Bezzałogowe statki powietrzne stały się nieodłącznym narzędziem pracy w wielu dziedzinach, począwszy od pomiarów geodezyjnych, kartografii, fotogrametrii niskiego pułapu poprzez budownictwo, górnictwo, geologię, inspekcje oraz inwentaryzacje, aż do ratownictwa i wsparcia działań w sytuacjach kryzysowych.

 

Informacje wstępne:

Wykonawcy: Grzegorz Durło, Maciej Wywiał, Kamil Tomiak
Misja SBSP: Maciej Wywiał
Skanowanie: Grzegorz Durło
Pomiary GNSS: Kamil Tomiak
Opracowanie fotogrametryczne: Maciej Wywiał
Cel wykonanie dokładnej rekonstrukcji 3D budynku starej prochowni
Data i miejsce wykonania nalotu: 25-04-2022; Wzgórze Swaroga, dzielnica Podgórze, Kraków, woj. małopolskie
Powierzchnia opracowania: 0,1 ha
Wykorzystany Sprzęt: UAV DJI Matrice 300 RTK, kamera DJI Zenmuse P1, tachimetr robotyczny Spectra Focus 35, odbiornik GNSS Spectra Precision SP85, iPhone 11 Pro, moduł RTK viDoc, smartfon XIAOMI 11 Lite.
Oprogramowanie: Pix4Dcatch, DJI Pilot, Pix4Dmapper, QGIS 2.18, CloudCompare

Wstęp

Wzrost popularności ręcznych urządzeń skanujący w ostatnim czasie zawdzięczamy technologii LiDAR, w którą wyposażone są smartfony firmy Apple począwszy od serii 12 PRO z 2020 roku. Znana od dawna metoda teledetekcji naziemnej Light Detection and Ranging oparta jest na pomiarze odległości poprzez oświetlanie obiektu światłem laserowym, a następnie pomiar odbicia za pomocą czujnika w postaci fotodiody (technologia Time-of-Flight). Nie bez znaczenia jest także jakość sensora optycznego RGB, w który wyposażony jest iPhone oraz rewelacyjny procesor Apple A14 Bionic co z pewnością doceniają jego użytkownicy. Całość tworzy wydajny i niezwykle dokładny zestaw urządzeń optycznych pozwalających na wykonanie rekonstrukcji 3D obiektów niemal w każdych warunkach oświetleniowych w tym tzw. DepthMap (Ryc. 1). Wykorzystanie sensora LIDAR w fotogrametrii (Fotogrametria Bliskiej Odległości) możliwe jest przede wszystkim dzięki aplikacji Pix4Dcatch stworzonej przez Szwajcarską firmę z Lozanny https://www.pix4d.com/product/pix4dcatch. Aplikacja oferuje algorytmy pozwalające na automatyczne nagrywanie wideo wraz informacjami o położeniu i orientacji zdjęć klatka po klatce, ponadto użytkownicy mogą skorzystać z trybu podwyższone precyzji dzięki modułowi viDoc RTK Rover współpracującemu z iPhone https://www.pix4d.com/product/vidoc-rtk-rover


Ryc. 1. Przykłady map głębokości w formacie graficznym Tiff

Lokalizacja obiektu

Ruiny budynku starej prochowni z okresu I wojny światowej zlokalizowanego na Wzgórzu Swaroga w dzielnicy Podgórze w Krakowie w rejonie kamieniołomu Liban (Ryc. 2). Wypukła forma terenu, niewielkie nachylenie ok 5 do 7%, ekspozycja południowa. Wokół trawa oraz zarośla, pojedyncze drzewa od strony wschodniej oraz północnej. Współrzędne obiektu: 50.12258367; 19.52916934; wysokość bezwzględna 233,61 m n.p.m. (CS92). Budynek złożony jest z jednej kondygnacji oraz fragmentu ściany szczytowej, zwieńczony stropem betonowym o łącznej kubaturze około 120 m3. Elewacja wykonana z cegły, częściowo pokryta tynkiem, widoczne ślady wzmocnienia pustakiem ceramicznym (Fot. 1).

