využití bezpilotních prost ředk ů ve...
TRANSCRIPT
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
Fakulta stavební
Katedra mapování a kartografie
Využití bezpilotních prostředků ve fotogrammetrii
UAV photogrammetry
Diplomová práce
Bc. Martin Řehák
Studijní obor: Geoinformatika
Vedoucí práce:
Prof. Dr. Ing. Karel Pavelka
Praha 2012
Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl
veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování
etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací.
Ve Zlosyni dne
………………….. ………………………….
Martin Řehák
PODĚKOVÁNÍ
Rád bych poděkoval Prof. Dr. Ing. Karlu Pavelkovi za odborné rady a pomoc při
pořizování bezpilotního prostředku, bez kterého by tato práce nemohla vzniknout. Mé
poděkování patří také poskytovatelům programového vybavení, které bylo při zpracování
této práce použito.
ABSTRAKT
Diplomová práce se zabývá využitím bezpilotních prostředků pro
fotogrammetrické účely. Představena je historie, rozdělení bezpilotních systémů a jejich
nasazení při sběru dat. Úvodní část je věnována problematice legislativy a začlenění těchto
strojů do běžného leteckého provozu. V práci je popsán systém Mikrokopter, který byl
použit pro konkrétní aplikaci. Na příkladu tvorby ortofoto snímku je ukázána problematika
plánování a sběru dat pomocí bezpilotního vrtulníku. Teoretická příprava pro sběr dat se
zabývá plánováním a provedením letové mise. Pozornost je také zaměřena na nastavení
fotoaparátu a volbu snímkovacích metod.
Provedena je kalibrace fotoaparátu pomocí rovinného pole a polní kalibrace
nalétnutím leteckého bodového pole. Výstupy jsou porovnány a použity při dalším
zpracování. Ve vlastním programu vytvořeném v prostředí MATLAB jsou pro vybrané
území stanoveny parametry fotogrammetrické mise. Pořízená data jsou zpracována
v několika programech speciálně určených pro práci s daty z blízké letecké
fotogrammetrie. Výstupem jsou ortofoto snímky a digitální výškové modely území.
V prostředí geoinformačních systémů jsou tyto výstupy porovnány podle přesnosti
a obrazové kvality.
Klí čová slova: fotogrammetrie, bezpilotní prostředek, autopilot, ortofoto, digitální model
ABSTRACT
The diploma thesis deals with the application of unmanned aerial vehicles in
photogrammetry tasks. The history of unmanned aerial systems, their classification and
usage during data acquisition are presented. The first part of this thesis focuses on the
issues of law and integration of these systems into usual flight traffic. The Mikrokopter
system is introduced in this thesis and is used for a specific task. Through orthophoto
making, the problematics of planning and data obtaining are exemplified. The theoretical
preparation of the data acquisition deals with mission planning and operation. The thesis is
also focused on camera setting and the evaluation of sensing methods.
Two methods of calibration are presented: the laboratory and the field calibration.
The outputs are compared and used in further processing. The own scripts written in
Matlab are created for the photogrammetry mission planning. Obtained data are processed
in several softwares, which are particularly developed for the close range aerial
photogrammetry. The outputs are orthophoto images and digital elevation models.
The precision and image quality of the results are compared between each other in
the geographics information systems.
Key words: photogrammetry, unmanned aerial vehicle, autopilot, orthophoto, digital
model
SEZNAM ZKRATEK:
UAV - Unmanned Aerial Vehicle
UAS - Unmanned Aerial System
DEM - Digital Elevation Model
CZEPOS - Česká síť permanentních stanic
GCP - Ground Control Point
AAT - Automatic Aerial Triangulation
GIS - Geografický Informační Systém
KML - Keyhole Markup Language
KMZ - Keyhole Markup Language Zipped
RAW - obrazový formát
RC - Remote Control
GUI - Graphical User Interface
LiPol - Lithium polymer
GPS - Global Positioning System
OBSAHABSTRAKT...........................................................................................................................5 I. ÚVOD................................................................................................................................9
1. Úvod.............................................................................................................................9 2. Cíle práce......................................................................................................................9
II. BEZPILOTNÍ PROSTŘEDKY......................................................................................10 1. Definice bezpilotního prostředku...............................................................................10 2. Historie bezpilotních prostředků.................................................................................11
2.1 Aplikace bezpilotních prostředků........................................................................12 3. Historie využití bezpilotních prostředků ve fotogrammetrii......................................13 4. Literární rešerše .........................................................................................................16 5. Způsoby využití bezpilotních prostředků ve fotogrammetrii.....................................18 6. Výhody a nevýhody bezpilotních prostředků oproti konvenčním leteckým nosičům.........................................................................................................................................20 7. Technická a legislativní omezení bezpilotních prostředků.........................................20
7.1 Technická omezení...............................................................................................20 7.2 Legislativní omezení v ČR...................................................................................21
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROSTŘEDKŮ................................................25 1. Typy bezpilotních prostředků.....................................................................................26
1.1 Letadla..................................................................................................................26 1.2 Balóny a vzducholodě..........................................................................................28 1.3 Drak......................................................................................................................29 1.4 Paraglide .............................................................................................................30 1.5 Vrtulníky..............................................................................................................31 1.6 Mutikoptéry..........................................................................................................32
2. Mikrokopter................................................................................................................34 2.1 Součásti mikrokopteru.........................................................................................34 2.2 Funkcionality mikrokopteru.................................................................................36 2.3 Popis Mikrokopteru použitém pro tuto práci.......................................................36
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚVOD................40 1. Stanovení požadovaného rozlišení snímků.................................................................40 2. Manuální versus autonomní let ..................................................................................42 3. Rozmístění a geodetické zaměření vlícovacích a kontrolních bodů...........................42 4. Předletové nastavení fotoaparátu................................................................................43
4.1 Typ snímkování...................................................................................................44 5. Určení prvků vnitřní orientace....................................................................................47 6. Prvky vnější orientace................................................................................................47 7. Požadované výstupy a programové vybavení ............................................................48
7.1 Pix4D...................................................................................................................49 7.2 Aerogis.................................................................................................................49 7.3 Icaros....................................................................................................................50 7.4 Dronemapper........................................................................................................50
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ.........................................................52 1. Kalibrace fotoaparátu.................................................................................................52
1.1 Kalibrace pomocí testovacího pole......................................................................52 1.2 Letecká kalibrace ................................................................................................54 1.3 Porovnání výsledků kalibrací...............................................................................57
2. Nalezení vhodné lokality a stanovení letových parametrů.........................................58 3. Trajektorie snímkového letu.......................................................................................59 4. Zaměření vlícovacích a kontrolních bodů..................................................................61 5. Kalibrace modelu, předletová kontrola parametrů a fotoaparátu...............................61
6. Let - sběr dat...............................................................................................................62 7. Výběr snímků a jejich úprava.....................................................................................63
7.1 Připojení prvků vnější orientace ke snímkům......................................................63 VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE .....................................................65
1. Vyhodnocení průběhu letové mise..............................................................................65 2. Zpracování snímků a vyhodnocení přesnosti.............................................................66
2.1 Pix4D...................................................................................................................66 2.2 Aerogis.................................................................................................................68 2.3 Icaros....................................................................................................................68 2.4 Dronemapper........................................................................................................69
3. Výsledky kalibrací......................................................................................................69 4. Vyhodnocení v geografických informačních systémech............................................70
4.1 Ortofoto snímek...................................................................................................70 4.2 Výškový model....................................................................................................75 4.3 3D model..............................................................................................................80
5. Zhodnocení výsledků..................................................................................................81 VII. ZÁV ĚR........................................................................................................................83 VIII. SEZNAMY.................................................................................................................85
1. Použitá literatura a prameny.......................................................................................85 2. Obrázky......................................................................................................................89 3. Tabulky.......................................................................................................................90 4. Přílohy........................................................................................................................91
I. ÚVOD_________________________________________________________________________
I. ÚVOD
1. Úvod
Z historického hlediska bylo letecké a družicové snímkování doménou státních
orgánů, především vojenských. Dostupnost kvalitních leteckých snímků byla v dřívější
době nulová, snímky podléhaly přísnému vojenskému utajení a jejich získání nebylo
možné. Během posledních dvaceti let jsou tato data dostupná veřejnosti prostřednictvím
archivů či on-line mapových serverů, jakými jsou např. google maps či mapy.cz. Mapy
jsou pravidelně aktualizovány, určité družicové snímky je možné získat dokonce zdarma -
družice Landsat, nebo si objednat vysoce kvalitní snímkování z komerčních družic přímo
pro požadované zájmové území. Pokud však potřebujeme tato data rychle a levně, není
mnoho způsobů, jak je získat. Přestože stále roste nabídka firem, které se zabývají
leteckým snímkováním, jsou pro menší projekty a výzkumné práce největší překážkou
potřebné finance a aktuálnost dat.
Vhodným prostředkem pro mapování menších oblastí z malých výšek se stávají
bezpilotní prostředky, které jsou díky pokroku na poli elektroniky a řídících systémů
dostupné široké veřejnosti. Své uplatnění tak nacházejí i mimo válečné nasazení.
2. Cíle práce
Tato práce má za cíl představit reálné aplikace bezpilotních prostředků a jejich
potenciál ve fotogrammetrii. Bezpilotní nosiče budou klasifikovány podle známých
a zaběhlých atributů. Část práce bude věnována legislativní problematice bezpilotních
prostředků. Praktická ukázka využití bude provedena se systémem Mikrokopter. Práce si
také klade za cíl ukázat možnosti využití levných kompaktních fotoaparátů při podrobném
a přesném mapování. V práci budou představeny dvě metody kalibrace fotoaparátu, jejíž
výstupy byly pro zpracování použity. Na příkladu tvorby ortofoto snímku bude přiblížena
problematika snímkování a plánování mise. Prezentovány budou přední zpracovatelské
programy pro tvorbu ortofoto snímků a digitálních modelů. Závěr práce bude věnován
prezentaci výsledků v geografických informačních systémech, ve kterých budou také
provedeny analýzy pro určení přesnosti zpracování.
