تم تجهيز كاميرا D2000 بوحدة كاميرا D-OP4000 القابلة للإمالة للمساعدة في بناء المدينة الذكية في وسط مدينة شنغهاي

مع التحول المستمر لـ"المدينة الرقمية" في بلادي إلى "المدينة الذكية"، بات من الصعب على تطبيقات نظم المعلومات الجغرافية القائمة على بيانات المتجهات ثنائية الأبعاد تلبية احتياجات الإدارة الحضرية الذكية. وفي إطار مهمة المسح ورسم الخرائط الأساسية الوطنية خلال "الخطة الخمسية الرابعة عشرة"، يمكن لمنصة المدن ثلاثية الأبعاد أن توفر قاعدة بيانات ثلاثية الأبعاد للمدينة، مما يُسهم في الإدارة الشاملة للموارد الطبيعية وإدارة المدن الذكية، كما توفر البيانات والمعلومات الأساسية للتخطيط الحضري والإدارة والحماية من الحرائق والاستجابة للطوارئ ومراقبة البيئة، وغيرها. لذا، أصبح الحصول على بيانات ثلاثية الأبعاد بسرعة ودقة في الفضاء الجغرافي دعماً هاماً لبناء نموذج ثلاثي الأبعاد حقيقي للصين. وقد برزت تقنية التصوير المساحي المائل باستخدام الطائرات بدون طيار كطريقة مهمة للحصول على بيانات التصوير المائل، نظراً لقدراتها الفعالة والمرنة في جمع البيانات.

ومع ذلك، بالمقارنة مع الكاميرات الجوية الاحترافية، يتميز هذا النوع من الطائرات بدون طيار بوزن أخف وبُعد بؤري أقصر. وقد بات الحصول على صور عالية الدقة من زاوية مائلة في المناطق الحضرية المركزية، التي تضم العديد من المباني الشاهقة وتفاوتات كبيرة في ارتفاعها، تحديًا تقنيًا في مجال التصوير المساحي الجوي الحضري باستخدام الطائرات بدون طيار. تستخدم هذه الدراسة طائرة Pegasus D2000 رباعية المراوح، المزودة بوحدة تصوير مائلة D-OP4000 ذات بُعد بؤري 40 مم للرؤية السفلية و56 مم للرؤية الجانبية، لاستكشاف عملية جمع البيانات وإنشاء صور ثلاثية الأبعاد للمشهد الحقيقي باستخدام التصوير المساحي الجوي الحضري في المنطقة الحضرية المركزية لنموذج مدينة ضخمة.

نطاق منطقة الدراسة

تقع منطقة البحث على الضفة الشمالية لنهر هوانغبو في شنغهاي، بجوار طريق نانجينغ. ويضم الموقع متحف العمارة الدولية الشهير في شنغهاي. أما باقي المباني التي يزيد ارتفاعها عن 100 متر فهي صغيرة نسبياً، مما يستلزم الحصول على صور جوية مائلة عالية الدقة باستخدام طائرات بدون طيار، وهو أمر بالغ الصعوبة.

صور لمبانٍ شاهقة في منطقة الدراسة

يوضح الشكل 3 المسار التقني. وبناءً على بيانات نموذج الارتفاع الرقمي (DSM) لارتفاعات المباني في منطقة نورث بوند بشنغهاي، تم استخدام نموذج الارتفاع الرقمي PHOTOMOD لتعديل نموذج الارتفاع الرقمي يدويًا. وتم إجراء عمليات مسح جوي لتغيير الارتفاع لبعض المباني التي يبلغ ارتفاعها 320 مترًا و260 مترًا.

أرض اصطناعية

يُظهر الشكل 4 نموذج السطح الرقمي لمنطقة البحث. تتراوح ارتفاعات المباني من 3 إلى 320 مترًا، ويبلغ ارتفاع أطول مبنى، وهو مبنى ماغنوليا، 320 مترًا. استخدم وحدة تحرير نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) في برنامج PHOTOMOD لتعديل نموذج السطح الرقمي يدويًا، بحيث يتمركز النموذج حول مبنى ماغنوليا (مع تمديد 100 متر) بارتفاعات 80 مترًا (باللون الأحمر)، و50 مترًا (باللون الأصفر الفاتح)، و30 مترًا (باللون الأصفر)، و10 أمتار (باللون الأخضر) على التضاريس المتدرجة.

