فهم استخدام قياس الصور في مسح المسارات من أجل نماذج التضاريس الدقيقة

وقد أصبح التصوير أداة لا غنى عنها في مسح الطرق، مما مكّن المهندسين والمساحين من بناء نماذج دقيقة للغاية، وثلاثة نماذج أرضية من الصور المتداخلة، ومن خلال استخلاص الأرض من الزوايا المتعددة - الأخرى من الهواء، أو من طائرة بدون طيار، أو من كاميرات أرضية - أشعة مرئية، مما يحد بشدة من الحاجة إلى قياسات أرضية متطورة في المستقبل، مع تطبيقات مبدئية على مستويات الكثافة.

ما هو الأشعة الفوتوغرافية؟

(ج) يعتمد في شكله الرقمي الحديث على عملية تسمى بنية من الحركة (SfM) ، حيث يمكن تجهيز سلسلة من الصور المتداخلة لإعادة بناء المواقع الجغرافية السحابية الثلاثة المتينة من موقع التصوير.

والمبدأ الأساسي هو triangulation : إذا ظهرت نقطة على الأرض في صورتين على الأقل مأخوذتين من مواقع مختلفة، يمكن حساب الإحداثيات الثلاثة دال لتلك النقطة، حيث توجد مئات أو آلاف الصور المتداخلة، فثمة تمثيل تضاريسي شديد التفصيل، وفيما يتعلق بمسح الطرق، تتضمن المدخلات النموذجية صورا جوية مأخوذة من طائرات مأهولة.

How Photogrammetry is usedd in Route Surveying

كما أن مسح الطرقات - سواء للطرق السريعة أو السكك الحديدية أو الأنابيب أو خطوط الكهرباء - يتطلب معلومات دقيقة ومستكملة عن الممرات الطويلة والخطوط، ويوفر قياس الصور إطاراً متعدد الأطراف لجمع تلك البيانات بسرعة وبأمانة وفعالية من حيث التكلفة.

قياس الطلاء الجوي

ومن الناحية التاريخية، كانت مجموعة الدراسات الاستقصائية للطرق هي التصوير الجوي باستخدام الطائرات المأهولة، حيث تلتقط كاميرات رقمية كبيرة أشرطة من الصور المتداخلة على طول المواصفات المخطط لها، وتجهز الصور لإنتاج خرائط طبوغرافية على نطاق يتراوح بين 1: 500 و 1: 000 5، مع وجود تسارعات عمودية في مقياس المقياس إلى المدى الخامس، كما أن قياس الصور الضوئية الحرارية هو مثالي للممرات الواسعة (الحجم).

UAV (Drone) Photogrammetry

وفي العقد الماضي، أحدثت قياسات التصوير بالأشعة فوق البنفسجية ثورة في مسوح الطرق، لا سيما بالنسبة للمواءمة القصيرة أو الأكثر تعقيدا، ويمكن أن تطير طائرة صغيرة متعددة الأطقم أو ثابتة الجناحين على ارتفاعات منخفضة (50-200 متر)، وتلتقط صورا بمسافات عينات أرضية تتراوح بين 1 و5 سنتيمتر.

والمزايا ملحّة: النشر السريع، وخفض التكلفة، والقدرة على الطيران في ممرات ضيقة (مثلا على طول طريق جبلي متحرك)، غير أن عمليات الطائرات فوق البنفسجية تخضع لضوابط الطقس، والألوان الجوية، والحد من البطاريات، مما يجعلها أقل ملاءمة للمشاريع الطويلة الأجل ما لم تُحط إلى رحلات جوية متعددة.

مقياس الطلاء الأرضي

وتستخدم الأشعة الضوئية الأرضية باستخدام كاميرات متحركة ثلاثية الأبعاد أو كاميرات ملحقة بالمركبات، لإجراء دراسات استقصائية مفصلة عن هياكل محددة أو أماكن ضيقة، مثلا عندما يمر طريق عبر نفق أو تحت جسر قائم، يمكن أن يلتقط التصوير الضوئي الأرضي الهندسة الداخلية وعمليات التطهير، كما أنه يشكل تكملة للطرق الجوية في المناطق التي تتداخل فيها صور الأشجار الكثيفة، حيث تختفي الأرض من سطح الأرض.

إدماج تقنيات التصوير في التكنولوجيات الأخرى

وفي المسح الحديث للطرق، نادرا ما تستخدم المقاييس الضوئية في العزلة، وهي عادة ما تُدمج مع سحابات لنقطة ليدار لتجمع المعلومات المستقيمة الغنية للصور مع قياسات الارتفاع الدقيقة لمسح الليزر، وتُسجل مجموعتا البيانات معا لإنتاج نموذج هجين يُستخرج في كل من النسيج والدقة.

