Autor: inż. Małgorzata Woroszkiewicz Opiekun naukowy: dr hab. inż. Michał Kędzierski ANALIZA DOKŁADNOŚCI ORTOFOTOMAPY WYGENEROWANEJ NA PODSTAWIE CYFROWYCH ZDJĘĆ POZYSKANYCH Z POKŁADU BEZZAŁOGOWEGO STATKU LATAJĄCEGO Streszczenie. Współcześnie bezzałogowe statki latające stanowią dobrze rozwiniętą gałąź lotnictwa, która znalazła zastosowanie w fotogrametrii i teledetekcji. Bezzałogowe platformy umożliwiają pozyskiwanie geodanych z pułapu od kilku do kilkuset metrów. Własność ta stwarza nowe możliwości w dziedzinie fotogrametrii lotniczej, jak również narzuca konieczność opracowania nowych rozwiązań technologicznych. Jednakże opracowanie ortofotomapy na podstawie zdjęć pozyskanych z platformy bezzałogowego statku latającego nie różni się w znaczący sposób od opracowania zdjęć lotniczych pozyskanych w tradycyjny sposób. W artykule przedstawiono proces technologiczny generowania ortofotomapy na podstawie zdjęć pozyskanych z pokładu bezzałogowej platformy. Etapami niezbędnymi do osiągnięcia założonego celu było przeprowadzenie kalibracji kamery wykorzystanej do nalotu, zaplanowanie i pomiar osnowy fotogrametrycznej oraz pozyskanie danych obrazowych po uprzednim wykonaniu planu nalotu. Na podstawie zgromadzonych danych zrealizowano aerotriangulację oraz wygenerowano numeryczny model terenu. Ponadto przeprowadzono analizę dokładności produktu finalnego, jak również wszystkich etapów pośrednich. Słowa kluczowe: fotogrametria lotnicza, bezzałogowy statek latający, ortofotomapa, numeryczny model terenu 1. Wstęp We współczesnej terminologii pojęcie bezzałogowego statku latającego BSL (ang. UAV Unmanned Aerial Vehicle) oznacza platformę, której lot odbywa się bez obecności pilota na pokładzie, w sposób zdalnie sterowany, pół-autonomiczny lub autonomiczny po uprzednim zaplanowaniu nalotu.
Zastosowanie bezzałogowych statków latających jako platformy nośnej kamery cyfrowej umożliwia pozyskanie zobrazowań niskiego pułapu, a także danych fotogrametrycznych oraz teledetekcyjnych wybranego obszaru lub obiektów. Dane te mogą stanowić podstawę: realizacji cyfrowej aerotriangulacji, generowania NMPT/NMT, ortofotomapy cyfrowej, chmury punktów oraz modeli 3D obiektów. Wykorzystanie BSL umożliwia, w stosunkowo krótkim czasie, pozyskanie danych obrazowych niewielkich obszarów. W porównaniu do załogowych systemów latających mogą być z powodzeniem stosowane na terenach trudnodostępnych oraz w sytuacjach kryzysowych bez konieczności narażenia ludzkiego życia. Jednakże z wykorzystaniem BSL wiążą się pewne ograniczenia. Do najistotniejszych należy zaliczyć niewielki udźwig platform, który wymusza zastosowanie małych, niemetrycznych kamer cyfrowych. Wiąże się to bezpośrednio z koniecznością przeprowadzenia kalibracji kamery w celu wyznaczenia elementów orientacji wewnętrznej, a także gorszą jakością pozyskanych zdjęć w stosunku do profesjonalnych wielkoformatowych kamer. Ponadto platformy bezzałogowe charakteryzują się dużą wrażliwością na wiatr, czego konsekwencją mogą być nadmiernie nachylone i skręcone zdjęcia. 2. Obszar badań Opracowany obszar obejmuje fragment boiska sportowego oraz pas trybun widowiskowych zlokalizowanych na terenie Studium Wychowania Fizycznego Wojskowej Akademii Technicznej. W obrębie wybranego terenu znajduje się skarpa, która w zachodniej części porośnięta jest drzewami, wschodnią część stanowią trybuny oraz wiata (rys. 1). Rys. 1 Obszar opracowań
3. Pozyskanie danych 3.1 Realizacja kalibracji W przypadku wykorzystania niemetrycznych kamer do celów fotogrametrycznych niezbędne jest przeprowadzenie procesu kalibracji. Na podstawie wykonywanych zdjęć wyznaczane są parametry kalibracji, do których zalicza się: współrzędne punktu głównego zdjęcia x 0, y 0, odległość obrazową (ogniskowa) C k (f), wartości dystorsji radialnej K1, K2 oraz tangencjalnej P1, P2. W celu kalibracji aparatu SONY-NEX5 wykorzystano dwuwymiarowy arkusz kalibracyjny (rys. 2) składający się ze 145 znaków, w tym z 4 ponumerowanych znaków standardowych, które są w sposób automatyczny rozpoznawane przez oprogramowanie Topcon Image Master Calib. Jedna seria pomiarowa obejmowała wykonanie pięciu zdjęć w różnych położeniach aparatu: pozycji centralnej, prawej, lewej, górnej i dolnej. Łącznie przeprowadzono pięć serii pomiarowych, z których wyniki uśredniono (tabela 1). Rys. 2 Arkusz kalibracyjny Kryterium prawidłowo przeprowadzonej kalibracji jest spełnienie następujących warunków: uzyskanie odchyłek współrzędnych wszystkich punktów poniżej 0.25 piksela, uzyskanie odchyłek współrzędnych znaków standardowych poniżej 0.1 piksela.
