DOI: https://doi.org/10.5334/jcaa.184
تاريخ النشر: 2025-01-01
المؤلف: Eleni Diamanti وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الآثار البحرية والساحلية
نظرة عامة
تستكشف هذه الورقة التأثير الكبير للمركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد من الفئة الدقيقة (ROVs)، أو الطائرات بدون طيار تحت الماء، على رسم الخرائط الأثرية تحت الماء. مع التقدم في تكنولوجيا المركبات تحت الماء غير المأهولة (UUVs)، تعزز هذه الطائرات الصغيرة وسهلة الاستخدام الوصول إلى المواقع الأثرية تحت الماء مع تقليل الحاجة إلى الغواصين البشر. تشمل مزايا ROVs قابليتها للنقل، وقدرتها على المناورة، والقدرة على إجراء رسم خرائط شبه ذاتي مع تقييم البيانات في الوقت الفعلي، مما يحسن من اتخاذ القرارات ويقلل من الحاجة إلى إعادة زيارة المواقع. تقدم الورقة دراستين حالتين من أرخبيل فوروينوي في اليونان، تعرضان التطبيق الفعال للطائرات بدون طيار تحت الماء في رسم الخرائط الفوتوغرامترية لحطام سفينة رومانية متأخرة والمسح الواسع النطاق لموقع رسو تاريخي مهم.
تسلط النتائج الضوء على الإمكانات التحويلية لهذه التكنولوجيا في توثيق الآثار تحت الماء، مما يوازي الفوائد التي تم رؤيتها في رسم الخرائط الثقافية الأرضية من خلال الفوتوغرامترية الجوية. كما تتناول الدراسة تكوين المستشعرات، وجمع البيانات، وتقييم الجودة في الوقت الفعلي، وتقنيات المعالجة اللاحقة المستخدمة في دراسات الحالة، مع تقييم النتائج بناءً على الدقة الهندسية، وتغطية الموقع، وتناسق الألوان، والكفاءة الحسابية. مع تطور التكنولوجيا البحرية، من المتوقع أن يعزز دمج الحلول الروبوتية الميسورة التكلفة في المسوحات الأثرية تحت الماء بشكل كبير استكشاف المناطق غير المستكشفة، مما يوفر للآثاريين فهمًا أعمق للتاريخ البحري. يتوقع المؤلفون زيادة ملحوظة في اعتماد تقنيات تسجيل الآثار ثلاثية الأبعاد الروبوتية بسبب تزايد توفر هذه المنصات تحت الماء الميسورة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التقدم الكبير في الفوتوغرامترية تحت الماء كتقنية استشعار عن بُعد لرسم الخرائط للمواقع الأثرية تحت الماء. على مدى العقود القليلة الماضية، اكتسبت هذه الطريقة شعبية بسبب كفاءتها في جمع كميات هائلة من البيانات بسرعة، خاصة مع ظهور برامج هيكل من الحركة (SfM) سهلة الاستخدام. بينما كانت الطرق التقليدية تعتمد بشكل أساسي على الغواصين البشر، ظهر دمج المركبات تحت الماء غير المأهولة (UUVs) كبديل قيم لرسم الخرائط الأثرية البحرية. تم استخدام منصات روبوتية متنوعة، بما في ذلك المركبات تحت الماء المستقلة (AUVs) والمركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد (ROVs)، لرسم خرائط حطام السفن، مما يظهر نتائج واعدة.
تهدف الدراسة إلى استكشاف الدور التحويلي للمركبات من الفئة الدقيقة ROVs، أو الطائرات بدون طيار تحت الماء، في توثيق الآثار تحت الماء. يُفترض أن هذه الطائرات، التي تتميز بتكلفتها المعقولة وسهولة استخدامها، ستعمل على ديمقراطية الوصول إلى علم الآثار تحت الماء مع تقليل الاعتماد على الغواصين البشر. تناقش الورقة مزايا الطائرات بدون طيار تحت الماء، مثل زيادة سعة الحمولة، وقدرتها على المناورة، والقدرة على إجراء مهام رسم خرائط شبه ذاتية مع تقييم البيانات في الوقت الفعلي. كما تؤكد على فوائد السلامة لاستخدام ROVs مقارنة بأساليب الغوص التقليدية وتستعرض المنشورات الحديثة حول تطبيقها في مشاريع التراث الثقافي تحت الماء. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم دراستين حالتين من أرخبيل فوروينوي في اليونان، تعرضان التكامل العملي للطائرات بدون طيار تحت الماء في رسم خرائط حطام سفينة رومانية متأخرة ومسح موقع رسو تاريخي مهم.