Ryc. 2. Rejon opracowania (żółta ramka)


Zdjęcie 1. Ruiny starej prochowni na wzgórzu Swaroga w Krakowie

Przebieg pomiarów

W pierwszej kolejności wykonano serię pomiarów naziemnych przy użyciu precyzyjnego odbiornika Spectra SP85 na tyczce z uchwytem typu tripod oraz rejestratorem MobileMapper 60 wyposażonym w oprogramowanie terenowe Spectra Geospatial Origin. Pomiary były uśrednieniem 30 epok pomiarowych. Korzystano z poprawek NTRIP (RTN – serwis ASG-EUPOS). Następnie metodą wcięcia wstecz ustawiono 2 stanowiska swobodne tachimetru Spectra Focus 35.

Tabela 1 . Współrzędne stanowisk pomiarowych tachimetru Spectra Focus 35

Lp. Oznaczenie X Y Z
1 Stan 1 5544611,195 7425242,032 250,485
2 Stan 2 5544636,002 7425258,964 251,505

Pomiary wykonano w miejscach zainstalowania fotopunktów tj. 6 plansz o wymiarach 40 na 40 cm ułożonych na ziemi na stałe, sekwencja pomiaru w trybie bieżący/uśredniony 5 s z poprawkami NTRIP. W tabeli nr 1 podano dane z pomiarów. Następnie, na obiekcie zawieszono 15 białych plansz pomiarowych o wymiarach 12 na 12 cm z krzyżami nitkowymi, które stanowiły osnowę pomiarową do rekonstrukcji 3D budynku. Pomiary współrzędnych punktów na elewacji wykonano przy użyciu tachimetru robotycznego Spectra Focus 35 z rejestratorem MobileMapper 60. W celu zachowania wysokiej dokładności nawiązanie stanowiska oraz osnowę fotogrametryczną pomierzono z wykorzystaniem mini-pryzmatu, a tarcze na obiekcie bezlustrowo (Tab. 1-3).

Tabela 2. Wyniki pomiarów współrzędnych fotopunktów na ziemi SP-85 (układ poziomy 2000 strefa 7, układ pionowy EVRF 2007 AMS)

Lp. Oznaczenie X Y Z
1 Foto1 5544613,518 7425240,497 249,002
2 Foto2 5544622,050 7425242,713 249,437
3 Foto3 5544629,519 7425236,335 249,544
4 Foto4 5544638,463 7425259,497 249,945
5 Foto5 5544628,257 7425260,917 249,812
6 Foto6 5544622,819 7425267,961 249,815

Tabela 3. Wyniki pomiarów współrzędnych punktów na elewacji budynku SF3-5 (układ poziomy 2000 strefa 7, układ pionowy EVRF 2007 AMS)

Lp. Oznaczenie X Y Z
1 P1 5544624.880 7425246.044 251.754
2 P2 5544624.599 7425246.108 250.481
3 P3 5544621.123 7425247.033 251.431
4 P4 5544621.259 7425247.000 250.105
5 P5 5544621.025 7425247.861 250.913
6 P6 5544622.611 7425254.102 250.394
7 P7 5544623.478 7425256.913 251.150
8 P8 5544627.145 7425255.967 252.049
9 P9 5544627.013 7425256.000 250.436
10 P10 5544627.154 7425253.237 252.079
11 P11 5544627.094 7425253.057 250.557
12 P12 5544626.290 7425249.944 251.588
13 P13 5544625.510 7425246.963 252.073
14 P14 5544625.560 7425247.140 250.876
15 P15 5544626.002 7425246.262 250.961


Zdjęcie 2. Pomiary terenowe zestawem hybrydowym Spectra Focus 35 oraz Spectra 85


Zdjęcie 3. Platforma DJI Matrice 300 RTK z kamerą DJI Zenmuse P1 (35 mm)

