نحوه برداشت بهترین اطلاعات برای نقشه برداری

شاید تصور کنید که نقشه برداری یک امر ساده است، اما باید بدانید که نقشه برداری مدرن یک فناوری پیجیده محسوب می شود. نقشه برداران و فعالان این حوزه از پیشرفته ترین علوم فیزیکی و ده ها سال تجربه در تمام بخش های این کار بهره می گیرند. فقط کافی است تصور کنید که برای مثال در داده های GPS از محاسبات زمانی مربوط به ساعت های اتمی و سیگنال های ارسالی از مدار استفاده می شود و یا در فناوری لیدار (LiDAR) که در آن مقیاس اندازه گیری، زمان بازگشت پرتو نور است، هزاران محاسبه در ثانیه اجرا می شود. اما در چنین سیستم پیچیده ای احتمال بروز خطا غیرقابل انکار است. در این مقاله قصد داریم از نگاه یک نقشه بردار به نکات مهم در بدست آوردن داده های صحیح در نقشه برداری و نرم افزار پوینت کلود اشاره کنیم. با ما همراه باشید.

صحت داده های IMU

وظیفه یک IMU یا واحد اندازه گیری اینرسی اندازه گیری حرکت ذاتی سیستم است. معمولا با استفاده از ابزارهای ژیروسکوپی و شتاب سنج ها نیز اندازه گیری شتاب و تغییرات در جهتگیری سیستم ها نیز توسط IMU مورد بررسی قرار می گیرد. برای نقشه برداران وجود داده های IMU از اهمیت بالایی برخوردار است. از آنجا که نقشه برداری به معنای مشاهده اشیا از فاصله ی دور است، هرچه اشیاء در فاصله ی بیشتری قرار داشته باشند، مکان آنها با صحت و دقت کمتری تعیین می شود. اگر به تصویر زیر نگاه کنید، خواهید دید که در هر اندازه گیری یک خطای ذاتی ناشی از تغییرات زاویه ای اندازه گیری شده توسط IMU وجود دارد.

در صورت وجود یک خطای زاویه ای کوچک، خطای نهایی در تعیین مکان شیء از طریق ضرب خطای زاویه ای در فاصله ی شیء محاسبه می شود. این یعنی حتی وجود یک خطای زاویه ای کوچک می تواند منجر به تعیین مکان شیء با یک خطای بزرگ شود. چون فاصله ی اشیاء مورد بررسی زیاد است. یک IMU معمول مانند  OxTS NAV650 IMU دارای صحت داده ی نیم درجه ای است.

تعیین موقعیت GNSS

یک سیستم GNSS (سیستم ناوبری ماهواره‌ای جهانی) موقعیت خود را بر روی زمین با استفاده از موقعیت گیری  ماهواره‌ها در مدار تعیین می کند. با استفاده از اطلاعات زمانی بسیار دقیق از سیگنال‌های ماهواره‌ای، یک گیرنده GNSS می‌تواند موقعیت خود را با دقت خیلی کمتر از یک متر روی سطح زمین تعیین کند. با استفاده از گیرنده دوم، که معمولا به عنوان ایستگاه مرجع شناخته می شود، می توان تصحیحات ناشی از اختلالات سیگنال ها در اتمسفر را نیز اعمال کرد و صحت تعیین موقعیت را تا حد سانتی متر پایین آورد.

سیستم های دیگری نیز وجود دارند که می توان از آنها برای تعیین موقعیت استفاده کرد. اما نقطه ضعف این سیستم ها آن است که برای آنکه به عنوان جایگزینی برای GNSS استفاده شوند، نیازمند زیرساخت های محیطی گسترده هستند. به همین دلیل در حال حاضر هیچ رقیبی برای GNSS در محیط های بیرونی وجود ندارد. مکان یابی GNSS بر روی زمین بسیار صحیح و دقیق است و این درحالی است که جایگزین های دیگر این سیستم بدون کمک GNSS تنها قادر به تعیین موقعیت های نسبی هستند.

کالیبراسیون محورها

منبع خطای دیگری نیز در داده های بدست آمده در نقشه برداری وجود دارد و آن رابطه ی فضایی بین سیستم INS و داده های بدست آمده از برای مثال یک لیدار یا IMU است. برای رفع چنین خطایی، باید جابجایی و چرخش ها در طول هر محور سه بعدی اندازه گیری شود. در غیر اینصورت، این خطای جهتگیری می تواند بر روی مکان نهایی هر نقطه بر روی نقشه بدست آمده، تاثیر منفی بگذارد. چنین خطایی را غیر هم ترازی محورها می نامند.

از روش های متعددی می توان برای رفع این خطا استفاده کرد، برای مثال با استفاده از یک پایه چاپی CAD که به طور محکم INS و لیدار را به هم در یک جهتگیری مشخص جفت کند. اما به خاطر داشته باشید که صحت و دقت داده ها باید از مرتبه نیم درجه یا بهتر از آن باشد. روش دیگر که توسط OxTS نیز توسعه داده شده است، کالیبره کردن زوایا است. از مزایای این روش آن است که می توان آن را به طور کامل با نرم افزار در مدت 10 دقیقه اجرا کرد.

