فتوگرامتری با پهپاد زنجیره‌ای از گام‌های پیوسته است که از برنامه‌ریزی پرواز آغاز می‌شود و به محصولات نقشه‌ای زمین‌مرجع می‌انجامد. در این روش، از تصاویر قائم دارای همپوشانی کافی، ساختار سه‌بعدی صحنه بازسازی می‌شود و موقعیت دوربین‌ها در هر لحظه‌ی ثبت به‌همراه مختصات عوارض زمینی به‌دست می‌آید. کیفیت خروجی بیش از آنکه به انتخاب نرم‌افزار وابسته باشد، به طراحی پوشش تصویری، کنترل زمینی و کیفیت داده‌های مرجع بستگی دارد. در این صفحه گام‌های فنی این خط خدمتی، از تعیین اندازه‌ی زمینی پیکسل و همپوشانی تا ابر نقطه متراکم، مدل‌های ارتفاعی، اورتوموزائیک و منحنی میزان تشریح می‌شود. نحوه‌ی بیان دقت به‌صورت جذر میانگین مربعات خطا و محدودیت‌های روش نیز به‌روشنی اعلام می‌گردد.
برنامه‌ریزی پرواز، اندازه‌ی زمینی پیکسل و همپوشانی
هر پروژه با پاسخ به یک پرسش فنی آغاز می‌شود: کوچک‌ترین عارضه‌ای که باید در محصول دیده شود چه اندازه است و دقت مکانی مورد انتظار کارفرما چه سطحی دارد. از این دو معیار، اندازه‌ی زمینی پیکسل یا GSD تعیین می‌شود و سپس با توجه به فاصله‌ی کانونی دوربین، اندازه‌ی پیکسل حسگر و ارتفاع پرواز، ارتفاع مأموریت محاسبه می‌گردد. کاهش ارتفاع پرواز به GSD ریزتر می‌انجامد، اما پوشش هر فریم را کوچک‌تر و شمار تصاویر لازم را بیشتر می‌کند.
همپوشانی طولی میان تصاویر متوالی یک نوار پرواز و همپوشانی عرضی میان نوارهای مجاور، شرط اصلی انطباق خودکار تصاویر و بازسازی صحیح است. مقدار این همپوشانی ثابت نیست؛ در محدوده‌های ناهموار، شهری و پوشش‌های گیاهی بلند، همپوشانی بیشتری لازم است تا اثر جابه‌جایی عوارض و پنهان‌ماندگی جبران شود. برنامه‌ریزی مسیرها با در نظر گرفتن زاویه‌ی خورشید، جهت و سرعت باد، فاصله‌ی ایمنی از موانع و ظرفیت پرواز انجام می‌شود.
محدوده‌های بزرگ به چند بلوک پروازی تقسیم می‌شوند تا در هر بلوک شرایط نوری و ارتفاع یکنواخت بماند. برداشت مایل و انتخاب زاویه‌ی دوربین نیز هنگامی به کار می‌آید که نمای دیواره‌ها و بدنه‌ی ساختمان‌ها نیز بخشی از محصول باشد.
- تعیین GSD از روی کوچک‌ترین عارضه‌ی هدف و دقت مورد نیاز، نه از روی ارتفاع ممکن پرواز.
- افزایش همپوشانی طولی و عرضی در محدوده‌های شهری و پوشیده از گیاه.
- تقسیم محدوده به بلوک‌های نوری و ارتفاعی یکنواخت و ثبت شرایط نور و باد هر بلوک.
- بررسی پوشش کامل مرزها و حاشیه‌ها، از جمله نوار حفاظتی بیرون محدوده‌ی قرارداد.
کنترل زمینی و روش‌های RTK و PPK
مدل بازسازی‌شده تا زمانی که به مختصات واقعی گره نخورد، تنها یک ساختار نسبی است. برای انطباق با زمین، نقاط کنترل زمینی در محدوده‌ی پروژه انتخاب، نشانه‌گذاری و با گیرنده‌های دقیق ماهواره‌ای اندازه‌گیری می‌شوند. توزیع این نقاط باید پراکنده و متوازن باشد و مرزها و میانه‌ی محدوده را در بر بگیرد؛ تمرکز همه‌ی نقاط در یک بخش، خطای سیستماتیک در بخش‌های دور از کنترل ایجاد می‌کند.
در روش RTK، موقعیت‌یابی نسبت به یک ایستگاه مبنای فعال در زمان پرواز انجام می‌شود و در روش PPK، داده‌ی حامل‌ی‌شده‌ی گیرنده‌ی روی پهپاد پس از پرواز و نسبت به ایستگاه مبنا پردازش می‌گردد. این دو روش مختصات مرکز هر تصویر را ثبت می‌کنند و از این رو می‌توانند شمار نقاط کنترل زمینی لازم را کاهش دهند؛ با این حال، نگه‌داشتن چند نقطه‌ی کنترل مستقل برای ارزیابی دقت محصول توصیه می‌شود.