Tabela 1 Uśrednione wartości parametrów kalibracji kamery Długość ogniskowej f = 29.76 [mm] Współrzędne punktu głównego x 0 = 12.00 [mm] y 0 = 7.84 [mm] Radialna dystorsja obiektywu K1 = 1.857 10-5 K2 = 3.494 10-9 Tangencjalna dystorsja obiektywu P1 = -6.252 10-6 P2 = -5.069 10-5 Rozmiar piksela x r = 4.9 [µm] y r = 4.9 [µm] Rys. 3 Szkic rozmieszczenia stanowisk i pozycji wykonywania poszczególnych zdjęć 3.2 Projekt lotu Opracowanie projektu lotu, będącego podstawą do wykonania zdjęć lotniczych, dostarcza szczegółowych informacji na temat nalotu fotogrametrycznego. Poniżej przedstawiono dane techniczne projektu lotu dla wybranego obiektu. 1. Dane podstawowe: skala zdjęć 1: 1667 ogniskowa kamery f = 30 mm format zdjęć 4912 3264 piksele rozmiar piksela x r = 4.9 µm, y r = 4.9 µm pokrycie podłużne p = 60% pokrycie poprzeczne q = 80%
2. Odstęp między osiami szeregów: B p = 10.66 m 3. Długość bazy: B q = 8.02 m 4. Liczba zdjęć w szeregu: szereg 1 12 zdjęć, szereg 2 12 zdjęć 5. Wysokość lotu nad terenem: h = 50 m 6. Powierzchnia pokrycia zdjęciami: 6920 m 2 7. Okres wykonania zdjęć: jesień 2012 r. Na podstawie powyższych danych, określając azymut osi lotu i wykorzystując metodę domiarów prostokątnych, wyznaczono terenowe współrzędne środków rzutów poszczególnych zdjęć. Dane te posłużyły do wyznaczenia toru lotu BSL oraz przybliżonych momentów ekspozycji. 3.3 Projekt i pomiar polowej osnowy fotogrametrycznej Osnowa fotogrametryczna, jako zbiór punktów o określonych współrzędnych, zidentyfikowanych zarówno w terenie, jak i na zdjęciu lotniczym, służy do orientacji zdjęć względem przyjętego układu współrzędnych. Na podstawie wykonanego projektu polowej osnowy fotogrametrycznej, uwzględniając projekt nalotu oraz wywiad terenowy, przeprowadzono polową sygnalizację fotopunktów przed zaplanowanym nalotem. Zaprojektowane punkty osnowy fotogrametrycznej zestabilizowane zostały w terenie za pomocą gwoździ do betonu z podkładką o średnicy 15 mm i zamarkowane przy użyciu żółtej farby do znakowania tak, aby znak dobrze kontrastował z tłem (rys. 4). Zabieg ten miał na celu zminimalizowanie błędu identyfikacji fotopunktów na zdjęciach. Rys. 4 Przykład stabilizacji punktu oraz jego przedstawienie na fragmencie zdjęcia pozyskanego z pokładu BSL
Wyznaczenie współrzędnych fotopunktów przeprowadzono stosując satelitarną technikę kinematyczną RTN. Pomiar wykonano przy użyciu odbiornika ruchomego TOPCON GR3. Na tej podstawie, w oparciu o systemy nawigacji satelitarnej NAVSTAR GPS i GLONASS, wyznaczono pozycję 50 punktów (rys. 5). Rys. 5 Szkic osnowy fotogrametrycznej oraz plan nalotu 3.4 Nalot fotogrametryczny Nalot fotogrametryczny, w wyniku którego pozyskano dane obrazowe, wykonany został 23 listopada 2012 roku. Nalot wykonano przy użyciu BSL należącego do Wojskowej Akademii Technicznej. Wykorzystana platforma (rys. 6) to wielowirnikowiec z ośmioma wirnikami (ang. oktocopter) umożliwiający wykonywanie pół-autonomicznego lotu dzięki systemowi GPS poprzez wskazanie wysokości lotu nad terenem oraz POI (ang. point of interest), czyli terenowych współrzędnych punktów nalotu. W skład wyposażenia platformy wchodzi kontroler lotu oraz laptop z oprogramowaniem pozwalającym na zarządzenie lotem
