UgCS Fotogrametrické techniky pro plánování UAV zeměměřických misí

Základní pojmy

• DEM - Digital Elevation Model (též DSM - Digital Surface Model) - je trojrozměrný výškový model Země, který zaznamenává například i výšku budov a lesního porostu. Může být vytvářen radarovým snímáním nebo ze stereopárů optických snímků. (satimagingcorp.com)
• GSD - Ground Sample Distance - je velikost jednoho obrazového prvku (pixelu) na povrchu Země (www.ctre.iastate.edu). Česky “prostorové rozlišení”.
• Multispektrální snímek - je snímek, který zachycuje dvě a více spektrálních pásem. Výsledkem je barevná syntéza v přirozených nebo nepravých barvách.
• Pan-sharpening - nahrazení jasové složky multispektrálního snímku daty z pan-chromatického snímku, který má vyšší rozlišení. Vzniká tedy multispektrální snímek s rozlišením panchromatického (DOBROVOLNÝ, 1998).
• Panchromatický snímek - je snímek, který zachycuje pouze jedno spektrální pásmo. Výsledek je černobílý snímek.
• Stereopár - jsou dva snímky stejného území nasnímané z jiného úhlu. Z takových snímků lze vytvořit digitální výškový model (satimagingcorp.com).

První krok: Získání vstupních dat

K dosažení požadovaného výsledku, musí být v první řadě provedena vstupní nastavení:

• Povinné GSD,
• Hranice oblasti průzkumu,
• Požadovaný přímý a boční přesah.

GSD a oblast snímání jsou obvykle definovány požadavkem zákazníka a další parametry záleží na kvalitě výstupního materiálu (například podle rozsahu a rozlišením digitální mapy). Překrytí by měly být zvoleno podle konkrétních podmínek geodetické plochy a podle požadavků kladených na zpracování dat konkrétním software.

Každý software pro zpracování dat (např Pix4D, Agisoft Photoscan, Dronedeploy) má specifické požadavky na boční a přední překryvy podle druhu snímaného povrchu. Správné hodnoty naleznete v dokumentaci vybraného softwaru. Obecně platí 75% předního a 60% bočního přesahu. Překryvy by měly být větší v oblastech s malým množstvím vizuálních podnětů - například pro pouště nebo lesy.

Při realizaci letecké fotogrammetrie jsou začátečníci často nadšeni z možností tvorby digitálních map s extrémně vysokým rozlišením (1-2 cm / pixel) a využívají velmi malé GSD pro plánování mise. Pro praxi to není zcela vhodné. Malé GSD bude mít za následek delší dobu letu, stovky fotek pro každý akr, desítky hodin zpracování a příliš velké výstupní soubory. GSD by mělo být stanoveno v souladu se výstupními požadavky digitální mapy.

Mohou nastat i další omezení. Například je požadováno GSD 10cm / pixel, ale je v plánu používat fotoaparát Sony A6000. Na uvedené GSD a parametry fotoaparátu by byla letová výška nastavena na 510 metrů. Ve většině zemí je povolená maximální povolená výška UAV (bez zvláštního povolení) na 120 m / 400 stop AGL (nad zemí).

Druhý krok: Plánování mise

Plánování mise se skládá ze dvou fází:

• Počáteční plánování,
• Optimalizace trasy.

Počáteční plánování

Prvním krokem je stanovení geodetické plochy pomocí fotogrametrického nástroje  UgCS . Oblast lze nastavit pomocí vizuálních bodů na podkladovou mapu nebo pomocí přesných souřadnic hran. Výsledek - průzkumná plocha je označena žlutými hranicemi (viz obrázek 1).

Obrázek 1: - vymezení průzkumné plochy

Dalším krokem je stanovení GSD a překryvů pro fotoaparát v okně nastavení fotogrammetrie tool (obrázek 2).

Obrázek 2: - nastavení

V okně pro nastavení fotogrammetrie tool se stanoví kontrolní činnost fotoaparátu. V příkladu (obrázek 3) je uvedeno  Nastavení fotoaparátu podle vzdálenosti. JEdná seo  akci, kdy bude fotoaparát pořizovat snímky po každém vzdálenostním úseku.

Obrázek 3:  nastavení řídící činnost fotoaparátu

V tomto okamžiku je počátečního plánování trasy dokončeno. UgCS automaticky vypočítá fotogrammetrickou trasu (viz obrázek 4).

