ۱۰ دقیقه بیشتر نسبت به اخذ داده‌ها در محل مورد مطالعه به طول می‌انجامد.

از سوی دیگر، برای بسیاری موارد از جمله برداشت خطوط برق، ابر نقاط لیدار نیاز به طبقه‌بندی‌های اضافی دارد که ممکن است بسیار کارآمد باشد و البته به نرم افزار های خاص (مانند Terrascan) نیاز است.

هزینه

وقتی به مجموعه هزینه‌های نقشه برداری با لیدار و فتوگرامتری نگاهی می‌اندازیم، چندین آیتم باید در نظر گرفته شود. اول از همه سخت‌افزارهاست. مجموعه پهپاد لیدار(شامل اسکنر، IMU و GNSS) بین ۵۰،۰۰۰ تا ۳۰۰،۰۰۰ دلار هزینه دارد. اما برای بیشتر موارد استفاده، گران‌ترین مدل محصول ترجیح داده می‌شود. هنگامی که بر روی چنین سنجنده‌ای سرمایه‌گذاری می‌کنید، شما به هیچ وجه نمی‌خواهید به طور تصادفی به آن آسیبی برسد. با این فرض، اکثر کاربران هزینه اضافی ۲۵،۰۰۰ تا ۵۰،۰۰۰ دلاری را برای خرید پهپاد مناسب صرف می‌کنند. همه اینها تا ۳۵۰،۰۰۰ دلار برای یک مجموعه نقشه برداری به تنهایی هزینه دارد(تقریبا به اندازه یک ۵x Telsa Model S).

در فتوگرامتری، همه آنچه که نیاز داریم، یک هواپیمای بدون سرنشین مجهز به دوربین است و این بسیار ارزان‌تر است. با هزینه‌ای بین ۲،۰۰۰ تا ۵،۰۰۰ دلار شما می‌توانید انتخاب گسترده‌ای از بین دستگاه‌های عمودپرواز حرفه‌ای مانند DJI Inspire داشته باشید. با هزینه‌ای در حدود ۵،۰۰۰ تا ۲۰،۰۰۰ دلار، می‌توانید مجموعه‌ای دارای RTK/PPK مانند DJI Matrice 600 آمریکایی و یا پهپادهای بال ثابت مانند Sensfly eBee و PrecisionHawk Lancaster تهیه کنید.

آیتم موثر دیگر در هزینه، نرم‌افزار پردازش است. در مورد لیدار، معمولا نرم‌افزار به صورت رایگان و به همراه سنجنده از کمپانی سازنده به مشتری تحویل داده می‌شود. با این حال، فرآیند پس پردازش، مانند طبقه‌بندی ابر نقاط، ممکن است نیاز به نرم‌افزار ۳rd party داشته باشد. این نرم‌افزار برای مثال می‌تواند Terrascan باشد که هزینه آن در حدود ۲۰،۰۰۰ تا ۳۰،۰۰۰ دلار در ازای یک لایسنس تکی است. قیمت نرم‌افزارهای فتوگرامتری نزدیک به ۲۰۰ دلار برای یک لایسنس در ماه است.

بدیهی است که یکی دیگر از عوامل مهم که هزینه خدمات را تحت تاثیر قرار می‌دهد، کار انجام شده و زمان است. در اینجا، لیدار مزایای قابل توجهی نسبت به فتوگرامتری دارد. زیرا نه تنها نیاز به زمان کمتری برای پردازش داده‌ها دارد، بلکه نیاز به GCP ندارد. به طور کلی بسته به مورد استفاده و پروژه، خدمات فتوگرامتری معمولا ارزان‌تر از لیدار هستند، صرفا به این دلیل که نیازی نیست سرمایه زیادی صرف سخت‌افزارهای مورد استفاده در فتوگرامتری شود. با این حال در برخی موارد، افزایش بهره‌وری که با لیدار می‌آید، می‌تواند هزینه‌های بالای آن را جبران کند.

نتیجه‌گیری

هنگام مقایسه لیدار و فتوگرامتری، این یک نکته کلیدی است که درک کنیم هر دو تکنولوژی دارای کاربردها و همچنین محدودیت‌های خاص خود هستند و در اکثر موارد استفاده‌هایشان مکمل هم است. هیچ یک از این تکنولوژی‌ها بهتر از دیگری نیست و هیچ یک از آنها تمام موارد استفاده را پوشش نمی‌دهد.

هنگام نقشه برداری ساختارهای باریک مانند خطوط برق یا برج‌های مخابراتی و همچنین برای نقشه برداری از مناطق زیر شاخ و برگ درختان، باید از لیدار استفاده کرد. اما فتوگرامتری بهترین گزینه برای برای پروژه‌هایی است که نیاز به اطلاعات بصری دارند، مانند بازرسی‌های ساختمانی، مدیریت دارایی، کشاورزی. برای بسیاری از پروژه‌ها، هر دو تکنولوژی می‌توانند اطلاعات ارزشمندی(مثلا معادن یا زمین شناسی) ارائه دهند و انتخاب روش بستگی به یک مورد خاص و همچنین زمان، بودجه و شرایط اخذ داده دارد.

اگر از این دو تکنولوژی درست استفاده شود، لیدار و و فتوگرامتری هر دو تکنولوژی‌های قدرتمندی هستند. واضح است که با کاهش قیمت سخت‌افزار و نرم‌افزار، این تکنولوژی‌ها بیشتر و بیشتر در دسترس خواهند بود. هر دو تکنولوژی هنوز در سال‌های اولیه خود هستند. در سال‌های بعد، بدون شک شاهد تغییرات بیشتر هستیم(به‌ویژه هنگامی که قیمت سخت‌افزار و اتوماسیون نرم‌افزار یادگیری ماشین کاهش می‌یابد). منتظر بمانید، ما تغییرات جدید را به شما اطلاع خواهیم داد