۳ راه حل برای تولید DEM یا مدل رقومی ارتفاعی زمین بوسیله پهپاد

یکی از محصولات با ارزشی که با استفاده از سامانه پهپاد فتوگرامتری می توان تهیه کرد DEM یا مدل رقومی ارتفاعی زمین است. اصولا یکی از داده های مناسبی که جهت آنالیزهای مختلف در محیط های سه بعدی استفاده می شود، مدل رقومی ارتفاعی زمین است.

مدل رقومی ارتفاعی سطح زمین (DSM)

بطور کلی در مدلسازی سطح زمین با استفاده از سامانه های تصویربرداری هوایی (فتوگرامتری هوایی و یا پهپاد فتوگرامتری) تمامی عوارض موجود بر روی زمین مدلسازی شده و در حالت سه بعدی نمایش داده می شوند.

معمولا پس از مدلسازی یک سطح، اولین داده ای که بدست می آید مدل رقومی سطح زمین یا Digital Surface Model که به اختصار آن را DSM می نامند، می باشد.

منظور از مدل رقومی سطح زمین، مدلسازی سه بعدی سطح زمین به گونه ای که تمامی عوارض موجود بر روی آن (مصنوعی و غیر مصنوعی) در مدل تولید شده وجود داشته باشد، می باشد. به عبارتی دیگر در DSM شاهد یک داده رقومی هستیم که عوارضی همچون ساختمان ها، درختان و پوشش های گیاهی، سطح زمین و … در آن وجود دارد.

مدل رقومی ارتفاعی زمین (DEM)

اما بطور معمول یکی از داده هایی که در برداشت زمینی به شدت مد نظر می باشد، مدل رقومی ارتفاعی زمین یا DEM است. منظور از Digital Elevation Model یا Digital Terrain Mode که همان (DTM) است، مدلسازی سطح زمین بدون درنظر گرفتن عوارض مصنوعی است. یعنی در DEM فقط داده های مربوط به زمین طبیعی وجود دارد.

نکته ای که در بحث نقشه برداری با پهپاد وجود دارد این است که هنگام پردازش تصاویر پهپاد، همه عوارض موجود بر روی سطح زمین مدلسازی شده و شاهد مدلی هستیم که شامل عوارض مصنوعی و غیرمصنوعی است. حال نکته اینجاست که برای تولید مدل رقومی ارتفاعی زمین از داده های پهپاد فتوگرامتری چه باید کرد؟!

در این مطلب از سری آموزش های نقشه برداری با پهپاد، به ارائه سه راه حل جهت تولید DEM از داده های پهپاد فتوگرامتری پرداخته می شود.

تولید DEM یا مدل رقومی ارتفاعی زمین از داده های پهپاد فتوگرامتری

همانطور که بیان شد پس از پردازش اتوماتیک تصاویر پهپاد، تمامی عوارض موجود بر روی سطح زمین بصورت یک مدل یکپارچه مدلسازی می شوند. اما چگونه می توان با روش های مختلف که در نرم افزار قدرتمند متاشیپ (AgiSoft Metashape) وجود دارد، این عوارض مصنوعی را حذف و فقط داده های مربوط به سطح زمین را باقی گذاشت؟!

معمولا برای رسیدن به DEM باید ابر نقاط متراکم ایجاد شود. پس از تولید ابرنقاط متراکم می بایست نقاط مربوط به عوارض مصنوعی از مابقی نقاط جدا شده و تنها نقاط مربوط به زمین باقی بماند. این امر بدلیل آنکه تعداد نقاط بسیار بسیار زیاد است بصورت دستی و چشمی امکان پذیر نیست. به همین دلیل می بایست روش و یا الگوریتمی را اتخاذ نمود تا بتوان عمل فیلترینگ ابر نقاط که به آن دسته بندی یا Classification گفته می شود را با دقت و سرعت بالا انجام داد.

روش های دسته بندی ابر نقاط

• دسته بندی اتوماتیک ابرنقاط برحسب تغییرات ارتفاعی

همانطور که می دانیم تغییرات شیب زمین تغییرات ملایمی است و به ندرت می توان قسمتی از سطح طبیعی زمین را یافت که شیب غیریکنواخت و غیرنرمالی داشته باشد. از همین یکنواخت بودن تغییرات شیب سطح زمین می توان برای جدا نمودن برخی از عوارض مصنوعی استفاده کرد. بدین ترتیب که اگر شیب بین دو نقطه ای از میزان تغییرات شیبی که ما تعریف می کنیم بیشتر شد، آن نقاط را به عنوان نقاط کاندیدا برای حذف شدن در نظر می گیرد.