Skanowanie obiektu wykonano przy użyciu dwóch urządzeń, pierwsze z nich iPhone 12 PRO (iOS 14.7.1) z modułem viDoc RTK ROVERr oraz smartfon XIAOMI 11 Lite 5G z systemem Android 11 RKQ1.2. Procedura ręcznego skanowania obejmowała pieszą trasę wokół budynku zgodnie z ruchem wskazówek zegara z prędkością ok. 2 km/h oraz skanowanie stropu w 4 liniach na kierunku wschód -zachód. Odległość od obiektu wynosiła przeciętnie 3,5 metra, ekran ustawiony w pozycji pionowej, w polu widzenia obiektywu znajdowały się wszystkie plakietki z krzyżami nitkowymi umieszczone na elewacji budynku. Podczas skanowania iPhone używano aktywnego modułu RTK z poprawkami ASG-EUPOS. Zapis zdjęć w obu przypadkach odbywał się w pamięci wewnętrznej urządzeń. Łącznie wykonano 654 geotagowanych zdjęć (IPhone + Vidoc) oraz 736 (Xiaomi), które następnie wyeksportowano do chmury Pix4Dcloud Advanced. W tabeli 3 zamieszczono dane pomiarowe punktów na elewacji budynku wykonane przy użyciu iPhone + viDoc RTK Rover NTRIP (Tab. 4 – 6).


Zdjęcie 4. Skanowanie iPhone 11 PRO + viDOC ROVER RTK

Ryc. 3. Porównanie rozdzielczości modeli 3D wykonanych różnymi technikami w kolumnach od lewej: DJI Zenmuse P1, iPhone 11 PROI + viDoc oraz XIAOMI 11 Lite

Tabela 4. Wyniki pomiarów współrzędnych punktów na elewacji budynku iPhone 12 PRO + viDoc RTK (układ poziomy 2000 strefa 7, układ pionowy EVRF 2007 AMS)

Lp. Oznaczenie X Y Z Corr
1 V1 5544624,895 7425246,046 251,706
2 V2 5544624,610 7425246,104 250,433
3 V3 5544621,141 7425247,044 251,384
4 V4 5544621,272 7425247,005 250,056
5 V5 5544621,044 7425247,871 250,865
6 V6 5544622,629 7425254,108 250,336
7 V7 5544623,498 7425256,921 251,085
8 V8 5544627,160 7425255,972 251,987
9 V9 5544627,034 7425256,006 250,374
10 V10 5544627,167 7425253,243 252,019
11 V11 5544627,111 7425253,060 250,498
12 V12 5544626,304 7425249,948 251,528
13 V13 5544625,524 7425246,969 252,017
14 V14 5544625,574 7425247,141 250,820
15 V15 5544626,013 7425246,261 250,906

 

Tabela 5. Wyniki pomiarów współrzędnych punktów na elewacji budynku DJI Matrice 300 RTK z kamerą Zenmuse P1

Lp. Oznaczenie X Y Z Corr
1 V1 5544624,887 7425246,046 251,727
2 V2 5544624,601 7425246,110 250,452
3 V3 5544621,129 7425247,032 251,403
4 V4 5544621,263 7425246,998 250,076
5 V5 5544621,036 7425247,868 250,879
6 V6 5544622,619 7425254,112 250,367
7 V7 5544623,489 7425256,912 251,113
8 V8 5544627,151 7425255,966 252,015
9 V9 5544627,021 7425255,997 250,403
10 V10 5544627,161 7425253,240 252,051
11 V11 5544627,101 7425253,053 250,531
12 V12 5544626,298 7425249,943 251,550
13 V13 5544625,517 7425246,961 252,035
14 V14 5544625,565 7425247,142 250,840
15 V15 5544626,002 7425246,267 250,933

 

Tabela 6. Wyniki pomiarów współrzędnych punktów na elewacji budynku XIAOMI Lite 11

Lp. Oznaczenie X Y Z
1 V1 5544627,853 7425247,196 249,360
2 V2 5544627,608 7425247,224 248,111
3 V3 5544624,141 7425247,858 248,953
4 V4 5544624,297 7425247,813 247,660
5 V5 5544623,985 7425248,645 248,429
6 V6 5544625,010 7425254,794 247,844
7 V7 5544625,566 7425257,588 248,549
8 V8 5544629,164 7425257,002 249,503
9 V9 5544629,067 7425257,011 247,928
10 V10 5544629,441 7425254,373 249,564
11 V11 5544629,427 7425254,173 248,088
12 V12 5544628,887 7425251,109 249,131
13 V13 5544628,378 7425248,164 249,659
14 V14 5544628,450 7425248,312 248,488
15 V15 5544628,935 7425247,492 248,601

