آشنایی با فتو گرامتری

● تاریخچه :

پایه گذار علم فتوگرامتری یک سرگرد فرانسوی به نام لوسدا(A. Laussedat) بوده است. او در سال ۱۸۵۹ به کمیسیون آکادمی علوم پاریس نشان داد که انسان چگونه می‌تواند با استفاده از زوج عکس، مختصات نقاط را محاسبه کند. در همین زمان در آلمان شخصی به نام مایدن باور(A. Meydenbaver) اولین آزمایش موفق خود را تحت عنوان فتوگرامتری ساختمان پشت سر گذاشت. این علم در اتریش از تاریخ ۱۸۸۷ تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است. دو مهندس اتریشی به نام‌های هافرل(Hefferl) و ماورر(Maurer) اولین طرح دستگاه فتوگرامتری را جهت استفاده در راه‌سازی و آبرسانی به انجام رساندند. بعد از اینکه در سال ۱۹۰۱ پالفریش (Pulfrich ) مقدمات علم ستریوفتوگرامتری را ارائه کرد، راه را برای مخترع با ذوقی به نام اورلز (Orels) که دستگاه استریواتوگراف را در سال ۱۹۰۹ اختراع کرد، هموار ساخت .

● فتوگرامتری چیست:

فتوگرامتری به معنای عملیات اندازه گیری روی عکس می‌باشد که شامل عکسبرداری از اشیا، اندازه گیری تصاویر اشیا روی عکس ظاهر شده و تبدیل این اندازه‌ها به شکلی قابل استفاده(مثلا نقشه‌های توپوگرافی) می‌شود. امروزه فتوگرامتری به دو شکل استفاده می‌شود .

۱ ) شکل کلاسیک آن عبارت است از اندازه گیری‌های کمی روی عکس که حاصل آن تعیین موقعیت مسطحاتی و ارتفاعی نقاط، مساحات و احجام بوده و در نتیجه آن، نقشه‌های مسطحاتی و توپوگرافی به دست می‌آید.

۲) دومین شکل استفاده از فتوگرامتری، تفسیر عکس است که در آن عکس‌ها به صورت کیفی بررسی و از آن‌ها به عنوان مثال در زمین‌شناسی، خاک‌شناسی، تخمین سطح زیر کشت در کشاورزی، تشخیص آلودگی آب و بسیاری موارد دیگر استفاده می‌شود. در عملیات فتوگرامتری و تفسیر عکس‌های هوایی، عکس مناسب چه از نظر مقیاس و چه از نظر سایر مشخصات اهمیت ویژه‌ای دارد. در واقع عکس‌های هوایی اساس کلیه عملیات اجرایی است و به همین دلیل برای انجام عکسبرداری هوایی، مطالعه کامل برای تعیین مشخصات عکس، از هر نظر لازم است. بعلاوه چون بیشتر اوقات علاوه بر تهیه نقشه‌های توپوگرافی، از عکس‌ها به منظورهای مطالعاتی نیز استفاده می شود، در تعیین مشخصات عکسبرداری هوایی علاوه بر ملاحظات فنی نقشه برداری، ضوابط مربوط به تفسیر عکس‌های هوایی نیز مدنظر قرار می گیرد. این عوامل عبارتند از :

الف ) محدوده یا مسیر عکسبرداری

ب) مقیاس عکس یا نقشه مورد تقاضا

ج ) مقدار پوشش طولی و عرضی هنگام تنظیم زاویه عدسی دوربین

د ) نوع فیلم

ر ) تاریخ، فصل و یا ساعت عکسبرداری

درحال حاضر سازمان نقشه برداری کشور با در اختیار داشتن یک فروند هواپیمای جت فالکن(Falcon) و چهار فروند هواپیمای دورنیر(Dornier)، توانایی تهیه عکس‌های هوایی را در هر نقطه از کشور دارد. این هواپیماها با برد پروازی ۵/۶ ساعت و ارتفاع پرواز بین ۵۰۰ الی ۴۲۰۰۰ پا، عکسبرداری از هر نقطه و با هر مقیاس لازم را ممکن می‌سازند.

