عکس هوایی و نقشه هوایی چیست؟

وقتی برای اولین بار از پنجره هواپیما به پایین نگاه می‌کنید و شهرتان را از آن بالا می‌بینید، احساس عجیبی دارید. خانه‌ها مثل جعبه‌های کوچک، خیابان‌ها مثل خطوط کشیده شده با خودکار، و ماشین‌ها مثل مورچه‌هایی که در حال رفت‌وآمد هستند. همین دید از بالا، همان چیزی است که عکس هوایی و نقشه هوایی به ما می‌دهند، البته با این تفاوت که این تصاویر دقیق، قابل اندازه‌گیری و پر از اطلاعات ارزشمندی هستند که کاربردهای بی‌شماری در زندگی روزمره و حرفه‌ای ما دارند.

در دنیای امروز که دیگر نمی‌توانیم بدون نقشه گوگل سر قرار برویم، شاید کمتر به این فکر کرده باشیم که این تصاویر دقیق از بالا چطور تهیه می‌شوند و چه تفاوتی بین یک عکس ساده هوایی با نقشه‌های دقیق هوایی که مهندسان و نقشه‌برداران استفاده می‌کنند، وجود دارد. بیایید با هم سفری به دنیای تصویربرداری هوایی داشته باشیم و ببینیم این فناوری چطور کار می‌کند و چرا اینقدر مهم است.

چه فرقی بین عکس هوایی و نقشه هوایی وجود دارد؟

خیلی‌ها فکر می‌کنند عکس هوایی و نقشه هوایی یک چیز هستند، اما واقعیت این است که این دو تفاوت‌های اساسی با هم دارند. وقتی با پهپاد یا هواپیما از یک منطقه عکس می‌گیریم، آنچه به دست می‌آوریم یک عکس هوایی است. این عکس دیدی از بالا به زمین دارد و می‌توانیم در آن ساختمان‌ها، درختان، جاده‌ها و سایر جزئیات را ببینیم. اما مشکل اینجاست که این عکس تحریف‌هایی دارد که به خاطر ناهمواری زمین، زاویه دوربین و ارتفاعات مختلف ایجاد می‌شوند.

حالا تصور کنید می‌خواهید روی این عکس یک مسافت را اندازه بگیرید یا بخواهید دقیقاً ببینید ساختمانی چقدر بزرگ است. اینجاست که متوجه می‌شوید عکس ساده کافی نیست، چون مقیاس در همه جای عکس یکسان نیست. یک ساختمان که در وسط عکس است ممکن است بزرگ‌تر یا کوچک‌تر از حالت واقعی به نظر برسد. نقشه هوایی دقیقاً برای حل همین مشکل طراحی شده است. در واقع نقشه هوایی یک عکس هوایی تصحیح شده است که تمام تحریف‌های هندسی آن برطرف شده و می‌توانید روی آن دقیقاً مثل یک نقشه معمولی اندازه‌گیری کنید.

فرآیند تبدیل عکس هوایی به نقشه هوایی کار پیچیده‌ای است که به آن ارتورکتیفیکاسیون می‌گویند. در این فرآیند، کامپیوترها با استفاده از اطلاعات ارتفاعی زمین و محاسبات ریاضی پیچیده، هر پیکسل عکس را به جای درست خودش می‌برند تا یک نقشه دقیق و قابل اندازه‌گیری به دست بیاید. برای همین است که وقتی یک مهندس می‌خواهد یک پروژه ساختمانی را طراحی کند، از نقشه هوایی استفاده می‌کند نه عکس هوایی ساده.

چطور این تصاویر تهیه می‌شوند؟

تصویربرداری هوایی کار ساده‌ای نیست که فقط بنشینید پشت فرمان یک پهپاد و شروع کنید به عکس گرفتن. اولین قدم برنامه‌ریزی است. باید دقیقاً بدانید چه منطقه‌ای را می‌خواهید تصویربرداری کنید، با چه دقتی نیاز دارید و قرار است از تصاویر برای چه کاری استفاده شود. مثلاً اگر می‌خواهید یک مزرعه را برای کشاورزی دقیق نقشه‌برداری کنید، نیازهای شما با کسی که می‌خواهد یک کارگاه ساختمانی را رصد کند، خیلی متفاوت است.