التطبيقات الرئيسية في المسح على الطرق

رسم الخرائط الطبوغرافية قبل التصميم

ويبدأ كل مسح للطرق بوضع خريطة أساسية، إذ أن البرمجيات المصورة تقدم خرائط مخروط، ونماذج الارتفاع الرقمي، والأوراموتوس التي تشكل أساس اختيار الممرات، وتصميم التواؤم الأولي، وتقييم الأثر البيئي، ويمكن أن تكون مدخرات الوقت هائلة: يمكن للطائرة بدون طيار أن تمسح عدة كيلومترات من الممر في فترة بعد الظهر الواحدة، بينما قد يستغرق المشي على مسافة مماثلة مع محطة كاملة أسابيع.

تحديد العائق والأخطار

ويمكن نماذج الاستبانة العالية 3 دال المهندسين من تحديد المخاطر المحتملة على طول طريق - بما في ذلك منحدرات الصخور، ومنحدرات الصخور، ومنحدرات المياه، والمرافق الموجودة، والهياكل المخترقة، ومن خلال الإفراط في المواءمة المقترحة على النموذج التصويري، يتم اكتشاف النزاعات مبكرا، مما يقلل من إعادة تصميمات باهظة التكلفة، ومن التأخيرات في البناء، كما يمكن للصور الحرارية أو المتعددة الأطياف أن تكشف عن مسائل تنابية.

تحليل إزالة النباتات

وبالنسبة لمشاريع خط الطاقة وخطوط الأنابيب، توفر نماذج قياسات دقيقة لمدى ارتفاع الغطاء النباتي وكثافة النباتي على طول الطريق الصحيح، ويمكن للمهندسين حساب حجم الأشجار التي يتعين تطهيرها، وتحديد الممرات التي تتفادى المناطق الحساسة بيئيا، والتخطيط للتنقية الانتقائية، كما أن الطبيعة الزمنية للتصوير الضوئي (الرحلات الجوية المتكررة) تسمح برصد إعادة النمو بعد البناء.

رصد التقدم المحرز في مجال التشييد

وأثناء عملية التشييد، تنتج الدراسات الاستقصائية الدورية للصور الفوتوغرافية (أسبوعيا أو شهريا) توأم رقمي لموقع العمل النشط، وتقارن هذه النماذج بسطح التصميم لتتبع أحجام القطع والملفات والتحقق من الانحرافات عن الخطة، ويمكن استخدام السجل المبني المولد في مقربة المشروع في الصيانة والإصلاح وإدارة الأصول في المستقبل.

التحقق من بعد انتهاء الخدمة

وبعد الانتهاء من الدراسة الاستقصائية النهائية للتصوير الضوئي، توثق الهندسة المبنية للطريق أو المسار أو خط الأنابيب، وهذا السجل ضروري لتسليم الأصول إلى المالك ولتحديث نظم المعلومات الجغرافية، ولأن النموذج بأكمله مكاني، يمكن التساؤل عن إحداثيات دقيقة لأية فتحات سمية أو حرارات أو علامات أو حرارات أو تلغي التخمينات التي ترسم على أساس تقليدي.

ألف - المزايا المتعلقة بأساليب المسح التقليدية

الكفاءة غير المتطابقة

ويتطلب المسح التقليدي للطرق مع مجموع المحطات وأجهزة قاذفة النظم العالمية لسواتل الملاحة المرور بمسافات طويلة على الأقدام، وغالبا ما يكون ذلك عن طريق فرشاة الكثيفة أو التضاريس الحادة، ويمكن أن تغطي الأشعة الضوئية الممرات المتوازية بمعدلات تتراوح بين 5 و 20 كيلومترا لكل ساعة طيران، وتتم عملية تجهيز البيانات بشكل كبير، بحيث يمكن تسليم خريطة طبوغرافية كاملة في غضون أيام بدلا من أسابيع.

ارتفاع نسبة الكثافة وحلها

وتحتوي سحابة نموذجية من المعالم الضوئية على ملايين النقاط لكل هكتار، حيث تتجاوز الكثافة 100 نقطة/م2، ويكشف هذا المستوى من التفاصيل عن الأضلاع المجهرية - الشظايا السطحية، وتغيُّرات سطح الطرق الفرعية - غير مرئية في خرائط المخروط التقليدية التي تبلغ مساحتها 10 أمتار أو 5 أمتار.() ويمكن للمهندسين أن يُجريوا حسابات دقيقة للألعاب الأرضية وتحليلات للصرف التي قد تكون مستحيلة.