سازمان نقشه برداری کشور علاوه بر تهیه عکس‌های پوششی(در مقیاس ۱:۴۰۰۰۰) برای تولید نقشه‌های بنیادی کشور و عکس‌های مطالعاتی و اجرای بسیاری از پروژه های بزرگ عمرانی بطور قائم در مقیاس‌های متفاوت، تهیه عکس‌های مایل رنگی و سیاه و سفید از مکان‌های مقدس و مذهبی، بناهای تاریخی، پروژه های عمرانی، کارخانجات صنعتی و مراکز اقتصادی و بازرگانی در مقیاس‌های بزرگ توانایی لازم را دارد.

● فرآیندهای فتوگرامتری :

نقشه برداری فتوگرامتری بواسطه ۴ فرآیند کلی انجام میشود. این ۴ فرآیند شامل

۱) ثبت تصویر

۲ ) ثبت اطلاعات ایستگاه های زمینی

۳ ) تطبیق دقیق تصویر با زمین

۴) مجموعه عوارض حاصل از مراحل فوق عموما هر پروژه فتوگرامتری یک کار واحد است.

هر پروژه بوسیله مجموعه‌ای از داده‌های مکانی توصیف می‌شود که این داده‌ها مربوط به بخش واحدی از زمین، با نیازمندی‌های مجموعه عوارض ویژه می‌باشند. نیازمندی‌های مجموعه تصاویر شامل انواع دقت‌ها و عوارض می‌باشد. هر قسمت از فرایندهای فوق شامل تعدادی زیر مرحله پردازشی است که بر اساس نیازمندی‌های مجموعه عوارض برای هر پروژه مخصوص میباشد

● ثبت تصاویر:

تصاویری که برای نقشه‌برداری فتوگرامتری استفاده می‌شود می‌تواند به دو سطح کلی تقسیم شود .

۱) تصاویر مربوط به موقعیت افقی و عمودی عوارض و جزئیات اشکال که با استفاده از عکس‌های هوایی نزدیک به عمود با رنگ طبیعی یا تک رنگ(سیاه و سفید) یا از تصاویر رقومی ماهواره‌ای بدست می آیند.

۲) دیگر انواع تصاویر از قبیل عکس‌های هوایی مادون قرمز، تصویر اسکنر حرارتی، تصاویر ریز موج‌ها، تصاویر ماهواره‌ای چند طیفی و فراطیفی عموما برای تعیین داده‌های عوارض تکی به غیر از موقعیت و جزئیات تصویر استفاده می‌شوند. این نوع از تصاویر می‌تواند وارد یک سیستم اطلاعات جغرافیایی شده و با دیگر اطلاعات زمین مرجع به کار رود .

● عکس‌های هوایی عمودی:

عکسبرداری هوایی نزدیک به عمود که برای نقشه برداری پلانیمتری و توپوگرافی استفاده میشود، عموما بصورت جفت عکس‌های برجسته نمایی(Stereo pair) جمع آوری میشود. هر عکسی با عکس بعدی که در همان مسیر پرواز برداشت میشود، همپوشانی دارد. برداشتن عکس‌ها بصورتی است که هر عکس با عکس جلویی خود ۶۰ درصد و با عکس پایینی خود ۳۰ درصد همپوشانی داشته و این پارامتر کمک می‌کند که بتوان عکس‌ها را بصورت برجسته مشاهده کرد.

عموما عوارض پلانیمتری(ساختمان‌ها، جاده‌ها و ...) و توپوگرافی(نقاط جرمی، خطوط شکسته و کانتورها) از عکسبرداری هوایی نزدیک به عمود با رنگ طبیعی یا سیاه و سفید جمع آوری می‌شوند. نقشه‌برداری پلانیمتری و توپوگرافی عموما دسته داده‌های نقشه‌ای پایه، برای یک سیستم GIS یا دسته داده‌های مهندسی می‌باشد، زیرا درستی محاسبات و استعلامات بر اساس درستی و کامل بودن این داده‌های پایه می‌باشد.