- 9 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY
1. Definice bezpilotního prostředku
Bezpilotní létající prostředek UAV je zkratkou anglického Unmanned Aerial
Vehicle. Již z názvu je zřejmý hlavní rozdíl od klasických létajících strojů s lidskou
posádkou a to ten, že pilot není fyzicky na palubě stroje. Slovem bezpilotní je zde myšlena
situace, kdy pilot není přímo na palubě stroje, ale na vzdáleném stanovišti či je stroj řízen
částečně nebo plně automatizovaně podle předem definované mise nebo pomocí
složitějších dynamických autonomních systémů. [1]
Není tedy bezpodmínečně nutné, aby se letoun řídil sám. V mnoha případech je za
trajektorii letu zodpovědný pilot a posádka, která však není fyzicky na palubě (Everaerts,
2008) [2]
Podle úřadu pro civilní letectví (ÚCL) je bezpilotní letadlo definováno jako
„Letadlo určené pro provoz bez pilota na palubě“. Bezpilotní systém je definován jako
„Systém skládající se z bezpilotního letadla, řídící stanice a jakéhokoliv dalšího prvku
nezbytného k umožnění letu, jako například datového spoje pro řízení a kontrolu a prvku
pro vypuštění a návrat.“
Pojem UAV se vyskytuje ve více vědních oborech. Jsou jimi např. umělá
inteligence, vojenské a počítačové systémy, dálkový průzkum Země, fotogrammetrie.
První užití pojmu UAV se datuje do let 1970 a 1980, kdy bylo použito v souvislosti
s vývojem bezpilotních bojových letounů ministerstvem obrany Spojených států
amerických.
Bezpilotní prostředky v sobě zahrnují mnoho typů létajících strojů. Kromě
klasických letadel a vrtulníků zde budou také představeny balóny, vzduchodě, drak či
v poslední době velice rozšířené vícemotorové vrtulníky, tzv. multikoptéry. Podle ÚCL je
za bezpilotní letadlo považován jakýkoliv typ létajícího prostředku (balón, vrtulník atd.),
který přesáhne hmotnost 20 kg nebo pokud je i při hmotnosti nižší než 20 kg využíván
k jiným než rekreačním a sportovním účelům, tzn. např. k experimentálním
a komerčním. Bližšímu seznámení se s problematikou legislativního omezení je věnována
část II.7.
- 10 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
V současné době počet oficiálních bezpilotních systémů překročil hranici 800 typů,
počet výrobců 312 a počet zemí vyrábějících UAV 48. U moderních UAV se nejedná pouze
o samotný létající prostředek, ale také nezbytný software, bez kterého by řada strojů vůbec
nevzlétla nebo ani nevěděla kam letět a jak se v určitých situacích chovat. Jedná se o řídící
software, který je součástí jednotky na palubě stroje a v pozemních řídících centrech. Práce
s bezpilotním prostředkem v sobě zahrnuje kromě vlastního letu i předletovou přípravu
a plánování mise, ale také získávání dat. Poslední fází použití je vyhodnocení získaných
údajů. Součástí jsou tedy jak práce v terénu, tak i postprocessing v kanceláři.
2. Historie bezpilotních prostředků
Samotná historie UAV sahá do druhé poloviny 19. století, ještě do doby před
prvním pilotovaným letem bratří Wrightů. Za první bezpilotní prostředek je považován
horkovzdušný balón, který byl označován jako unmanned aerial bomber. Ten byl vybaven
závěsným košem s výbušninou a časovým mechanismem pro spoušť. Balón byl poté
vypouštěn nad území nepřítele a zde působil škody. Souběžně s rozvojem balónů, draků
a raket byly mimo jiné i pokusy s holuby, kteří na svém těle měli připevněn fotoaparát.
Nasazení draků a balónů ke špionážním účelům, především ke sledování postupu
nepřátelských vojsk, má své počátky v době první světové války.
V průběhu 30. let a celé 2. světové války se objevují i první rádiem řízená letadla,
která byla schopna opakovaného použití. Za UAV lze považovat také nacistické střely V-1.
Po skončení 2. sv. v. dochází k zakládání specializovaných pracovišť pro vývoj
bezpilotních vojenských prostředků. V 60. letech, v průběhu války ve Vietnamu, jsou již
naplno využívány americkou armádou. Jedná se např. o letoun D-21, či velice úspěšný
letoun Firebee, který byl i v následujícím desetiletí několikrát upravován. Kromě USA se
vývojem nejintenzivněji zabýval Izrael. V 80. letech je nejpoužívanějším spojeneckým
UAV Izraelem vyvinutý Pioneer a Scout, vybavený pokročilými sledovacími funkcemi,
radary a on-line přenosem videa.
Do této doby byly bezpilotní letouny využívány především pro špionážní,
pozorovací a plánovací mise. Až do současné doby dochází k jejich stále většímu
vyzbrojování. Letouny Reaper nebo Predator však prokázaly schopnost ničit taktické cíle.
Svými funkcemi a manévrovatelností si tak nezadají se skutečnými bitevníky. Ovládány
- 11 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
z letadlových lodí, či základny v USA, jsou schopné zaútočit na druhé straně planety.
Jak je z výše uvedené historie patrné, hybatelem pokroku byla vojenská síla.
Potřeba neustále zdokonalovat zbraňové systémy a minimalizovat počty obětí znamenaly
pro toto technické odvětví značný pokrok ve vývoji. Část těchto sofistikovaných
technologií je pak v různých úpravách dostupná i pro civilní využití. Vývoj se proto
soustřeďuje nejen na konstrukci a hnací jednotku, ale samozřejmě také na jeho systém
řízení a dálkového ovládání, zpracování (digitalizace obrazů, kompresi dat) a přenos
informací.
[3][36]
2.1 Aplikace bezpilotních prostředků
1. vojenské aplikace - sledování objektů, zneškodňování statických a pohyblivých cílů
2. obrazová dokumentace - mapování, sledování potrubí, elektrického vedení,
liniových staveb, dokumentace památek, hledání archeologických nalezišť
3. sběr dat pokročilými senzory - meteorologie, geologie, zemědělství
4. monitorování katastrof - snímání chemického složení, sběr informací z dat
v oblastech zamořených radioaktivitou, sledování záplav, lesních požárů
5. on-line dozor, vymáhání práva - monitorování dopravy, demonstrací a shromáždění,
pobřežní, námořní či hraniční hlídky, dozor na stadionech
6. pátrání a záchrana v nebezpečných oblastech, v nebezpečných podmínkách, během
a po živelných katastrofách
7. shazování a přeprava nákladu, doručování zásob
8. hašení požárů, hnojení polí, humanitární zásilky
9. přesné zemědělství
UAV není pouze samotný létající model. Pod tímto pojmem jsou zahrnuty následující
komponenty:
• model letadla, vrtulníku
• kontrolní stanice s pilotem
• software
• komunikační přenosová soustava
- 12 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
• nesené vybavení
• potřebné vybavení pro obsluhu a údržbu
3. Historie využití bezpilotních prostředků ve fotogrammetrii
V této kapitole bude prezentována historie využití bezpilotních prostředků pro
fotogrammetrické účely. Pojem UAV fotogrammetrie je zaveden až v roce 2008.
(Eisenbeiss, ETH Zurich). Historie využití je však mnohem delší. První letecká fotografie
byla pořízena z uvázaného horkovzdušného balónu v roce 1858 G. P. Tourchanem v Paříži.
Tímto byla odstartována éra dálkového průzkumu Země z létajících prostředků, které
neměly pilota na palubě (Newhall, 1982). V roce 1882 se kromě balónu začínají využívat
i draci. Anglický meteorolog E. D. Archibald, který draka používal jako nosič fotoaparátu,
tím položil základy tzv. KAP metodě (Kite Aerial Photography), která se s oblibou používá
dodnes.
Obr.č. 1 : Drak použitý E. D. Archibaldem.
Nové metody fotografování Země z výšky byly zavedeny na přelomu 19. a 20.
století souběžně s rozvojem letectví daném prvním pilotovaným letem bratří Wrightů.
Němec Alfred Maul představil raketu, která po vystřelení fotografovala Zem. Po několika
pokusech však bylo od tohoto nespolehlivého nosiče fotoaparátů upuštěno. Mezi další
- 13 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
netradiční způsoby jak pořizovat letecké snímky patří pokus německé inženýra Julia
Neubronnera, který v roce 1903 provedl pokus s fotoaparátem zavěšeným na hrudi holuba.
Fotoaparát byl vybaven funkcí pro kontinuální snímkování po celou dobu letu.
Obr.č. 2 : Raketa A. Maula [A. Maul, 1904].
Obr.č. 3 : Holub s fotoaparátem [Neubronner, 1903].
- 14 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
První fotografie z letadla byla pořízena v roce 1906 L. P. Bonvillianem, který byl
pasažérem v letadle W. Wrighta, když létali blízko francouzského Le Mans. V následujícím
období první a druhé světové války došlo k mohutnému rozvoji i mimo vojenskou oblast.
Využití pilotovaných letadel pro dálkový průzkum Země se stalo běžnou činností.
První cílené využítí UAV pro mapování a archeologickou dokumentaci uskutečnil
v roce 1967 Whittlesley. Jako nosič zvolil uvázaný balón, který na speciálně zhotoveném
závěsu nosil tehdejší fotogrammetrickou kameru Hasseblad El 500.
Obr.č. 4 : Uvázaný balón s kamerovým závěsem [Whittlesley, 1967].
První využití UAV s pevným a rotujícím křídlem se datuje do 80. let 20. století.
Civilní využití pro mapování provedli Przybilla a Wester-Ebbinghaus v roce 1979 se svým
modelem letadla, obrázek č. 5. Pro archeologickou dokumentaci sestrojili model dlouhý
3 m o rozpětí 2.6 m. Maximální užitná nosnost byla 3 kg. V kombinaci s klasickými
pozemními fotografiemi byly takto pořízené letecké snímky užitečným doplněním údajů
pro celkovou dokumentaci archeologického naleziště.