از عوارض غیرطبیعی که با استفاده از این روش می توان آنها را حذف نمود، ساختمان ها، خودروها، دپوهای دستی، درختان و پوشش های گیاهی بلند، تیرهای برق و دیگر عوارضی از این نوع می باشند. پس در جایی که تغییرات شیب غیرطبیعی باشد و تغییرات ارتفاعی ناگهانی (مثل ساختمان ها) داشته باشیم، می توانیم آن نقاط را به عنوان کاندیداهایی برای حذف شدن از نقاط زمینی درنظر بگیریم.

نقاط سفید رنگ مربوط به نقاط ساختمان و عوارض مصنوعی با تغییرات شیب زیاد می باشد.

• دسته بندی اتوماتیک ابرنقاط برحسب رنگ

یکی از روش های بسیار کارآمد برای حذف عوارض مصنوعی و دسته بندی ابرنقاط، تفکیک نقاط برحسب رنگ آنهاست. بدین صورت که با استفاده از ابزارهایی که در نرم افزار متاشیپ (فتواسکن) وجود دارد، می توانید یک رنگ را به دلخواه درنظر بگیرید و تمامی نقاطی که همرنگ و یا شباهت زیادی از نظر رنگی با رنگ مذکور را دارند انتخاب شده و در دسته ای که مد نظر است قرار داده شوند.

پس برای مثال می توان با کلیک بر روی نقاط مربوط به پوشش های گیاهی، نمونه رنگی را از آنها انتخاب نمود. سپس از نرم افزار درخواست شود تا تمامی نقاطی که همرنگ و یا شبیه به این رنگ می باشند را انتخاب کرده و در دسته پوشش های گیاهی قرار داد.

نقاط سبز رنگ مربوط به پوشش گیاهی است.

• دسته بندی دستی (انتخابی)

معمولا روش های اتوماتیک انتخاب ابر نقاط همیشه نمی توانند بصورت دقیق تمامی نقاط مربوط به عوارض مختلف را از یکدیگر تفکیک کنند. در برخی موارد نقاطی را زیادتر از حد انتظار انتخاب کرده و یا در موارد دیگر نقاط مورد نظر ما را به دلایل مختلف نمی تواند انتخاب و دسته بندی کند.

به همین دلیل می بایست یک روش دستی نیز وجود داشته باشد تا اپراتور با توجه به دقت و هوشیاری خود بتواند نقاط را به دسته ای اضافه کند و یا از دسته اشتباهی به دسته صحیح خود بازگرداند. البته لازم به ذکر است که روش دستی به عنوان مکمل روش های اتوماتیک باید در نظر گرفته شود.

قسمت صورتی رنگ مربوط به نقاط انتخاب شده بصورت دستی است.

تولید DEM از ابرنقاط

نکته ای که در اینجا بیان آن حائز اهمیت است این است که در دسته بندی ابر نقاط، ما فقط به دنبال آن هستیم که نقاط “زمینی” را از”غیر زمینی” جدا کنیم. پس اگر برای مثال نقاط مربوط به پوشش گیاهی در دسته ساختمان قرار بگیرند ایرادی از نظر نرم افزاری بوجود نمی آید.

پس زمانی که نقاط غیر زمینی جدا شدند و فقط نقاط مربوط به زمین باقی ماندند، می توان با ابزارهای موجود در نرم افزار فتواسکن، مدل رقومی سطح زمین یا DEM را از نقاط مربوط به دسته زمین ایجاد نمود.

جمع بندی:

با توجه به موارد فوق به راحتی می توان از داده های تولید شده توسط پهپاد فتوگرامتری، مدل رقومی ارتفاعی زمین را تولید نمود. برای این امر کافیست که نقاط زمینی از نقاط غیر زمینی تفکیک شوند.

یکی از بهترین نرم افزارهایی که می تواند دسته بندی ابرنقاط را به خوبی انجام دهد نرم افزار AgiSoft Metashape (PhotoScan) است که از هر سه روش توضیح داده شده در بالا استفاده می نماید.

لازم به ذکر است که نرم افزار پردازش تصاویر Pix4d تفکیک ابرنقاط را به صورت اتوماتیک و بدون دخالت عامل انسانی (اپراتور) انجام می دهد که این امر باعث بروز خطاهای بسیاری در تفکیک ابرنقاط می شود.