w czasie rzeczywistym. W wyniku nalotu pozyskano 108 zdjęć przy ręcznym wyzwalaniu migawki (za pomocą sygnału radiowego) w uprzednio zaplanowanych momentach. Rys. 6 Wykorzystana platforma BSL Rys. 7 Przykład pozyskanych zdjęć 3.5 Aerotriangulacja Elementy orientacji zewnętrznej zdjęcia lotniczego (X 0, Y 0, Z 0, ω, φ, κ) to wielkości określające położenie kamery względem fotografowanego terenu. Wyznaczone są podczas aerotriangulacji cyfrowej, która jest procesem obliczeniowym zmierzającym do precyzyjnego określenia położenia wykonanych zdjęć lotniczych w przestrzeni. Aerotriangulację metodą niezależnych wiązek przeprowadzono na wybranych 29 zdjęciach. Układ współrzędnych płaskich, w którym zorientowane zostały zdjęcia to PUWG 2000. W procesie aerotriangulacji wykorzystano 20 fotopunktów, 17 punktów kontrolnych służących do oceny dokładności oraz 152 punkty wiążące.
3.6 Generowanie NMT Do wygenerowania numerycznych modeli terenu na podstawie 25 stereopar wykorzystano procedurę autokorelacji w oprogramowaniu Erdas Imagine 2013. Wynikowy model wygenerowano w postaci siatki GRID o oczku 10 cm (rys. 8). Wygenerowany model oddaje charakter terenu opracowywanego obszaru i jest pozbawiony poważniejszych błędów. Na obszarach płaskich, takich jak fragment bieżni oraz trawnik wraz z chodnikiem, dzięki zastosowanej strategii wykorzystującej wysoki stopień filtracji nie występują błędy w postaci nagłych wypiętrzeń wysokości. Zadowalające rezultaty uzyskano również na terenie skarpy. Nieznaczne wahania wysokości oraz nieregularność modelu odnotować można jedynie w miejscach występowania zadrzewiania i zakrzewienia. Na wynikowym modelu widocznie zauważalny jest obrys wiaty, jednakże w postaci nieregularnego kształtu. Rys. 8 Wygenerowany model
3.7 Generowanie ortoobrazów Dla wszystkich ortooobrazów rozmiar piksela ustalono na poziomie 0.01 m z zastosowaniem metody interpolacji bilinearnej. Linie mozaikowania wygenerowano w sposób automatyczny, a następnie poddano ją edycji poprzez manualne wskazanie punktów jej załamania. 4. Analiza wyników Analizie dokładności podlegać powinien nie tylko produkt finalny jakim jest ortofotomapa, ale również wszystkie pośrednie etapy jej generowania. 4.1 Analiza dokładności aerotriangulacji Wartość błędu średniego po wyrównaniu σ 0 wyniosła 3.71 µm - 0.756 piksela. Różnica między maksymalną a minimalną wartością współrzędnej Z środków rzutów wynosi 3.75 m, dzięki czemu zdjęcia charakteryzują się podobną skalą. W przypadku elementów kątowych orientacji zewnętrznej największe wartości nachylenia uzyskano dla kąta ω. Wartość kąta ω zawiera się w przedziale od -1.1 do 7.1, natomiast wartość kąta φ od -1.4 do 4.1. Tabela 2 Średnie wartości odchyłek na fotopunktach i punktach kontrolnych Punkty kontrolne [m] Fotopunkty [m] rx [m] ry [m] rz [m] rx [m] ry [m] rz [m] 0.03 0.02 0.08 0.02 0.02 0.03 Tabela 3 Dokładność wyznaczonych parametrów orientacji zewnętrznej mx 0 [m] my 0 [m] mz 0 [m] mω [ ] mϕ [ ] mκ [ ] Wartość średnia 0.05 0.05 0.05 0.075 0.066 0.021 Wartość minimalna 0.04 0.04 0.05 0.057 0.061 0.018 Wartość maksymalna 0.05 0.07 0.05 0.100 0.072 0.025 Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że dokładność wyznaczonych elementów liniowych dla wszystkich zdjęć jest bardzo zbliżona i kształtuje się na poziomie 0.05 m. W przypadku elementów kątowych najwyższą dokładność wyznaczonych parametrów otrzymano dla kąta κ maksymalny błąd mκ = 1.5', natomiast najniższą dla kąta