V roce 1980 Wester-Ebbinghaus použil jako první model vrtulníku (Verhoeven
2009). Základem byl běžně dostupný modelářský vrtulník, který byl doplněn o speciální
závěs kamery eliminující vibrace od rotoru a motoru, viz.obrázek č. 6.
- 15 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
Obr.č. 5 : Snímkovací model letadla [Przybilla, 1979].
Obr.č. 6 : Model vrtulníku [Westr-Ebbinghaus, 1980].
Přestože se neustále zdokonaluje letecká a vrtulníková technika, je využítí balónů
a draků stále populární. Svoje uplatnění mají především díky jednoduché konstrukci
a cenové dostupnosti. Nedávná historie a současný stav bude přiblížen v následující
literární rešerši a v kapitole zabývající se klasifikací UAV.
[4][5]
4. Literární rešerše
Krátká rešerše se zaměřuje na vybrané práce s tématikou využití bezpilotních
prostředků ve fotogrammetrii. Představené práce byly prezentovány zahraničními
odborníky v oboru a vysokými školami na konferenci UAVg v Curychu nebo již dříve
prostřednictvím jiných konferencí a formou závěrečných prací. Přestože je historie využití
bezpilotních prostředků pro fotogrammetrické účely dlouhá, nejvýznamnější rozvoj je
datován až od roku 2000. Vyjmenovávat všechny práce a poznatky z této vědecké
disciplíny je nad rámec této práce, proto jsou následující odkazy pouze reprezentativní
a mají za cíl ukázat směr vývoje v oblasti UAV fotogrammetrie v ČR a především ve světě,
kde je toto téma mnohem diskutovanější.
- 16 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
[ Henri Eisenbeiss, ETH Curych, Švýcarsko 2009 ] ve své disertační práci nazvané UAV
Photogrammetry prezentuje historii využití UAV ve fotogrammetrii a svůj dlouholetý
výzkum v této oblasti. Na několika příkladech představuje různé letecké nosiče a metody
zpracování. Jedná se o nejkomplexnější práci daného tématu.
[ Francisco Agüera et al., University of Almería, Španělsko 2011 ] ve své práci prezentuje
výsledky z porovnání měření dusíku obsaženém v zemědělských plodinách klasickými
pozemními metodami a metodou dálkového průzkumu z bezpilotního čtyřrotorového
vrtulníku a kamery Tetracam. V závěru práce hodnotí metodu pro rozpoznání stavu
vegetace jako úspěšnou, ale jako velice limitující co se do rozlohy zkoumané plochy týče.
[ Guido Heinz et al., FH Mainz, 2010 ] představuje kompilaci studentských projektů,
bakalářské a magisterské práce věnované tématu využití UAV při archeologickém
mapování. Pořízené snímky zpracovává do 3D modelu v různých open-source programech
a porovnává jejich výstupy podle kvality a výpočetní náročnosti.
[ M. Manyoky et al., ETH Curich, 2011 ] ve své práci poukazuje na možnost využití UAV
pro katastrální učely. V práci porovnává klasické geodetické metody s novými postupy
s využitím bezpilotního vrtulníku. V závěru hodnotí metodu jako velice vhodnou, která
svojí přesností splňuje kritéria pro využití dat v katastru.
[ Jakub Miřijovský, Univerzita Palackého v Olomouci, 2011] ve své disertační práci
shrnuje poznatky o využití bezpilotních zařízení při sběru geodat. S využitím motorového
padákového kluzáku představuje několik případových studií.
[Przybilla, Bochum university, 2011] ve své studii zkoumá přesnost GPS navigace
a barometrického senzoru v jednotce Mikrokopter. Pomocí automatického tachymetru
Trible a hranolu připevněného na osmirotorovém vrtulníku zjišťuje přesnost v držení
pozice výšky. V závěru prezentuje dosažené výsledky.
- 17 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
[F. Remondino, 3DOM research unit, 2011], přední odborník na dokumentaci památek
a využití UAV ve fotogrammerii, prezentuje své výsledky v několika studiích. Představuje
výsledky svých projektů zabývajících se dokumentací archeologických nalezišť. Kromě
praktických výsledků pojednává také o využití levných IMU v UAV systémech při
určování prvků vnitřní a vnější orientace a následném zpracování.
[Jan Wendel et al., Universität Karlsruhe, 2006] prezentuje studii o využití GPS/MEMS
navigačních systémů pro autonomní vrtulník. Zabývá se zpracováním dat ze senzorů
a jejich filtrací pomocí Kalmanova filtru a následnou integrací do automatického řízení.
[Masahiko Nagai, The University of Tokyo, 2008] zmiňuje ve své práci zkušenosti se
souběžným využitím několika snímačů na bezpilotním vrtulníku. Pro snímání velkého
území a dosažení potřebného překrytu umístil na letecký nosič dva digitální fotoaparáty
a dva speciální IR snímače. Díky vlastní IMU dokázal určovat velice přesně prvky vnější
orientace již během pořizování dat. Výsledky práce hodnotí jako velmi kvalitní a snadno
dosažitelné v porovnání s družicovými a leteckými daty. Bezpilotní prostředek je velice
vhodným nosičem i pro větší počet senzorů nesených zároveň.
[Daisuke Hongoh et al., Chiba University, 2001] prezentuje ve své práci zkušenosti
s využitím dálkově řízeného vrtulníku Rmax Yamaha pro mapování stavu lesního porostu.
Zkoumá změny stavu vegetace zjišťováním spektrálních charakteristik plochy listů pomocí
spektrometru a digitálních kamer.
5. Způsoby využití bezpilotních prostředků ve fotogrammetrii
Bezpilotní prostředek slouží jako nosič nejrůznějších snímacích zařízení, která se
ve fotogrammetrii a dálkovém průzkumu Země používají. Každý z typů UAV má své
určité výhody a nevýhody, vždy především záleží na konkrétní aplikaci, na zadaném úkolu,
pro který má být použit. Stroje jsou nejčastěji vybaveny fotoaparáty, v dnešní době
především digitálními kompakty a zrcadlovkami, videokamerami, termálními či infra
kamerami nebo složitějšími systémy, jako např. snímačem LIDAR.
- 18 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
Využití UAV ve fotogrammetrií pro tvorbu:
• fotomozaik a ortofoto snímků
• 3D modelů a určování kubatur
• šikmých snímků
• fotoplánů
Využití UAV ve fotogrammetrii může být chápano jako další nástroj, který otevírá
nové možnosti pořizování dat pro řadu oblastí výzkumu. Kombinace letecké a blízké
fotogrammetrie přináší zcela nové aplikace. Současné bezpilotní prostředky mohou být
využívány pro velká i malá území. Cena jednotlivých systémů se odvíjí především od
funkcionality, kterou nabízejí. S cenami od 10 000 do několika miliónů korun mohou být
srovnány s cenou klasického letadla.
[5]
Tabulka č. 1 : Porovnání letecké, blízké a UAV fotogrammetrie [6].
Parametr Letecká Blízká UAV
Plánování Polo automatické Ruční Automatické, ruční
Získávání dat Asistované, manuální Autonomní, asistované,ruční
Autonomní, asistované,ruční
Velikost snímané oblasti km² cm² - m² m² - km²
Obrazové rozlišení cm - m mm - dm mm - m
Vzdálenost od objektu 100 m - 10 km cm -~ 300m m - km
Přesnost cm - dm mm - m cm - 10m
Velikost bloku, počet snímků 10 - 1000 1 - 500 1 - 1000
Využití Mapování velkýchoblastí (úroveň města až
státu), 3D modelyúzemí
Malé oblasti a objekty(archeologickáa památková
dokumentace, tvorba3D modelů objektů)
Malé a velké oblasti(archeologickádokumentace,monitorovánía snímkování
rozsáhlejších oblastí,tvorba 3D modelůobjektů a území)
- 19 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
6. Výhody a nevýhody bezpilotních prostředků oproti konvenčním
leteckým nosičům
Jak již bylo v úvodu práce zmíněno, hlavní výhodou bezpilotních prostředků je
bezpečnost při práci v prostředí pro lidskou posádku nebezpečném či nepřístupném, jako
jsou např. území zasažená živelnou pohromou, horské či vulkanické oblasti, území
zamořená radioaktivitou nebo území, kde není možné létat z bezpečnostních důvodů-
rafinerie atd. Je možné snímat v místech, kde by let se skutečným letadlem nebyl možný
např. kvůli překážkám, povolení, dostupnosti, počasí, neboť UAV mohou létat
i velice nízko, pod mraky, tedy tam, kde skutečná letadla z bezpečnostních důvodů létat
nemohou. Výhodou nízké výšky je velký detail snímaného území. Pokud je potřeba
nasnímat jen malé archeologické naleziště, je mnohonásobně levnější využít UAV než
speciální letadlo, či vrtulník. Ve specifických případech mohou být snímaná data okamžitě
přenášena na pozemní stanoviště a zpracovávána. Otevírá se tak prostor pro nejrůznější
využití v mnoha oblastech lidské činnosti, např. při záchranářských či vojenských akcích,
ale také při fotogrammetrických aplikacích.
Mezi přednosti patří také menší náklady na pořízení a provoz stroje, ovšem to
neplatí pro všechny UAV, kde některé svojí cenou převyšují klasická letadla využívaná pro
snímkování. Pokud je potřeba snímkovat malé území, pro které by se nevyplatilo využít
klasických metod, je bezpilotní prostředek ideální volbou. Mnoho systémů je možno
používat i za nepříznivého počasí, kdy by bylo pro posádku příliš riskantní létat. Využití
UAV s tzv. rotujícím křídlem (vrtulníky, multikoptéry) přináší další výhodu a tou je kolmý
start a přistání. Zde je velký potenciál ve využití v silně urbanizovaných územích, kde není
dostatečně velká plocha pro bezpečný start a přistání.