● تصویر طبقه بندی عوارض( Feature Classification Imagery ) :

تصویر طبقه بندی عوارض شامل عکسبرداری هوایی مادون قرمز، تصاویر ماهواره ای(چند طیفی و فرا طیفی) و اسکنرهای رقومی(حرارتی، ریزموج‌ها و ...) می‌باشد. این نوع تصاویر میتواند با دیگر تصاویر پایه یا مبنا تصحیح شده و در تحلیل‌های GIS مورد استفاده قرار گیرد. استفاده اولیه از تصاویر مادون قرمز در تحلیل سلامتی گیاهان و تعیین استتار بوده است. این تصاویر میتوانند رنگی و یا سیاه و سفید بوده و نمی توانند تغییرات حرارتی را مشخص کنند. تصاویر مادون قرمز سیاه و سفید در مقایسه با مادون قرمز رنگی دارای تصاویری با توان تفکیک درشت هستند، بنابراین بطور مستمر مورد استفاده قرار نمی گیرند.

● کنترل زمینی :

کنترل زمینی در فتوگرامتری جهت تصحیح تصاویر با زمین ضروری بنظر می‌رسد. دقت‌های کنترل زمینی باید عموما خیلی بیشتر از دقت مورد نیاز در نقشه برداری فتوگرامتری باشد. کنترل زمینی باید بر اساس روش اصلاح تصاویر که برای پروژه مورد استفاده قرار می‌گیرد، برنامه‌ریزی شود. یک تیم ماهر مشتمل بر فتوگرامترها با ابزارهای نقشه برداری و مهندسین مساح باید بر این برنامه نظارت داشته باشند. کنترل زمینی باید در اطراف منطقه مورد نقشه برداری باشد. نقاط کنترلی نیز در بخشهایی از عوارض زمینی موجود که در عکس‌ها دیده خواهد شد، مستقر می شوند و بقیه نقاط هم بر اساس نیاز در مجاورت عوارض زمینی موجود قرار می‌گیرند. پیشرفت‌های امروز در زمینه فن آوری GPS هوابرد باعث شده که جمع آوری موقعیت‌های افقی و عمودی مرکز هر عکس که در حین عملیات عکسبرداری برداشت شده، میسر شود. تعداد ایستگاه های زمینی بر اساس روش‌های اصلاح تصاویر تعیین می‌شوند. در پروژه‌های مناطق بسیار کوچک از روش‌های قراردادی برای اصلاحات استفاده می‌شود. این روش نیاز به حداقل ۳ نقطه کنترلی افقی و ۴ نقطه کنترلی عمودی در هر جفت عکس برجسته نما(Stereo pair) دارد. مثلث‌بندی هوایی یک روش پردازش ریاضی است.

● تطبیق تصویر با زمین:

فرآیند تطبیق عکس هوایی با زمین برای دقت نقشه نهایی حیاتی است. امروزه بیشتر پروژه ها با استفاده از روش مثلث‌بندی هوایی تطبیق داده می‌شوند. این روش به نقاط کنترل زمینی کمتری نسبت به روش‌های تطبیق قراردادی نیاز دارد. در روش مثلث بندی از نرم افزارهای کامپیوتری برای کنترل کیفیت نقاط انتخاب شده در تمام طول پروژه استفاده می‌شود. این روش نیازمند آن است که تصاویر گرفته شده ابتدا بلوک بندی شوند، بنابراین برای اجرای پروژه در مناطق بزرگ، می تواند مورد بررسی قرار گیرد. سرعت و کیفیت کنترلی بالای این روش باعث شده که برای پروژه های مناطق کوچک هم مورد استفاده قرار گیرد.

● جمع آوری عوارض:

عوارض در نقشه برداری فتوگرامتری عموما شامل ۴ دسته می‌باشند:

۱) عوارض توپوگرافیکی

۲) عوارض پلانیمتری

۳) ارتوفتوگرافی

۴) کاربری زمین این نوع عوارض می‌توانند با دقت از روی جفت تصاویر برجسته نما(Stereo pair) جمع آوری شوند

۱) عوارض توپوگرافیک:

این عوارض شامل دو دسته اند:

الف) نقاط جرمی Mass point: که شامل موقعیت افقی و عمودی نقاط ویژه روی زمین است.