این نقاط ارزیابی، که معمولاً نقاط بررسی نامیده می‌شوند، در فرایند تنظیم مشارکت داده نمی‌شوند و تنها برای سنجش مستقل دقت‌ی نهایی به کار می‌روند. مستندسازی سامانه‌ی مختصات، مبنا و روش اندازه‌گیری نقاط کنترل بخشی از خروجی هر پروژه است.
مثلث‌بندی هوایی و تنظیم دسته‌ای
در گام مثلث‌بندی هوایی، نقاط متناظر میان تصاویر همپوشان به‌صورت خودکار شناسایی می‌شوند و مجموعه‌ای از نقاط گره‌ای یا اتصال شکل می‌گیرد. بر پایه‌ی این نقاط، موقعیت و وضعیت هر تصویر در یک چارچوب مشترک برآورد می‌گردد. تنظیم دسته‌ای، که معمولاً با روش‌های خطی‌سازی کمترین مربعات اجرا می‌شود، پارامترهای دوربین را چنان تعیین می‌کند که خطای بازتاب نقاط تصویری در فضای زمین کمینه شود.
در این مرحله، پارامترهای درونی دوربین شامل فاصله‌ی کانونی و ضرایب اعوجاج نیز با خودتنظیمی برآورد می‌شوند تا اثر اعوجاج عدسی در مدل جبران گردد. روش‌های برآورد مقاوم مانند نمونه‌گیری هم‌رأی برای حذف نقاط اشتباه و پرت به کار می‌رود؛ زیرا یک نقطه‌ی متناظر نادرست می‌تواند کل شبکه را منحرف کند.
پس از این گام، با معرفی نقاط کنترل زمینی، شبکه‌ی نسبی به مختصات مطلق منتقل می‌شود. بررسی باقی‌مانده‌ها در این مرحله نشان می‌دهد که آیا خطایی سیستماتیک در داده‌ی کنترل یا در هندسه‌ی پوشش تصویری وجود دارد یا نه.
بازسازی ساختار از حرکت و ابر نقطه متراکم
روش ساختار از حرکت با استفاده از هندسه‌ی چندنمای همان تصاویر، ابر نقطه‌ای تنک از نقاط گره‌ای تولید می‌کند که ساختار کلی صحنه را نشان می‌دهد. این ابر نقطه برای نمایش هندسه کافی است، اما برای مدل‌سازی سطح و اندازه‌گیری دقیق چگالی لازم را ندارد. در گام بعد، الگوریتم‌های تطبیق متراکم بر پایه‌ی نقشه‌ی عمق هر تصویر، ابر نقطه‌ای متراکم و رنگ‌دار تولید می‌کنند که جزئیات سطح زمین را بازنمایی می‌کند.
ابرشمار بودن نقطه‌ها نیازمند پاک‌سازی است: حذف نقاط پرت، محدودکردن ابر به محدوده‌ی قرارداد، و در صورت نیاز دسته‌بندی خودکار نقاط به زمینی و غیرزمینی. کیفیت ابر نقطه به طور مستقیم بر کیفیت مدل‌های ارتفاعی و اورتوموزائیک اثر می‌گذارد و بنابراین گزارش چگالی و روش پاک‌سازی بخشی از مستندات فنی است.
- ابرم نقطه‌ای تنک از مثلث‌بندی، برای کنترل هندسه و بررسی پوشش.
- ابر نقطه‌ای متراکم رنگ‌دار، برای مدل‌سازی سطح و اندازه‌گیری.
- دسته‌بندی خودکار نقاط زمینی و غیرزمینی، پیش‌نیاز تولید مدل زمین.
- برش ابر نقطه به محدوده‌ی پروژه و تولید محصول در قالب‌های نقطه‌ای استاندارد.
مدل‌های ارتفاعی: سطح، زمین و ارتفاع پوشش
از ابر نقطه‌ای متراکم، مدل رقومی سطح به‌دست می‌آید که سطح آشکار زمین را همراه با ساختمان‌ها، درختان و دیگر عوارض بازنمایی می‌کند. مدل رقومی زمین با حذف عوارض غیرزمینی از همان ابر نقطه ساخته می‌شود و تنها پیکربندی طبیعی زمین را نشان می‌دهد. تفاضل این دو مدل، مدل ارتفاعی پوشش گیاهی و عوارض را می‌سازد که برای برآورد ارتفاع تاج درختان و حجم پوشش کاربرد دارد.
ساخت مدل زمین به روش‌های پالایش و دسته‌بندی نقاط وابسته است و کیفیت آن در محدوده‌های با پوشش گیاهی متراکم کاهش می‌یابد، زیرا سطح زمین در زیر تاج‌ها به‌طور مستقیم دیده نمی‌شود. در چنین جاهایی باقی‌مانده‌ی سطح زمین برآوردی است و باید در گزارش محصول به‌عنوان محدودیت ذکر گردد.
مدل‌ها معمولاً به شکل رستر با تفکیک مکانی قابل انتخاب یا به شکل شبکه‌ی مثلثی نامنظم تحویل می‌شوند. انتخاب تفکیک مدل باید با GSD تصاویر و با مقیاس کاربرد کارفرما هم‌خوان باشد؛ تفکیک ریزتر از داده‌ی مبنا، دقت واقعی را افزایش نمی‌دهد.