بعد از برنامه‌ریزی، نوبت به انتخاب ارتفاع پرواز می‌رسد. این خیلی مهم است چون ارتفاع پرواز مستقیماً روی وضوح و دقت تصاویر تأثیر می‌گذارد. هرچقدر پایین‌تر پرواز کنید، جزئیات بیشتری می‌بینید اما محدوده پوشش هر عکس کوچک‌تر می‌شود و به تصاویر بیشتری نیاز دارید. برعکس، پرواز در ارتفاع بالا پوشش بیشتری می‌دهد اما جزئیات کمتری دارد. معمولاً برای کارهای دقیق مهندسی در ارتفاع‌های پایین‌تر پرواز می‌کنند تا هر پیکسل تصویر معادل چند سانتی‌متر روی زمین باشد.

یکی از مهم‌ترین نکات در تصویربرداری هوایی، همپوشانی تصاویر است. نمی‌توانید فقط یک عکس از هر قسمت بگیرید و برگردید خانه. تصاویر باید روی هم بیافتند، یعنی هر عکس بخش مشترکی با عکس قبلی و بعدی داشته باشد. معمولاً حدود شصت درصد هر عکس با عکس بعدی همپوشانی دارد و حدود سی درصد با عکس‌های کناری. این همپوشانی به نرم‌افزارها کمک می‌کند تا بتوانند تصاویر را به هم وصل کنند و یک مدل سه‌بعدی از منطقه بسازند.

زمان پرواز هم اهمیت زیادی دارد. بهترین زمان معمولاً ساعات میانی روز است که خورشید بالای سر است و سایه‌ها کمترین حالت را دارند. اگر صبح زود یا عصر پرواز کنید، سایه‌های بلند ساختمان‌ها و درختان می‌توانند بخش‌های زیادی از زمین را بپوشانند و اطلاعات مهمی را از دست بدهید. البته برای بعضی کارهای خاص مثل باستان‌شناسی، همین سایه‌ها می‌توانند مفید باشند چون ویژگی‌هایی از زمین را که در نور مستقیم دیده نمی‌شوند، آشکار می‌کنند.

دنیای پهپادها

چند سال پیش، تصویربرداری هوایی کاری بود که فقط شرکت‌های بزرگ با هواپیماهای مخصوص می‌توانستند انجام دهند. هزینه‌ها آنقدر بالا بود که فقط برای پروژه‌های بزرگ دولتی یا صنعتی صرفه اقتصادی داشت. اما پهپادها همه چیز را تغییر دادند. امروز یک مهندس کوچک یا یک کشاورز می‌تواند با یک پهپاد چند میلیون تومانی، کاری را انجام دهد که قبلاً میلیاردها تومان هزینه داشت.

پهپادهای مدرن مجهز به دوربین‌های با کیفیت، سیستم‌های تثبیت تصویر و GPS دقیق هستند. می‌توانید از قبل مسیر پرواز را در نرم‌افزار طراحی کنید و پهپاد به صورت خودکار آن مسیر را طی می‌کند و در نقاط مشخص عکس می‌گیرد. دیگر نیازی نیست کسی پشت فرمان بماند و دستی پهپاد را هدایت کند. این کار علاوه بر اینکه راحت‌تر است، دقت بالاتری هم دارد چون انسان ممکن است اشتباه کند اما پهپاد دقیقاً همان کاری را که برنامه‌ریزی شده انجام می‌دهد.

البته پهپادها همه چیز نیستند و برای هر کاری مناسب نیستند. اگر می‌خواهید منطقه بسیار بزرگی را نقشه‌برداری کنید، مثلاً چند هزار هکتار، هواپیماهای بال ثابت همچنان گزینه بهتری هستند. این هواپیماها می‌توانند ساعت‌ها در هوا بمانند و سرعت پروازشان بالاتر است. پهپادهای چهارپروانه‌ای که همه می‌شناسیم، بیشتر برای مناطق کوچک‌تر و کارهایی که نیاز به پرواز با سرعت کم و مانور دقیق دارند، مناسب هستند.

از عکس تا نقشه

بعد از اینکه پرواز تمام شد و صدها یا هزاران عکس گرفته شد، کار اصلی شروع می‌شود. این عکس‌ها خودشان به تنهایی چندان کاربردی ندارند، باید آن‌ها را پردازش کرد تا به یک نقشه دقیق تبدیل شوند. اینجاست که نرم‌افزارهای فتوگرامتری وارد بازی می‌شوند. این نرم‌افزارها کارهای شگفت‌انگیزی انجام می‌دهند که قبلاً فقط در فیلم‌های علمی-تخیلی می‌دیدیم.