Wartość odchyłki [m] ω maksymalny błąd mω = 6'. Otrzymane wyniki są zadowalające biorąc pod uwagę jakość pozyskanych zdjęć oraz brak możliwości rejestracji elementów orientacji zewnętrznej zdjęć. Z analizy wyników zamieszczonych w tabeli 2 wynika, że średnia odchyłka na fotopunktach wynosi: rx = 0.02 m, ry = 0.02 m, rz = 0.03 m. Średnie wartości odchyłek na punktach kontrolnych dla składowych poziomych są zbliżone do odchyłek otrzymanych dla fotopunktów. W przypadku składowej Z odchyłki na punktach kontrolnych są kilkakrotnie większe niż na fotopunktach. 4.2 Analiza dokładności NMT Analizę dokładnościową wygenerowanego modelu przeprowadzono w oparciu o pomierzone w terenie punkty kontrolne oraz profile. Charakterystykę dokładnościową przeprowadzono w oparciu o wyniki otrzymanych wartości odchyłek dla punktów referencyjnych (o znanych współrzędnych terenowych na podstawie pomiarów satelitarnych GPS). Tabela 4 Dokładność modelu wyznaczona na podstawie zbioru punktów kontrolnych Minimalna wartość odchyłki [m] -0.16 Maksymalna wartość odchyłki [m] 0.12 Bezwzględna wartość średniej odchyłek [m] 0.06 Średni błąd kwadratowy RMSE [m] 0.07 Dla analizowanego modelu średnia wartość odchyłek nie przekroczyła 0.06 m, a średni błąd kwadratowy wyniósł 0.07 m. Wartości wszystkich odchyłek mieszczą się w przedziale -0.16 0.12 m. 0,20 Odchyłki na punktach kontrolnych 0,15 0,10 0,05 Wariant 1, NMT o oczku 10 cm 0,00 2 4 5 8 11 15 19 20 26 33 38 41 45 Numer punktu kontrolnego Wykres 1 Odchyłki na punktach kontrolnych
Na podstawie wyników zestawionych w powyższej tabeli można stwierdzić, że wartości odchyłek dla punktów kontrolnych nie przekraczają ±0.16 m, a średni błąd kwadratowy wynosi 0.08 m. Największą wartość różnicy wysokości otrzymano dla punktu nr 11, który na zdjęciach znajduje się w bezpośrednim otoczeniu drzew, co mogło mieć wpływ na większą w stosunku do innych punktów wartość odchyłki. Ostatni etap analizy dokładności modelu obejmował pomiar przekroju pionowego profil 1 biegnący wzdłuż chodnika znajdującego się po zachodniej stronie skarpy punkty mierzone co 2 m (wykres 2). Wykres 2 Profil terenu W przypadku profilu nr 1 średnia różnic wysokości otrzymanych z bezpośredniego pomiaru w terenie oraz pomierzonych na modelu wynosi 0.08 m, a maksymalna różnica wysokości wynosi 0.16 m. 4.3 Analiza dokładności ortofotomapy Kontrola dokładności ortofotomapy oparta została na sprawdzeniu dokładności bezwzględnej wyrażonej przez błąd średni m orto. W tym celu wykorzystano zbiór 11 punktów kontrolnych o znanych współrzędnych terenowych, dobrze identyfikowalnych na zdjęciach. W tabeli 5 zamieszczono odległości pomiędzy punktami nie biorącymi udziału w procesie orientacji zdjęć, pomierzone na ortofotomapie oraz odpowiadające im odległości obliczone ze współrzędnych z pomiaru GPS. Odcinki te zostały dobrane w taki sposób, aby rozłożone były na całym bloku oraz charakteryzowały się jak największą długością.
