วางแผนงานสำรวจ

ทำไมต้องรู้

แผนที่จากโดรนจะดีได้ไม่เกินภาพที่เก็บมา ถ้าบินสูงเกินไป รายละเอียดที่ต้องการจะเล็กกว่าพิกเซล ถ้าภาพซ้อนกันน้อยเกินไป โปรแกรมจะต่อภาพไม่ติด และถ้าไม่ตกลงระบบพิกัดตั้งแต่ต้น ผู้รับงานอาจเปิดไฟล์แล้วพบว่าแผนที่อยู่ผิดที่หลายร้อยเมตร ความผิดพลาดเหล่านี้แก้ในห้องทำงานไม่ได้ ต้องกลับไปบินใหม่ การวางแผนจึงเป็นขั้นที่คุ้มค่าที่สุดของงานสำรวจ

ทั้งวิชาใช้กรณีสมมติเดียว: สำรวจลานกองวัสดุขนาด 240 × 160 m ในนิคมอุตสาหกรรม เพื่อวัดพื้นที่และปริมาตรกองวัสดุ และตรวจหลังคาโซลาร์ของอาคารข้างเคียง ตัวเลขทั้งหมดเป็นข้อมูลสมมติสำหรับฝึก ไม่ใช่ผลสำรวจจริง โค้ด Python ของทุกโมดูลดาวน์โหลดได้ที่ /downloads/uat-361/

เริ่มจากโจทย์ ไม่ใช่จากความสูงบิน

โจทย์งานสำรวจ (brief) คือข้อตกลงหนึ่งหน้าก่อนคำนวณอะไร ตอบคำถามหกข้อ

ประเทศไทยอยู่ในโซน UTM 47N และ 48N (EPSG:32647 และ 32648) ในระบบ WGS 84 ยังมีข้อมูลเก่าที่ใช้ datum Indian 1975 ซึ่งพิกัดต่างกันได้หลายร้อยเมตร ห้ามเดารหัส EPSG ต้องถามผู้ใช้ว่าข้อมูลเดิมของเขาใช้ระบบใด ถ้าผู้ใช้ยังไม่กำหนดความถูกต้อง ให้บันทึกว่า “รอยืนยัน” แทนการรับปากจากความละเอียดกล้อง

GSD และความกว้างภาพบนพื้น

GSD (ground sampling distance) คือขนาดของพื้นดินที่หนึ่งพิกเซลครอบคลุม เปรียบเหมือนขนาดเม็ดสีของภาพ ถ้า GSD 2 cm วัตถุที่เล็กกว่า 2 cm จะไม่ปรากฏเป็นรายละเอียดที่แยกได้ สำหรับกล้องที่มองดิ่งลงพื้นราบ

$\text{GSD}=\frac{H{S}_w}{f{N}_w},W=\frac{H{S}_w}{f}$

เมื่อ $H$ คือความสูงกล้องเหนือพื้น (m), $S_w$ ความกว้างเซนเซอร์ (mm), $f$ ทางยาวโฟกัสจริง (mm) และ $N_w$ จำนวนพิกเซลตามด้านกว้าง ความกว้างภาพบนพื้น $W$ เรียกว่า footprint Pix4D ย้ำว่าต้องใช้ทางยาวโฟกัสจริง ไม่ใช่ค่าเทียบเท่ากล้องฟิล์ม 35 mm

การซ้อนทับภาพและแนวบิน

โปรแกรมทำแผนที่ต้องเห็นจุดเดียวกันในหลายภาพ จึงต้องให้ภาพซ้อนกันสองทิศ Front overlap ($o_f$) คือส่วนที่ภาพต่อเนื่องในแนวเดียวกันซ้อนกัน ส่วน side overlap ($o_s$) คือส่วนที่ภาพของแนวบินข้างกันซ้อนกัน

$B=W_{\text{along}}(1-o_f),D=W_{\text{across}}(1-o_s)$

$B$ คือระยะระหว่างจุดถ่ายภาพ และ $D$ คือระยะห่างระหว่างแนวบิน โปรแกรมวางแผนอย่าง QGroundControl (รูปแบบ Survey) คำนวณค่าเหล่านี้ให้เมื่อเลือกกล้องและค่าซ้อนทับ แต่วิศวกรต้องตรวจได้ว่าตัวเลขสมเหตุสมผล

import math

SENSOR_W, SENSOR_H, FOCAL, PX_W = 13.2, 8.8, 8.8, 5472    # mm, mm, mm, พิกเซล
AREA_ALONG, AREA_ACROSS = 240, 160                        # m
FRONT, SIDE, SPEED = 0.80, 0.70, 5.0

for h in (60, 80, 100):
    gsd_cm = h * SENSOR_W / (FOCAL * PX_W) * 100
    across, along = h * SENSOR_W / FOCAL, h * SENSOR_H / FOCAL
    base, spacing = along * (1 - FRONT), across * (1 - SIDE)
    lines = math.ceil(AREA_ACROSS / spacing) + 1
    per_line = math.floor(AREA_ALONG / base) + 1
    path_m = lines * AREA_ALONG + (lines - 1) * spacing
    print(f"H {h:>3} m: GSD {gsd_cm:.2f} cm, footprint {across:.0f} x {along:.0f} m, "
          f"base {base:.0f} m, spacing {spacing:.0f} m, {lines} lines x {per_line} = {lines * per_line} photos, "
          f"{path_m / SPEED / 60:.1f} min, trigger every {base / SPEED:.1f} s")

