Chọn máy ảnh cho Khảo sát địa hình bằng UAV

Với sự bùng nổ trong việc sử dụng các máy ảnh kỹ thuật số thương mại trên các máy bay không người lái (UAV) cho các ứng dụng khảo sát và đo ảnh, bài viết này đánh giá một loạt các máy ảnh khác nhau và các thuộc tính quan trọng của chúng. Thứ nhất, nó thiết lập những cân nhắc quan trọng nhất khi chọn một máy ảnh để khảo sát. Thứ hai, các tác giả đưa ra một số khuyến nghị ở nhiều mức giá khác nhau.

Mặc dù danh sách này không đầy đủ, nhưng nó nhằm trình bày lý do khi sử dụng flycam UAV nên cân nhắc khi lựa chọn một máy ảnh cho mục đích khảo sát.

Trọng lượng, vận tốc và thời gian bay để chụp ảnh trên không

Trọng lượng là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc đối với chụp ảnh từ trên không thường không phải là yếu tố hạn chế đối với chụp ảnh trên mặt đất. Do đó, sự phát triển của các máy ảnh mới hơn, thông số kỹ thuật cao hơn, trọng lượng thấp là trọng tâm của bài viết này. Ngoài ra, phạm vi bao phủ tiềm năng của một cuộc khảo sát được kiểm soát bởi độ cao bay, thời gian bay và vận tốc của UAV – những điều này trở nên bị ràng buộc chặt chẽ hơn khi tải trọng tăng lên.

Để tối đa hóa tính linh hoạt trong việc lựa chọn độ cao, thời gian và vận tốc bay, trọng lượng phải được giữ ở mức tối thiểu. Dưới đây là một số máy ảnh nhẹ dùng cho UAV.

Thông số hình ảnh

Kích thước cảm biến là một trong những thông số hình ảnh quan trọng vì điều này, cùng với độ dài tiêu cự của ống kính, là thành phần cốt lõi trong việc xác định khoảng cách mẫu mặt đất (GSD) – kích thước pixel trong thế giới thực – của cấu hình khảo sát. Mặc dù thảo luận đầy đủ về ống kính nằm ngoài phạm vi của bài viết này, việc lựa chọn ống kính sẽ có tác động đáng kể đến chất lượng hình ảnh và các sản phẩm phái sinh. Để so sánh, độ dài tiêu cự hiệu dụng được trình bày – đây là độ dài tiêu cự thực của ống kính nhân với sự thay đổi tỷ lệ của cảm biến khi so sánh với cảm biến full-frame (36 x 24mm).

Pixel pitch – chiều rộng của mỗi pixel trên cảm biến – cũng được ghi nhận và chỉ đơn giản là chiều rộng cảm biến chia cho số pixel liên tiếp trên cảm biến máy ảnh. Điều này được liên kết mật thiết với khẩu độ – kích thước của khe hở cho phép ánh sáng xuyên qua ống kính – vì nó sẽ xác định mức độ nhiễu xạ hiệu ứng trên mỗi hình ảnh. Khẩu độ thường được biểu thị bằng ‘số f’, tỷ lệ giữa độ dài tiêu cự với đường kính của lỗ mở. Như vậy, f / 8 là khẩu độ có đường kính bằng 1/8 kích thước tiêu cự của ống kính. Nếu khẩu độ nhỏ (số f cao) hoặc các điểm ảnh nhỏ, hiệu ứng nhiễu xạ sẽ làm biến đổi tín hiệu vì ánh sáng sẽ rơi trên nhiều điểm ảnh và độ sắc nét sẽ giảm.

Do đó, trong khi GSD có thể không đổi đối với hai cấu hình hình ảnh, một cấu hình có thể bị hạn chế nhiễu xạ và do đó hoạt động kém hơn đáng kể trong thực tế. Để giảm thiểu những hiệu ứng này, cần có độ cao pixel cao hơn.

GoPro Hero 4 Silver

Giá bán	378 EUR
Kích thước cảm biến	5,9 x 4,5mm
Loại ống kính	Có sẵn (15-30mm hiệu quả)
Trọng lượng	83g
Số lượng điểm ảnh	12 megapixel (4.000 x 3.000)
Cao độ pixel	1,48 micrômét