 

Opracowanie danych

Opracowanie wykonano na komputerze DELL Vostro P71F w aplikacji Pix4Dmapper (wersja 4.8.0). Średnia wartość wskaźnika EIQ dla zdjęć wykonanych kamerą P1 wyniosła 0,827 (±0,006) piksel terenowy 0.91 cm/pix. Do wyrównania zdjęć nie korzystano z fotopunktów (GCP), wszystkie punkty pomierzono klasycznie za pomocą tachimetru, one zaś posłużyły jako punkty kontrolne (ang. Check Points). Modele 3D wykonane na podstawie zdjęć ze smartfonów cechowały się wyższą rozdzielczością, dla nich bowiem piksel terenowy wynosił 0,20 cm. Wygenerowaną chmurę punktów wyeksportowano do pliku LAS natomiast model 3D wraz z teksturami zapisano w formatach PLY, FBX oraz DXF.

Wyniki analizy dokładności

Porównanie wyników pomiaru wykonanego 3 metodami tj. przy użyciu zdjęć iPhone + viDoc RTK, zdjęć z kamery Zenmuse P1 oraz hybrydowego pomiaru punktowego potwierdziło wysoką jakość danych, natomiast analiza błędów wskazuje na to, iż urządzenie ręczne znakomicie spisuje się w terenie zapewniając oczekiwaną dokładność. Wszystkie 15 tarcz pomiarowych z każdego zestawu danych pomierzono metodą analitycznego wcięcia w przód na podstawie pomiaru monoskopowego na zdjęciach (Ryc. 4). Różnice pomiędzy współrzędnymi pomierzonymi tachimetrem Focus 35, a współrzędnymi z pomiaru na zdjęciach przedstawiono na rycinach 5-7, wielkości błędów RMSE dla macierzy z misji FNP oraz zdjęć iPhone z systemem viDOC RTK ROVER zamieszczono na diagramie nr 8.


Ryc. 4. Pomiar monoskopowy na zdjęciach w programie Pix4Dmapper


Ryc. 5. Różnice pomiędzy współrzędnymi pomierzonymi tachimetrem Focus 35, a współrzędnymi z pomiaru na zdjęciach wykonanych iPhone 11 PRO z systemem viDOC RTK ROVER


Ryc. 6. Różnice pomiędzy współrzędnymi pomierzonymi tachimetrem Focus 35, a współrzędnymi z pomiaru na zdjęciach wykonanych kamerą Zenmuse P1 z pokładu DJI Matrice 300 RTK


Ryc. 7. Różnice pomiędzy współrzędnymi pomierzonymi tachimetrem Focus 35, a współrzędnymi z pomiaru na zdjęciach wykonanych smartfonem XIAOMI Lite 11


Ryc. 8. Pierwiastek z błędu średniokwadratowego RMSE współrzędnych XY wyznaczonych0 w oparciu o zdjęcia z iPhone 11 PRO oraz DJI Zenmuse P1 w stosunku do danych z tachimetru Focus 35

Błąd średniokwadratowy RMSE dla serii pomiarów z drona oraz IPhone wynosi ± 2,0 cm w osi XY. Stały znak przy błędach na osi Z oznacza, że model był przesunięty o stałą wartość, w przypadku modelu wygenerowanego na podstawie zdjęć z kamery Zenmuse P1 było to 3,0 cm, w przypadku zestawu IPhone z viDoc ROVER przesunięcie modelu wynosiło 5,5 cm. Oznacza to, że w obu przypadkach spełnione są standardy techniczne wykonania geodezyjnych pomiarów sytuacyjnych dla szczegółów terenowych z I grupy. Pomiar wysokości względnej w obu metodach także spełnia kryteria dokładności na poziomie ± 2,0 cm. Problemem może być jedynie odczytanie wysokości bezwzględnej w konkretnym układzie wysokościowym, aby to zrobić konieczne jest wyrównanie bloku zdjęć z wykorzystaniem fotopunktów. Wyniki analizy dokładności modelu 3D wykonanego przy pomocy smartfona Xiaomi Lite znacznie odbiegają od poprzednich metod. Zauważono niewielkie skręcenie modelu, co wpływa na pomiary odległości względnej. Pomierzono kilka odcinków pomiędzy tarczami pomiarowymi i stwierdzono, że na krótkim dystansie do 2,0 m błąd ten wynosił 5,0 cm, przy dłuższych odcinkach od 5 do 6 m błąd ten zwiększał się i osiągał nawet 20,0 cm. Niedokładność tę można wyeliminować poprzez zastosowanie fotopunktów lub skalarów. W projekcie zrezygnowano jednak z tej metody, aby porównać dokładności wszystkich zestawów urządzeń zgodnie z ich nominalnymi parametrami operacyjnymi.