النتائج
في هذا القسم، يصف المؤلفون معالجة ونتائج تحليل فوتوغرامتري تم إجراؤه على تسجيلات فيديو تحت الماء لحطام سفينة. شمل التحليل تحويل 30 دقيقة من الفيديو من ثلاث كاميرات متزامنة إلى 6500 إطار، والتي تمت معالجتها باستخدام برنامج Agisoft Metashape. تم دمج بيانات الملاحة من وحدة قياس التسارع (IMU) لطائرة بدون طيار تحت الماء لتعزيز محاذاة الصور، مما أسفر عن خطأ جذر متوسط المربعات النهائي (RMS) قدره 0.04 م بعد تعديل شامل للحزمة. تم إنشاء سحابة نقطية كثيفة لحطام السفينة، وتم التحقق من الدقة الهندسية لإعادة البناء ثلاثي الأبعاد المعتمد على الطائرة بدون طيار مقابل نموذج قائم على الغواصين، مما أسفر عن خطأ محاذاة RMS قدره 2 سم.
تسلط الدراسة الضوء على كفاءة النهج المعتمد على الطائرة بدون طيار، الذي كان أسرع بثلاث مرات من الطريقة المعتمدة على الغواصين، ويرجع ذلك أساسًا إلى استخدام بيانات الملاحة. ومع ذلك، تشير إلى التحديات المتعلقة بعدم التناسق الإشعاعي أثناء التلوين، المنسوبة إلى ظروف الإضاءة المتغيرة. يؤكد المؤلفون أن الدقة الهندسية تم الحفاظ عليها عند مستوى عالٍ، مع أخطاء إعادة إسقاط دون بكسل، بفضل تكوينات الشبكة المثلى للكاميرات والكاميرات المعايرة مسبقًا. بالإضافة إلى ذلك، يعترفون بأنه بينما استفاد النموذج القائم على الغواصين من معدات عالية الجودة وظروف تحت الماء مواتية، قد تزداد تعقيدات المهام الفوتوغرامترية تحت الماء المستقبلية مع وجود هياكل أكثر تعقيدًا. تم إنتاج خريطة أورثوفوتو جغرافية نهائية بدقة 3.3 مم، بالإضافة إلى خريطة تباين لنوع الهوك والتعرف عليه.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على التأثير التحويلي للطائرات بدون طيار تحت الماء على علم الآثار البحرية، خاصة من خلال دراستين حالتين تم إجراؤهما في أرخبيل فوروينوي. لقد عزز دمج تقنيات الاستشعار عن بُعد المتقدمة، مثل ROVs متعددة المستشعرات المزودة بأنظمة بصرية وصوتية وملاحية، بشكل كبير من كفاءة وسلامة المسوحات تحت الماء. تمكّن هذه الطائرات من إجراء مهام رسم خرائط شبه ذاتية توفر بيانات شاملة وعالية الجودة، تنافس الطرق التقليدية المعتمدة على الغواصين. يسمح استخدام تقنيات تحديد المواقع والتخطيط المتزامن البصري (VSLAM) بمعالجة البيانات في الوقت الفعلي والوعي بالوضع، مما يسهل اتخاذ القرارات الفورية في الموقع ويقلل من الحاجة إلى زيارات متعددة.
على الرغم من المزايا، لا تزال التحديات قائمة، خاصة في تحقيق إعادة بناء ثلاثية الأبعاد بصرية في الوقت الفعلي بسبب الظروف تحت الماء مثل تلاشي الضوء والعتامة. تؤكد المناقشة على أهمية دمج المستشعرات البصرية مع أنظمة الملاحة عالية الدقة للتخفيف من مشاكل التتبع، على الرغم من أن ذلك غالبًا ما يأتي بتكلفة أعلى، مما قد يحد من إمكانية الوصول لبعض المشاريع. يجب أن تركز الأعمال المستقبلية على تحقيق التوازن بين التكلفة والاحتياج إلى الدقة في تحديد المواقع تحت الماء، ربما من خلال دمج أنواع مختلفة من المستشعرات لتعزيز موثوقية البيانات وفعالية العمليات في البحث الأثري البحري.
DOI: https://doi.org/10.5334/jcaa.184
Publication Date: 2025-01-01
Author(s): Eleni Diamanti et al.
Primary Topic: Maritime and Coastal Archaeology
Overview
This paper explores the significant influence of micro-class Remote Operated Vehicles (ROVs), or underwater drones, on underwater archaeological mapping. With advancements in Unmanned Underwater Vehicles (UUVs) technology, these compact and user-friendly drones enhance accessibility to underwater archaeological sites while minimizing the necessity for human divers. The advantages of ROVs include their portability, maneuverability, and capability for semi-autonomous mapping with real-time data assessment, which improves decision-making and reduces the need for revisiting sites. The paper presents two case studies from the Phournoi archipelago in Greece, showcasing the effective application of underwater drones in the photogrammetric mapping of a Late Roman shipwreck and the large-scale surveying of a historically significant anchorage site.