Obrázek 4:  výpočet fotogrammetrie průzkumné trasy před optimalizací

Ve většině případů nemusí být automaticky vypočítaná fotogrammetrická trasa zcela optimální a v některých případech dokonce nebezpečná pro létání. Proto se přistoupí k optimalizaci.

Optimalizace trasy

S cílem optimalizovat trasu by měli být známé vypočítané parametry: nadmořská výška, předpokládaná dobu letu, počet snímků, atd.

Část s vypočítanými informacemi o trase lze nalézt v okně výškového profilu. Chcete-li otevřít okno výškový profil (pokud není vidět na obrazovce) klikněte na ikonu Parametry (pravém dolním rohu, viz obrázek 5) a z rozbalovacího menu zvolte Show elevation:

Obrázek 5:  přístup okna výškové z karet Parametry trasy nastavení

V profilu výšky se představí odhad délku trasy, doba trvání, počet bodů na trase a min / max výškové údaje:

Obrázek 6:  hodnoty trasy v okně Výškový profil

Chcete-li získat další vypočtené hodnoty, otevřete protokol trasy klepnutím na indikátoru stavu trasy - zelené zaškrtnutí (v pravém horním rohu, viz obrázek 7) Route karty:

Obrázek 7: karta Trasa a stavový indikátor, log trasy  

Využívání parametrů trasy, může být optimalizováno tak, aby let byl efektivnější a bezpečný.
 

Směr letu

Ve výchozím nastavení bude  UgCS  realizovat průzkumu ve semru od jihu k severu, ale ve většině případů je optimálnější létat rovnoběžně s nejdelší hraniční čárou průzkumné oblasti. Chcete-li změnit směr, musíte upravit pole  směr úhlu v nástroji fotogrammetrie. Například změnou úhlu 135 stupňů - počet průchodů se snižuje z pěti (obrázek 4), na čtyři (obrázek 8) a délka trasy je 1 km místo 1,3 km.

Obrázek 8: změna úhlu tak, aby průzkum čára byla rovnoběžná s nejdelší hranou

Typ Altitude

UgCS  má možnost definovat, jak naplánovat trasu v závislosti na nadmořské výšce - konstantní výška nad terénem (AGL) nebo nad střední hladinou moře (AMSL).

Informace naleznete v software pro zpracování dat, který způsob sledování nadmořské výšky se doporučuje.

UgCS  ukazuje, že volba typu nadmořské výšky závisí na požadovaném výsledku - pro ortofotomapy (standardní letecký snímky), je lepší zvolit AGL a zajistit konstatní GSD pro celou mapu. Je-li cílem je vytvoření DEM a 3D rekonstrukci, tak je lepší použít AMSL, díky tomu má software pro zpracování dat více informací, aby správně určil světlou výšku z fotografií a poskytnou tak více kvalitnější výstup.

Obrázek 9:  výškový profil s konstantní výškou nad střední hladinou moře (AMSL)

V tomto případě UgCS spočítá letovou výšku na základě nejnižšího bodu průzkumné oblasti.

Je-li v nastavení zvolena AGL,  UgCS vypočítá výšku pro každý trasový bod. Ale v tomto případě bude profil terénu hrubý, pokud nebude zadáno dostatečné množství navigačních bodů.  (viz Obrázek 10).

Obrázek 10:  výškový profilu s AGL bez dalších navigačních bodů

Proto, pokud je použit AGL, je vhodné přidat další průletové body  a  UgCS  spočítá letový plán s výškovým profilem odpovídajícím způsobem (viz obrázek 11).

Obrázek 11:  výška profil s kameniva s dalšími body trasy  

Rychlost

Obecně platí - je-li rychlost letu vyšší bude zkrácena dobu letu. Ale při vysoké rychlosti v kombinaci s velkou expozicí kamery, může dojít k rozmazání snímků. Ve většině je vhodnou volbou pro většinu případů 10m/s.

Způsob ovládání kamery

UgCS podporuje 3 metody pro kontrolu kamery (akce):

1. Vytvoření snímku (spoušť fotoaparátu) přímo na průletovém bodu (waypointu),
2. Vytvoření snímku každých N sekund,
3. Vytvoření snímku každých N metrů.