Tabela 7. Współrzędne punktów na elewacji budynku w oparciu o pomiar w chmurze Pix4Dcloud na modelu 3D wykonanym iPhone + viDoc RTK ROVER

Lp. Oznaczenie X Y Z
1 V1 5544624,895 7425246,046 251,706
2 V2 5544624,610 7425246,104 250,433
3 V3 5544621,141 7425247,044 251,384
4 V4 5544621,272 7425247,005 250,056
5 V5 5544621,044 7425247,871 250,865
6 V6 5544622,629 7425254,108 250,336
7 V7 5544623,498 7425256,921 251,085
8 V8 5544627,160 7425255,972 251,987
9 V9 5544627,034 7425256,006 250,374
10 V10 5544627,167 7425253,243 252,019
11 V11 5544627,111 7425253,060 250,498
12 V12 5544626,304 7425249,948 251,528
13 V13 5544625,524 7425246,969 252,017
14 V14 5544625,574 7425247,141 250,820
15 V15 5544626,013 7425246,261 250,906


Ryc. 9. Różnice pomiędzy współrzędnymi pomierzonymi tachimetrem Focus 35, a współrzędnymi z pomiaru w chmurze na modelu wykonanym ze zdjęć iPhone 11 PRO z systemem viDOC RTK ROVER

Wyniki pomiaru na modelu (bez wskazywania punktów na zdjęciach) wykonanym przy użyciu iPhone + viDoc ROVER w środowisku Pix4Dcloud dały bardzo zbliżone rezultaty. Współrzędne pomiarów zawiera tabela nr 7, a błędy pomiaru w odniesieniu do pomiaru wykonanego tachimetrem Focus-35 zebrano na rycinie 9. Średni błąd RMSE na współrzędnych X i Y wyniósł 0,011 zaś na rzędnej wysokościowej 0,055.

Podsumowanie

Zaprezentowana w materiale technologia skanowania obiektów małogabarytowych przy użyciu ręcznego urządzenia typu iPhone wyposażonego w moduł RTK viDoc potwierdza jego użyteczność oraz uniwersalność, a zarazem wysoką dokładność tak często potrzebną w trakcie pomiarów terenowych zróżnicowanych obiektów. Jego unikalne zalety to głównie mały rozmiar, niewielka masa, poręczność, łatwość obsługi oraz gotowość do pracy natychmiast po uruchomieniu. W stosunku do tradycyjnych metod geodezyjnych posługiwanie się tak wszechstronnym urządzeniem daje duże możliwości, szczególnie, gdy konieczne jest pozyskanie informacji o obiektach w miejscach trudnodostępnych, lub tych, których widoczność jest ograniczona. Do najbardziej popularnych zastosowań ręcznego zestawu należą skanowanie postępów robót drogowych, kanalizacyjnych, robót konstrukcyjnych w budownictwie, prac prowadzonych poniżej poziomu terenu czy prac wewnątrz pomieszczeń. Walory sprzętu docenią badacze oraz archeolodzy w trakcie prowadzenia wykopalisk oraz rekonstrukcji fragmentów obiektów o ważnym dla historii i kultury znaczeniu. Informacje na ten temat można znaleźć w jednym z artykułów na naszym geoblogu: Drony w archeologii. W ostatnim czasie sensor LIDAR w iPhone znalazł również zastosowanie w pracach leśnych, mianowicie w analizie objętości drewna stosowanego do oceny miąższości surowca na składnicach oraz placach manipulacyjnych. Jak wskazują wstępne wyniki, to może być przełomowa metoda w usługach brakarskich.