اولین کاری که نرم‌افزار انجام می‌دهد این است که نقاط مشترک بین تصاویر مختلف را پیدا می‌کند. مثلاً یک گوشه ساختمان یا یک درخت خاص که در چند عکس مختلف دیده می‌شود. با پیدا کردن هزاران نقطه مشترک، نرم‌افزار می‌تواند رابطه بین تصاویر را بفهمد و آن‌ها را به هم وصل کند. این کار شبیه به حل یک پازل غول‌پیکر است که هزاران تکه دارد و باید همه را سر جای درستشان قرار داد.

مرحله بعدی ساخت مدل سه‌بعدی است. وقتی یک نقطه در دو عکس مختلف دیده می‌شود، با استفاده از اصول هندسه و مثلث‌بندی می‌توان ارتفاع آن نقطه را محاسبه کرد. این کار برای میلیون‌ها نقطه انجام می‌شود و در نتیجه یک مدل رقومی ارتفاعی به دست می‌آید که به ما می‌گوید هر نقطه از زمین چقدر بالاست. این مدل برای تولید نقشه نهایی خیلی مهم است چون به ما کمک می‌کند تحریف‌های ناشی از ناهمواری زمین را برطرف کنیم.

با داشتن مدل سه‌بعدی، حالا می‌توانیم تصاویر را تصحیح کنیم. نرم‌افزار هر پیکسل از هر عکس را می‌گیرد و با استفاده از اطلاعات ارتفاعی، آن را به موقعیت درست روی نقشه می‌برد. این فرآیند ارتورکتیفیکاسیون نام دارد و نتیجه آن یک نقشه ارتوفتو است که می‌توانید روی آن دقیقاً مثل یک نقشه معمولی اندازه‌گیری کنید. دقت این نقشه‌ها می‌تواند تا حد چند سانتی‌متر باشد که برای بیشتر کارهای مهندسی کاملاً کافی است.

کشاورزی هوشمند

یکی از جالب‌ترین کاربردهای تصویربرداری هوایی در کشاورزی است. کشاورزان دیگر مثل گذشته مجبور نیستند تمام مزرعه را پیاده بپیمایند تا ببینند کجای زراعت مشکل دارد. با یک پرواز ساده می‌توانند نقشه کاملی از سلامت گیاهان، توزیع آب، مناطقی که نیاز به کود بیشتری دارند و حتی بیماری‌های گیاهی را به دست بیاورند. این چیزی است که به آن کشاورزی دقیق می‌گویند.

دوربین‌های مادون قرمز و چندطیفی که روی پهپادها نصب می‌شوند، می‌توانند چیزهایی ببینند که چشم انسان نمی‌بیند. گیاهان سالم نور مادون قرمز را به طریقه خاصی منعکس می‌کنند و وقتی گیاه دچار استرس آبی یا بیماری می‌شود، این الگوی بازتاب تغییر می‌کند. با تحلیل این تصاویر می‌توان قبل از اینکه مشکل با چشم غیرمسلح قابل مشاهده باشد، آن را تشخیص داد و اقدام لازم را انجام داد. این می‌تواند جلوی ضررهای زیادی را بگیرد.

یکی دیگر از کاربردها، مدیریت آبیاری است. با تصویربرداری حرارتی می‌توان دید کدام قسمت‌های مزرعه رطوبت کافی ندارند. همچنین می‌توان میزان پوشش گیاهی را در قسمت‌های مختلف اندازه گرفت و بر اساس آن، کود و آب را به صورت متغیر در مزرعه توزیع کرد. این باعث صرفه‌جویی در مصرف آب و کود می‌شود و در عین حال عملکرد را افزایش می‌دهد.

نظارت بر پروژه‌های ساختمانی از آسمان

در صنعت ساخت‌وساز، زمان پول است و هر تأخیری می‌تواند میلیون‌ها تومان ضرر به بار بیاورد. تصویربرداری هوایی به پیمانکاران و مدیران پروژه این امکان را می‌دهد که پیشرفت کار را به صورت دقیق و منظم رصد کنند. به جای اینکه یک نفر چند ساعت در کارگاه بگردد و یادداشت بردارد، می‌توان با یک پرواز ده دقیقه‌ای، تصویر کاملی از وضعیت کارگاه به دست آورد.

یکی از مهم‌ترین کاربردها، محاسبه حجم خاکبرداری و خاکریزی است. با داشتن نقشه دقیق قبل و بعد از عملیات خاکی، می‌توان دقیقاً محاسبه کرد چقدر خاک جابه‌جا شده است. این برای تسویه‌حساب با پیمانکاران و کنترل هزینه‌ها خیلی مهم است. قبلاً این کار به صورت دستی و با نقشه‌برداری زمینی انجام می‌شد که هم زمان‌بر بود و هم دقت کمتری داشت.

