لیدار یا فتوگرامتری

لیدار یا فتوگرامتری؟ همه آنچه که باید بدانید!

با پیشرفت های 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 شباهت های زیاد، تفاوت هایی ظریفی با هم دارند. بنابراین، دانستن این مطالب که آنها محصولات متفاوتی تولید می کنند و در شرایط مختلفی داده اخذ می کنند و مهمتر از همه، برای اهداف مختلفی استفاده می شوند، امری ضروری است.

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

این دو تکنولوژی چطور کار می کنند؟

بیایید از ابتدا شروع کنیم و نگاهی دقیق تر 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 می شوند و زمان رفت و برگشت نور اندازه گیری 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 می کند. در مقابل، فتوگرامتری یک تکنولوژی غیرفعال است که بر اساس تصاویر دو بعدی منتقل شده به فضای مدل سه بعدی کار می کند. در واقع این تکنولوژی از اصول ویدئوهای سه بعدی و یا چشم انسان هنگام دید سه بعدی و درک عمق اشیا پیروی می کند و به کاربر اجازه می­دهد اشیا را به صورت سه بعدی مشاهده و اندازه­گیری کند. از محدودیت های فتوگرامتری این است که تنها می­تواند نقاط را بر اساس مقدار نوری که سنسور دوربین می­تواند تشخیص دهد، تولید کند.

به طور خلاصه، لیدار از لیزر برای اندازه­گیری استفاده می­کند. در حالی که فتوگرامتری، اندازه گیری ها را بر مبنای تصاویر اخذشده ای که پردازش و ترکیب می شوند، انجام می دهد.

خروجی­ های دو تکنولوژی لیدار و فتوگرامتری

محصول اصلی نقشه برداری با لیدار یک ابر نقطه سه بعدی است. تراکم ابر نقطه به ویژگی های 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 می باشد.

همچنین، مهم است بدانید که سنجنده لیدار نمونه برداری موقعیت را بدون برداشت تصویر RGB انجام می دهد و یک مجموعه داده تک رنگ ایجاد می­کند. این موضوع در مواقع تفسیر، می­تواند چالش­برانگیز باشد. در چنین مواقعی برای آنکه خروجی ها معنی دار تر شوند، معمولا داده با استفاده از ترکیب رنگی کاذب بر اساس ارتفاع و یا بازتاب عارضه به صورت بصری قابل مشاهده می شود.

می توان برای ترکیب رنگی داده های لیدار در فرآیند پس پردازش، آن ها را با تصاویر یا داده هایی از منابع دیگر ترکیب کرد اما این خود به پیچیدگی فرآیند پردازش می افزاید. همچنین، رنگ ها می توانند بر اساس طبقه بندی اضافه شوند. (طبقه بندی هر نقطه به یک نوع یا گروه از عوارض، برای مثال درختان، ساختمان ها، ماشین ها، زمین و سیم های برق).

در سوی دیگر، فتوگرامتری می تواند 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 آسان تر نسبت به نتایج لیدار می شود. 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 شده اند. خروجی ها کاملا بصری هستند و رزولوشن آن ها حتی می تواند کمتر از ۱ سانتی متر باشد.

با توجه به این نکته، به نظر می رسد که فتوگرامتری، تکنولوژی است که موارد استفاده آن در جاهایی است که ارزیابی بصری مورد نیاز است. (مثلا در بازرسی ساختمان ها، مدیریت دارایی و کشاورزی). از سوی دیگر، لیدار ویژگی های خاصی دارد که به خاطر آن ویژگی ها، برای کاربردهای خاص، پراهمیت می باشد.

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

همچنین لیدار برای مدلسازی عوارض باریک مانند خطوط برق یا برج های مخابراتی مفید است. چرا که فتوگرامتری ممکن است قادر به تشخیص عوارض باریک و عوارضی که به سختی مشاهده می شوند، نباشد. علاوه بر این، لیدار می تواند 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 دارای جزئیات کمی هستند. 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 گرفته اند. 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 می کند).

لیدار یکی از دقیق ترین روش های نقشه برداری است. به ویژه برای لیزرهای زمینی که در آن ها سنجنده روی زمین قرار گرفته و محل دقیق آن با استفاده از روشهای ژئودتیکی تعیین می شود. چنین تنظیماتی منتج به دقتی در سطح زیر سانتی متر می شود. از آنجایی که سنجنده لیدار در حال حرکت است، دستیابی به دقت بالا با لیدار هوایی سخت تر 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 می کند، مجهز شده اند. همه این داده ها در فرآیند پرواز ترکیب می شوند تا دقت نسبی بالایی (در حدود ۱ تا ۳ سانتی متر) 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، می توان از سیستم موقعیت یابی پیشرفته RTK/PPK UAV بهره گرفت.

