Co pomierzy dron? cz. 1

Geobiz | 22 czerwca 2016 | Porady eksperta

W ostatnich latach obserwujemy ogromne przemiany związane z rozwojem fotogrametrycznych metod opracowania danych. Ich przejawem są m.in. metody cyfrowe i wykorzystanie technologii BSL w sytuacyjnych i wysokościowych pomiarach szczegółów terenowych I, II i III grupy.

Jeszcze na początku lat 80. XX wieku dominującą fotogrametryczną metodą opracowania była metoda analogowa, następie analogowo-analityczna, analityczna i obecnie (preferowana nie tylko przez zleceniodawców, wykonawców i użytkowników, ale również wymagana przez najnowsze uwarunkowania prawne [Rozp. MSWiA, 2011a]) – metoda cyfrowa. Jednostki naukowo-badawcze oraz geodezyjne i fotogrametryczne przedsiębiorstwa komercyjne inwestują w nowoczesne fotogrametryczne i teledetekcyjne technologie pomiarowe, takie jak: naziemny lub lotniczy skaning laserowy, mobilne systemy mapowania czy bezzałogowe systemy latające (BSL).

Możliwości BSL

Bezzałogowe systemy latające (Unmanned Aerial System, UAS) mają obecnie bardzo szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Mogą to być np. systemy pozwalające na przeprowadzenie lotu na wysokim pułapie, głównie przeznaczone do użytku wojskowego – zasięg takiego statku przekracza 2000 km, wysokość lotu może dochodzić do 20 km, a maksymalny czas lotu wynosi nawet 48 godzin. BSL stosowane do celów cywilnych, w tym fotogrametrycznych i teledetekcyjnych, to z reguły statki latające należące do segmentu typu micro UAS lub mini UAS, które charakteryzują się niewielką masą własną oraz niewielką maksymalną ładownością (micro mniej niż 5 kg, mini mniej niż 30 kg). Wskutek miniaturyzacji, mając na uwadze ich udźwig, takie systemy nie są w stanie znajdować się w powietrzu dużej niż 1-2 godziny, a ich zasięg wynosi do 10 km [Colomina i Molina, 2014]. Najczęściej wykorzystywane są BSL, których udźwig oscyluje w granicach 0,5-2,5 kg, a czas trwania lotu to kilkadziesiąt minut.

Każdy BSL musi składać się z kilku bazowych elementów [Sawicki, 2012], tj.: platformy nośnej statku (do której zamontowane są różnorakie sensory do pozyskiwania danych), systemu awioniki (do manualnego sterowania statkiem lub autonomicznego sterowania lotem), systemu transmisji danych pozyskanych sensorami (np. aparatem cyfrowym), naziemnej stacji kontrolnej (za pomocą której projektuje się trasę nalotu), systemu kontroli lotu (w skład którego mogą wchodzić urządzenia: GPS, INS, altimetr, barometr, odometr, magnetometr). Spektrum użyteczności systemów bezzałogowych w celach cywilnych jest bardzo szerokie. Aktualnie wykorzystywane są m.in. w: rejestracji i monitoringu środowiska naturalnego (obszary leśne, zbiorniki wodne, kopalnie odkrywkowe), rolnictwie (ocena stanu upraw czy usprawnienie procesu nawożenia), ratownictwie medycznym (poszukiwanie zaginionych osób, dostarczenia pożywienia/ lekarstw w trudno dostępne miejsca), reklamach i marketingu (fotografowanie i nagrywanie wideo przy sprzedaży nieruchomości), leśnictwie (ochrona przeciwpożarowa, tropienie kłusowników czy obserwacja i badanie życia dzikich zwierząt).

Ze względu na niski pułap lotu bezzałogowe statki mają możliwość fotografowania poniżej podstawy chmur. Do ich zalet zalicza się stosunkowo niskie
koszty zakupu i eksploatacji systemu,
zazwyczaj brak wymogu użytkowania lotniska do startu i lądowania oraz wysoką rozdzielczość otrzymanych produktów, sięgającą pojedynczych centymetrów lub nawet milimetrów [Kędzierski i in., 2014]. BSL bardzo ważne zastosowanie znalazły również w geodezyjnych pomiarach fotogrametrycznych wykonywanych przede wszystkim dla obszarów niezurbanizowanych, terenów o niedużej powierzchni (do kilku tysięcy hektarów) lub terenów o ograniczonej dostępności [Kędzierski i in., 2015]. Dzięki wykorzystaniu niemetrycznych kamer czy skanerów laserowych możliwa jest realizacja różnych prac wymagających zachowania centymetrowej dokładności. Produkty fotogrametryczne BSL mogą również znaleźć inne zastosowanie, takie jak określenie stanu użytkowania i opracowania planistyczne [Nex i Remondino, 2014], gdzie wymagania dokładnościowe są mniej rygorystyczne.

