Co pomierzy dron? cz. 2

Geobiz | 29 czerwca 2016 | Porady eksperta

cd.

Metodyka pracy – opracowanie fotogrametryczne danych

Koncepcja fotogrametrycznego opracowania zdjęć pozyskanych przez BSL w niczym nie różni się od tej, którą znamy i wykorzystujemy w tradycyjnej cyfrowej fotogrametrii lotniczej [Preuss, 2014]. W obu przypadkach wykonywana jest aerotriangulacja bloku zdjęć z wykorzystaniem fotopunktów i punktów wiążących. Na podstawie zorientowanych zdjęć tworzone są następnie modele terenu (NMPT i/lub NMT) oraz przeprowadzana jest ortorektyfikacja w celu uzyskania ostatecznego produktu – ortomozaiki. Podobne są również inne rozwiązania algorytmiczne, np. samokalibracja kamery, która w pewnym zakresie eliminuje konieczność kalibracji laboratoryjnej.

W niniejszej pracy do opracowania fotogrametrycznego zdecydowano się wykorzystać program Agisoft PhotoScan, który powszechnie jest stosowany dla zobrazowań BSL [Gini i in., 2013] ze względu na wydajne algorytmy, wysoką automatyzację opracowania i prostotę obsługi. Wiele programów przeznaczonych do opracowań danych BSL wykorzystuje najnowsze rozwiązania algorytmiczne cyfrowego przetwarzania obrazu z zakresu maszynowego widzenia (computer vision). Przykładowo są to algorytmy matchingu obrazów oparte na deskryptorach punktów, np. Scale Invariant Feature Transform, SIFT [Lowe, 2004], wykorzystywane do automatycznego pozyskiwania punktów wiążących oraz algorytmy gęstego matchingu, np. Semiglobal Matching, SGM [Hirschmüller, 2008], stosowane zwykle dla większej liczby zdjęć niż 2 (tzw. Multi-View Stereo). Dzięki gęstemu matchingowi możliwe jest generowanie chmur punktów o większej gęstości niż w przypadku zastosowania lotniczego skaningu laserowego. W konsekwencji powoduje to podniesienie szczegółowości modeli terenu i jakości ortomozaiki. Pisząc o ortofotomapie, należy zaznaczyć, że w wielu przypadkach (również w tym opracowaniu) produkt tego typu (uzyskany z danych BSL) jest tzw. prawdziwą ortofotomapą, gdyż ortorektyfikacja przeprowadzana jest z wykorzystaniem NMPT, a nie NMT.

Metodyka pracy – testy statystyczne i dobór grup punktów do porównań

W wyniku porównania współrzędnych punktów odczytanych z NMPT i ortomozaiki oraz pozyskanych metodą tachimetryczną obliczono różnice współrzędnych (odchyłki), na podstawie których można empirycznie określić dokładność opracowań fotogrametrycznych. W celu przedstawienia jakości wynikowego opracowania zaplanowano przeprowadzenie analiz statystycznych polegających na znalezieniu w badanej
próbie maksymalnych odchyłek oraz obliczenia wartości średniej i błędu średniego RMSE (Root Mean Square Error). Analiza jakości danych została zaplanowana z podziałem na wydzielone kategorie mierzonych szczegółów, m.in.: budynki, naziemne elementy uzbrojenia terenu, skarpy, jezdnia i krawężniki. Ocena jakości dotyczy wymaganej dokładności wyznaczenia współrzędnych według 3 grup dokładnościowych [Rozp. MSWiA, 2011b], co pozwoli sprawdzić przydatność otrzymanego produktu, jeśli chodzi o usługi geodezyjne.

Kampania pomiarowa – osnowa i pomiary referencyjne

Pomiar osnowy (rys. 1) przeprowadzono z wykorzystaniem technik klasycznych (tachimetria i niwelacja geometryczna) oraz techniki satelitarnej
(metoda statyczna). Państwowy system odniesień przestrzennych przeniesiono na obszar opracowania [Rozp. RM, 2012], stosując pomiary GNSS z trzech stacji systemu ASG-EUPOS oraz pomiary niwelacyjne, odniesione do dwóch punktów państwowej szczegółowej osnowy wysokościowej.

Wyrównanie osnowy pomiarowej wykonano poprzez integrację pomiarów klasycznych z pomiarami GNSS. Obserwacje satelitarne zostały opracowane w oprogramowaniu Leica Geo Office. W pierwszej kolejności obliczono wektory pomiędzy punktami osnowy w układzie odniesienia PL-ETRF2000 oraz zestawiono je w sieć. Następnie wykonano wyrównanie ścisłe jednego punktu sieci lokalnej (P11) w nawiązaniu do stacji referencyjnych: KROT, LEGN oraz WROC. W kolejnym kroku, wykorzystując metodę najmniejszych kwadratów z minimalną liczbą warunków, przeprowadzono wyrównanie pseudoswobodne, zakładając stałość punktu P11 osnowy pomiarowej. W wyniku wyrównania stwierdzono, że najgorzej wyznaczonym wektorem jest P9-P11 o błędzie RMSE równym 0,0053 m.