Go pro đã nổi lên như một cái tên quen thuộc trong vài năm qua và những chiếc máy ảnh nhẹ ‘cỡ pint’ của nó đã được chứng minh là rất phổ biến – những chiếc máy ảnh này nổi tiếng về độ bền. Một trong những tính năng tốt nhất của chúng là độ nhẹ của chúng, chỉ ở mức dưới 100g. Xem xét nhiều cuộc khảo sát quang ảnh trên không hiện đại có thể được thực hiện bằng cách sử dụng UAV cấp tiêu dùng, GoPro là một lựa chọn hấp dẫn cho những người quan tâm đến việc bao phủ nhiều mặt đất hoặc khảo sát ở các khu vực xa xôi, vì trọng lượng của nó có thể làm tăng đáng kể thời gian bay. GoPro đã trở thành máy ảnh được nhiều nhà sản xuất UAV ở cấp độ người tiêu dùng lựa chọn (ví dụ như 3D Robotics, www.3dr.com). Hơn nữa, dòng DJI Phantom cực kỳ phổ biến đi kèm với một camera tích hợp có thông số kỹ thuật rất giống với GoPro (mặc dù có tiêu cự hiệu dụng 20mm). Tuy nhiên, Sự đánh đổi cho những thuộc tính hấp dẫn này liên quan đến những hạn chế của việc có một cảm biến nhỏ như vậy, với hiệu ứng nhiễu xạ trở nên rất rõ ràng khi chụp ở độ phân giải cao nhất. Điều này, kết hợp với sự biến dạng thấu kính lớn, có thể làm cho việc lập kế hoạch nhiệm vụ đo quang trở nên khó khăn. Ứng dụng của máy ảnh GoPro bị hạn chế cho các mục đích khoa học. Tuy nhiên, chúng vẫn là một sản phẩm vững chắc cho những người có sở thích và có thể hữu ích cho các cuộc khảo sát địa điểm ban đầu.

Ricoh GR2

Giá bán	EUR625
Kích thước cảm biến	23,7 x 15,6mm
Loại ống kính	Có sẵn (28mm hiệu quả)
Trọng lượng	221g
Số lượng điểm ảnh	16,2 megapixel (4.928 x 3.264)
Cao độ pixel	4,8 micrômét

Ricoh GR2 là một lựa chọn tốt cho những người có sở thích muốn thực hiện các cuộc khảo sát chất lượng cao hơn và đã được tích hợp thành công vào các gói UAV của một số công ty (ví dụ: Máy bay thông minh, www.smartplanes.se). Trọng lượng thấp, chỉ hơn 200g, thể hiện sự cân bằng tốt khi xem xét cảm biến APS-C lớn. Ống kính có tiêu cự cố định, sẵn có cho thấy độ sắc nét tốt trong các bài kiểm tra điểm chuẩn (DxOMark, 2016) và hiệu suất tối ưu của nó ở khẩu độ rộng (khẩu độ hiệu dụng f / 4.5) là đáng chú ý. Do đó, nó tự ứng dụng trong các cảnh thiếu sáng, vì khẩu độ rộng sẽ cho phép nhiều ánh sáng chiếu vào ống kính hơn mà không làm giảm hiệu suất do nhiễu xạ. Điều này cũng đơn giản hóa các hiệu ứng nhiễu xạ tiềm ẩn, vì khẩu độ rộng hơn có nghĩa là mặt sóng của ánh sáng tới được trải qua cảm biến ít hơn so với ở khẩu độ hẹp hơn; ở f / 2. 8 sẽ không có hiệu ứng nhiễu xạ đáng kể. Một nhược điểm là ống kính cố định, vì tiêu cự hiệu dụng 28mm có khả năng không cung cấp trường nhìn đủ rộng cho một số ứng dụng kỹ thuật. Mặc dù bạn luôn có thể bay cao hơn, nhưng giới hạn độ cao của chuyến bay và hạn chế về pin sẽ luôn ưu tiên độ dài tiêu cự ngắn hơn (cũng như trọng lượng của ống kính). Do đó, điều này không mang lại sự đa dạng cho các máy ảnh khác trong danh sách này, mặc dù dù sao thì ở mức giá của nó, nó vẫn là một lựa chọn rất tốt.

Seri Sony A7

Giá bán	Bắt đầu từ 959 EUR, chỉ nội dung
Kích thước cảm biến	35,8 x 23,9 mm
Loại ống kính	Có thể thay đổi
Trọng lượng	416g, chỉ thân máy, 769g với ống kính kit
Số lượng điểm ảnh	24,3 megapixel (6.000 x 4.000)
Cao độ pixel	5,96 micrômét

 

Dòng máy ảnh ống kính rời không gương lật A7 (MILC) của Sony thể hiện một bước tiến công nghệ khi cảm biến full-frame trở nên hợp lý hơn. Phiên bản đầu tiên rất nhẹ, chỉ nặng 417g (769g với ống kính kit 28-70mm f / 3.5-5.6), và là một trong những máy ảnh full-frame nhỏ gọn nhất trên thị trường. ProDrone ( www.prodrone-tech.com) đã công bố hỗ trợ cho một loạt máy ảnh nhỏ gọn và MILC, bao gồm cả dòng Ricoh-GR2 và Sony A7. Do đó, máy ảnh sê-ri Sony A7 là một điểm khởi đầu tốt cho các công ty / nhà tư vấn muốn đưa ra các cuộc khảo sát chất lượng cao cho khách hàng. Các máy ảnh trong dòng A7 đã nổi lên như một đối thủ cạnh tranh đáng kể với dòng M của Leica, vốn đã chiếm lĩnh không gian của máy ảnh full-frame nhỏ gọn trong nhiều năm. Điều này, kết hợp với nhiều lựa chọn ống kính, có nghĩa là hệ thống máy ảnh rất linh hoạt. Cảm biến full-frame có độ phân giải cao và nhiều lựa chọn ống kính có thể sẽ khiến cân nặng trở nên đáng giá đối với các nghiên cứu dài hạn hoặc những nghiên cứu trong đó trường nhìn là quan trọng.