7. Technická a legislativní omezení bezpilotních prostředků
7.1 Technická omezení
UAV, a především ty levné, jsou velice omezeny hmotností, kterou jsou schopné
uvézt. Jejich vybavením se tak nejčastěji stávají obyčejné kompaktní kamery, u těch
dražších pak profesionální zrcadlovky. Díky své velikosti a malému výkonu nejsou ovšem
konvenční UAV schopné nahradit klasická letadla. To samozřejmě neplatí o vojenských
- 20 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
bojových speciálech využívaných ve válečných konfliktech na Blízkém východě, kde jsou
tyto bezpilotní stroje plnohodnotnými bitevníky.
I přes rychlý vývoj elektronických senzorů a programového vybavení umožňující
automaticky vyhodnocovat krizové situace, nedokáží počítačové systémy zcela nahradit
lidské rozhodování. Bezpilotní prostředky se neobejdou bez lidské obsluhy, ať již během
předletového nastavení letového úkolu nebo on-line řízením během letu. Stejně jako
skutečná letadla a vrtulníky i bezpilotní prostředky podléhají přísným regulím. Bezpilotní
prostředky nejsou zatím akceptovány v běžném leteckém prostoru, především kvůli
absenci bezpečnostních systémů proti vzniku kolizí. Kromě vojenských misí je lety možné
provádět pouze v „odděleném vzdušném prostoru“ nebo se zvláštním povolením.
Odděleným prostorem se myslí prostor, který není v přímé blízkosti letišť a je omezen
maximální letovou výškou.
7.2 Legislativní omezení v ČR
S ohledem na rozvoj letectví v oblasti bezpilotních systémů a leteckého modelářství
a z důvodu potřeby dalšího posilování úrovně bezpečnosti letového provozu, osob
a majetku na zemi byla ve spolupráci Ministerstva dopravy, Úřadu pro civilní letectví
a dalších subjektů státní správy, zástupců leteckého průmyslu a letecké veřejnosti,
vypracována koncepce regulace bezpilotních systémů. Ta vychází z platné legislativy
a mezinárodních standardů a doporučení a je zaváděna v několika krocích. Základní
pravidla vychází z předpisu L2 - Pravidla létání, který definuje mezinárodní standardy
o létání. Zde jsou však definována pouze obecná pravidla létání, bez hlubšího zaměření na
problematiku UAV. V roce 2005 byl vydán Řízením letového provozu ČR oběžník
s označením AIC C 13/08. Ten byl reakcí na připravované doplnění předpisu L2, tzv.
doplňku X, který nabyl platnosti 1.3.2012 a kterým se do předpisu L2 zapracovávají
zásady pro létání s bezpilotními prostředky.
Podle oběžníku AIC se za bezpilotní prostředek považuje letadlo, které je
konstruováno pro provoz bez pilota - člověka na palubě. Nesmí však dojít k omylu, že
bezpilotní prostředek nemá pilota. Pilot je ten, kdo je za bezpilotní prostředek odpovědný
a nepohybuje se vůči zemi, tzn. že není na palubě jiného létajícího objektu, ze kterého
bezpilotní prostředek řídí.
- 21 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
Za bezpilotní systém se považuje systém skládající se z bezpilotního prostředku,
řídicí stanice a jakéhokoliv dalšího prvku nezbytného k umožnění letu, jako například
komunikačního spojení nebo prvku pro vypuštění a návrat. Bezpilotních prostředků,
řídících stanic nebo prvků pro vypuštění a návrat může být v rámci bezpilotního systému
více.
Podle ustanovení doplňku předpisu L2, Pravidla létání, který právě prochází
veřejným připomínkovým řízením, je za bezpilotní systém považován i model letadla,
včetně vybavení nezbytného pro jeho provoz. Tato specifikace byla zavedena na základě
nutnosti zabezpečit jednotnost regulace všech UAV, ať jsou používány pro profesionální
(komerční) účely a nebo rekreační a sportovní účely a rovněž bere v úvahu mezinárodní
vývoj regulačních požadavků. Vzhledem k nutnosti zajistit bezpečnost civilního letectví,
osob a majetku na zemi jako celku byla přijata forma regulace všech bezpilotních
prostředků bez ohledu na jejich hmotnost a využití. Doplněk X je strukturován podle
obrázku č. 7.
Obr.č. 7 : Struktura Doplňku X [20].
- 22 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
Z výše uvedené struktury je patrné základní a podrobné členění doplňku. Dělení
podle hmotnosti je už pouze jakýmsi rozšířením základních pravidel platných pro všechny.
S různou hmotností UAV jsou rozdílné požadavky, jako např. nutnost provozovat model
pod dohledem, s vykonanými zkouškami ÚCL, pojištěním atd. Tabulka omezení
a povinností pilota je uvedena v příloze této práce.
Současně s přijetím platnosti tohoto dokumentu - doplňku X vyšly také postupy pro
vydávání povolení k létání letadla bez pilota. Kromě seznamu nutných technických
a teoretických znalostí pro udělení oprávnění pro pilota a stroj jsou zde uvedena i kritéria,
kdy je oprávnění nutné:
• pokud má model letovou hmotnost pod 20 kg a je využíván ke sportovním
a rekreačním účelům, není oprávění nutné,
• pokud má model letovou hmotnost nad 20 kg, je nutné oprávnění pro jakýkoliv
způsob použití,
• model jakékoliv hmotnosti, který je využíván k vědeckým a komerčním účelům,
podléhá registraci a nutnosti získat oprávnění.
V následujícím odstavci jsou uvedena základní pravidla pro provoz UAV na území ČR:
• let bezpilotního letadla smí být prováděn jen takovým způsobem, aby nedošlo
k ohrožení bezpečnosti létání ve vzdušném prostoru, osob a majetku na zemi
a životního prostředí,
• s výjimkou provozu bezpilotního prostředku mimo dohled pilota musí pilot trvale
udržovat vizuální kontakt s bezpilotním prostředkem, přičemž prostředek musí
zůstat pro pilota viditelný i bez vizuálních pomůcek ve všech fázích letu.
Za vizuální pomůcky se nepovažují brýle a kontaktní čočky na lékařský předpis,
• provoz bezpilotního prostředku mimo dohled pilota je možný pouze
v rezervovaných nebo vyhrazených vzdušných prostorech. Žadatel o využití
takového vzdušného prostoru postupuje v souladu s postupy uvedenými v Letecké
informační příručce ČR, části ENR 1.1.9,
- 23 -
II. BEZPILOTNÍ PROST ŘEDKY_________________________________________________________________________
• bezpilotní prostředek se nesmí použít k přepravě nebezpečných látek nebo zařízení,
které by mohly způsobit obecné ohrožení,
• bezpilotní prostředek se nesmí použít ke shazování předmětů za letu,
• lety bezpilotních prostředků se nesmí provádět v noci,
• s výjimkou provozu bezpilotního prostředku mimo dohled pilota se nesmí lety
bezpilotních prostředků provádět ve výšce větší než 100 m nad zemí,
• s výjimkou, kdy tak povolí Úřad na základě předchozího souhlasu příslušného
správního orgánu či oprávněné osoby, se lety bezpilotního prostředku nesmí
provádět v ochranných pásmech, zejména pak v ochranných pásmech:
◦ podél nadzemních dopravních staveb
◦ podél tras nadzemních inženýrských sítí
◦ podél tras nadzemních telekomunikačních sítí
◦ v okolí vodních zdrojů
◦ podél hranic zvláště chráněných území
◦ v okolí nemovitých kulturních památek, památkových rezervací, památkových
zón
◦ v blízkosti přírodních léčivých zdrojů a zdrojů nerostného bohatství.
[7][8][19][20]
- 24 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH
PROSTŘEDKŮ
UAV je možné dělit do několika kategorií. Nejčastěji se dělí na stroje lehčí a těžší
než vzduch nebo pak dále na stroje s rotačním, pevným či stavitelným křídlem, s pohonem
nebo bez pohonu, a samozřejmě také dle velikosti. V následující tabulce je shrnuto
základní rozdělení UAV.
Tabulka č. 2 : Rozdělení UAV [21].
Lehčí než vzduch Těžší než vduch
Stavitelnékřídlo
Pevné křídlo Rotační křídlo
Bez pohonu Balón Rogalo Větroň
Paraglide
Drak
S pohonem Vzducholoď Paraglide smot.
Letadlo Vrtulník
Coaxiální vrt.
Multikoptéry
Tabulka č. 3 : Třídení UAV podle velikosti a dalších letových parametr ů [22].
Označení Kategorie Dolet[km]
Výška [m]
Letová doba[hod]
Hmotnost[kg]
µ Mikro <10 250 1 <5
Mini Mini <10 350 <2 <30
CR Close Range 10-30 3000 2-4 25-150
SR Short Range 30-70 3000 3-6 50-250
MR Medium Range 70-200 3-5000 6-10 150-500
MRE MR Endurance >500 8000 10-18 500-1500
LADP Low Alt. Deep Penetration >250 50-9000 0.5-1 250-2500
LALE Low Alt. Long Penetration >500 3000 >24 15-25
MALE Medium Alt. LongPenetration
500-750 5000-8000
24-48 1500
HALE High Alt. Long Penetration >250 20 000 24-48 2500-5000
UCAV Unm. Combat AerialVehicle
400 <20 000 2 10 000
- 25 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
Další možné rozdělení je podle způsobu využití:
• vojenské využití, označení UCAV
◦ opakovaně využitelné
◦ jednorázové nebo sebevražedné (suicidal UCAV)
• terčové letouny pro nácvik střelby a návnady pro zmatení nepřátel (target drones
a decoy drones )
• bezpilotní stroje pro elektronický boj
• stroje určené pro logistické účely
• výzkumné a univerzitní systémy-UAV fotogrammetrie, nosiče senzorů, testování
UI
• civilní UAV, pro policejní a záchranné složky
[9][10]
1. Typy bezpilotních prostředků
V následující části práce budou brány v úvahu pouze civilně dostupné stroje,
vojenské a experimentální nebudou do přehledů a porovnání zařazeny. Také budou
zmíněny pouze stroje, které byly v minulosti někdy použity pro dálkový průzkum Země či
fotogrammetrii nebo jako nosiče jiných snímacích zařízení, a jejich využití je tak
podloženo dosaženými výsledky.