تعزيز السلامة

وكثيرا ما يتطلب مسح الطريق من الموظفين العمل بالقرب من حركة المرور أو على المنحدرات غير المستقرة أو في البرية النائية، ويتيح قياس الصورة للمساح البقاء على مسافة آمنة أو حتى في المكتب الذي يجمع البيانات، ويقلل في الوقت الميداني مباشرة من التعرض لمخاطر مثل سقوط الثعبان أو اصطدام المركبات.

التكلفة - الأثر بالنسبة للممرات الطويلة

وعلى الرغم من أن الاستثمار الأولي في الكاميرات والطائرات بدون طيار والبرامجيات يمكن أن يكون كبيرا، فإن تكلفة قياس الأشعة الضوئية في كل كيلومتر أقل بكثير من الطرق الأرضية عندما يتجاوز طول الممر حوالي 10 كيلومترات، بل إن نقطة الانقطاع أقل عندما تؤخذ تكاليف العمل والمكاسب الإنتاجية في الحسبان، وبالنسبة لمشاريع البنية التحتية الكبيرة التي تمتد مئات الكيلومترات، فإن الوفورات تصل إلى مئات الآلاف من الدولارات.

وثائق ثرية

وعلى عكس قائمة النقاط الاستقصائية، يتضمن نموذج التصوير الضوئي السياق البصري الكامل للممر، إذ يرى أصحاب المصلحة - من المخططين إلى الجمهور - الأرض من أي زاوية، وزوم في الملامح، ويتخذون قرارات مستنيرة، ويستخدم الفوتو الذي ينتج عن المسح خريطة أساسية دقيقة للألوان لا تخرج عن التاريخ (كما يمكن أن تخرج خريطة ورقية ممسحة).

التحديات والحدود

نوعية الصور وظروف الإضاءة

ويعتمد التصوير الفوتوغرافي على صور حادة ومعرضة جيداً ذات تداخل كاف )تراوح بين ٦٠ و ٨٠ في المائة من التداخل الأمامي و ٣٠ إلى ٤٠ في المائة من التداخل الجانبي(.

الغطاء النباتي والتضاريس

ويمكن أن تحجب الغابات الكثيفة أو العشب الطويل أو البيئات الحضرية المعقدة الأرض الخالصة، وقد تُتخذ تدابير لقياس الأشعة الضوئية أول سطح مرئي في كثير من الأحيان على رأس الأسطوانة - وبالتالي، فإن استخراج نموذج رقمي حقيقي للتضاريس يتطلب تصفية الخوارزميات أو تركيب أشعة فوتوغرافية مع بيانات ليدار، وفي المسح الكثيفي، قد لا ينتج التصميم الضوئي وحده

تكاليف رأس المال الأولي والتدريب

كما أن الكاميرات المهنية، والمركبات ذات القيمة العالية، وبرامجيات تجهيز الصور الفوتوغرافية، ومعدات المراقبة الأرضية، تمثل استثمارا كبيرا، بالإضافة إلى أنه يجب تدريب الموظفين على تخطيط الرحلات، واقتناء الصور، وتجهيز البيانات، وقد تجد شركات الهندسة الصغيرة أو الوكالات البلدية أن التكلفة الباهظة، وإن كانت خيارات الإيجار والخدمات المتعلقة بالبورو أكثر شيوعا.

القيود التنظيمية والجوية على الفضاء

وتخضع عمليات الطائرات فوق البنفسجية لأنظمة سلطة الطيران (مثلاً، الجزء 107 من اتفاق الطيران الأمريكي، وكالة الفضاء الأوروبية)، وتحتاج الرحلات الجوية القريبة من المطارات، أو المناطق العسكرية، أو في الليل إلى إعفاءات خاصة، أما بالنسبة للممرات المتقاطعة التي تعبر ولايات قضائية متعددة، فإن الحصول على إذن يمكن أن يستغرق وقتاً طويلاً، فالطائرات المسيرة الثابتة التي تقدم فترة أطول ولكنها تتطلب مزيداً من المساحة لإطلاقها واستردادها، مما قد يثير إشكالية في الممرات.

حجم البيانات ومعالجتها

ويمكن أن تولد رحلة واحدة على طول ممر طوله ٢٠ كيلومترا ٠٠٠ ٢ إلى ٠٠٠ ٥ صورة، كل من ٢٠ إلى ٥٠ ميغبيكسل، وتستلزم تخزين وتجهيز هذه الصور حاسبا عالي الأداء )مواقع العمل المجهزة بالشبكة العالمية لسواتل الملاحة أو الخدمات القائمة على الغيوم( ويمكن أن يتراوح الوقت اللازم لتجهيزها بين بضع ساعات وعدة أيام، وذلك حسب الظروف الجيدة المرغوبة، ويجب أن تخطط الدراسات الاستقصائية لهذا التصميم الأساسي عند تحديد الجدول الزمني.