ب) خطوط شکسته Breaklines: خطوطی هستند که بیانگر تغییر شدید در ارتفاع هستند مثل عوارض آبراهه‌ای و یا لبه جاده‌ها.

دو عارضه فوق در چندین نوع مدل ارتفاعی مورد استفاده قرار می‌گیرند و بصورت مدل عوارض زمین رقومی(Digital Terrain Model) یا (DTM) برای ساختن مدل ارتفاعی رقومی که تنها به نقاط جرمی برای ساختن آن نیاز است به کار می‌روند. مدل TIN بصورت یک مدل سطحی ایجاد می‌شود و توسط کامپیوتر مورد پردازش قرار گرفته و خطوط کانتور را ایجاد می‌کند. همچنین از این مدل برای طراحی و ایجاد داده‌های مقاطع عرضی در منطقه مورد مطالعه‌(مثل مسیر رودخانه ها برای تحلیل‌های هیدولیکی) استفاده می‌شود

۲) عوارض پلانیمتری:

عوارض پلانیمتری ساختمان‌ها، جاده ها، راه آهن و ... را شامل می‌شود. این عوارض معمولا بصورت چندضلعی‌هایی مبتی بر پیرامون عوارض، جمع آوری می‌شوند. این عوارض باید در عکسبرداری هوایی دیده شوند. عوارض زیرزمینی بطور فتوگرامتریکی جمع آوری نمی‌شوند. میزان جزئیات پلانیمتری عموما توسط مقیاس عکسبرداری جمع آوری میشود، مثلا نقشه برداری با مقیاس ۱:۶۰۰ عموما مسیر پیاده روها، تیرهای چراغ برق، پرچینها، جاده ها، جدول‌ها، مسیرهای فاضلاب، آبگیرها و شکل ساختارهای مجزا را در اختیار قرار می‌دهد. ولی در نقشه‌ای با مقیاس ۱:۱۶۸۰۰ موارد ذکر شده فوق دیده نخواهند شد و ساختمان‌ها با سمبول‌های خاص نشان داده می‌شوند. هر چه مقیاس نقشه‌برداری فتوگرامتری بزرگ‌تر باشد به عکس‌های هوایی بیشتری با مقیاس بزرگتر نیاز است. زیرا جزئیات بیشتری از عوارض پلانیمتری که قابل دید و چاپ هستند باید جمع آوری شود

۳) ارتوفتوگرافی:

جمع آوری عوارض پلانیمتری زمان‌بر و پرهزینه است. ارتو فتوگرافی یک بستر اقتصادی را برای بیشتر پروژه ها فراهم می‌کند. ارتوفتوگرافی فرآیندی است که توسط آن انحراف‌های حاصل در سیستم دوربین و انحراف‌های حاصل از تغییرات ارتفاع را در عکس‌های هوایی اولیه از بین می‌رود. مقیاس عکس‌های هوایی باید با مقیاس افقی ارتوفتو نهایی و دقت و قدرت تفکیک پیکسل زمینی نهایی متناسب باشد. بنابراین اسکن عکس‌های هوایی باید با قدرت تفکیک بسیار بالا انجام شود. مدل ارتفاعی رقومی بدست آمده از عکس‌های هوایی نیز باید اسکن شود. این مدل برای ایجاد خطوط کانتور یا مدل‌سازی سطح زمین مورد استفاده قرار می‌گیرد. نرم‌افزارهای کامپیوتری، DEM و تصاویر اسکن شده را ادغام نموده و فایل‌هایی با تصاویر ارتوفتو را ایجاد می‌کنند. این فایل‌های تصویری دوباره مورد بازبینی قرار گرفته و تصحیحات مربوط به ناهنجاریهای رادیومتریک روی آن‌ها انجام می‌شود. از دیگر تصحیحات انجام شده، می‌توان به تصحیح مربوط به تغییرات ارتفاع پل‌ها و روگذرها با زمین اشاره کرد. تغییرات ارتفاعی مربوط به ساختمان‌های بلند معمولا انجام نمی‌شود مگر اینکه بطور ویژه در پروژه مطرح شده باش