1.1 Letadla
Letadla jsou nejčastěji využívanými bezpilotními prostředky. Jsou často používaná
především díky svému dlouhému doletu a výdrži. V malých měřítkách má letecký nosič
výhodu v bezpečnosti. Pokud dojde k poruše motoru, je letadlo schopné doletět do určité
vzdálenosti. Také průběh letu je stabilnější a hladší než např. u vrtulníků. Letadla mohou
být nejrůznějších konstrukcí, od těch klasických po dvouplošníky či delta-křídla, někdy
také označována jako samokřídla. Každá z konstrukcí má své výhody a nevýhody.
- 26 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
V dnešní době, kdy je cena modelářského vybavení na historickém minimu, a je tak
dostupná široké veřejnosti, může využít model letadla jako nosič fotoaparátu téměř
kdokoliv. Pokud model nebude řízen pouze manuálně, ale také pomocí autopilota, je
možné vybírat z široké škály různých automatických systémů.
Vyjmenovávat všechna pro a proti jednotlivých typů je nad rámec této práce. Přesto
je vhodné představit několik zástupců speciálně vyvinutých fotogrammetrických systémů.
Příkladem bezpilotních letadel jsou modely Pteryx UAV, Mavinci nebo samokřídlo
Swinglet CAM od firmy SenseFly.
Obr.č. 8 : Pteryx UAV [11]. Obr.č. 9 : Swinglet CAM [23].
Všichni tito zástupci patří do kategorie profesionálních výrobků. Kromě samotného
letadla a autopilota jsou jejich součástí i vyspělé pozemní řídící systémy umožňující
plánování, sledování modelu a korekci parametrů letové mise.
[11][23]
- 27 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
1.2 Balóny a vzducholodě
Vzducholoď je letadlo lehčí než vzduch naplněné plynem lehčím než vzduch, dnes
především heliem. Vzducholodě a balóny mají velkou výhodu v možnosti déle setrvat ve
vzduchu než jiné nosiče. Díky svému pomalému pohybu jsou velice vhodné pro
snímkování a on-line přenosy videa. Největší limitací těchto strojů je jejich špatná
manévrovatelnost za nepříznivého počasí. Z bezpečnostních důvodů jsou v současné době
vzducholodě plněny heliem. Tento inertní plyn je v porovnání s vodíkem, který byl pro
plnění vzducholodí používán v minulém století, velice drahý. Na obrázku je vzducholoď
firmy Skive, která ji využívá pro živé televizní přenosy.
Obr.č. 10 : Zpravodajská vzducholoď Skive [vlastní foto].
Obr.č. 11 : Detail gondoly s kamerou [vlastní foto].
- 28 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
Balóny jsou pro pořizování dat využívány především meteorology. Snímkovat
a měřit je pak možné z výšek několika desítek kilometrů. Mezi zajímavé projekty,
zabývajícími se fotografováním z malých výšek, patří projekt americké MIT univerzity,
tzv. “Grassroots Mapping”. Přestože koncept využití balónu pro fotografování není nový,
je tento unikátní svojí jednoduchostí a dostupností. Principem metody je zavěšení
obyčejného digitálního fotoaparátu s kontinuálním snímkováním na heliem plněný balón.
Díky této metodě je možné získávat letecké snímky za cenu do dvou tisíc korun. Na jejich
webových stránkách je možné získat bezplatně spoustu návodů a videí na sestrojení
vlastního balónu či draka. Pokud je člověk méně zručný, je možné zakoupit kit, který
obsahuje vše potřebné. Pro spojení snímků v celistvou mozaiku je pak určen jednoduchý
bezplatný software MapKnitter. Je založen na principu ruční transformace snímků na
podkladě ortofoto snímku, např. z google maps. Není tak vhodný pro zpracování velkých
oblastí a pro přesné mapování. Nejsou zde také uvažovány parametry zkreslení
fotoaparátu, ale pro vytvoření fotomozaiky aktuálního stavu zcela dostačují. [12]
1.3 Drak
Mezi nepsané pravidlo patří: vítr do 4,5 m/s je vhodný pro balón, vítr nad 4,5 m/s je
lepší pro kite/draka. Fotoaparát je stejně jako u balónu zavěšen pod drakem. Fotografování
probíhá nejčastěji pomocí funkce kontinuálního snímkování, u draků s větší nosností může
být soustava vybavena ještě soupravou pro bezdrátový přenos obrazu na zem a radiovou
spouští. Na následujících obrázcích je typický drak využívaný jako nosič fotoaparátu
a prstenec, na kterém je nesen fotoaparát. Drak je jako nosič používán např. americkými
archeology.
- 29 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
Obr.č. 12 : Drak využitý pro fot. Dokumentaci. Obr.č. 13 : Detail stabilizovaného závěsu.
[37]
1.4 Paraglide
Paraglide je velmi vhodným bezpilotním nosičem. Základem je paraglidingové
křídlo a gondola obsahující motor, ovládací jednotku a snímkovací zařízení. Výhodou je
stabilní a klidný let, který nevyžaduje složité elektronické systémy na řízení a stabilizaci.
Díky své velikosti a úspornému letu je model schopný operovat ve vzduchu několik hodin.
Velkou výhodou oproti jiným UAV systémům je bezpečenost - nízká rychlost, při vysazení
motoru stále letí a je možné ho řídit. Nevýhodou je nutnost kvalitní a dlouhé startovací
dráhy, hlučnost spalovacího motoru a horší manévrovatelnost.
Příkladem využití toho typu stroje je model Susi, vyvinutý technickou univerzitou
v Bonnu. Model je řízen manuálně nebo automatizovaně pomocí autopilota. Záběr kamery,
údaje o poloze a letových parametrech jsou on-line přenášeny operátorovi na zem.
Ovládání senzorů je manuální nebo automatické, ke každému snímku jsou přiřazeny GPS
souřadnice. Je vybaven dvoutaktním motorem se startérem a celková hmotnost stroje
je 8 - 12 kg. Užitná nosnost tak činí až 5 kg. Letový čas je až 3 hodiny. Maximální letová
- 30 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
výška je 4500 m a vzdálenost od operátora kolem 6 km. Model byl nasazen v mnoha
misích a má nelétáno v několika modifikacích tisíce letových hodin. Za zmínku stojí
především snímkování v Africe s využitím fotoaparátu Hasselblad. [25]
Obr.č. 14 : Paraglide Susi [vlastní foto]. Obr.č. 15 : Susi: gondola s kamerou [vlastní foto].
1.5 Vrtulníky
Vrtulník nebo též helikoptéra je letadlo těžší než vzduch s poháněnými horizontálně
rotujícími nosnými plochami [13]. Díky své schopnosti kolmého startu a přistání jsou
vrtulníky velice často používanými bezpilotními prostředky. Nutnost pouze malého
prostoru pro operování je vhodná pro práce menšího rozsahu s velkými terénními
složitostmi. Svoje uplatnění tak nacházejí v zastavěných či horských oblastech. Bezpilotní
vrtulník byl pro fotogrammetrické účely použit např. na univerzitě ETH v Curychu, kde
sloužil jako nosič laserového skeneru Riegl. Vrtulník s označením Copter 1B je výrobkem
francouzské firmy Survey Copter [33]. Svou velikostí a nosností 5 kg je tak ideálním
leteckým nosičem pro fotogrammetrickou dokumentaci.
- 31 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
Obr.č. 16 : Survey Copter [33].
1.6 Mutikoptéry
Pojmem multikopter je označen vícerotorový vrtulník, který má více než dva nosné
rotory. Nejčastěji je jejich počet 4, 6 a 8. Hlavním rozdílem oproti klasickým vrtulníkům je
samotná podstata řízení. Let vrtulníku je řízen změnou úhlu natočení listů, jak u hlavního,
tak i vyrovnávacího rotoru. U multikopterů, jak jsou někdy vícerotorové vrtulníky
označovány, se tak děje změnou otáček jednotlivých motorů a s tím souvisejícím vztlakem,
který vrtule vytvoří. Vrtule jsou většinou pevné, s předem definovaným stoupáním. Tato
odlišnost je výhodou tohoto typu konstrukce, neboť ve srovnaní s klasickym vrtulníkem je
kromě samotné konstrukce také jednodušší výroba a údržba mechaniky stroje. Reakční
moment nosného rotoru, který je u vrtulníku kompenzován ocasní vrtulí, je u multikoptérů
vyrovnáván automaticky, použitím levo i pravotočivých vrtulí. Reakční momenty od
jednotlivých rotorů se tak vzájemně vyruší a model při stejné rychlosti všech rotorů
zůstává v klidovém stavu. Na následujících obrázcích jsou nejčastěji používané letové
konfigurace.
- 32 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
Obr.č. 17 : Quadro kopter [24]. Obr.č. 18 : Hexa kopter [24].
Nespornou výhodou oproti klasickým vrtulníkům je jejich mechanická
jednoduchost. Stroj není vybaven žádným složitým mechanismem na změnu náběhu listů
ani vyrovnávacím rotorem. Vrtule je umístěna přímo na hřídeli motoru, bez použití
převodovky. U vícerotorových strojů hraje z bezpečnostního hlediska velkou roli
redundance. Pokud dojde k selhání motoru, zlomení vrtule, či z jiných důvodů přestane
fungovat motor, je model díky elektronice schopen bezpečně přistát, protože potřebný
výkon pro let je přebrán ostatními motory. Pokud však dojde k výpadku všech motorů, ať
již z důvodů vybití baterií nebo poruše, stává se model neovladatelný. To je nevýhoda
oproti vrtulníku, který je i po výpadku motoru schopen přistát pomocí autorotace.
