การพัฒนาแบบจำลองระบบกล้องหลายหัวบนอากาศยานไร้คนขับสำหรับการผลิตแผนที่สามมิติและพอยต์คลาวด์

Abstract

ปัจจุบันมีการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีระบบกล้องหลายหัว (Multi-head camera systems) ที่ประกอบด้วยกล้องบันทึกภาพถ่ายดิ่งและบันทึกภาพถ่ายเฉียงในเวลาเดียวกันบนอากาศยานไร้คนขับเพื่อการทำแผนที่ซึ่งสอดคล้องกับทิศทางการพัฒนาการปฏิบัติงานสำรวจรังวัดด้วยภาพสมัยใหม่ การบันทึกภาพถ่ายเฉียงจะเปิดเผยให้เห็นข้อมูลในทิศทางการมองเห็นด้านข้างของสิ่งปลูกสร้างและพืชพรรณบนภูมิประเทศ การประมวลผลข้อมูลจะทำให้ภาพถ่ายที่บันทึกได้มีข้อมูลรายละเอียดเชิงเรขาคณิตครบถ้วนสมบูรณ์มากขึ้นอีกทั้งช่วยในการแปลตีความการจำแนกข้อมูลได้แม่นยำมากขึ้น การใช้ระบบกล้องหลายหัวทำแผนที่นอกจากสามารถบันทึกภาพถ่ายได้ครอบคลุมพื้นที่เป็นบริเวณกว้างแล้วในงานวิจัยนี้มีประเด็นพิจารณาความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพในการปฏิบัติภารกิจการทำแผนที่ ตั้งแต่การออกแบบแผนการบิน ระยะเวลาที่ใช้ในการบินถ่ายภาพที่น้อยลง จำนวนภาพถ่ายที่ได้ในปริมาณที่มากขึ้นและได้ภาพสำหรับการรังวัดและผลผลิตพอยต์คลาวด์หลายมุมมอง ซึ่งส่งผลดีต่อการประมวลผลภาพถ่ายเนื่องจากมีภาพถ่ายที่จะใช้ผลิตจุดสำคัญที่ต้องนำไปใช้ในการจับคู่ภาพสำหรับผลิตแผนที่สามมิติและข้อมูลพอยต์คลาวด์ต่อไป

การวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบกล้องหลายหัวชื่อ “3DM V3” การวิจัยครอบคลุมการศึกษารูปแบบพารามิเตอร์ของอุปกรณ์จับยึดกล้อง ทำหน้าที่ยึดจับกล้องถ่ายภาพดิ่งจำนวน 1 กล้อง และกล้องถ่ายภาพเฉียงในทิศทางขวางแนวบินและตามแนวบินโดยทำมุมจากแนวดิ่งประมาณ 45 องศาจำนวน 4 กล้อง การวิจัยศึกษาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ประกอบด้วยเทคนิคเชิงเลขในการกำหนดพารามิเตอร์ว่าจะต้องบังคับ (constraint) หรือปล่อยอิสระ (free) พารามิเตอร์ใดบ้าง ผลลัพธ์ที่ได้จะคำนึงถึงเรขาคณิตของกล้องที่ควรจะสอดคล้องกับกายภาพของกล้องตามความเป็นจริง การวิจัยนี้ยังครอบคลุมการศึกษากระบวนการผลิตข้อมูลแผนที่สามมิติและพอยต์คลาวด์โดยพิจารณาประสิทธิภาพเชิงเรขาคณิตทั้งคุณภาพและปริมาณที่ผลิตได้เพิ่มขึ้นอย่างไร ผลการวิจัยมีการเปรียบเทียบความถูกต้องทางตำแหน่งทั้งทางราบและทางดิ่งด้วยค่าความคลาดเคลื่อนรากที่สองของค่าเฉลี่ย (RMSE) ระหว่างข้อมูลที่ผลิตจากการประมวลผลจากบล็อกภาพถ่ายดิ่งเท่านั้นและจากบล็อกภาพถ่ายดิ่งร่วมกับภาพถ่ายเฉียง

ผลการวิจัยพบว่าการหาค่าพารามิเตอร์และแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของระบบกล้องหลายหัว “3DM V3” จำเป็นที่จะต้องทราบค่าพารามิเตอร์การเลื่อนสัมพัทธ์จากกล้องอ้างอิงที่เป็นกล้องดิ่งไปยังกล้องรองซึ่งเป็นกล้องเฉียงภายในระบบกล้องชื่อพารามิเตอร์ (Tx, Ty, Tz)reln โดยที่ n มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง 4 จำเป็นต้องบังคับพารามิเตอร์ให้เป็นค่าเข้าใกล้ (constraint) สำหรับค่าพารามิเตอร์การหมุนสัมพัทธ์ของกล้องอ้างอิงเทียบกับกล้องรองชื่อพารามิเตอร์ (Rx, Ry, Rz)reln โดยที่ n มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง 4 ต้องกำหนดให้เป็นค่าประมาณเริ่มต้นและปรับปรุงค่าได้อิสระ (free) ผ่านกระบวนการเชิงเลข จากผลลัพธ์ค่าพารามิเตอร์การจัดวางภายใน (f, xu, yu, R1, R2, R3, T1, T2) ของกล้องแต่ละตัวบนระบบกล้องหลายหัวที่เป็นอิสระและรูปแบบการประมวลผลเชิงเลขที่คำนวณได้ส่งผลให้เรขาคณิตในภาพรวมของข่ายสามเหลี่ยมทางอากาศมีความละเอียดถูกต้องสูง แบบจำลองและข่ายสามเหลี่ยมทางอากาศทั้งหมดเมื่อตรวจสอบในสนามวัดสอบที่มีจุดควบคุมภาคพื้นดิน 14 จุด ขนาดสนามประมาณ 0.8 ตารางกิโลเมตรพบว่าค่า RMSE ทางราบเท่ากับ 0.023 เมตร และค่า RMSE ทางดิ่งเท่ากับ 0.019 เมตร สำหรับผลลัพธ์ข้อมูลแผนที่ที่ผลิตขึ้นได้ในส่วนข้อมูลพอยต์คลาวด์เมื่อมีภาพถ่ายเฉียงช่วยเข้ามาช่วยในการผลิต ปริมาณพอยต์คลาวด์ที่ผลิตได้มีความหนาแน่นมากขึ้นและมีปริมาณมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญคิดเป็น 2.45 เท่าของปริมาณพอยต์คลาวด์ที่ประมวลผลจากบล็อกภาพถ่ายดิ่งอย่างเดียว ในส่วนของแผนที่สามมิติและภาพออร์โธผลิตจากการมีภาพถ่ายเฉียงเข้ามาประมวลผลทำให้ความละเอียดถูกต้องทางตำแหน่งแตกต่างจากรูปแบบการประมวลผลจากบล็อกภาพถ่ายดิ่งเท่านั้นโดยมีค่า RMSE ทางราบ 0.105 เมตร พิจารณาความถูกต้องเชิงตำแหน่งจากจุดตัวอย่างบริเวณพื้นที่เปิดภายในพื้นที่การศึกษาจำนวนรวม 30 จุด