Obliczone wektory zostały wyeksportowane do programu C-Geo oraz wyrównane wspólnie z obserwacjami klasycznymi (odległości, kierunki, przewyższenia) jako sieć przestrzenna. W ten sposób wyznaczono współrzędne punktów osnowy pomiarowej. Średniokwadratowy błąd położenia punktu w płaszczyźnie poziomej wyniósł ±0,0044 m, a wysokości ±0,0003 m; błąd typowego spostrzeżenia wyniósł 1,0477. Najgorzej sytuacyjnie jest wyznaczony punkt P13 (±0,0074 m). Pod względem wysokościowym największy błąd średni ma punkt P6 (±0,0004 m). Dalsze analizy prowadzono w układzie współrzędnych płaskich PL-2000 oraz w układzie wysokościowym PL-KRON86-NH.

W wyniku pomiaru tachimetrycznego, w którym wykorzystano założoną osnowę sytuacyjno-wysokościową, wyznaczono współrzędne przestrzenne 436 punktów. Każdy szczegół został pomierzony trzykrotnie przez 3 zespoły pomiarowe, a wyniki uśredniono. Rozkład pomierzonych punktów z podziałem według wydzielonych kategorii szczegółów terenowych został przedstawiony na rysunku 2.

W trakcie pomiaru tachimetrycznego zanotowano pewne uwagi istotne z punktu widzenia interpretacji wyników opracowań fotogrametrycznych:
– narożniki budynków zostały pomierzone bezlustrowo, jednak często nie pokrywały się z rzutem dachu, który wystawał poza kontur budynku; – skarpy były porośnięte trawą o wysokości około 3 cm; – słupy oraz maszty zostały pomierzone ekscentrycznie; lniektóre punkty wskazujące granice chodnika przy Ośrodku Sportu i Rekreacji (rys. 2, północna część zobrazowania) zlokalizowane były bezpośrednio przy rosnącym obok zakrzewieniu.

Kampania pomiarowa – nalot fotogrametryczny

Do wykonania opracowania wybrano bezzałogową platformę Trimble UX5 – stałopłat typu skrzydło o masie startowej 2,5 kg, która pozwala na lot do 50 minut. Użyty do przeprowadzenia nalotu statek wyposażony został w aparat cyfrowy Sony NEX-5T (16,1 Mpx) z obiektywem szerokokątnym o stałej ogniskowej (f = 15 mm). Taki zestaw zapewnia według producenta osiągnięcie maksymalnej rozdzielczości piksela terenowego o wymiarze 2,4 cm dla wysokości lotu równej 75 m.

Przed przystąpieniem do nalotów, zgodnie z obowiązującymi przepisami ruchu lotniczego w Polsce, uzyskano pozwolenie służby kontroli lotniska
Aeroklubu Wrocławskiego na przeprowadzenie planowanych prac w rejonie strefy ruchu lotniskowego Szymanów. Jako miejsce startu i lądowania wybrano tereny rolne położone kilka kilometrów na południe od miejsca opracowania, co spowodowało konieczność umiejscowienia dodatkowego obserwatora na ul. Ofiar Katynia, pozostającego w ciągłej łączności z operatorem samolotu bezzałogowego.

W dniu, w którym wykonano nalot fotogrametryczny BSL, warunki atmosferyczne były sprzyjające – słoneczna pogoda, umiarkowany wiatr. Zdjęcia zostały dobrze doświetlone, ale pewnym zauważalnym mankamentem było to, że przy wysokich obiektach powstały liczne cienie.

Lot zaplanowano ze średnią wysokością fotografowania równą 85 m oraz z zadeklarowanym pokryciem podłużnym Px = 80% i poprzecznym P y = 80%. Łącznie pozyskano 404 zdjęcia, rejestrując każdorazowo pozycję wyzwolenia migawki z dokładnością rozwiązania nawigacyjnego GNSS oraz kąty orientacji kamery. Na rysunku 3 przedstawiono 19 projektowanych osi lotu oraz rzeczywiste położenie 404 środków rzutów kamery, położenie 15 fotopunktów wykorzystanych do wyrównania bloku zdjęć, a także obszar podlegający analizie.

Dodatkowo w celu zbadania jakości wynikowych produktów z grupy zdjęć wyodrębniono kolejne bloki fotografii w taki sposób, aby uzyskać teoretyczną mniejszą wartość pokrycia wzajemnego obrazów: pokrycie 80% na 60% (powstało wskutek wyboru co drugiego szeregu zdjęć), pokrycie 60% na 80% (wydzielenie z całości co drugiego zdjęcia) oraz pokrycie 60% na 60% (co drugie zdjęcie z co drugiego szeregu). Prowadząc analizy na tym samym zbiorze obrazów w opracowaniu uwzględniane są te same indywidualne cechy nalotu, do których należą: jednakowe warunki atmosferyczne fotografowania, te same kąty obrotu kamery, wysokość nalotu oraz trajektoria lotu statku.