Multikoptéry byly použity pro fotogrammetrické účely např. Technickou
univerzitou v Almerii (Španělsko, F. Agüera, M. Pérez). Nasazen byl model Microdrone
MD4-200. Jako snímací zařízení byla použita kamera pro snímání v blízkém
infračerveném spektru pro zjišťování stavu zemědělských plodin.
Aplikací UAV pro katastrální účely a tvorbou 3D modelů se zabývá univerzita ETH
v Curychu. Používají model osmirotorového multikopteru AscTec Falcon 8. Výstupy jejich
tvorby dokázaly splnit požadavky na přesnost pro katastrální aplikace.
- 33 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
Obr.č. 19 : Microdrone MD4-200 [14]. Obr.č. 20 : AscTec Falcon 8 [vlastní foto].
2. Mikrokopter
Mikrokopter je německý projekt vícerotorového vrtulníku. Byl vynalezen dvěma
elektrotechnickými inženýry v Německu roku 2006. Původně byl projekt vyvíjen jako
open-source, později byl však kvůli bezpečnostním hlediskům a patentové problematice
změněn na uzavřený. Základní zdrojový kód je přístupný k nahlédnutí, avšak pokročilé
řídící funkce pro autonomní let jsou skryty, jako např. navigační funkce. V cenové relaci
od 1000 do 4000 euro je možné získat stroj, který je svými parametry a funkcionalitou
předurčen právě pro využití fotografy, filmaři a výzkumníky. Mikrokopter je modulární
systém, kde je možné doplňovat základní řídící jednotku o další funkcionality. Je také
možné model dovybavit dalšími motory a zvýšit tak jeho letovou nosnost. Nejčastěji je pro
účely fotografování v konfiguraci šesti a osmirotorový. Elektronika stroje se skládá
z několika základních částí.
2.1 Součásti mikrokopteru
Flight-Ctrl
Hlavní řídící deska, která zajišťuje základní řízení a stabilizaci modelu.
V současné době je nejnovější verze 2.1, která je vybavena gyroskopy, akcelerometry
a barometrickým čidlem. Díky použití kvalitních analogových gyroskopů typu MEMS je
- 34 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
model velice stabilní i za nepříznivých povětrnostních podmínek a odolný nedokonalým
konstrukcím nosiče a tím způsobeným vibracím.
Navi-Ctrl
Nadstavbový modul, který rozšiřuje funkcionalitu hlavní desky. Je vybaven
pokročilým 32 bitovým procesorem ARM9 a tříosým magnetometrem pro určování
směrového vektoru pro stanovení absolutní polohy vůči světovým stranám. Ten je nutné
znát pro přesné stanovení polohy modelu, pokud je v klidu a není možné určit z letu
směrový vektor z dat GPS.
MK-GPS
Deska obsahující GPS přijímač. Rozšiřuje Navi-Ctrl modul. Po osazení se stává
model plně autonomní. Modul zpracovává GPS signál přijatý externí anténou.
Mikrokopter je vybaven GPS přijímačem u-block LE-6S GPS. Jedná se o 50ti kanálový
přijímač schopný přijímat signál z družic GPS, Glonass a SBAS (satellite based
augmentation system), tedy WAAS, EGNOS a MSAS zajišťující ionosférické korekce. Pro
Evropu se jedná o družice AOR-E a IOR-W. Podle servisního protokolu je i hardwarově
připravena na systém Galileo.
BL-Ctrl
Je řídící jednotka, která obstarává chod motorů. Protože je model vybaven
speciálními střídavými motory, je nutná pro převod stejnosměrného proudu na střídavý
a regulaci otáček. Každý motor má tuto svoji jednotku. Zabudované senzory měří
proudové charakteristiky a teplotu a jsou on-line zpracovávány hlavní řídící jednotkou
a odesílány pomocí telemetrického modulu na zem.
[24]
- 35 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
Obr.č. 21 : Elektronika Mikrokopter, Flight Ctrl, Navi C trl, MK-GPS [24].
2.2 Funkcionality mikrokopteru
Mikrokopter je díky pokročilé řídící jednotce vybavené high-end senzory
schopný mnoha pokročilých funkcí. Vlastní elektronika obsahuje integrované senzory
a měřené veličiny jsou on-line přenášeny na zem do vysílače vybaveném externím
displayem. Mezi tyto údaje patří: absolutní a relativní poloha, výška, rychlost, napětí
a spotřebovaná kapacita baterie, výkon motorů, teplota elektroniky, údaje
z GPS-počet satelitů, síla signálu, poloha, poloha modelu vůči světovým stranám, údaje
o magnetickém poli Země - inklinaci a deklinaci. Protože vývoj na funkcionalitách
neustále pokračuje, vztahuje se tento popis k verzi 0.86, vydané v září 2011.
Model je vybaven barometrickým čidlem, které doplňuje navigační jednotku. Díky
němu je model schopný udržet danou výšku v rozmezí jednoho metru. V místě startu dojde
k nastavení nulové výškové hodnoty. Problém nastává s určením relativní výšky vůči zemi.
V průběhu letu se může vlivem teplot nastavit posun a hodnoty zobrazené telemetrickým
modelem mohou být posunuté o určitou hodnotu.
2.3 Popis Mikrokopteru použitém pro tuto práci
Pro účely této práce byl zakoupen profesionální model šestirotorového vrtulníku
obr. č. 22. Základem je německá elektronika Mikrokopter, již detailně popsaná výše, a rám
z hliníku a sklolaminátu. Model je vybaven šesti motory s celkovou užitnou nosností cca
1.5 kg. Aby mohl model sloužit jako nosič fotoaparátu, bylo nutné ho vybavit držákem.
Ten je vyroben ze sklolaminátu, uhlíku a duralu. O jeho stabilizaci se starají dva
- 36 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
modelářské servo motory, které jsou přímo napojeny na řídící elektroniku
a v průběhu letu srovnávají fotoaparát do roviny. Váha držáku je cca 300 g, souprava pro
bezdrátový přenos obrazu na zem společně s eletronickou či mechanickou spouští
fotoaparátu váží dohromady dalších 150 g. Nesená zátěž je s 200 g fotoaparátem 650 g.
Celková letová hmotnost modelu je kolem 3 kg. Jako každý bezpilotní systém, i tento tvoří
kromě letecké části i část pozemní a programové vybavení.
Obr.č. 22 : Hexakopter s dálkovým ovládáním [vlastní zpracování]
Ovládání modelu
Model je bezdrátově ovládán osmikanálovou RC soupravou s označením MX-16
od německé firmy Graupner, obr. č. 22. Ta je vybavena českým vysílacím modulem
Duplex od firmy Jeti Model, který slouží pro přenos povelů směrem k modelu a zpětným
přenosem telemetrie na zem, do externího displaye. Digitální obousměrná komunikace
pracuje na frekvenci 2.4 GHz.
- 37 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
Start i přistání je nutné provést manuálně, pomocí dálkového ovladače. Ten ovládá
základní funkce modelu nutné pro kontrolovatelný let a těmi jsou klonění, klopení,
přídání/ubrání plynu, otáčení kolem své osy. Protože je ovládací souprava osmipovelová,
jsou dalším čtyřem kanálům přiřazeny funkce pro držení výšky, držení pozice, návrat
domů, ovládání náklonu fotoaparátu a spouště. Při létání podle misí je místo ovládání
fotoaparátu přiřazena funkce tzv. care free, po jejíž aktivaci přejde model do autonomního
módu a let probíhá podle předem stanovené mise.
Veškeré funkcionality modelu se nastavují přes program MK Tool. Jedná se o GUI
pro správu nastavení a plánování misí. V programu jsou desítky parametrů pro individuální
nastavení, jako citlivosti gyroskopů, nastavení ovládacích prvků, GPS, barometrického
senzoru atp.
Pro snadnější a cílené fotografování především v manuálním módu je fotoaparát
doplněn o modul pro bezdrátový přenos náhledu hledáčku na zem. Modul pracuje na
frekvenci 5.8 GHz a má dosah přibližně 500 m. Pro jeho zobrazení je na vysílači
instalován LCD panel o velikosti 7''. Pro on-line nastavování a správu leteckých misí byl
model doplněn o telemetrický přenos, který zajišťuje přídavný modem Xbee Pro, pracující
na frekvenci 2.4 GHz, s dosahem kolem 1.5 km (v EU je dosah snížen na 750 m.). Tento
modul nahrazuje klasické kabelové připojení elektroniky k počítači, které je nutné pro
systémové aktualizace, nastavení letových parametrů a plánování misí.
Letový čas modelu
Model je poháněn LiPol baterií o napětí 14.4 V a kapacitě 6600 mAh. V následující
tabulce je průměrný letový čas s nákladem, představující např. digitální fotoaparát
s držákem a soupravou na videopřenos náhledu hledáčku, tedy vybavení o hmotnosti
přibližně 1 kg. Letový čas závisí kromě zátěže také na teplotě prostředí, ve kterém je
model provozován a především na letovém stylu. S klesající teplotou klesá i využitelnost
kapacity baterie, prudkou akcelerací a rychlým letem se zvyšuje odebíraný proud a tím i se
zkracuje letový čas. Pokud vezmeme v úvahu tyto faktory, vychází průměrný letový čas
podle tabulky č. 4.
- 38 -
III. KATEGORIZACE BEZPILOTNÍCH PROST ŘEDKŮ_________________________________________________________________________
Tabulka č. 4 : Letový čas v závislosti na velikosti zátěže [vlastní zpracování].
Zátěž [kg] Letový čas[min]
0 25
0.5 18
1 12
1.5 8
Testování bylo provedeno v simulovaných podmínkách při smíšených letových
stylech. Zátěž představovaly olověné válečky a akumulátor byl vyčerpán na 80% své
kapacity, jak doporučuje výrobce.
