Development of an Enhanced Aerial Photogrammetric Process for Precise 3D Model Reconstruction and validation by Volume Calculation

تخيل أنك تحاول بناء تمثال ثلاثي الأبعاد مثالي للعبتك المفضلة، لكن ليس لديك سوى كاميرا مسطحة ثنائية الأبعاد. هذا هو عالم القياس التصويري (Photogrammetry)، وهو فرع من العلوم يحول الصور المسطحة إلى نماذج ثلاثية الأبعاد. فكر في الأمر كأنه لغز رقمي: إذا التقطت عدداً كافياً من الصور لشيء ما من زوايا مختلفة، يمكن للكمبيوتر أن يستنتج مدى عمق هذا الشيء، تماماً كما يستخدم عقلك عينين لتقدير المسافة. عادةً، تقوم الطائرات بدون طيار (الدرونز) بذلك تلقائياً، حيث تطير في أنماط مثالية لالتقاط مئات الصور. ولكن ماذا لو تعبت الطائرة، أو نفدت بطاريتها، أو أصبح الكمبيوتر مثقلاً بالكثير من البيانات؟ هنا يأتي دور هذا البحث، الذي يطرح سؤالاً بسيطاً ولكنه صعب: هل نحتاج حقاً إلى التقاط مليون صورة، أم يمكننا الحصول على نفس النموذج ثلاثي الأبعاد المثالي بالتقاط صور أقل وأكثر ذكاءً؟

كان الباحثون في هذه الدراسة يبحثون عن "النقطة المثالية" لالتقاط الصور. كانوا يبحثون عن زوايا الكاميرا المثالية التي ستعطيهم نموذجاً ثلاثي الأبعاد فائق الدقة دون إضاعة الوقت أو مساحة التخزين. لقد اختبروا طرقاً مختلفة للنظر إلى الجسم — من الأسفل مباشرة، أو من الجانب، أو من مكان ما بينهما — لمعرفة أي مزيج سيخلق النسخة الرقمية الأفضل. لماذا يهم هذا؟ لأنه في العالم الحقيقي، سواء كنت تقيس كومة من التراب في موقع بناء أو تمسح مبنى تاريخياً، فإن الحصول على الحجم (المساحة التي يشغلها) بدقة متناهية أمر بالغ الأهمية. إذا كانت حساباتك خاطئة، فقد تطلب كمية زائدة من الخرسانة أو تغفل عن خلل هيكلي. يحاول هذا البحث إيجاد الطريقة الأكثر كفاءة لضبط تلك الحسابات.

رحلة البحث عن زاوية الصورة العظمى

قرر الفريق في "جارودا إيروسبيس" (Garuda Aerospace) وعدة كليات هندسية في الهند لعب لعبة "تخمين الزاوية" لمعرفة كيفية بناء أفضل نموذج ثلاثي الأبعاد لجسم بسيط: صندوق ورقي. لم يكتفوا بالتخمين فحسب، بل أعدوا تجربة محددة للغاية. تخيل دائرة مسطحة على الأرض، مقسمة إلى اثني عشر شريحة مثل البيتزا. وضعوا الصندوق في المركز ووقفوا عند كل شريحة لالتقاط صورة.

ولكن إليك المفاجأة: لم يكتفوا بالوقوف هناك فحسب، بل أمالوا كاميراتهم للنظر إلى الصندوق من أربعة ارتفاعات مختلفة للرؤية: 30 درجة، 45 درجة، 60 درجة، و90 درجة.

• 90 درجة هي النظر مباشرة من الأعلى، مثل رؤية عين الطائر.
• 0 درجة (والتي اختبروها أيضاً) هي النظر مباشرة من الجانب، مثل إنسان يقف بجانبه.
• 30 درجة، 45 درجة، و60 درجة هي الزوايا "المائلة"، حيث تنظر إلى الجسم من زاوية مائلة، مثل طائرة بدون طيار تحوم بشكل قطري.

بدأوا بكاميرا هاتف محمول مثبتة على ارتفاع ثابت قدره 5 أقدام. التقطوا صوراً للصندوق من كل زاوية، وأحياناً التقطوا زاوية واحدة فقط (مثل 45 درجة فقط) وأحياناً أخرى مزجوا بينها (مثل التقاط صور عند زاوية 45 درجة و60 درجة معاً). بعد التقاط الصور، أدخلوها في برنامج كمبيوتر قوي يسمى Agigail Metashape. يعمل هذا البرنامج كمنحوت رقمي، حيث يقوم بتجميع الصور المسطحة معاً لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد، و"نموذج ارتفاع رقمي" (خريطة للارتفاعات)، وخريطة جوية مسطحة ومثالية تسمى "أورثوموزايك" (Orthomosaic).

اختبار الحجم: هل نجحت الحسابات؟

لمعرفة ما إذا كانت نماذجهم الرقمية جيدة بالفعل، كان عليهم لعب لعبة "المقارنة والتحقق". كانوا يعرفون الحجم الدقيق للصندوق الورقي لأنهم قاسوه بمسطرة. كان حجم الصندوق الحقيقي هو 0.00189 متر مكعب.