Opracowanie fotogrametryczne danych BSL

Pierwszy etap opracowania danych został przeprowadzony w programie Agisoft PhotoScan, gdzie wyrównano bloki zdjęć (przyjęto błąd a priori położenia fotopunktów 3D na poziomie 5 mm). Wyniki wyrównania bloków zdjęć zamieszczone zostały w tabeli 1.

Wartości błędu średniego RMSE obliczone na podstawie odchyłek wpasowania na fotopunktach maleją wraz ze zmniejszaniem wartości pokrycia zdjęć, ponieważ blok zbudowany z mniejszej liczby zdjęć łatwiej wpasować w sieć fotopunktów. Natomiast właściwą ocenę wyrównania bloku (aerotriangulacji) otrzymujemy z odchyłek na punktach kontrolnych (równomiernie rozmieszczonych na obszarze opracowania). Z tego wynika prawidłowość, że zmniejszenie pokrycia wzajemnego zdjęć wpływa na stopniowe zmniejszenie dokładności wyrównania bloku zdjęć. Bardzo podobne wyniki zaobserwowano dla wariantów pokrycia 80% na 60% i 60% na 80%.

W wyniku procesu obliczeniowego wygenerowano numeryczne modele pokrycia terenu (NMPT) o boku siatki około 5 cm oraz ortomozaiki z rozdzielczością zbliżoną do wielkości piksela terenowego (w nadirze) dla wykonanych zdjęć, tj. około 2,5 cm.

W kolejnym etapie z uzyskanych produktów fotogrametrycznych (ortomozaiki i NMPT) odczytano odpowiednio współrzędne płaskie oraz wysokości szczegółów terenowych. W tym celu wykorzystano program Trimble Business Center. Pomiarowi podlegały szczegóły terenowe pomierzone bezpośrednio w terenie (rys. 2). Należy podkreślić, że pomiar na ortomozaice i NMPT nie jest w pełni obiektywny, gdyż identyfikacja szczegółów może nieznacznie różnić się w zależności od interpretacji operatora i osoby wykonującej pomiar terenowy. Jednakże wspomniane wcześniej znaki sygnalizacyjne służące do markowania szczegółów w terenie były widoczne również na ortomozaice, dzięki czemu błędy interpretacyjne i identyfikacyjne zostały w znaczny sposób zminimalizowane. Uzyskane w ten sposób współrzędne posłużyły do analizy jakościowej opracowań fotogrametrycznych.

Błędy w opracowaniu ortomozaik i NMPT

Po opracowaniu bloków zdjęć o mniejszych pokryciach zauważono błędy w ortomozaice oraz NMPT. Wynikają one ze specyfiki rozwiązań algorytmicznych zastosowanych w wykorzystanym oprogramowaniu. Przykładowo, z powodu mniejszego pokrycia dany obszar terenu zobrazowany jest na mniejszej liczbie zdjęć. W konsekwencji powoduje to trudności w gęstym matchingu, a nawet brak punktów dla takich obszarów. To z kolei skutkuje niepożądanymi i często błędnymi interpolacjami modeli terenu i następnie niepoprawnie wykonaną ortorektyfikacją. Dla pewnych fragmentów wystąpić mogą nawet przerwy fotograficzne w ortomozaice (rys. 4, czarny obszar), wynikające z braku pokrycia zdjęciami lub błędnie wygenerowanego modelu terenu.

Inne błędy ortomozaiki, jakie możemy otrzymać z powodu niewystarczającego wzajemnego pokrycia zdjęć, zilustrowane zostały po prawej stronie rysunku 5. W przypadku opracowania zdjęć z wzajemnym pokryciem 80% na 80% (lewa strona rysunku 5), obiekty na ortomozaice zachowały prawidłową geometrię: dachy mają proste krawędzie, obrazy dachów, kominów i drzew są zrzutowane ortogonalnie, dachy pokrywają przyziemie budynków oraz brak jest rozmazań jednolitych powierzchni. W przypadku najmniejszego pokrycia (60% na 60%) widać znaczne pogorszenie geometrii obiektów. Krawędzie i kalenice dachów zostały mocno zdeformowane, odsłaniając tym samym fragmenty ścian. Pokrycie dachu zostało rozmazane, korony drzew zniekształcone – na tych obrazach ortorektyfikacja została przeprowadzona niepoprawnie.

Innym przykładem pojawiających się błędów na ortomozaikach powstałych z bloków zdjęć o mniejszym pokryciu są pewnego rodzaju „uskoki” (rys. 4). Błędy te są skutkiem zastosowania automatycznego mozaikowania, gdzie ustalone przez algorytm szwy rozdzielające poszczególne zdjęcia użyte do stworzenia mozaiki przebiegają w poprzek obiektów (np. dachów budynków). Wspomniane wyżej problemy mogą być zminimalizowane poprzez manualny pomiar punktów terenu oraz manualną edycję modelu i ustalenie szwów przed mozaikowaniem zdjęć. Niestety, użyte oprogramowanie nie daje takich możliwości, dlatego do analiz wykorzystano tylko produkty uzyskane ze zdjęć o największym pokryciu, gdzie podczas wizualnej analizy nie stwierdzono wad ortomozaiki i NMPT.

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