GSD و GRD چیست؟ تفاوت و فرمول محاسبه

طبق دستورالعمل‌های سازمان نقشه‌برداری، برای بدست آوردن وضوح تصویر در نقشه‌های مختلف از دو عامل GSD و GRD استفاده می‌شود. در این مطلب به معرفی و نحوه‌ی محاسبه و مقایسه GSD و GRD می‌پردازیم.

GSD چیست

کلمه GSD مخفف عبارت Ground Sample Distance یا فاصله نمونه‌برداری زمینی است. این عبارت به فاصله‌ی بین دو مرکز پیکسل متوالی بر روی زمین اشاره دارد. به عبارت ساده، GSD به اندازه‌ی هر پیکسل تصویر ارتو بر روی زمین اشاره می‌کند. به عنوان مثال، وقتی می‌گوییم GSD یک تصویر 2 سانتی‌متر است، یعنی هر پیکسل تصویر ارتو به اندازه 2×2 سانتی‌متر بر روی زمین است.

هر چه ابعاد GSD بزرگتر باشد، وضوح تصویر کمتر و جزییات محدودتری قابل مشاهده است. GSD رابطه مستقیمی با ارتفاع پرواز دارد، بطوری‌که برای یک دوربین هر چه ارتفاع پرواز بیشتر باشد، مقدار GSD نیز بزرگتر خواهد شد.

آیا زمانی که GSD یک تصویر را 2 سانتی‌متر در نظر می‌گیریم، می‌توان یک عارضه‌ی 2 سانتی‌متری بر روی زمین را تشخیص داد؟

پاسخ طبیعتاً خیر است؛ زیرا علاوه بر عوامل فیزیکی، عوامل دیگری نیز وجود دارند که باعث کاهش کیفیت تصویر می‌شوند، مانند:

– کشیدگی تصویر
– کیفیت پایین عدسی
– عدم شفافیت هوا
– تفرق نور و …

نکته‌ای که در GSD باید مورد توجه قرار گیرد این است که با وجود ارتفاع ثابت پرواز، تصاویر یک پروژه ممکن است دارای یک GSD نباشند.

این اتفاق به دلیل تغییر ارتفاع زمین و تغییر زاویه دوربین در هنگام تصویربرداری بوجود می‌آید. به همین دلیل، در هنگام پردازش و تهیه ابرنقاط، GSD متوسط یا میانگین، محاسبه و در نظر گرفته می‌شود.

نحوه محاسبه GSD:

GSD رابطه‌ی مستقیمی با ارتفاع پرواز دارد؛ به این معنی که هرچه ارتفاع پرواز بیشتر باشد، GSD نیز بزرگتر می‌شود. پس طبیعتاً فرمول محاسبه GSD به این شکل است:

اندازه پیکسل بر روی سنسور × فاصله اصلی / ارتفاع پرواز = GSD

یا به عبارت دیگر با استفاده از تصویر زیر، فرمول ما این خواهد شد:

F_R (mm) / H (m) = pixel pitch (mm) / GSD (m).l

در این فرمول، FR فاصله کانونی، H ارتفاع پرواز و Pixel Pitch ابعاد هر پیکسل بر روی سنسور دوربین است.

برای محاسبه میزان پوشش هر تصویر بر روی زمین نیز از تناسب زیر می‌توان استفاده نمود:

F_R (mm) / H (m) =  S_w / D_w

که در آن Sw اندازه طول یا عرض سنسور بر حسب میلیمتر است و Dw اندازه طول یا عرض سنسور بر روی زمین بر حسب متر است.

با توجه به توضیحات بالا، ذکر این نکته ضروری است که هر چقدر ابعاد Ground Sample Distance کوچک‌تر باشد، قدرت تفکیک مکانی بالاتر می‌رود.

اما این امر همیشه باعث افزایش دقت تهیه نقشه نمی‌شود؛ زیرا با کاهش pixel pitch، اندازه هر پیکسل سنسور کوچکتر می‌شود و این باعث می‌شود تا در دوربین‌های ضعیف، سنسور نتواند نور را به اندازه کافی جذب کند و در نتیجه باعث کاهش قدرت تفکیک طیفی می‌گردد.