تخطيط المسار

وفقًا للتضاريس المحاكاة اصطناعيًا، تم إجراء رحلة الارتفاع، وكان ارتفاع تخطيط مسار الرحلة 319 مترًا، وأعلى ارتفاع طيران في ساحة ماغنوليا هو 400 متر. تداخل المسار 80%، والتداخل الجانبي 70%.

تخطيط وقياس نقاط التحكم في الصورة

نظراً لأن منطقة المسح تقع في المنطقة الحضرية المركزية، فإن هذا المشروع يرتب نقاط التحكم الأرضية ونقاط التفتيش وفقاً لمسافة 200-300 متر، ويعتمد على معابر المشاة الموجودة، وزوايا الدرج، وما إلى ذلك، كنقاط تحكم في الصورة، ويستخدم طريقة قياس RTK في وضع محطة الهاتف المحمول لشبكة CORS لقياس إحداثيات نقاط التحكم في الصورة، ويتم ترتيب ما مجموعه 50 نقطة تحكم في الصورة ونقاط تفتيش.

خريطة قياس وتوزيع نقاط التحكم الأرضية

رحلة طائرة بدون طيار

نظراً لوقوع منطقة المسح في قلب مدينة شنغهاي، فإن التداخل الكهرومغناطيسي فيها شديد نسبياً. وللحفاظ على الاتصال بين الطائرة المسيّرة والمحطة الأرضية، تم اختيار محطة إرساء المروحيات على سطح مبنى رافلز، الذي يبلغ ارتفاعه 260 متراً، كنقطة انطلاق. يوفر الإقلاع من السطح ميزتين: (1) تبلغ مسافة الاتصال الفعّالة بين الطائرة المسيّرة والمحطة الأرضية في مركز المدينة حوالي كيلومتر واحد، ولكن من أعلى برج رافلز سيتي، يمكن ضمان سلامة الاتصال، مما يُسهّل التعامل مع الحالات الطارئة ويضمن سلامة الطيران؛ (2) نظراً لأن حمولة طائرة D-OP4000 أثقل من حمولة طائرتي التصوير الجوي وD-OP3000، فإن التحليق على سطح مبنى بارتفاع 260 متراً يُقلل من استهلاك الطاقة للطائرة المسيّرة أثناء الصعود ويُحسّن من أداء التصوير الجوي المائل. تبلغ مساحة منطقة المسح حوالي 5.46 كيلومتر مربع، وقد تم تنفيذ 4 طلعات جوية. تظهر صور العمليات الميدانية.

عمليات طيران الطائرات بدون طيار

منظر لأفق منطقة نورث بوند في شنغهاي

تم الحصول على صور جانبية لمنطقة نورث بوند بشكل متسلسل على طول محور نهر هوانغبو، ثم جُمعت جميع الصور الجانبية لتكوين خريطة بانورامية لأفق منطقة بوند في شنغهاي، كما هو موضح في الشكل 9. ومن خلال إنتاج هذه الخريطة، تبرز بوضوح المناظر الطبيعية الخلابة لمتحف وانغوو للهندسة المعمارية على الضفة الشمالية لنهر هوانغبو في شنغهاي. وتُعدّ هذه الخريطة مصدرًا قيّمًا لتخطيط التنمية الحضرية وحماية المباني التاريخية وعرضها في شنغهاي.