Na obrázku č. 23 je zobrazen vliv zatížení modelu na výsledný letový čas. Graf byl
zpracován v simulačním programu Flight time calculator: Ver. 3.0. Tři křivky představují
tři rozdílné letové styly. Snímkovací let je svoji charakteristikou kombinací visení
(hovering) s normálním letem. Je vidět, že vlastní naměřené hodnoty odpovídají
teoretickým, a je tak podle křivky možné odhadovat letový čas a plánovat let
s požadovaným fotoaparátem.
Obr.č. 23 : Teoretický výpočet letového času modelu [vlastní zpracování].
- 39 -
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-
TEORETICKÝ ÚVOD
Předletová příprava modelu spolu s dobrým naplánováním mise jsou základem
úspěchu celého projektu snímkování. Pro zpracování této práce byla vybrána základní
fotogrammetrická úloha a tou je tvorba orotofo snímku. Každá fotogrammetrická mise za
použití bezpilotních prostředků se skládá z několika dílčích částí. Na následujícím
diagramu jsou uvedeny hlavní body.
1. Stanovení požadovaného rozlišení snímků
Z požadovaného měřítka daného projektu a parametrů použitého fotoaparátu se určí
výška letu a přibližné měřítko snímku ,
kde h je výška letu a f je konstanta komory. Velikost snímaného území se určí ze vztahu
,
kde s' je rozměr snímače. Velikost území není čtvercová, ale obdélníková. Je to dáno
tvarem snímače fotoaparátu. Je možné nastavit i čtvercový formát výsledných snímků,
ovšem na úkor rozlišení, tedy ztráty informací.
- 40 -
s=s'∗ms
ms=hf
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
Důležitou součástí plánování je stanovení překrytu jednotlivých snímků. Volí se
podélný a příčný překryt. Podélný překryt se volí podle typu snímaného území od 60% do
80%. Příčný překryt se volí min. 40 %.
Pro zajištění požadovaného překrytu je nutné stanovit vzdálenost mezi jednotlivými
body, na kterých má být pořízena fotografie, tedy středy snímků. Vzdálenost se vypočte
podle vzorce:
Znázornění situace je na následujícím obrázku.
Obr.č. 24 : Schéma snímkovacího letu [vlastní zpracování].
kde:
t0 = čas v době pořízení snímku
t0+dt = čas v době pořízení druhého snímku
vg = dopředná rychlost modelu
FOV (field of view) = úhel záběru fotoaparátu
Hg = letová výška
d = vzdálenost mezi středy snímků
p = podélný překryt
[26][27]
- 41 -
d=s∗1−p
100
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
2. Manuální versus autonomní let
V poslední době se systém ubírá od manuálního ovládání k plně automatickému. Je
však mnoho systémů, především těch levnějších a experimentálních, které je možné řídit
pouze manuálně. Manuální let je také vyžadován v určitých oblastech, kde by mohlo dojít
např. ke stínění signálu GPS. Většina dnešních bezpilotních systémů umí létat v obou
režimech nebo v různých poloautomatických, kdy je operátorem ovládán jen např. směr
letu nebo snímací zařízení. Na základě letových vlastností a stylu letu se odvíjí
charakteristika pořízených dat.
Obr.č. 25 : Ukázka rozmístění snímků při automatickém a manuálním letu [Forestry
department Mecklenburg-Western Pormania].
Z obrázků je vidět, že při automatickém letu je dosaženo větší pravidelnosti
překrytu. Snímky jsou přesně seřazeny ze stejné výšky a úhlu záběru. Následné zpracování
bude jednodušší na výpočet. Naopak při manuálním letu není nutné mít důsledně
připravenou trajektorii letu a místa pořízení snímků. Je celkově jednodušší, ale pro
rozsáhlejší a přesné projekty zcela nevhodná.
3. Rozmístění a geodetické zaměření vlícovacích a kontrolních bodů
Vlícovací body slouží k určení orientace, k transformaci do geodetického systému
a k určení měřítka objektu. Vlícovací body musí být dobře viditelné na měřičských
snímcích a musí mít známé souřadnice v geodetickém souřadnicovém systému.
- 42 -
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
Při rozmísťování vlícovacích bodů je třeba dbát na to, aby vlícovací body obklopovaly
rovnoměrně celé snímané území. Vždy je vhodné zaměřit vlícovacích bodů více než je
nezbytně nutné, protože i při pečlivé volbě jejich umístění nemusí být nakonec použitelné
pro vyhodnocení, případně mohou vykazovat značné odchylky. Pro přesné polohové určení
jsou nutné minimálně tři vlícovací body. Kontrolní body slouží ke kontrole a stanovení
přesnosti zpracovaných snímků.
Vlícovací a kontrolní body musí splňovat dvě podmínky:
• musí být dobře identifikovatelné na měřických snímcích,
• musí mít jednoznačně definovanou polohu pro geodetické zaměření.
Vlícovací body mohou být signalizované:
• přirozeně - zejména body na stavebních objektech,
• uměle - různé terče.
Při volbě vlícovacích bodů je třeba vzít v úvahu i další faktory, zejména dostatečně
kontrastní pozadí bodů a dobrou viditelnost vlícovacích bodů z různých stanovisek,
respektive dobrou konfiguraci snímků.
4. Předletové nastavení fotoaparátu
Pro získání kvalitních a ostrých snímků, které jsou podmínkou pro přesné
zpracování, je nutná příprava fotoaparátu daným podmínkám. Po několika zkušebních
snímcích je dobré je vyhodnotit a zvolit nejvhodnější expozici pro samotný let. Hlavním
parametrem přesného mapování je zachovat stejnou ohniskovou vzdálenost po celou dobu
letu. Je nutné znát prvky vnitřní orientace. Díky fotografování do RAW formátu je možné
upravit vyvážení bílé a expozici i po letu. Nevýhodou snímkování v RAW je velký objem
dat a časová prodleva při ukládání takto velkých souborů na paměťovou kartu.
Z mnoha testovacích letů bylo zjištěno, že ostrost fotky neovlivňuje tolik smaz
způsobený dopředným pohybem jako vibrace celého modelu. Ty jsou způsobené chodem
motorů a pohybem fotoaparátu ve stabilizovaném držáku. Část vibrací lze odstranit
vhodným izolačním materiálem mezi fotoaparátem a modelem. Maz fotek ovlivňuje nejen
rychlost závěrky, ale celkové nastavení fotoaparátu včetně ostření.
- 43 -
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
Je nutné dodržet tyto zásady:
• manuální zaostření na nekonečno,
• zvolit vyšší ISO hodnotu: 200-400,
• rychlost závěrky 1/500s a kratší,
• clonové číslo co nejvyšší možné-kvůli hloubce ostrosti a raději snímky lehce
podexponované než přeexponované bez textur,
• u zoom objektivů zajistit páskou pohyblivou část,
• vypnout stabilizaci obrazu (pokud to fotoaparát umožnuje).
U modelu je nutné dodržet tyto zásady:
• vyvážit všechny pohyblivé části-vrtule, rotující plášť motoru-staticky na
vyvažovačce nebo dynamicky např. pomocí osciloskopu,
• použít silentbloky pro odtlumení držáku fotoaparátu.
Zjednodušeně se dá konstatovat, že vibrace jsou v průběhu letu dvojího typu. Ty
s vysokou frekvencí jsou způsobené motory a vrtulemi, ty s nízkou jsou vlivem větru
a náklonu modelu. Vhodnější je odstranit zdroj vibrací než se je snažit utlumit.
4.1 Typ snímkování
Snímkování daného území je možné provést dvěma metodami. Základní metodou
je využití předem vypočítaných bodů (waypointů), na kterých model automaticky vyfotí
dané území. Nevýhodou tohoto způsobu je pomalost, protože model se musí na každém
z bodů zastavit na předem stanovený čas a vyfotit oblast. Největším omezením je
limitovaná licence u řídící jednotky Mikrokopter, která umožnuje autonomní lety
s maximálně třiceti body. Naopak výhodou je, že je model při pořizování snímků v klidové
poloze a díky známým souřadnicím všech bodů je možno relativně přesně vybrané snímky
pořídit opakovaně, např. při špatně nastavené expozici.
Druhou variantou je plánování mise přes waypointy, které jsou umístěné vždy na
krajích daného území. Model tak létá v řadách vedle sebe a vzdálenost řad je dána
požadovaným překrytem. Snímkování je prováděno automaticky fotoaparátem, bez
- 44 -
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
vnějšího zásahu elektroniky modelu. Kontinuální snímkování je umožněno funkcemi ve
fotoaparátu. Výhodou tohoto řešení je možnost nasnímání velkého území, protože již
nejsme tolik limitování počtem wayipointů a za daný letový čas, který je model schopen
operovat, je uražená vzdálenost větší. Faktorem, který není možné opomenout, je
i nastavení rychlosti závěrky fotoaparátu. Je totiž nutné zvolit nejkratší možný expoziční
čas, aby nedošlo k mazu fotky způsobeném dopředným pohybem modelu. Vzdálenost
uražená modelem během pořízení jedné fotografie by neměla být větší než ½ rozlišení na
1 pixel (Krzysztof Bosak, 2011). Model je nastaven tak, aby v automatickém módu létal
rychlostí cca 3 m/s. V následující tabulce jsou nejdelší hodnoty expozičního času pro
jednotlivá rozlišení na jeden pixel.[28]
Tabulka č. 5 : Nejdelší možný expoziční čas v závislosti na rozlišení při rychlosti 3 m/s.
Rozlišení[cm/pix]
Nejdelší možný expoziční čas[s]
2 1/300
3 1/200
4 1/150
5 1/120
10 1/60
20 1/30[vlastní zpracování]
Pokud to tedy světelné podmínky dovolí, je vhodné nastavit krátký expoziční čas.
Hodnotu expozičního času tedy ovlivňuje požadované rozlišení (tím stanovená letová
výška) a rychlost modelu. U letadel je nutné ještě uvažovat rychlost větru, pokud model
letí ve směru jeho proudění. Výsledná rychlost vůči zemi je tak vyšší.
