Iterative Hybrid Discrete-Continuous Viewpoint Planning for UAV Photogrammetry

ملخص تقني: التخطيط التكراري الهجين للمناظير المنفصلة والمستمرة لتخطيط مسارات الطائرات بدون طيار في التصوير المساحي الجوي

بيان المشكلة
يعتمد التصوير المساحي الجوي باستخدام الطائرات بدون طيار (UAV) على شبكات كاميرات توفر تغطية كافية للأسطح، وتداخل الصور، والتباين المنظوري (parallax)، والدقة لضمان إعادة بناء ثلاثية الأبعاد عالية الجودة. ومع ذلك، فإن أنماط الطيران التقليدية، مثل مسارات "جزازة العشب" (lawnmower) التي تتجه عمودياً للأسفل (nadir)، غالباً ما تكون غير متكيفة بشكل جيد مع هندسة المشاهد المعقدة. يؤدي هذا عدم التوافق إلى أخطاء في إعادة البناء الموضعي، وأسطح غير مكتملة، ونماذج غير دقيقة عندما تُلاحظ الهياكل من زوايا غير مناسبة، أو مسافات مفرطة، أو مع تداخل صور غير كافٍ. وبينما تعالج الطرق الحالية هذه المشكلات من خلال نهج "أفضل منظور تالٍ" (NBV) عبر الإنترنت أو التخطيط القائم على النموذج، لا تزال هناك حاجة إلى طريقة توازن بين جودة إعادة البناء الموضعية ومتانة شبكة الصور العالمية دون تكبد تكالفي استحواذ باهظة.

المنهجية
تقترح الورقة طريقة تخطيط هجينة تكرارية للمناظير المنفصلة والمستمرة تولد مسار طيران مستهدفاً بناءً على نموذج إعادة بناء وسيط (proxy). تفترض العملية عملية استحواذ مكونة من مرحلتين: رحلة استكشافية أولية (على سبيل المثال، نمط جزازة العشب) تنشئ شبكة وسيطة خشنة، والتي تُستخدم بعد ذلك لتخطيط رحلة ثانية محسنة.

تعمل المنهجية من خلال المراحل التالية:

1. استدلالات إعادة البناء: يقوم المخطط بتقييم نقاط السطح ومجموعات المناظير باستخدام درجات تصوير مساحي محددة:

   • درجات مستوى النقطة: تُقدر جودة إعادة البناء بناءً على المواجهة (التوافق مع النواظم السطحية)، ومسافة التصوير (الالتزام بمسافة عينة الأرض المستهدفة GSD)، والتباين المنظوري (التنوع الزاوي)، وعدد ملاحظات تعدد الرؤى.
   • درجات مجموعة المناظير: تقيم خصائص الشبكة العالمية، حيث تكافئ الرؤية (عدد النقاط المرصودة)، والتداخل الزوجي (المحتوى المشترك بين الرؤى)، واتصال الرسم البياني (لضمان تشكيل شبكة الصور لمكون واحد متصل).
   • تقوم دالة هدف عالمية بدمج هذه الدرجات المحلية والعالمية.

2. التخطيط الهجين المنفصل والمستمر:

   • توليد المرشحين: يحدد النظام مناطق السطح الملاحظة بشكل ضعيف ويولد مناظير مرشحة حولها. يتضمن ذلك أخذ عينات من الرؤى الأمامية والرؤى الجانبية عند إزاحات زاوية محددة، مع الالتزام بحدود الكاميرا والمثبت (gimbal).
   • إضافة المناظير: يتم إضافة مرشحين جدد بشكل تكراري لضمان الحد الأدنى من عدد الملاحظات وإصلاح المناطق الضعيفة، ولكن فقط إذا أدى ذلك إلى تحسين الهدف العالمي.
   • التحسين المستمر المتكتل: لتنقيح الوضعيات، تستخدم الطريقة استراتيجية تطور مصفوفة التباين (CMA-ES). يتم تقسيم المناظير إلى مجموعات مكانية لتقليل الأبعاد. تم اختيار CMA-ES بدلاً من الطرق القائمة على التدرج أو طريقة نيلدر-ميد (Nelder-Mead) لأن هدف إعادة البناء غير محدب، وغير قابل للاشتقاق، ومنقطع بسبب تغيرات الرؤية المنفصلة.
   • تقليم المناظير: يتم إزالة المناظير الزائدة. إذا كان المنظور لا يلاحظ أي نقاط أو يخلق تداخلاً مفرطاً دون تحسين الدرجة العالمية، فإنه يُستبعد لتقليل عملية الاستحواذ على الصور.