Hasselblad X1D

Giá bán	Bắt đầu từ 7.900 EUR, chỉ thân máy
Kích thước cảm biến	43,8 x 32,9 mm
Loại ống kính	Có thể thay đổi (ống kính Hasselblad XCD)
Trọng lượng	Chỉ thân máy 725g, 1.200g với ống kính XCD 45mm
Số lượng điểm ảnh	50 megapixel (8.272 x 6.000)
Cao độ pixel	5,3 micrômét

MILC nhỏ gọn định dạng trung bình của Hasselblad đại diện cho một bước tiến trong công nghệ hình ảnh. Cảm biến định dạng trung bình cung cấp trường nhìn mà không máy ảnh nhỏ gọn nào khác có thể cạnh tranh được và giá cả – trong khi cao hơn đáng kể so với các máy ảnh khác được nêu ở đây – sẽ có khả năng mang lại giá trị đồng tiền cho những người thực hành UAV cao cấp hơn. Hiện tại chỉ có hai ống kính có sẵn. Tuy nhiên, trường nhìn bổ sung được cung cấp bởi cảm biến định dạng trung bình có thể sẽ bù đắp cho sự thiếu lựa chọn này, với độ dài tiêu cự hiệu quả là 35mm và 70mm. Với trọng lượng chỉ hơn 1kg với một ống kính đi kèm, điều này vẫn thực tế khi đặt trên nhiều UAV có trọng tải thấp.

Ngoài lựa chọn này, DJI – nhà sản xuất dòng Phantom UAV – đã công bố hợp tác với Hasselblad để cung cấp một gói bao gồm Matrice-600 UAV kết hợp với máy ảnh định dạng trung bình A5D của Hasselblad sử dụng ngàm Ronin-MX. Mặc dù bộ ống kính dành cho A5D (ngàm Hasselblad) khác với bộ ống kính của X1D, nhưng gói này cung cấp hệ thống UAV định dạng trung bình ‘xuất sắc’ có thể thuận tiện hơn cho người dùng.

Phase One iXU 1000

Giá bán	??
Kích thước cảm biến	53,4 x 40mm
Loại ống kính	Có thể thay đổi (ống kính Rodenstock)
Trọng lượng	1.600g (với ống kính)
Số lượng điểm ảnh	100 megapixel (11.608 x 8.708)
Cao độ pixel	4,6 micrômét

Bộ camera UAV của Phase One vẫn đứng đầu thị trường và là iXU 1000 mới nhấtcung cấp một giải pháp ấn tượng cho việc khảo sát bằng UAV, với cảm biến lớn 100 megapixel ở định dạng lớn hơn cảm biến của Hasselblad. Với ba ống kính Rodenstock khác nhau có sẵn (ở độ dài tiêu cự hiệu dụng là 28, 35 và 50mm), máy ảnh này cung cấp mọi thứ mà một chuyên gia khảo sát UAV có thể yêu cầu ngay bây giờ. Đây là bước cuối cùng trước khi bước vào lĩnh vực nhiệm vụ có người lái sử dụng các giải pháp như dòng UltraCam khổ lớn của Microsoft, mặc dù ngay cả khi đó các thông số kỹ thuật hình ảnh vẫn cạnh tranh với một số mẫu trước đó (Microsoft, 2008). Các ống kính Rodenstock cho thấy khả năng duy trì độ tương phản cực kỳ tốt ra ngoài rìa hình ảnh, đặc biệt là ở các khẩu độ cao hơn (f / 5.6), điều này biện minh cho chi phí cao hơn của chúng vào khoảng 4.000 EUR (Rodenstock, 2016). Giai đoạn Một cũng ghi nhận tiềm năng sử dụng kết hợp với công nghệ Lidar. Đối với dữ liệu này,

Các tác giả đã trình bày một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về những gì họ tin là những lựa chọn hợp lý ở các cấp độ chuyên môn / chi phí khác nhau để chụp ảnh UAV. Danh sách này không đầy đủ và thị trường đang phát triển rất nhanh chóng. Trong khi sự phát triển của máy ảnh kỹ thuật số định dạng trung bình bị chi phối bởi các sản phẩm dành cho các nhiếp ảnh gia thương mại truyền thống, thì sự bùng nổ lớn trong việc sử dụng Flycam UAV đã khiến các công ty UAV quan tâm nhiều hơn đến việc phát triển máy ảnh, bằng chứng là DJI đầu tư vào Hasselblad và đơn vị công nghiệp của Phase One. Trong những năm tới, dự kiến ​​sẽ có sự thay đổi đối với các cảm biến định dạng lớn hơn ở dạng nhỏ gọn và các bộ ống kính có khả năng tích hợp với các cảm biến lớn hơn. Ngoài ra, người ta có thể mong đợi thấy dữ liệu hợp nhất và thu thập dữ liệu song song với các nguồn dữ liệu khác (chẳng hạn như Lidar).