کاهش قدرت تفکیک طیفی، در تعبیری ساده، باعث کاهش کیفیت تصاویر و در نهایت باعث تقلیل دقت تولید ارتوفتو (عکس نقشه) می‌شود.

کاهش کیفیت و دقت ارتوفتو باعث می‌شود که عامل کارتوگراف نتواند لبه‌های ساختمان‌ها و دیگر عوارض را به خوبی تشخیص داده و آنها را ترسیم نماید.

پس ضروری است که در پروژه‌های نقشه برداری هوایی جهت حفظ کیفیت ارتوفتو، ارتفاع پرواز مناسبی با توجه به سنسور دوربین مورد استفاده در نظر گرفته شود.

GRD چیست

GRD مخفف عبارت Ground Resolved Distance یا همان وضوح تصویر یا به عبارتی دیگر قدرت تفکیک زمینی یا مکانی ما است.

GRD ابعاد یک آبجکت بر روی زمین  یا به عبارتی دیگر مسافتی که می‌توان یک آبجکت را بر روی زمین تشخیص داد را مشخص می‌کند. به این معنی که اگر برای مثال GRD ما 3 سانتی‌متر باشد، می‌توانیم عوارض 3 سانتی‌متری روی زمین را به راحتی تفکیک کنیم.

در انتهای همین مطلب نحوه محاسبه ی GRD پرواز طبق دستورالعمل سازمان نقشه برداری را توضیح می دهیم.

نسبت و مقایسه GSD و GRD

در تئوری اگر برای مثال GSD ما 2 سانتی‌متر یا 3 سانتی‌متر است، باید بتوانیم یک آبجکتی که روی زمین ابعادش 3 سانتی‌متر است را در داخل تصویر تشخیص بدهیم. اما در واقعیت، این اتفاق نمی‌افتد و دلیل آن این است که محاسبه GSD یا بهتر بگویم محاسبه وضوح تصویر فقط بر اساس GSD نیست. چرا که GSD بر حسب فاصله کانونی، ارتفاع پرواز و اندازه هر پیکسل بر روی سنسور محاسبه می‌شود. اما آیتم‌هایی مانند کیفیت لنز، سرعت پهپاد و روشنایی تصویر در محاسبه GSD لحاظ نمی‌شوند.

به همین خاطر است که وقتی شما GSD را 3 سانتی‌متر قرار می‌دهید، در تصویرتان یک آبجکت که 3 سانتی‌متر باشد را نمی‌توانید تشخیص دهید، و اینجا مفهوم GRD یا ground resolved distance به وجود می‌آید که به شما ابعاد یک آبجکت را که بتوانید روی تصویر تشخیص دهید را می‌گوید.

حالا برای محاسبه GRD، در دوربین‌های اولتراکم یا دوربین‌های هوایی رقومی که معمولاً بسیار گران قیمت هستند، نسبت GRD به GSD عددی برابر با 1 است، یعنی GRD یا وضوح اپتیکی تصویر با GSD با هم برابرند.

اما معمولاً در دوربین‌هایی که ما با آن‌ها سرکار داریم، نسبت GRD به GSD عددی بالاتر از 1 می‌شود. برای مثال، در دوربین پهپاد فانتوم 4 پرو و در یک شرایط آب و هوایی نرمال، معمولاً نسبت 1.5 را بین GRD و GSD در نظر می‌گیریم.

پس زمانی که در دستورالعمل سازمان نقشه‌برداری صحبت از وضوح تصویر می‌شود، ما باید GRD را در نظر بگیریم. به عبارت دیگر، وقتی که برای تهیه‌ی نقشه با وضوح تصویر 3 تا 5 سانتی‌متر درخواست می‌شود، منظور ما GRD است و برای دوربین پهپاد فانتوم 4 پرو، اگر بخواهیم یک GRD سه سانتی‌متری به دست آوریم، طبیعتاً GSD ما با نسبت 1.5 باید برابر با 2 سانتی‌متر باشد.