بعد ذلك، طلبوا من الكمبيوتر قياس حجم النماذج ثلاثية الأبعاد التي أنشأها من مجموعات الصور المختلفة. استخدموا برنامجاً آخر يسمى QGIS لحساب حجم الصندوق الرقمي وقارنوه بالحجم الحقيقي. إذا قال الكمبيوتر إن حجم الصندوق هو 0.00189 متر مكعب، فقد كانوا مثاليين. أما إذا قال 0.00200 متر مكعب، فقد كانوا بعيدين قليلاً.

إليكم ما وجدوه، وكان الأمر مفاجئاً للغاية:

• خطأ "التشتت في كل مكان": عندما حاولوا استخدام كل الزوايا التي لديهم (0، 30، 45، 60، و90 درجة) معاً، ارتبك الكمبيوتر. قفز الخطأ إلى نسبة ضخمة بلغت +82.5%. اتضح أن رمي الكثير من أنواع الصور المختلفة معاً يمكن أن يجعل النموذج أسوأ، وليس أفضل.
• مشكلة "النظر من الأعلى مباشرة": التقاط الصور من زاوية 90 درجة فقط (من الأعلى مباشرة) أعطى نتيجة جيدة، لكنها كانت لا تزال غير دقيقة بنسبة -3.70%. لقد افتقدت بعض التفاصيل الجانبية.
• معاناة "رؤية الجانب": النظر فقط من زاوية 0 درجة (مباشرة من الجانب) كان كارثياً بالنسبة للبرنامج؛ إذ لم يتمكن حتى من مطابقة النقاط بشكل صحيح لبناء نموذج.
• التركيبة الفائزة: حدث السحر عندما مزجوا بين 45 درجة و60 درجة باستخدام الهاتف المحمول. هذا المزيج المحدد من الزوايا المائلة خلق نموذجاً ثلاثي الأبعاد قريباً جداً من الصندوق الحقيقي. حسب الكمبيوتر الحجم بـ 0.00190 متر مكعب، وهو ما يقل عن القياس الحقيقي بنسبة +0.53% فقط. كانت هذه هي النتيجة الأكثر دقة من بين جميع نتائج الدراسة.

كما اختبروا مزيجاً من 30، 45، و60 درجة، وكان جيداً أيضاً، بنسبة خطأ بلغت +3.18%، لكن ثنائي 45 و60 درجة كان هو البطل الواضح.

من الهاتف إلى الدرون: الاختبار في العالم الحقيقي

بمجرد أن حددوا أفضل الزوايا باستخدام الهاتف، أرادوا التأكد من أن ذلك يعمل مع طائرة بدون طيار حقيقية. استبدلوا الهاتف بطائرة بدون طيار من نوع Garuda Aerospace وحلقوا فوق الجسم على ارتفاع 30 قدماً. استخدموا نفس الزوايا الفائزة (45 و60 درجة) لالتقاط الصور.

والنتيجة؟ كانت طريقة الدرون دقيقة للغاية أيضاً، حيث انخفض الخطأ إلى أقل من 2.76%. إن قدرة الدرون على الطيران بسلاسة والتقاط صور متداخلة من تلك الزوايا المائلة المحددة جعلت النموذج ثلاثي الأبعاد دقيقاً للغاية. لاحظ الباحثون أن هذا النهج "غير المستقل" (حيث يوجه الإنسان الطائرة لالتقاط صور محددة بدلاً من ترك الطائرة تطير في نمط محدد مسبقاً بشكل أعمى) وفر الوقت وقلل من كمية البيانات غير المفيدة التي يتم جمعها.

الخلاصة

تشير هذه الدراسة إلى أنك لست بحاجة لالتقاط مليون صورة أو توجيه طائرة بدون طيار في شبكة آلية معقدة للحصول على نموذج ثلاثي الأبعاد مثالي. بدلاً من ذلك، من خلال توجيه الكاميرا (أو الدرون) يدوياً لالتقاط الصور عند زوايا 45 و60 درجة، يمكنك إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد عالي الدقة.

يسلط البحث الضوء على أن مزيج 45 و60 درجة حقق أعلى دقة، حيث وصل الخطأ إلى +0.53% فقط عند معالجة صور الهاتف المحمول. وعند تطبيق إعداد الزوايا الأمثل هذا على التصوير الفوتوغرافي الجوي باستخدام طائرة بدون طيار، أنتج أيضاً تقديرات حجم دقيقة للغاية، بنسبة خطأ أقل من 2.76%.

يخلص البحث إلى أن هذه الزوايا المائلة المحددة هي "منطقة غولديلوكس" (المنطقة المثالية)—ليست شديدة الانحدار، وليست مسطحة جداً، بل هي "مثالية تماماً". فهي توفر ما يكفي من التفاصيل للجزء العلوي وجوانب الجسم لمساعدة الكمبيوتر على بناء شكل ثلاثي الأبعاد صلب ودقيق دون الارتباك بسبب الكثير من البيانات الإضافية. سواء كنت تستخدم هاتفاً أو طائرة بدون طيار، فإن النظر إلى جسمك من هاتين الزاويتين المحددتين يبدو أنه السر لبناء أفضل توأم رقمي ممكن.