الاتجاهات المستقبلية في مجال قياس الصور بالنسبة لمسح الطرق

تجهيز الوقت الحقيقي

وتتجه عملية الحوسبة والتجهيز على متن الطائرة إلى نقطة يمكن فيها توليد نماذج منخفضة الاستبانة في دقائق بينما لا تزال الطائرة بدون طيار تنقل جوا، وستتيح هذه القدرة للمساحين التحقق فورا من التغطية ونوعية البيانات، مما يقلل من خطر إعادة الإضاءة باهظة التكلفة، وفي المستقبل القريب، ستمكن التصويبات التفاضلية في الوقت الحقيقي من محطات قاعدية النظم العالمية لسواتل الملاحة من الحصول على خدمات نقل جغرافي مباشر دون نقاط مراقبة أرضية، مما يؤدي إلى زيادة سرعة تدفق العمل.

AI —Powered Feature Extraction

ويجري تدريب خوارزميات التعلم الماكين على الكشف تلقائياً عن حواف الطرق، والحرس، والسيارات، والعلامات من الغيوم المغناطيسية، والأورام الفوقية، وهذا سيؤهل معظم الأعمال التي تتطلب تدخلاً يدوياً، وكسر أوقات الدوام، والحد من الخطأ البشري، كما يمكن للشبكات العصبية الثورية أن تصنف الغطاء الأرضي (CNNphas).

التكامل مع نماذج المعلومات المتعلقة بالبناء

ومع اعتماد مشاريع البنية التحتية لنظام تقييم الأداء، ستستخدم نماذج قياس الأشعة الضوئية كطبقة واقعية مبنية داخل توأم رقمي، وسيكون بوسع المهندسين أن يتفوقوا على نماذج التصميم في التضاريس الضوئية، وأن يكشفوا عن الاصطدام، وأن يحيّزوا تسلسلات التشييد، وقد أصبح التبادل غير المتناغم بين برامجيات البرمجية البرمجية البرمجية وبرمجيات BIM (مثلا، تنقيح الأوتومات، بنتلي المفتوحة).

التصويبات البرمجية المتعددة الأطياف والهيبرائية

ويجري إدماج كاميرات قياسية تتجاوز الموجات المرئية (الأشعة تحت الحمراء، الحرارية، الموجة القصيرة الحمراء) في الدراسات الاستقصائية التصويرية، ويمكن لهذه أجهزة الاستشعار، فيما يتعلق بمسح الطرق، أن تكتشف المرافق الجوفية (عن طريق التوقيعات الحرارية)، وتقييم حالة الرصيف، ورصد تسرب المياه من خلال المراكب، بل وتحديد الغطاء النباتي المجهد الذي قد يشير إلى خطوط أنابيب مدفونة.

نظام تخطيط الرحلات الجوية الآلي للممرات اللاينية

ويتيح البرنامج التخصصي للطيران للمشغلين الآن تحديد الممر الخطي (بمتغيرات العرضية، والقلبات، والقيود على الارتفاع) ويولد تلقائيا مسارا للرحلات على النحو الأمثل يكفل التغطية والتداخل، مما يلغي التخطيط اليدوي المضلل اللازم للطرق الطويلة ويكفل جودة البيانات الثابتة من الطيران إلى الطيران، بل إن بعض البرامج تعدل ارتفاع الرحلات في الوقت الحقيقي استنادا إلى ارتفاع التضاريس للحفاظ على استمرارية البرمجيات.

خاتمة

وقد تطورت تقنيات الاستشعار عن بعد من تقنيات الكيمياء إلى تدفق العمل الرئيسي لمسح الطرق، وقدرتها على إنتاج نماذج التضاريس ذات الطابع المتوسط، وأجهزة الأشعة السينية، وسحب النقاط الثلاث من الصور الرقمية، تجعلها عنصرا أساسيا في مشاريع البنية التحتية الحديثة، وفي حين أن التحديات مثل التدخل في الغطاء النباتي والقيود التنظيمية لا تزال قائمة، فإن الإدماج المستمر لأدوات التصميم الأنسبوي، والتجهيزات الهندسية ذات الأداء الحقيقي،

For further reading on the standards and best practices in photogrammetry, see the American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) and the USGS 3D Elevation Program (]3DEP[FT:3]