The findings highlight the transformative potential of this technology for underwater archaeological documentation, paralleling the benefits seen in terrestrial cultural heritage mapping through aerial drone photogrammetry. The study also details the sensor configuration, data collection, real-time quality assessment, and post-processing techniques employed in the case studies, evaluating results based on geometrical accuracy, site coverage, color consistency, and computational efficiency. As marine technology evolves, the integration of affordable robotic solutions into underwater archaeological surveys is expected to significantly enhance the exploration of uncharted areas, providing archaeologists with a deeper understanding of maritime history. The authors anticipate a notable increase in the adoption of robotic 3D archaeological recording techniques due to the growing availability of these accessible underwater platforms.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant advancements in underwater photogrammetry as a remote sensing technique for mapping underwater archaeological sites. Over recent decades, this method has gained popularity due to its efficiency in collecting vast amounts of data quickly, particularly with the advent of user-friendly Structure from Motion (SfM) software. While traditional methods primarily involved human divers, the integration of unmanned underwater vehicles (UUVs) has emerged as a valuable alternative for marine archaeological mapping. Various robotic platforms, including Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) and Remote Operated Vehicles (ROVs), have been utilized for shipwreck mapping, demonstrating promising results.
The study aims to explore the transformative role of micro-class ROVs, or underwater drones, in underwater archaeological documentation. These drones, characterized by their affordability and ease of use, are posited to democratize access to underwater archaeology while reducing reliance on human divers. The paper discusses the advantages of underwater drones, such as enhanced payload capacity, maneuverability, and the ability to conduct semi-autonomous mapping missions with real-time data assessment. It emphasizes the safety benefits of using ROVs over traditional diving methods and outlines recent publications on their application in underwater cultural heritage projects. Additionally, two case studies from the Phournoi archipelago in Greece are presented, showcasing the practical integration of underwater drones in mapping a Late Roman shipwreck and surveying a historically significant anchorage site.
Results
In this section, the authors describe the processing and results of a photogrammetric analysis conducted on underwater video recordings of a shipwreck. The analysis involved converting 30 minutes of video from three synchronized cameras into 6,500 frames, which were then processed using Agisoft Metashape software. The navigational data from an underwater drone’s IMU were integrated to enhance image alignment, resulting in a final root mean square (RMS) error of 0.04 m after a comprehensive bundle adjustment. A dense point cloud of the shipwreck was generated, and the geometric accuracy of the drone-based 3D reconstruction was validated against an existing diver-based model, yielding an RMS alignment error of 2 cm.
The study highlights the efficiency of the drone-based approach, which was three times faster than the diver-based method, primarily due to the utilization of navigational data. However, it notes challenges related to radiometric inconsistencies during texturing, attributed to variable lighting conditions. The authors emphasize that the geometric accuracy was maintained at a high level, with sub-pixel reprojection errors, owing to optimal camera network configurations and pre-calibrated cameras. Additionally, they acknowledge that while the diver-based model benefited from high-quality equipment and favorable underwater conditions, the complexity of future underwater photogrammetric missions may increase with more intricate structures. A final georeferenced orthophotomosaic with a resolution of 3.3 mm was produced, along with a disparity map for anchor typology and identification.
Discussion
The discussion highlights the transformative impact of underwater drones on marine archaeology, particularly through two case studies conducted in the Phournoi archipelago. The integration of advanced remote-sensing technologies, such as multi-sensor ROVs equipped with optical, acoustical, and navigational systems, has significantly enhanced the efficiency and safety of underwater surveys. These drones enable semi-autonomous mapping missions that provide high-quality, comprehensive data, rivaling traditional diver-based methods. The use of Visual Simultaneous Localization and Mapping (VSLAM) techniques allows for real-time data processing and situational awareness, facilitating immediate decision-making on-site and reducing the need for multiple visits.
Despite the advantages, challenges remain, particularly in achieving real-time visual 3D reconstructions due to underwater conditions such as light attenuation and turbidity. The discussion emphasizes the importance of coupling visual sensors with high-accuracy navigational systems to mitigate tracking issues, although this often comes at a higher cost, which may limit accessibility for some projects. Future work should focus on balancing affordability with the need for precision in underwater positioning, potentially through the integration of various sensor types to enhance data reliability and operational effectiveness in marine archaeological research.