مزیت دیگر، مستندسازی است. تصاویر هوایی منظم از کارگاه می‌توانند در صورت بروز اختلاف بین کارفرما و پیمانکار یا در مواقع نیاز به بازرسی، مدرک معتبری باشند که نشان می‌دهند در چه زمانی چه کاری انجام شده است. همچنین این تصاویر می‌توانند برای بازاریابی و نمایش پیشرفت پروژه به سرمایه‌گذاران استفاده شوند.

محیط زیست و حفاظت از طبیعت

حفاظت از محیط زیست بدون داشتن اطلاعات دقیق از وضعیت موجود ممکن نیست. تصویربرداری هوایی به محیط‌بانان و دانشمندان این امکان را می‌دهد که جنگل‌ها، مراتع، تالاب‌ها و سایر اکوسیستم‌ها را به صورت منظم پایش کنند. می‌توان تغییرات پوشش گیاهی را در طول زمان دنبال کرد، مناطق جنگل‌زدایی را شناسایی کرد و حتی حیوانات وحشی را در زیستگاه‌هایشان شمارش کرد.

یکی از کاربردهای مهم، شناسایی آتش‌سوزی جنگل‌ها و پایش گسترش آن است. با استفاده از دوربین‌های حرارتی می‌توان کانون‌های آتش را حتی در زیر دود غلیظ دید و به آتش‌نشانان کمک کرد که بهترین مسیر برای مهار آتش را پیدا کنند. همچنین بعد از مهار آتش، می‌توان میزان خسارت را دقیقاً ارزیابی کرد.

در زمینه منابع آب نیز تصویربرداری هوایی کاربردهای زیادی دارد. می‌توان سطح آب در سدها و دریاچه‌ها را اندازه گرفت، تغییرات خط ساحلی را بررسی کرد و حتی منابع آلودگی آب را شناسایی کرد. همه اینها بدون نیاز به بازدیدهای زمینی پرهزینه و زمان‌بر انجام می‌شوند.

چالش‌ها و محدودیت‌هایی که باید بدانید

با همه مزایایی که تصویربرداری هوایی دارد، چالش‌ها و محدودیت‌هایی هم وجود دارند که باید آن‌ها را در نظر گرفت. اولین و بزرگ‌ترین چالش، وابستگی به آب‌وهوا است. نمی‌توانید در هر زمانی که بخواهید پرواز کنید. ابر، مه، باران، برف و حتی باد شدید می‌توانند مانع از انجام پرواز شوند یا کیفیت تصاویر را به شدت کاهش دهند. برای پروژه‌های حساس به زمان، این می‌تواند مشکل‌ساز باشد.

مسئله دیگر مقررات پرواز است. در بیشتر کشورها، پرواز پهپاد مشمول مقررات سازمان هواپیمایی کشوری است و باید مجوزهای لازم را داشته باشید. برخی مناطق مثل اطراف فرودگاه‌ها، پایگاه‌های نظامی یا مناطق امنیتی، منطقه پرواز ممنوع هستند. همچنین باید به حریم خصوصی افراد احترام بگذارید و از تصویربرداری از ملک‌های خصوصی بدون اجازه خودداری کنید.

هزینه نیز یکی دیگر از موانع است، خصوصاً برای پروژه‌های کوچک. اگرچه پهپادها تصویربرداری هوایی را ارزان‌تر کرده‌اند، اما هنوز هم تجهیزات حرفه‌ای، نرم‌افزارهای پردازش و نیروی انسانی متخصص هزینه دارند. برای یک کارگاه کوچک ساختمانی یا یک مزرعه چند هکتاری، شاید هزینه تصویربرداری هوایی منظم توجیه اقتصادی نداشته باشد.

نکته آخر این است که تفسیر و استفاده از نقشه‌های هوایی نیاز به دانش فنی دارد. یک عکس هوایی ساده را همه می‌توانند ببینند و بفهمند، اما کار با نقشه‌های ارتوفتو، مدل‌های رقومی ارتفاعی و نرم‌افزارهای GIS نیاز به آموزش دارد. برای همین است که بیشتر کسانی که از این فناوری استفاده می‌کنند، یا خودشان متخصص هستند یا با شرکت‌های تخصصی همکاری می‌کنند.