Ne všechny autopiloty podporují všechny uvedené možnosti ovládání fotoaparátu. Například (poměrně starý) DJI A2 nepodporuje ani jednu z uvedených možností, ale novější - počínaje Phantom 3 a až do M600, podporují pouze pořizování snímků v průletových bodech a času. DJI přislíbila realizovat spouštění podle vzdálenosti, ale zatím tato možnost není k dispozici.

Zde jsou některé výhody a nevýhody všech tří způsobů:

Tabulka 1: Výhody a nevýhodou metod kamer spouštění

Na závěr:

• Fotografování v průletových bodech je výhodný, pokud je to možné.
• Časové spouštění by mělo být použito pouze tehdy, pokud žádný jiný způsob je možný.
• Spouštění podle vzdálenost by mělo být použito pokud není možné použít waypointy.

Chcete-li vybrat způsob spouštění v UgCS, v okně Photogrammetry tools,  použijte jednu ze tří dostupných ikon:

• Nastavení režimu fotoaparátu
• Nastavte fotoaparát podle času
• Nastavte fotoaparát podle vzdálenosti

Typy otoček

Většina autopilotů nebo multirotorů podporuje různé typy otáčení v průletových bodech. Nejpopulárnější drony Dji zvládají tři typy otáček:

• Stop and Turn: dron přiletí přesně k průletovému bodu, zde zůstane, pak letí na další pevný bod.
• Bank Turn: dron poletí konstantní rychlostí z jednoho bodu do druhého bez přerušení.
• Adaptivní Bank Turn: Je to téměř stejné Bank Turn režim (Obrázek 12), ale skutečná letový dráha bude přesnější než při Bank Turn.

Režim Bank není vhodné používat při fotogrammetrických misích. Drone interpretuje režim Bank jako „doporučený cílový bod“ - dron poletí tímto směrem, ale téměř nikdy neprojde trasový bod. Vzhledem k tomu, že drone neprojde průletovým bodem - neprovede se žádná akce - kamera nebude fotit, atd.

Adaptivní Bank Turn by měl být používán se zvýšenou opatrností, protože dronu mohou chybět waypointy a opět nebude zahájeno fotografování.

Obrázek 12:  Ukázka typických Dji drone trajektorií pro banky Turn a Adaptive Bank Zapnout typy

Adaptive Bank může být použitý pokud chceme provést zkrácení letové doby, protože se vypouští zastavení a otáčení. Při používání Adaptive Bank se doporučuje používat přelet přes mezní okraj snímané oblasti.

Ovládání gimbal

Drony, např DJI Phantom 3 Phantom 4, Inspire, M100 nebo M600 s integrovaným gimbalem mají možnost kontrolovat pozici kamery jako součást automatického plánování trasy.

Je vhodné nastavit fotoaparát na pozici k prvnímu bodu a ve vodorovné poloze před přistáním, aby se zabránilo poškození čočky.

Chcete-li nastavit pozici fotoaparátu, zvolte trasový bod a klikněte na Set Camera attitude  (Obrázek 13) a zadejte „90“ v poli „Tilt“ (Obrázek 14).

Jak již bylo uvedeno výše, tento waypoint by měl být Stop & Turn typ, jinak by dron mohl přeskočit tuto akci.

Chcete-li nastavit fotoaparát do vodorovné polohy - vyberte poslední bod na trase a klepněte na tlačítko Set cammera attitude/zoom a zadejte „0“ v poli „Tilt“.

Přelety

Zpočátku bylo překročení vymezené plochy realizováno pro pevné křídlo. Drony mají dostatek prostoru pro manévrovací otočku. 

Přelet (Overshoot) lze nastavit v panelu  Photogrametry tools přidáním dalšího segmentu na obou koncích každé letové čáry.

Obrázek 15:  Přidání 40 m překročení na obou koncích každého průzkumu linie

Na příkladu (obrázek 15), je patrné, že UgCS přidán 40m dalšího segmentu na obou koncích každé letové linie (v porovnání k obrázku 8).