اورتوموزائیک، منحنی میزان و خط شکست
اورتوموزائیک حاصل تصحیح هندسی هر تصویر با مدل ارتفاعی و سپس هم‌جوش کردن آن‌ها در یک تصویر پیوسته است. در این فرایند، جابه‌جایی ناشی از ارتفاع عوارض و انحراف دوربین از قائم اصلاح می‌شود تا تصویر خروجی ویژگی مقیاس‌پذیری نقشه‌ای پیدا کند. هم‌جوشی با انتخاب خط‌های دوخت مناسب و یکسان‌سازی رنگ میان تصاویر انجام می‌شود و خروجی معمولاً در قالب GeoTIFF و برای انتشار در قالب COG تحویل می‌گردد.
از مدل رقومی زمین، منحنی‌های میزان با فاصله‌ی ارتفاعی متناسب با مقیاس نقشه و با هموارسازی کنترل‌شده استخراج می‌شوند. خط شکست برای نگه‌داشتن لبه‌های طبیعی و ساخت‌ها، مانند محور راه، کناره‌ی جویبار و لبه‌ی تراس، در مدل ثبت می‌شود تا سطح میان آن‌ها به‌درستی درون‌یابی گردد.
خروجی‌های برداری شامل منحنی‌های میزان، خط شکست، مرز قطعات و لایه‌های توپوگرافی در قالب‌های تبادلی مانند Shapefile و DXF و همراه با جدول توصیفی تهیه می‌شوند تا در سامانه‌های اطلاعات مکانی کارفرما قابل استفاده باشند.
دقت، ارزیابی مستقل و محدودیت‌های روش
دقت محصول به‌صورت جذر میانگین مربعات خطا و بر حسب واحد GSD بیان می‌شود تا معیاری قابل مقایسه و بی‌ارتباط با مقیاس پروژه باشد. خطای افقی و خطای ارتفاعی جداگانه محاسبه و نسبت آن‌ها به GSD گزارش می‌گردد. این ارزیابی بر پایه‌ی نقاط بررسی مستقل انجام می‌شود که در تنظیم شبکه مشارکت نداشته‌اند؛ استفاده از خود نقاط کنترل برای سنجش دقت، نتیجه‌ای خوش‌بینانه می‌دهد.
روش فتوگرامتری محدودیت‌های شناخته‌شده‌ای دارد که باید پیش از پروژه روشن شود. سایه‌ها و انسداد عوارض، بخش‌هایی از زمین را از دید دوربین پنهان می‌کنند و در آن‌ها ارتفاع برآوردی است. پوشش گیاهی متراکم هم بازسازی سطح زمین و هم تطبیق تصاویر را دشوار می‌کند.
سطوح آب، شیشه و فلزهای صیقلی به‌دلیل بازتاب آینه‌ای و نبود بافت قابل اتکا، در بازسازی نقطه‌ای ضعیف عمل می‌کنند؛ عوارض متحرک نیز به‌شکل کشیدگی در مدل ظاهر می‌شوند. این موارد در گزارش محصول، همراه با فراداده‌ی پرواز و سامانه‌ی مختصات، ثبت می‌گردند.
- محاسبه‌ی جداگانه‌ی خطای افقی و ارتفاعی بر حسب GSD.
- ارزیابی با نقاط بررسی مستقل و خارج از فرایند تنظیم.
- اعلام صریح محدودیت‌های آب، شیشه، پوشش گیاهی متراکم و عوارض متحرک.
- ثبت فراداده‌ی پرواز، مرجع مکانی و روش پردازش همراه هر محصول.
جمع‌بندی
فتوگرامتری با پهپاد زمانی به نتیجه‌ی قابل اتکا می‌رسد که همه‌ی گام‌ها به‌صورت یک زنجیره طراحی شوند: از تعیین GSD و همپوشانی، از طریق کنترل زمینی و مثلث‌بندی هوایی، تا ابر نقطه، مدل ارتفاعی و اورتوموزائیک. ضعف در هر حلقه به حلقه‌های بعدی منتقل می‌شود و جبران آن در انتهای کار هزینه‌بر است.
خروجی این خط خدمتی مجموعه‌ای از محصولات زمین‌مرجع با دقت مستند است: ابر نقطه‌ای، مدل‌های سطح و زمین و پوشش، اورتوموزائیک، منحنی میزان، خط شکست و لایه‌های برداری توپوگرافی. هر محصول همراه با فراداده و گزارش روش تحویل می‌شود تا کارفرما بتواند تناسب داده با کاربرد خود را بسنجد.
برای شروع یک سفارش کافی است محدوده‌ی پروژه، کوچک‌ترین عارضه‌ی هدف، دقت مکانی مورد نیاز و شکل محصول نهایی مشخص شود؛ بر همین پایه می‌توان ارتفاع پرواز، پوشش تصویری، طرح کنترل زمینی و فهرست تحویل را تدوین کرد.