Tabela 5 Porównanie odległości pomierzonych na ortofotomapie z odległościami teoretycznymi Lp. Odcinek Odległość obliczona na Odległość zmierzona na podstawie współrzędnych [m] ortofotomapie [m] Różnica [m] 1 2-45 15.44 15.45-0.01 2 4-41 19.01 19.02-0.01 3 8-38 15.64 15.62 0.02 4 15-33 15.55 15.51 0.04 5 19-26 22.41 22.37 0.04 6 2-20 101.68 101.67 0.01 7 45-26 99.67 99.67 0.00 Na podstawie siedmiu pomierzonych odcinków wyliczano wartości średnie różnic pomiędzy wartością obliczoną a pomierzoną. Średni błąd kwadratowy wygenerowanej ortofotomapy wyniósł 0.03 m, a produkt finalny charakteryzuje się dobrą jakością radiometryczną oraz geometryczną. Rys. 9 Rozmieszczenie na ortofotomapie odcinków wybranych do oceny dokładności
5. Podsumowanie W niniejszym artykule przedstawiono proces technologiczny generowania ortofotomapy na podstawie zdjęć pozyskanych z pokładu bezzałogowej platformy. Przeprowadzone analizy poszczególnych etapów pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: Zastosowanie BSL umożliwia, w stosunkowo krótkim czasie pozyskanie danych obrazowych niewielkich obszarów. Dane obrazowe pozyskane z niskiego pułapu charakteryzują się wysoką rozdzielczością terenową. Zastosowanie sygnalizowanej osnowy pozwala na zminimalizowanie błędu identyfikacji fotopunktów na zdjęciach oraz w terenie. Niska stabilność trajektorii lotu bezzałogowego statku latającego ma wpływ na stosunkowo duże wartości kątów nachylenia pozyskanych zdjęć (ω < 7, ϕ < 4 ). Dokładność wyznaczonych w procesie aerotriangulacji elementów orientacji zewnętrznej wyniosła: mx 0 =0.05 m, my 0 =0.05 m, mz 0 =0.05 m, mω=4.5, mϕ= 4', mκ=1.5'. Wygenerowany NMT jest poprawny, na jego obszarze nie występują błędy w postaci tzw. pików. Dokładność wygenerowanego NMT kształtuje się na poziomie 0.08 m. Wpływ na nieznaczne wahania wysokości oraz miejscową nieregularność modelu miało występowanie pasa zadrzewienia zlokalizowanego wzdłuż analizowanego terenu. Wynikowa ortofotomapa charakteryzuje się dobrą jakością radiometryczną oraz geometryczną, a wartość średniego błędu kwadratowego wyniosła 0.03 m. LITERATURA [1] Blyenburgh, P., UAVs: and Overview, In: Air & Space Europe, I, 5/6, 1999. [2] Eisenbeiss H., UAV Photogrammetry, Dis. ETH No. 18515 ETH Zurich, 2009. [3] Haala N., Cramer M., Weimer F., Trittler M., Performance test on UAV-based photogrammetric data collection. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXVIII-1/C22, 2011.
[4] Nonami K., Prospect and Recent Research & Development for Civil Use autonomous Unmanned Aircraft as UAV and MAV, In: Journal of System Design and Dynamics, Vol. 1, No. 2, 2007. [5] Sawicki P., Bezzałogowe aparaty latające UAV w fotogrametrii i teledetekcji stan obecny i kierunki rozwoju, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 23, 2012. [6] Szczechowski B., Technologia pomiarów fotogrametrycznych wykorzystująca niemetryczne zdjęcia cyfrowe wykonywane z bezzałogowych, zdalnie sterowanych aparatów latających, Wyd. Polskiego Internetowego Informatora Geodezyjnego, Olsztyn, 2009.