Přidání přeletu je užitečné pro UAV ve dvou situacích:

• Jsou-li použity otáčky Adaptive Bank Turns (nebo podobné metody pro ne-Dji drones). Přeletem se zvýší pravděpodobnost, že UAV bude přesně sledovat letovou linii a fotoaparát bude spuštěn na definovaném místě.
• Když se využije typ Stop and Start v kombinaci s akcí pro spuštění fotoaparátu v průletovém bodě, může nastat možnost, že před provedením spuštění fotoparátu, UAV začne rotovat k dalšímu waypointu - to může vést k vytoření fotografie s nesprávnou orientací nebo bude rozmazaná. Aby se tomuto zabránilo, nesmí být přelet příliš krátký, například 5m. Nezadávejte příliš krátkou hodnotu (<3m), protože některé drony by mohli ignorovat body, které jsou příliš blízko.

Obrázek 16:  Příklad rozostřeného snímku pořízeném v otáčení do dalšího bodu trasy

Take-off bod (bod vzletu)

Na místě před letem, při jakékoliv misi je důležité zkontrolovat vzletové plochy! Aby bylo možné lépe vysvětlit, jak nastavit místa startu budeme nejdříve diskutovat příklad, který je uveden na obrázku 17. Zde je místo vzletu pro automatickou misi označeno ikonou letadla.

Obrázek 17:  Místo startu 

Většina dronů v automatickém režimu vzletu by vystoupalo do nízké výšky asi 3-10 metrů a letěl by k prvnímu prvním definovanému waypointu. V tomto příkladu UAV s největší pravděpodobností nedosáhne bezpečné výšky a zasáhne stromy nebo jiné překážky.

Velmi důležitým aspektem je to, že většina malých UAV používá relativní výšku. Proto je důležité, aby místo vzletu bylo co nejblíže k místu vzletu a na stejné úrovni terénu.

UgCS Team doporučuje umístit první waypoint co nejblíže ke skutečnému místa vzletu a určit bezpečnou vzletovou výšku (≈30m ve většině případů bude výše jakýchkoli stromů, viz obrázek 18). To je jediná metoda, která zaručuje bezpečný vzlet mise. Tím je také zajištěna ochrana před jakýmkoliv podivném chování dronu, např. při nepředvídatelné aktualizace firmwaru a další.

Obrázek 18:  Cesta s bezpečným vzletem

Startovací bod pro začátek letu

V předchozím příkladu (viz obrázek 18) je vidět, že po přidání vzletového bodu, se trasa pro průzkum změnila, resp. její vstupní bod, protože pokud se přidá další waypoint do oblasti fotogrammetrie, UgCS  naplánují let tak, že se započne v nejbližším bodě naplánované mise.

Chcete-li změnit vstupní bod, nastavte další waypoint v blízkosti požadovaného startovního rohu (viz obrázek 19).

Obrázek 19:  Změna vstupního bodu přidáním dalšího waypointu

Místo přistání

Pokud nebude přidán bod pro místo přistání mimo fotogrammetrické území, tak po provedení mise bude dron viset nad posledním průjezdním bode. Existují dvě možnosti pro přistání:

• Převzít manuální kontrolu nad dronem a přistát ručně,
• Aktivovat příkaz pro návrat domů v UgCS nebo dálkovým ovládáním (RC).

V situacích, kdy je rádiové spojení s dronem ztraceno, například v případě, že je průzkumná plocha velká, nebo jsou problémy s dálkovým ovládáním. V závislosti na dronu a jeho nastavení se mohou vyskytnout následující situace:

• Drone se vrátí do místa startu (pokud dojde k přerušení spojení s rádiem)
• Drone poletí na poslední bod na trase z průzkumného prostoru a bude se nad ním vznášet tak dlouho, jak to umožní kapacita baterie a pak:
  • drone přejde do nouzového přistání,
  • nebo se bude snažit vrátit zpět dna HP.

Pokud drone nepodporuje automatické přistání nebo pilot raději přistává ručně, měl by být poslední bod v dostatečné výšce, aby se nepotkal s překážkami v okolí. Obecně to může být 30m.

Provedení akce

Fotogrammetrický nástroj má magický parametr „Action execution“ se třemi možnými hodnotami:

• Every point
• At start
• Forward passes

Tento parametr určuje, jak a kde bude provedena akce kamery určené pro snímání za letu.

Nejvíce užitečnou volbou pro misi je nastavit Forward passes - drone pořídí fotografie jen na průzkumné cestě, ale nebude pořizovat přebytečné fotografie na kolmicích.