همچنین، فتوگرامتری هم می تواند دستیابی به سطح دقت ۱ تا ۳ سانتی متر را ممکن کند. البته به شرط آنکه سخت افزار 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 می شود. با این وجود، با استفاده از پهپاد DJI Phantom-class پانصد دلاری، و چندین GCP می توانید به دقت مطلق بین ۵ تا ۱۰ سانتی متر برای مناطق نقشه برداری کوچک دست یابید که این می تواند برای بیشتر مواقع مناسب باشد.

اخذ داده، پردازش و کارایی

تفاوت های قابل توجهی بین سرعت اخذ داده دو تکنولوژی شرح داده شده در بالاوجود دارد. در فتوگرامتری، یکی از پارامترهای حیاتی برای پردازش دقیق داده ها، پوشش مشترک بین دو عکس است که می بایست در حدود ۶۰ تا ۹۰ درصد (از کنار و از جلو) باشد که مقدار آن به ساختار سطح زمین و سخت افزار 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 داده ها می شود.

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 است. داده های 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 داده ها می شود. بنابراین، این فرآیند نیاز به کامپیوترهای قوی دارد که بتوانند پردازش حجم عظیم تصاویر را انجام دهند. پردازش داده ها به طور متوسط بین ۵ تا ۱۰ دقیقه بیشتر نسبت به اخذ داده ها در محل مورد مطالعه به طول می انجامد.

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

هزینه

وقتی به مجموعه هزینه های نقشه برداری با لیدار و فتوگرامتری نگاهی می اندازیم، چندین آیتم باید در نظر گرفته شود. اول از همه سخت افزارهاست. 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 می شود. هنگامی که شما بر روی چنین سنجنده ای سرمایه گذاری می کنید، شما به هیچ وجه نمی خواهید تصادفی به آن آسیبی برسد. با این فرض، اکثر کاربران هزینه اضافی ۲۵،۰۰۰ تا ۵۰،۰۰۰ دلاری را برای خرید پهپاد مناسب صرف می کنند. 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 ارزان تر است. با هزینه ای بین ۲،۰۰۰ تا ۵،۰۰۰ دلار شما می توانید انتخاب گسترده ای از بین دستگاههای عمودپرواز حرفه ای مانند DJI Inspire داشته باشید. با هزینه ای در حدود ۵،۰۰۰ تا ۲۰،۰۰۰ دلار، می توانید مجموعه ای  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، نرم افزار پردازش است. در مورد لیدار، معمولا نرم افزار به صورت رایگان و به همراه سنجنده از کمپانی سازنده به مشتری تحویل داده می شود. با این حال، فرآیند پس پردازش، مانند طبقه بندی ابر نقاط، ممکن است نیاز به نرم افزار ۳rd party داشته باشد. این نرم افزار برای مثال می تواند Terrascan باشد. که هزینه آن در حدود ۲۰،۰۰۰ تا ۳۰،۰۰۰ دلار در ازای یک لایسنس تکی است. قیمت نرم افزارهای 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 می دهد، 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 داده ها دارد، بلکه نیاز به GCP ندارد. به طور کلی بستگی به مورد استفاده و پروژه، خدمات فتوگرامتری معمولا ارزان تر از لیدار هستند، صرفا به این دلیل که نیازی نیست سرمایه زیادی صرف سخت افزارهای مورد استفاده در فتوگرامتری شود. با این حال در برخی موارد، افزایش بهره وری که با لیدار می آید، می تواند هزینه های بالای آن را جبران کند.

نتیجه گیری

هنگام مقایسه لیدار و فتوگرامتری، این یک نکته کلیدی است که درک کنیم هر دو تکنولوژی دارای کاربردها و همچنین محدودیت های خاص خود هستند و در اکثر موارد استفاده هایشان مکمل هم است. هیچ یک از این تکنولوژی ها بهتر از دیگری نیست و هیچ یک از آنها تمام موارد استفاده را پوشش نمی دهد.

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 پروژه هایی است که نیاز به اطلاعات بصری دارند، مانند بازرسی های ساختمانی، مدیریت دارایی، کشاورزی. برای بسیاری از پروژه ها، هر دو تکنولوژی می توانند 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 تکنولوژی های قدرتمندی هستند. واضح است که با کاهش قیمت سخت افزار و نرم افزار، این تکنولوژی ها بیشتر و بیشتر در دسترس خواهند بود. هر دو تکنولوژی هنوز در روزهای اولیه خود هستند. در سال های بعد، بدون شک شاهد تغییرات بیشتر هستیم (به ویژه هنگامی که قیمت سخت افزار و اتوماسیون نرم افزار یادگیری ماشین کاهش می یابد). منتظر بمانید. ما به شما تغییرات جدید را اطلاع خواهیم داد.