ترميم وصيانة المباني التاريخية

يُعرف البوند في شنغهاي باسم متحف العمارة العالمية، لذا تُعدّ حمايته وترميمه من أهمّ القضايا في التخطيط العمراني للمدينة. ولنأخذ مبنى شنغهاي (المعروف سابقًا باسم مبنى برودواي مانشنز) الذي صمّمه المصمم البريطاني الشهير فرانسيس عام ١٩٣٤ كمثال. فعلى سبيل المثال، باستخدام التصوير الجوي بواسطة الطائرات المسيّرة، يُمكننا الحصول بدقة على أبعاد واجهة مبنى شنغهاي وتصميمه، وتقديم نتائج ترميم مرئية وخطط بناء لحماية وترميم المبنى استنادًا إلى نموذج ثلاثي الأبعاد واقعي.

يقع هذا البحث في قلب مدينة شنغهاي، حيث تنتشر المباني الشاهقة وتتسم البيئة الكهرومغناطيسية بالتعقيد. ويُعدّ هذا البحث نموذجًا بارزًا لتطبيقات المدن الذكية والتصوير الجوي المائل على مستوى البلاد. وقد اعتمد البحث بشكل مبتكر على أسلوب التحليق العالي لمحاكاة تغيرات التضاريس، بالاقتران مع خصائص أداء كاميرا D-OP4000 المقربة (40 مم) ذات الإطار الكامل، مما حلّ مشكلة تعدد الرحلات الجوية في المنطقة الحضرية المركزية، الأمر الذي لم يُحسّن كفاءة التصوير الجوي المائل فحسب، بل ضمن أيضًا جودة البيانات المُجمّعة. وتتلخص النتائج الرئيسية فيما يلي:

(1) محاكاة الطيران المتغير التضاريس: يتم تحسين ارتفاع المباني الحضرية ومحاكاتها بشكل مصطنع لتتناسب مع التضاريس، ثم يتم دمجها مع تخطيط وتصميم مسار تغيير الارتفاع للطائرة بدون طيار، مما يحل مشكلة عدم اتساق دقة الطيران في نمذجة المدن بواسطة الطائرات بدون طيار، حيث تتطلب منطقة المسح الواحدة التحليق عدة مرات وفقًا لارتفاعات الطوابق المختلفة. وهذا لا يحسن كفاءة جمع البيانات فحسب، بل يضمن أيضًا جودتها.

(2) الإقلاع من السطح باستخدام عدسة مقربة: نظرًا لارتفاع الطوابق في وسط المدينة، يصعب التقاط صور عالية الدقة باستخدام كاميرات ذات بُعد بؤري عادي. على سبيل المثال، يبلغ ارتفاع أطول مبنى في منطقة البحث 320 مترًا. وللحصول على صور عالية الدقة، يكون ارتفاع الطيران حوالي 191 مترًا، وتزداد مخاطر الطيران بالقرب من المباني الشاهقة التي يتراوح ارتفاعها بين 260 و320 مترًا، لذا يجب اعتماد ارتفاعات مختلفة في خطة الطيران وفقًا لارتفاعات المباني المختلفة. هذا ما نسميه عادةً "الصور عالية الدقة"، وهو أمر شائع في كثير من الحالات. ولكن في هذه الدراسة، يمكن استخدام كاميرا ذات بُعد بؤري طويل (40 مم) لجمع البيانات بنفس الدقة (3 سم) على ارتفاع طيران أعلى (319 مترًا). في الوقت نفسه، تم تحديد نقطة الإقلاع على سطح مبنى يبلغ ارتفاعه 260 مترًا، مما لا يحل مشكلة التداخل الكهرومغناطيسي القوي لطائرات الدرون في المدينة فحسب، بل يحسن أيضًا كفاءة مسار طيران طائرات الدرون ويقلل من زمن الصعود في الجو.

(3) استكشاف سيناريوهات تطبيق النموذج ثلاثي الأبعاد الواقعي: استخرجت هذه الدراسة مشهد الأفق على الضفة الشمالية لنهر هوانغبو من خلال بيانات النموذج ثلاثي الأبعاد الواقعي الحضري، واستخدمت النموذج ثلاثي الأبعاد الواقعي للقياس وتصميم المخططات في إعداد خطة حماية وإصلاح مبنى شنغهاي، مما أدى إلى إثراء سيناريوهات تطبيق النماذج ثلاثية الأبعاد الواقعية.