H  60 m: GSD 1.64 cm, footprint 90 x 60 m, base 12 m, spacing 27 m, 7 lines x 21 = 147 photos, 6.1 min, trigger every 2.4 s
H  80 m: GSD 2.19 cm, footprint 120 x 80 m, base 16 m, spacing 36 m, 6 lines x 16 = 96 photos, 5.4 min, trigger every 3.2 s
H 100 m: GSD 2.74 cm, footprint 150 x 100 m, base 20 m, spacing 45 m, 5 lines x 13 = 65 photos, 4.6 min, trigger every 4.0 s

ภูมิประเทศและรูปแบบแนวบิน

ความสูงที่ใช้ในสูตรคือ ความสูงเหนือพื้นตรงที่ถ่าย ไม่ใช่เหนือจุดขึ้นบิน ถ้าพื้นสูงขึ้น 20 m ขณะที่โดรนบินระดับเดิมที่ 80 m ความสูงจริงเหลือ 60 m footprint แคบลงเหลือ 90 × 60 m แต่ระยะถ่ายภาพยังเป็น 16 m และระยะแนวยัง 36 m การซ้อนทับจึงลดลง

SENSOR_W, SENSOR_H, FOCAL = 13.2, 8.8, 8.8
BASE, SPACING = 16, 36                  # วางแผนไว้ที่ 80 m เหนือพื้นราบ
for ground_rise in (0, 10, 20, 30):
    h = 80 - ground_rise
    across, along = h * SENSOR_W / FOCAL, h * SENSOR_H / FOCAL
    front, side = 1 - BASE / along, 1 - SPACING / across
    print(f"ground +{ground_rise:>2} m -> height {h} m: front {front:.0%}, side {side:.0%}")

ground + 0 m -> height 80 m: front 80%, side 70%
ground +10 m -> height 70 m: front 77%, side 66%
ground +20 m -> height 60 m: front 73%, side 60%
ground +30 m -> height 50 m: front 68%, side 52%

รูปแบบแนวบินมีให้เลือกตามลักษณะพื้นที่

• Survey (grid) สำหรับพื้นที่รูปหลายเหลี่ยม เช่น ลานวัสดุของเรา
• Corridor scan สำหรับพื้นที่ยาวแคบ เช่น ถนน คลอง หรือแนวสายส่ง กำหนดเส้นกลางและความกว้าง
• ภาพเฉียง (oblique) หรือแนวบินตัดกันสองทิศ เมื่อต้องเห็นด้านข้างอาคารหรือต้องการแบบจำลอง 3 มิติที่ดีขึ้น แลกกับเวลาและจำนวนภาพที่เพิ่มขึ้น

ก่อนบินจริง ต้องตรวจข้อกำหนดของ กพท. เรื่องการขึ้นทะเบียน การอนุญาต พื้นที่หวงห้าม และความสูง (ดู UAT 313) และขออนุญาตเจ้าของพื้นที่ ตัวเลขในบทนี้แสดงเรขาคณิต ไม่ใช่ระดับบินที่ได้รับอนุญาต

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• เริ่มจาก brief: ผู้ใช้ ผลผลิต ระบบพิกัด เกณฑ์ และข้อจำกัด ก่อนคำนวณแผนบิน
• GSD = H·Sw/(f·N) บอกขนาดรายละเอียด ไม่ใช่ความถูกต้องของพิกัด
• ระยะถ่ายภาพและระยะแนวบินมาจาก footprint คูณ (1 − ค่าซ้อนทับ)
• ภูมิประเทศที่สูงขึ้นลดความสูงจริงและการซ้อนทับ ต้องเลือกรูปแบบแนวบินและความสูงให้เหมาะ

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. กล้อง $S_w$ = 13.2 mm, $f$ = 8.8 mm, 5472 พิกเซล บินที่ 100 m ได้ GSD เท่าใด
2. footprint ตามแนวบิน 80 m ซ้อนทับหน้า 75% ระยะถ่ายภาพเท่าใด
3. footprint ขวางแนวบิน 120 m ซ้อนทับข้าง 60% ระยะห่างแนวบินเท่าใด
4. ระยะถ่ายภาพ 16 m บินที่ 8 m/s กล้องต้องถ่ายทุกกี่วินาที
5. ทำไมพื้นที่ภูเขาจึงต้องใช้ terrain following หรือค่าซ้อนทับเผื่อ