Komplexní oblasti průzkumu

UgCS umožňuje plánování misí i u nepravidelných ploch, což je funkcionalita, která umožňuje spojit libovolný počet fotogrammetrických ploch do jedné trasy, aby se zabránilo rozložení snímané oblasti po dílčích trasách.

Například, pokud by měla být mise musí naplánováno do dvou spojených oblastí ve tvaru „T“ a jsou-li tyto dvě položky označeny jako jediná oblastí fotogrammetrie nemusí být celá trasa naplánována tak, aby byla optimální.

Obrázek 20:  Průzkumná plocha před optimalizací 

V případě, že je průzkumná oblast označena jako dvě fotogrammetrické oblasti uvnitř jedné cesty - mohou být letové cesty pro každou oblast mohou být optimalizovány individuálně (viz obrázek 21).

Obrázek 21:  Optimalizace letu 

Třetí krok: nasadit pozemní (lícovací) body

Pokud má být výstupem mise přesná mapa je nutné nasadit lícovací body, které jsou zaměřeny přesnými GPS přístrojem.

Existuje spousta diskusí o nutnosti zda provádět kontrolu pozemních bodů i v případech, kdy je dron vybavený Real Time Kinematics (RTK) GPS přijímačem s centimetrovou přesností.

Je sice užitečné, že RTK GPS umožňuje definovat souřadnice pozice dronu s centimetrovou přesností, ale pokud jde o pořízení přesné mapy musí, být tyto body zaměřeny ve svém středu.

Zpracování dat softwarem jako Agisoft Photoscan, Dronedeplay, Pix4d, Icarus OneButton apod. budou vyrábět velmi přesné mapy pomocí geotagovaných obrázků, ale skutečná přesnost mapy bez kontrolních pozemních bodů nebude známa.

Závěr: pozemní kontrolní body musí být použity při tvorbě Survey-Grade výsledku. Pro mapy s přibližnou přesností se postačí spolehnout jen na RTK GPS a možnosti zpracovávacího software.

Čtvrtý krok: zkontrolujte svou misi

U pečlivě naplánovaných misí, je samotné létání ten nejjednodušší krok. Provedení mise se liší v závislosti na typu UAV a použitého zařízení, a proto není podrobně popsána v tomto článku.

Důležité otázky před letem:

• Ve většině zemí existují přísná pravidla pro použití UAV. Létat se smí pouze v souladu s předpisy! Obvykle lze tato pravidla nalézt na webových stránkách místního leteckého úřadu.
• V některých zemích je zapotřebí zvláštní povolení pro jakýkoli druh leteckého foto/video natáčení. Seznamte se s místními předpisy.
• Ve většině případů jsou mise plánovány předtím, než na samotném místě létání (například v kanceláři, doma), s pomocí imaginárního satelitu z Google Maps, Bing, atd. Je Před letem je nutné vždy zjistit aktuální situaci na místě a zde upravit naplánovaný let, například, aby se zabránilo střetu s vysokými překážkami (např stromy, stožáry, vedení vysokého napětí).
   

Pátý krok: image geotagging

Jestliže budou využívány lícovací body, tak Image geotagging je volitelný. Ale se využitím této možnosti bude téměř jakékoliv zpracování dat vyžadovat méně času na zpracování snímků.

Šestý krok: zpracování dat

Počínaje UgCS PRO verze 2.12 je plánováno zahájit poskytování UgCS Mapper (desktopový software), který bude umožňovat vytvořit 2D mapy pro místa, která by vyžadovala připojení k internetu.

Chcete-li podrobnější analisy a 3D modely z pořízených snímků, lze využít software třetích stran. Agisoft Photoscan je velmi výkonný a flexibilní software, ale někteří uživatelé zjistí, že pro získání požadovaného výsledku je potřeba příliš velkého úsilí. Méně komplikované řešení je online služba Dronedeploy.

Sedmý krok (nepovinné): import existující mise v UgCS

V případě potřeby misí, které mají být v budoucnu opakovány, UgCS umožňuje importovat GeoTIFF soubory jako mapové vrstvy a používat je pro plánování mise. Podrobnější instrukce lze nalézt v UgCS uživatelské příručce. Podívejte se na výsledek mapy vytvořené pomocí UgCS, který byl importován jako GeoTIFF soubor (obrázek 22).

Obrázek 22:  Importovaná GeoTIFF mapa jako další vrstva. Mapa je výstupem mise prováděné s UgCS