3. تصميم المنظور ذو المستويين: تجمع المجموعة النهائية بين نوعين من المناظير:

   • مناظير التفاصيل قريبة المدى: يتم توليدها حول مناطق ضعيفة محددة لتحسين الدقة المحلية وجودة إعادة البناء.
   • مناظير تغطية النموذج: يتم توليدها لتأطير أجزاء كبيرة من النموذج الوسيط، مما يضمن السياق العالمي ومتانة شبكة الصور.

4. ترتيب المسار: يتم تحويل مجموعة المناظير غير المرتبة الناتجة إلى مسار طيران قابل للتنفيذ عن طريق حل مشكلة البائع المتجول (TSP) لتحديد ترتيب عبور فعال.

المساهمات الرئيسية
تحدد الورقة ثلاث مساهمات رئيسية:

• دالة هدف لإعادة البناء تدمج مقاييس جودة التصوير المساحي المحلية مع خصائص شبكة الصور العالمية (الرؤية، التداخل، والاتصال).
• مخطط هجين (منفصل-مستمر) يضيف المناظير بشكل تكراري، ويحسنها (عبر CMA-ES المتكتل)، ويزيلها.
• استراتيجية تصميم منظور ذات مستويين توازن بين رؤى التفاصيل قريبة المدى للدقة المحلية وبين رؤى تغطية النموذج الأوسع للمتانة العالمية.

النتائج
تم تقييم الطريقة على ثلاثة مشاهد اصطناعية مستمدة من نماذج واقعية: ضريح تو دوك (Tu Duc's Tomb)، وكنيسة سانت صوفيا، وكاتدرائية مكسيكو سيتي. تمت مقارنة النهج المقترح مع كل من Smith et al. [1] و Yan et al. [13].

• الدقة والاكتمال: حسنت الطريقة المقترحة بشكل عام كلاً من دقة إعادة البناء واكتماله. حققت أفضل خطأ في المئوية التسعين عبر جميع المشاهد وأعلى درجة اكتمال عند عتبة 0.075 متر. بالنسبة لمشهدي الضريح والكنيسة، تفوقت على الخطوط المرجعية عند العتبة الأكثر صرامة 0.050 متر، رغم أن Yan et al. [13] أظهر أداءً أفضل قليلاً عند 0.050 متر لمشهد الكنيسة.
• الكفاءة: حققت الطريقة هذه التحسينات في الجودة بعدد أقل بكثير من الصور مقارنة بـ Yan et al. [13] وعدد مماثل أو أقل من الصور مقارنة بـ Smith et al. [1]. وبناءً على ذلك، كانت أوقات المحاذاة أقل بكثير من Yan et w et al. ومماثلة لـ Smith et al.، مما يظهر مقايضة مواتية بين جودة إعادة البناء وتكلفة الاستحواذ.
• الأدلة البصرية: أشارت تصورات الخطأ إلى أن الطريقة المقترحة أنتجت مناطق خطأ أقل حدة حول الواجهات المعقدة والمداخل مقارنة بالخطوط المرجعية.

الأهمية والقيود
تدعي الورقة أن الطريقة المقترحة تقدم مقايضة متفوقة بين جودة إعادة البناء وكفاءة الاستحواذ من خلال الموازنة بين التفاصيل المحلية ومتانة الشبكة العالمية. وهي تعالج بفعالية قيود المسارات الثابتة من خلال التكيف مع هندسة المشهد عبر نهج تكراري قائم على النموذج الوسيط.

ومع ذلك، يقر المؤلفون بتواضع بوجود قيد رئيسي: اعتماد الطريقة على جودة إعادة البناء الوسيطة الأولية. فالمناطق المفقودة أو التي أعيد بناؤها بشكل ضعيف في النموذج الوسيط (مثل الهندسات الداخلية) قد لا تُعطى الأولوية أثناء التخطيط للرحلة الثانية. وتقترح الورقة أن العمل المستقبلي يمكن أن يدمج صور إعادة البناء الوسيطة للكشف عن التفاصيل المفقودة ودمج مصطلحات وقت الطيران وجودة الطيران في هدف التحسين لتعزيز كفاءة مسار الطائرة بدون طيار في الممارسة العملية.