Koszty zakupu zestawu

Cena viDoc RTK ROVER wynosi 5490 EUR netto, iPhone 12 PRO 3650 PLN netto, program komputerowy PIx4Dmapper 18 800 PLN netto, Pix4Dcloud STANDARD (opcja przetwarzania danych w chmurze) 8 000 PLN netto, poprawki NTRIP w serwisie RTN 1220 PLN netto.

Szczegóły znaleźć można na naszej stronie https://sklep.navigate.pl/index.php/bezzalogowe-statki-powietrzne-drony/kamery-do-dronow/vidoc-rtk-rover-szczegoly

Źródła

Pażus R. 2009. Spojrzenie na ASG-EUPOS od strony użytkownika serwisu POZGEO, Cz. I. Druga strona medalu. Mag. Geoinf. Geodeta 3(166), 28-30.

Królikowski J. Wywiał M, Durło G. 2022. Skaner spod strzechy. Mag. Geoinf. GEODETA (326), 7, 32-36.

Fotheringham M., Paudyal D. 2021. Combining terrestrial scanned datasets with UAV point clouds for mining operations. ISPRS Ann. Photog. Rem. Sens. Spat. Inf. Sci. DOI: V-4-2021. 129-138. 10.5194/isprs-annals-V-4-2021-129-2021.

Puniach E., Kwartnik-Pruc A. 2018. The use of laser scanning and unmanned aerial vehicles in construction surveying in the light of legal regulations in Poland. Jour. Appl. Eng. Sci. 8 (2), 79-88.

Mora O. E., Suleiman A., Chen J., Pluta D., Okubo M. H., Josenhans, R. 2019. Comparing sUAS photogrammetrically-derived point clouds with GNSS measurements and terrestrial laser scanning for topographic mapping. Drones, 3(3), 64 DOI: 10.3390/drones3030064

Materiały podglądowe

Xiaomi 11 Lite budynek https://cloud.pix4d.com/dataset/1135097/model?shareToken=8ce36ab9-8992-482d-bdb1-ab68d4b98e4f
Xiaomi 11 Lite stos drewna https://cloud.pix4d.com/dataset/1159557/model?shareToken=31da7489-dc68-4de9-9cba-c111ad78264e
iPhone+viDOC wykop https://cloud.pix4d.com/dataset/930987/model?shareToken=2a805511-4454-4ae9-bc95-05d9b1d042db
iPhone + viDOC budowa https://cloud.pix4d.com/dataset/930983/model?shareToken=00669856-c22f-4b32-a440-519f6dea0009

O firmie NaviGate

Jeżeli myślisz o zastosowaniu bezzałogowych statków powietrznych lub innych systemów optycznych wykorzystywanych w fotogrametrii, teledetekcji lub skanowaniu LiDAR, u nas otrzymasz wszystko co potrzebne, by rozpocząć przygodę z nowoczesną technologią. Zdobędziesz Certyfikat Kompetencji Pilota SBSP w kategorii Szczególnej, dokonasz zakupu sprzętu i oprogramowania, zaś nasi instruktorzy wprowadzą Cię w specjalistyczne zagadnienia w trakcie szkoleń na różnym poziomie zaawansowania. Nasza firma dostarcza na rynek europejski wysokiej jakości rozwiązania pomiarowe Spectra Geospatial m.in. dla geodezji, leśnictwa, górnictwa, GIS oraz budownictwa. W ofercie znajdują się precyzyjne odbiorniki GNSS, tachimetry manualne zrobotyzowane, niwelatory, kontrolery, a także szeroki wybór oprogramowania terenowego i biurowego. Firma NaviGate jest autoryzowanym dystrybutorem DJI Enterprise, kamer wielospektralnych MicaSense, termowizyjnych kamer FLIR, optycznych sensorów Share UAV Technolog oraz średnio-formatowych kamer Phase One. NaviGate jest również autoryzowanym dystrybutorem oprogramowania z grupy Pix4D oraz 3Dsurvey. Pełna oferta znajduje się na naszej stronie www.navigate.pl. Informacje na temat szkoleń znajdą Państwo w witrynie Ośrodka Szkoleniowego NaviGate pod adresem www.szkolenia.navigate.pl.

Bezzałogowe statki powietrzne, Geodezja