پس برای تهیه‌ی نقشه ما باید ارتفاع پرواز را به گونه‌ای در نظر بگیریم که GSD ما برابر با 2 سانتی‌متر باشد.

نحوه محاسبه ­GRD

سازمان نقشه برداری در تاریخ خرداد ماه 1399 دستورالعملی را در رابطه با تهیه نقشه و اطلاعات مکانی به کمک پهپاد ارائه کرد. در این دستورالعمل، در صفحه 10 جدولی وجود دارد که استاندارهایی در خصوص تهیه نقشه با استفاده از پهپاد نمایش می‌دهد و به وضوح اپتیکی تصویر یا همان GRD اشاره شده است.

در ادامه قصد داریم در رابطه با وضوح اپتیکی صحبت کنیم. می‌خواهیم ببینید چطور می‌توانیم وضوح اپتیکی GRD پهپادمان را محاسبه کنیم و سپس از طریق این وضوح اپتیکی ارتفاع پرواز را محاسبه کنیم.

تارگتی به اسم “تارگت زیمنس” وجود دارد که شکلش را در تصویر می‌بینید. این تارگت یک دایره است با قطر 1 تا 1.5 متر و در بعضی مواقع تا 2 متر. ما باید این دایره را به 32 یا 24 قسمت تقسیم کنیم و یک در میان آن را سفید و مشکی کنیم.

سپس این تارگت را روی یک بنر پلاستیکی قرار می‌دهیم و زمان پرواز روی زمین این بنر را پهن کنیم و در زمانی که داریم تصویربرداری می‌کنیم، این بنر را داخل تصویر قرار می‌دهیم تا دیده شود. می‌توانید تارگت زیمنس را از اینجا دانلود کنید.

دستورالعمل سازمان بیان می‌کند که در طول 15 تا 20 دقیقه‌ای که با پهپاد پرواز می‌کنید، این بنر باید در این پلن پروازی‌تان قرار گیرد. همچنین در پرواز بعدی و در تمام پروازها این بنر باید حاضر باشد.

اگر کاری را انجام می‌دهید که ناظرش سازمان هست و می‌خواهید کار را به سازمان تحویل بدهید، باید این بنر را چاپ کنید و طبق دستورالعمل‌های جدید در تمام پلن‌های پروازی‌تان قرار دهید.

اما اگر کارفرما، سازمان نقشه‌برداری نیست، نیازی به این قضیه ندارید، چرا که می‌توانید GRD پرنده‌تان را محاسبه کنید و از اعدادی که ما محاسبه کرده‌ایم و دوستان هم به همین نتیجه رسیده‌اند، استفاده کنید.

حالا در ادامه بیایید ببینیم چطور می‌توانیم GRD و ارتفاع پرواز مناسب را محاسبه کنیم.

فرمول سازمان نقشه برداری برای محاسبه GRD

ما می‌خواهیم ببینیم که سازمان نقشه برداری چه فرمولی را برای محاسبه GRD در نظر گرفته است.

اگر به دستورالعمل مراجعه کنید، در صفحه‌ی 11 این دستورالعمل یک فرمول برای محاسبه GRD برای ما در نظر گرفته است که به این شکل است:

GRD = سینوس (360 درجه) تقسیم بر تعداد تقسیمات دایره‌ی تارگت ضربدر شعاع دایره‌ی ابهام.

حالا بیایید در مورد هر کدام از این آیتم‌ها صحبت کنیم.

ما گفتیم که دایره‌ی تارگت زیمنس را به 32 قسمت تقسیم می‌کنیم. پس GRD برابر است با سینوس (360 درجه) تقسیم بر 32 ضربدر شعاع دایره‌ی ابهام. اما شعاع دایره‌ی ابهام چیست؟

همانطور که داخل تصویر می‌بینید، اگر شما کمی بر روی این تارگت زوم کنید (ترجیحاً این کار را با نرم افزارهایی انجام دهید که تصویر را برای شما پیکسل به پیکسل تبدیل می‌کند و می‌توانید تعداد پیکسل‌ها را بشمارید. برای مثال، از نرم افزار ACDSee می‌توانید استفاده کنید یا تصویر را ببرید داخل نرم افزار متاشیپ) دایره‌ی به نسبت توسی یا سفید رنگی را در وسط تارگت می‌بینید.