Wymagania dokładnościowe w realizacji prac geodezyjnych

Zgodnie z zapisem art. 12c ust. 1 pkt 2 Prawa geodezyjnego i kartograficznego [Ustawa Pgik, 1989] prace geodezyjne mające na celu utworzenie m.in. ortofotomapy lub numerycznego modelu terenu nie podlegają zgłoszeniu, jeżeli nie są wykonywane na zamówienie podmiotów, o których mowa w art. 2 ust. 1 i 2 ustawy o informatyzacji działalności podmiotów realizujących zadania publiczne [Ustawa, 2005], tj. podmiotów publicznych. Według obowiązujących przepisów [art. 15 Rozp. MSWiA, 2011b] pomiary sytuacyjne i wysokościowe można wykonywać innymi metodami, technologiami i technikami pomiarowymi niż te, które są określone w rozporządzeniu, jeżeli zapewnią one uzyskanie danych obserwacyjnych z wymaganą dokładnością, a jednocześnie wykonawca przedstawi opis tych metod, technologii i technik wraz z matematyczną analizą dokładności danych obserwacyjnych. W przypadku wykorzystania technologii BSL do pomiarów sytuacyjnych i wysokościowych na etapie pozyskania i przetwarzania danych powinno się stosować przez analogię przepisy, które odnoszą się do geodezyjnych pomiarów fotogrametrycznych. Szczególną uwagę należy zwrócić na to, aby prawidłowo wykonane były prace związane z:

– projektem lotu;
– sygnalizacją punktów polowej osnowy fotogrametrycznej (fotopunktów i punktów kontrolnych) przed wykonaniem lotu, w tym również pomiar i obliczenie współrzędnych punktów osnowy;
– nalotem fotogrametrycznym;
– weryfikacją jakości fotograficznej i geometrycznej pozyskanych zdjęć;
– aerotriangulacją oraz weryfikacją jakości aerotriangulacji;
– budową NMPT/NMT oraz weryfikacją jakości pozyskanych danych wysokościowych;
– ortorektyfikacją, mozaikowaniem oraz weryfikacją jakości radiometrycznej i geometrycznej ortofotomapy (ortomozaiki)
– w tym niezależnym pomiarem kontrolnym.

Szczegóły terenowe podlegające pomiarowi dzielimy na trzy grupy dokładnościowe. Dokładność pomiarów zależna jest od tego, do której grupy zaliczany jest obiekt oraz czy wyniki pomiaru mają służyć do aktualizacji baz danych opisanych w art. 4 ust. 1a i 1b Pgik (bazami tymi są m.in.: EGiB, GESUT, BDOT500), czy wyłącznie do aktualizacji bazy danych obiektów topograficznych, o której mowa w art. 4 ust. 1a pkt 8 Pgik, czyli bazy BDOT10k [Rozp. MSWiA, 2011b]. W tym drugim przypadku wymagania dokładnościowe są dużo niższe. Rozporządzenie w sprawie baz danych dotyczących zobrazowań lotniczych i satelitarnych oraz ortofotomapy i numerycznego modelu terenu [Rozp. MSWiA, 2011a] wprowadza jako kryterium podziału zbiorów danych dotyczących ortofotomapy wielkość piksela terenowego (w zakresie od 0,05 m do 5,00 m). Zbiory danych dotyczących NMT klasyfikowane są w zależności od dokładności wysokościowej określonej przez wartość błędu średniego wyznaczonej wysokości (w zakresie od 0,20 do 2,00 m) oraz interwału siatki punktów wysokościowych (w zakresie od 1,00 do 100,00 m).