سیستم ناوبری اینرسی (INS)

اگر در یک سیستم ناوبری از هر دو سیستم GNSS و IMU استفاده شود، این دو سیستم می توانند نقاط ضعف و قدرت یکدیگر را پوشش داده و یک سیستم کامل را تشکیل دهند. چراکه سیتم GNSS قادر است تا موقعیت صحیح یک سیستم را بر روی زمین تعیین کند و از آن طرف یک سیستم IMU می تواند جهتگیری آن سیستم را مشخص کند. در نتیجه می توان یک موقعیت سه بعدی با زمانبندی ساعت اتمی با دقت بسیار بالا از سیستم مورد نظر بدست آورد. این فرآیند به عنوان سیستم ناوبری اینرسی شناخته می شود. اگر به طور مداوم داده های هر دو سیستم نسبت به همدیگر بررسی شوند، می توان از ترکیب داده ها به تخمینی به مراتب صحیح تر از موقعیت و جهتگیری سیستم مورد مطالعه رسید. برای مثال اگر در سیگنال های ماهواره ای مانعی بوجود بیاید، داده های مربوط به GNSS در تعیین موقعیت با خطا مواجه خواهند شد، اما اگر این داده ها با داده های مربوط به شتاب سنج مقایسه شوند، سیستم INS می تواند به طور دقیق و با احتمال بسیار بالا نسبت به تعیین موقعیت اقدام کند. در چنین مواقعی، یا در صورتی که هیچ سیگنال ماهواره ای در دسترس نیست، می توان از شتاب های اندازه گیری شده توسط IMU جهت تخمین مسیر سیستم مورد نظر استفاده کرد. اگرچه دقت اطلاعات در چنین شرایطی به اندازه ی زمانی که داده های GNSS حضور دارند، بالا نیست، ولی بهترین نتیجه ممکن همین خواهد بود. برای مثال یک سیستم OxTS INS ممکن است بدون به‌روزرسانی داده های GNSS در یک دقیقه کامل حدود یک متر جابجایی را نشان دهد. بعد از بازگشت داده های GNSS، می توان موقعیت صحیح را بدست آورد و داده ها را در پس پردازش برای مسیریابی دقیق تر بهبود بخشید.

از تجهیزات دیگری نیز می توان برای بررسی صحت داده های بدست آمده استفاده کرد. به عنوان مثال، سنسور سرعت چرخ معمولاً در برنامه های نقشه برداری موبایل استفاده می شود. این دستگاه به سادگی حرکت چرخ ها را بر روی یک وسیله نقلیه اندازه گیری می کند تا بتوان اطلاعات دیگری از محل وسیله نقلیه باشد بدست آورد. در این حالت یک شبه-سرعت اندازه گیری می شود. داده های این دستگاه نیز مانند داده های IMU حتی در صورت نبودن سیگنال GNSS در دسترس اند و می توانند بسیار مفید باشند.

محاسبه ی میزان صحت و دقت داده ها

با استفاده از داده های IMU و GNSS، INS قادر به محاسبه گستره وسیعی از اطلاعات تشخیصی و تخمین عدم قطعیت های مربوط به خروجی داده ها است. این اطلاعات برای نقشه برداران بسیار مفید است. در سیستم OxTS از فرمولی استفاده می شود که داده های مربوط به صحت و دقت بدست آمده از LiDAR و دقت های گزارش شده توسط INS را ترکیب می کند تا تخمینی از عدم قطعیت در موقعیت همه نقاط در نرم افزار پوینت کلود بدست آورد. این کار به طور خودکار در حین استفاده از مرجع جغرافیایی OxTS (OxTS Georeferencer) انجام میشود، اینگونه که مقادیر مربوط به میدان اسکالر خالی پر شده تا در نرم افزار پوینت کلود قابل بررسی باشند. این کار به کاربر کمک می کند تا جاهایی که نیاز به بررسی مجدد دارند را ببنید. نواحی ای که با دقت کم نمایش داده شده باشند، با رنگ نارنجی یا قرمز نمایش داده می شوند.

برای مثال در شکل زیر نقشه برداری از یک مسیر جاده ای نشان داده شده است. هنگامی که وسیله ی نقلیه مورد نظر در زیر درختان قرار دارد، و سیگنال های ماهواره ای از بین می روند، مکان یابی INS به رنگ سبز روشن، سپس زرد و نارنجی تغییر می کند تا زمانی که دوباره اطلاعات GNSS بازیابی شود. در نتیجه شخصی که از این داده ها استفاده می کند می داند که این نواحی نیازمند بررسی مجدد هستند. برای مثال می توان وسیله ی نقلیه را در مسیر مخالف مسیر اولیه به حرکت در آورد تا نقاط در این نواحی با دقت و صحت بیشتری بدست آیند.

به عنوان یک روش جایگزین یا روشی علاوه بر آنچه انجام شد، نقشه برداران می توانند کار دیگری نیز انجام دهند و آن حذف نقاط ناصحیح است. از آنجا که این مقادیر در یک میدان اسکالر مانند زمان یا شدت GPS ذخیره شده است، به راحتی می توان آنها را در هر نرم افزار مشاهده pointcloud یا در خود OxTS Georeferencer حذف کرد. در OxTS Georeferencer این امکان وجود دارد تا عدم قطعیت مکانی ای تعریف شود تا نقاط با عدم قطعیت کمتر از آن مورد پردازش قرار نگیرند. برای مثال نقاط با عدم قطعیت 5 سانتی متر یا بهتر مد نظر باشند.

نتیجه گیری

در این مقاله به تعدادی از منابع بروز خطا در تعیین مکان نقاط در نقشه برداری و راه های مقابله با آن پرداخته شد. دیدیم که داده های مورد بررسی بسیار تحت تاثیر خطاهای زاویه ای هستند و اینکه صحت داده های IMU در یک نقشه برداری مطمئن از اهمیت بالایی برخوردار است. اما باید دانست که همیشه داده های بدست آمده مستعد خطا هستند. به همین دلیل همواره باید از منایع اطلاعاتی متعدد استفاده شود تا میزان خطا را کاهش داد.