ما به این دایره، دایره‌ی ابهام می‌گوییم. تعداد پیکسل‌هایی که در قطر این دایره وجود دارد را می‌شمارید و تقسیم بر 2 می‌کنید تا تعداد پیکسل‌های شعاع دایره‌ی ابهام بدست آید. باید بدانید که هر کدام از این پیکسل‌ها چند سانتی‌متر هستند. برای مثال، در این تصویری که دارید می‌بینید، قطر دایره‌ی ابهام 14 سانتی‌متر است که نصفش می‌شود 7 پیکسل.

این تصویر از ارتفاع 75 متری سطح زمین گرفته شده و در یک پرواز نرمال هم انجام شده است. اگر در اپلیکیشن “pics for capture” ارتفاع پروازتان را روی 75 متر قرار دهید، GSD را 2.05 می‌گوید. شما لازم است که این عدد 7 پیکسل را ضربدر 2.05 کنید که عددی حدوداً 14.3 به شما می‌دهد. حالا این عبارت را محاسبه می‌کنید.

دوباره توجه کنید که عددی که در این مثال(که برای پهپاد فانتوم 4 پرو است) بدست آوردیم را نمی توانیم برای هر دوربین دیگری بسط دهیم. یعنی نسبت GRD به GSD دوربین پهپاد فانتوم با دوربین مثلاً سونی آلفا 7، سونی آلفا 6000 متفاوت است و هر کدام باید جداگانه محاسبه شوند.

بیایید ببینیم که در این حالت ارتفاع پرواز چقدر بدست می‌آید. فرض می‌کنیم می‌خواهیم نقشه‌ی یک پونصدم تهیه کنیم. سازمان طبق دستورالعملش به ما گفته است که GRD شما باید 3 سانتی‌متر باشد و حالا می‌خواهیم ببینیم که در این حالت GSD که ما بدست می‌آوریم و بعد از آن ارتفاع پرواز لازمه ما باید چقدر باشد.

خوب دوستان GRD به GSD فانتوم شد 1.4 و GRD ما 3 سانتی‌متر است.  در نهایت GSD ما می‌شود 3 تقسیم بر 1.4 که می‌شود 2.14، پس دقت کنید که توی اپلیکیشن پروازتان که GSD را دارید تنظیم می‌کنید، GSD تان باید 2.14 باشد نه 3 سانتی‌متر.

محاسبه ارتفاع پرواز پهپاد

خب GSD را 2.14 بدست آوردیم، برویم ببینیم که ارتفاع پرواز را چطور می‌توانیم محاسبه کنیم.

یک فرمول خیلی ساده وجود دارد که قبلاً هم در موردش صحبت کردم. فاصله کانونی به ارتفاع پرواز برابر است با پیکسل‌پیچ به GSD. فاصله کانونی دوربین فانتوم 9 میلی‌متر است، ارتفاع پروازمان را می‌خواهیم محاسبه کنیم.

پیکسل‌پیچ یا اندازه هر پیکسل بر روی سنسور فانتوم عددی برابر با 0.0024 یا 2.4 میکرون و GSD ما هم اینجا 2.14 سانتی متر محاسبه شده بود.

در نهایت ارتفاع h برابر 80 متر می شود (با یکی دو متر اختلاف). پس اگر شما قصد دارید که نقشه‌ی یک پونصدم دقیقی را طبق دستورالعمل سازمان تهیه کنید، باید ارتفاع پروازتان را 80 متر قرار دهید.

در مقیاس های مختلف هر جا که ارتفاع پرواز، GSD یا GRD مجهول بود از همین فرمول استفاده می کنیم.

دوستان اگر در این مبحث تجربه­ ای دارید و محاسباتی را انجام دادید لطفا نظر خودتون رو با ما به اشتراک بذارید. منتظر نظرات و تجربیات شما عزیزان در قسمت نظرات هستیم.

+