Cel opracowania

W niniejszym artykule przedstawione zostaną wyniki wspólnych badań prowadzonych przez pracowników Instytutu Geodezji i Geoinformatyki (IGiG) Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu, studentów należących do Studenckiego Koła Naukowego Geoinformatyków (działającego przy IGiG) oraz Zespołu Fotogrametrii Przedsiębiorstwa Usług Geodezyjno-Kartograficznych GEOBIZ w Poznaniu. Celem prac była ocena możliwości wykonywania – z wykorzystaniem technologii BSL – sytuacyjnych i wysokościowych pomiarów fotogrametrycznych szczegółów terenowych I, II i III grupy dokładnościowej, będących obiektami przestrzennymi objętymi bazą danych BDOT500. Prace badawcze zrealizowano w terenie miejskim o zróżnicowanej rzeźbie terenu. Ocenę jakości stworzonych produktów fotogrametrycznych (tj. ortomozaiki i NMPT) postanowiono określić empirycznie poprzez porównanie współrzędnych szczegółów terenowych pozyskanych z produktów fotogrametrycznych ze współrzędnymi referencyjnymi tych szczegółów, które zostały uzyskane na podstawie dokładnych pomiarów bezpośrednich. Ze względów technicznych pomiary geodezyjne przeprowadzono w Obornikach Śląskich (rys. 1), powiat Trzebnica, województwo dolnośląskie. Czynnikami decydującymi o wyborze miejsca były: zmienne ukształtowanie i zagospodarowanie terenu oraz bliskość Wrocławia. Wynikowa ortofotomapa została bezpłatnie przekazana władzom miasta Oborniki Śląskie.

Metodyka pracy  – osnowa i pomiary referencyjne

Weryfikację jakości procesu aerotriangulacji przeprowadza się na niezależnych punktach kontrolnych [pkt 22 załącznika nr 2 do Rozp. MSWiA 2011a], których współrzędne należy pomierzyć w terenie tak, aby łączny średni błąd identyfikacji i pomiaru nie przekraczał (w przypadku rejestracji zdjęć cyfrowych) rozdzielczości terenowej jednego piksela (w tym opracowaniu zdjęcia mają rozdzielczość terenową 2,5 cm). Natomiast pamiętając, że dokładność pomiaru szczegółów terenowych I grupy wynosi sytuacyjnie ±0,10 m oraz wysokościowo ±0,02 m (jest to najwyższa dokładność i odnosi się do przewodów i urządzeń kanalizacyjnych), pomiarów fotogrametrycznych w naszym opracowaniu zdecydowaliśmy, że dokładność wyznaczenia położenia punktów osnowy pomiarowej powinna być o jeden rząd lepsza, to jest ±0,01 m sytuacyjnie oraz ±0,002 m wysokościowo.

Aby osiągnąć takie dokładności, wybraliśmy rozwiązanie oparte na zintegrowanej sieci kątowo-liniowej wzmocnionej pomiarami krótkich wektorów GNSS oraz niwelacji geometrycznej o podwyższonej dokładności. Zastosowane rozwiązanie jest wyrównaniem pseudoswobodnym bazującym na jednym punkcie (wyznaczonym z wektorów pomiędzy stacjami ASG-EUPOS a punktem osnowy badawczej) i jednym wektorze przyjętym za bezbłędny (o najmniejszych wartościach odchylenia standardowego z rozwiązania podwójnych różnic obserwacji fazowych). Takie rozwiązanie, choć niezgodne w pełni ze standardem technicznym [Rozp. MSWiA, 2011b], zapewnia maksymalną wewnętrzną spójność sieci, a jednocześnie pozwala na dowiązanie układu lokalnego opracowania do państwowego systemu odniesień przestrzennych [Rozp. RM, 2012].

Do badań wybrano obszar zurbanizowany. Znajdowały się na nim liczne szczegóły terenowe należące głównie do pierwszej oraz drugiej grupy dokładnościowej. Spośród nich wytypowano punkty, które podlegałyby pomiarowi podczas standardowej aktualizacji mapy zasadniczej: przekroje drogowe, krawężniki, naziemne elementy infrastruktury technicznej, trwałe ogrodzenia, chodniki, skwery, boisko sportowe, skarpy i trawniki. Wyselekcjonowane elementy zagospodarowania terenu zamarkowano sygnałami z białej taśmy budowlanej w kształcie litery L, jednoznacznie wskazując punkt podlegający pomiarowi. Do prac terenowych wykorzystano przygotowaną wcześniej osnowę sytuacyjno-wysokościową, a do pomiaru – tachimetry elektroniczne Trimble S3 (dwusekundowe) i Leica TC407.

Patryk Lewandowski,
Piotr Gołuch, Grzegorz Jóźków,
Estera Borsuk, Natalia Dymarska,
Damian Podhorecki,
Bartłomiej Siekanko, Witold Rohm