Pokud zvolíme variantu s kontinuálním snímkováním, je také nutné vzít v úvahu
nastavení času mezi jednotlivými snímky. Pro zachování 80% překrytu dvou po sobě
jdoucích snímků je v grafu č. 26 zobrazen čas v závislosti na letové výšce. Tento vztah
není možné při mapování opomenout. Z grafu č. 27 je patrný průběh závislosti překrytu na
letové výšce. Rychlost je konstantní v celé fázi letu. Např. pro požadované rozlišení 2 cm
na pixel, letovou výšku 60 m nad zemí a požadovaný překryt 80% je nutné zvolit čas pro
kontinuální snímkování na maximální hodnotu 4 s. Pokud ještě vezmeme v úvahu reakční
dobu fotoaparátu, je vhodné zvolit hodnotu ještě o jednu menší, tedy 3 s.
- 45 -
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
Obr.č. 26 : Závislost času mezi pořízením dvou snímků na letové výšce při 80 % překrytu
a rychlosti 3 m/s [vlastní zpracování].
Obr.č. 27 : Hodnota překrytu dvou snímků v dané výšce při rychlosti 3m/s
[vlastní zpracování].
- 46 -
40 60 80 100 120 140 160 180 200
0
2
4
6
8
10
12
14
16
výška [m]
ča
s [s
]
40 60 80 100 120 140 160 180 200
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Překryt při 3s Překryt při 4s Překryt při 5s
Výška [m]
Pod
éln
ý pře
kryt
[%]
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
5. Určení prvků vnitřní orientace
Znalost vnitřní a vnější orientace fotoaparátu jsou dva základní předpoklady pro
úspěšnou rekonstrukci a následné zpracování obrazu. Kalibrace kamery byla vždy jednou
ze základních úloh fotogrammetrie. Rozdělení těchto dvou úkonů je vhodné při požadavku
na větší přesnost. V aplikacích, kde není kladen velký důraz na výslednou přesnost, je
možné provést kalibraci a orientaci snímků v jednom kroku pomocí tzv. self calibration-
bundle adjustment. V letecké fotogrammetrii je tento proces zpracování nazýván AAT -
automatic aerial triangulation. V blízké fotogrammetrii se jedná o komplexnější problém
a to především díky velkému měřítku snímků, nepravidelnému překrytu snímků, silným
geometrickým a radiometrickým změnám. V mnoha případech jsou snímky z UAV
systémů svými charakteristikami řazeny spíše do blízké fotogrammetrie, než do letecké.
(Remondino, 2011). Je tedy vhodné provést samostatnou kalibraci fotoaparátu, především
pokud se jedná o obyčejný běžně dostupný neměřičský fotoaparát. [15]
S rozvojem digitálních fotoaparátů a jejich využití v blízké fotogrammetrii vyvstává
nutnost určovat prvky vnitřní orientace. Je nutné zjistit konstantu komory, souřadnice
hlavního snímkového bodu a distorze objektivu. Distorze je obecně dvojího tytu:
tangenciální a radiální. Tangenciální distorze je dána konstrukcí objektivu – použitou
soustavou čoček. Vliv tangenciální distorze se většinou neuvažuje. Při kalibraci se určuje
radiální distorze, jde o posun bodu na snímku o radiální vzdálenost.
Nevýhodou neměřičských fotoaparátů je především jejich objektiv, který je často
typu „zoom“, tedy s volitelnou ohniskovou vzdáleností. Definování prvků vnitřní orientace
se provádí pro základní polohu objektivu při manuálním zaostření na nekonečno. Protože
u těchto neměřičských komor není zajištěna stálost parametrů, je nutné kalibraci provádět
opakovaně. Jako největší problém při využití tohoto typu objektivu se jeví zajištění stálosti
parametrů, především ohniskové vzdálenosti po celou dobu letu. [26]
6. Prvky vnější orientace
Pro přesné vyhodnocení leteckých snímků je nutno znát alespoň přibližné hodnoty
prvků vnější orientace. Těmi jsou poloha a natočení snímku vůči souřadnicovému systému
na povrchu. V moderní digitální fotogrammetrii jsou tyto přibližné prvky určovány pomocí
- 47 -
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
GPS modulu a inerciální jednotky. Přesný výpočet je proveden díky vlícovacím bodům se
známými souřadnicemi. Teoreticky je potřeba minimálně 3 body na každý snímek. Protože
by to bylo v praxi obtížně realizovatelné, přistupuje se ke společné orientaci více snímků
za pomoci tzv. svazkového vyrovnání.
Aerotriangulace, zvláště pak měření spojovacích bodů, je jednou z činností, kde se
naplno ukazují výhody digitálních postupů. Spojovací body se namísto zdlouhavých
manuálních měření generují automaticky na základě korelace leteckých snímků a na
operátorovi zůstává teoreticky pouze vyhledání a zaměření vlícovacích bodů. [16]
Přesnost vlícovacích bodů je kritická pro přesnou vnější orientaci. Vlícovací body
nejsou nutné pouze pro geometrické vyhodnocení prvků vnější orientace, ale slouží také
k přesnému zasazení výsledného projektu do požadovaného souřadnicového systému. Jako
kontrolní body jsou nejčastěji voleny přirozeně signalizované body nebo umělé terče. Část
těchto bodů je vhodné použít jako kontrolní, které nevstupují do přímého výpočtu, ale jsou
použity pro kontrolu přesnosti. Pro správné rozeznání terče na zemi by měla být jeho
velikost 3-5 krát větší než je rozlišení snímku. [29] Pro plánované rozlišení 2-3 cm/pixel
by to mělo být kolem 10-15 cm. V našem případě měly použité terče rozměr středového
znaku 15 cm.
7. Požadované výstupy a programové vybavení
S rozvojem bezpilotních prostředků v posledních letech vyvstala nutnost přesného
vyhodnocení pořízených dat. Jak již bylo zmíněno, data pořízená UAV jsou svým
charakterem blíže pozemní fotografii. Díky použití levných neměřičských komor a méně
přesných inerciálních jednotek je nutné ke zpracování přistupovat odlišně, než u klasických
leteckých snímků s přesnou znalostí všech požadovaných prvků. Programy na tvorbu
ortofot, které jsou vhodné pro rozsáhlé projekty na úrovni krajů či celých států, jakými jsou
např. Geomatica 12, nejsou pro tato data určená.
Při zpracování obrazových dat z UAV se setkáváme s těmito problémy:
• určování prvků vnější orientace - absence kvalitní GPS/IMU,
• určování prvků vnitřní orientace - použití neměřičských komor,
• nestandardní data - snímky často upravené již v sw. fotoaparátu,
- 48 -
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
Pro zpracování leteckých snímků z bezpilotních prostředků existuje v současné
době na trhu několik specializovaných programů. Všechny jsou komerční.
7.1 Pix4D
Pix4D je jedním z předních programů pro zpracování leteckých dat z bezpilotních
prostředků. Dosažení přesných výsledků i z méně kvalitního fotoaparátu bez znalostí
vnitřní a vnější orientace je umožněno díky velkému překrytí fotografií, tedy nadbytečným
údajům. Pix4D je koncipován jako klient - server aplikace. Hlavní výpočetní operace se
kvůli jejich náročnosti odehrávají na straně serveru.
Zpracování je plně automatické a nepotřebuje ruční zásah v průběhu výpočtu. Ten
je nutný pouze při tvorbě projektu a při konfiguraci vstupních dat. Vstupem jsou letecké
snímky o maximálním počtu 1000. Pro každý snímek je nutné zadat přibližné souřadnice
místa, ve kterém byl pořízen. Dalšími parametry, ne však nutnými, jsou letová výška,
natočení vůči zeměpisným stranám a parametry náklonu kamery.
Hlavním výstupem je georeferencované ortofoto a digitální model terénu.
Zpracování je možné bez kontrolních bodů, zvaných GCP- Ground Control Point. Pro
zvýšení přesnosti je však vhodné zvolit dostatečný počet těchto bodů.
Průběh zpracování dat je následující: Program prohledá všechny snímky a snaží se
najít vhodné vlícovací body. Tyto body, společně s údaji, které byly k fotkám připojeny,
jsou použity pro tzv. svazkové vyrovnání (bundle adjustment) k rekonstrukci pozice
a orientace kamery pro každý snímek. V následujícím kroku dojde na podkladě předešlého
vyrovnání k výpočtu 3D souřadnic vlícovacích bodů. Tyto body jsou poté proloženy TIN
sítí (triangulated irregular network). Výsledný digitální výškový model slouží
k ortorektifikaci snímků, které jsou následně spojeny do mozaiky. Cena za zpracování 103
snímků je za ortofoto 60 euro, za verzi profi, kdy je součástí i digitální model terénu, je
cena 240 euro. [31]
7.2 Aerogis
Aerogis je programem německé společnosti GisCat. Jedná se opět o webovou
službu, kde jsou veškeré výpočty provedeny na straně serveru. Celý software je založen na
Open Source technologiích, kdy je zkomponováno několik výpočetních programů
- 49 -
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
a algoritmů, pro nejrůznější zpracování obrazu, do sebe pomocí skriptu napsaném v jazyce
Python.
Základem zpracování je open source algoritmus zvaný Bundler, který dokáže
z neorientovaných snímků provést 3D rekonstrukci objektu. Díky nadbytečným měřením,
tedy velkému překrytu snímků, je program schopen rekonstruovat kromě prvků vnější
orientace i prvky vnitřní orientace použitého fotoaparátu. Bundler je použit pro tvorbu 3D
modelu, který je nutný pro tvorbu ortofoto snímku. Tento algoritmus je základem mnoha
jiných komerčních i nekomerčních programů na zpracování dat z UAV.
Mezi další technoligie, použité v sw. Aerogis patří:
• PMVS / CMVS (nadstavba Bundleru)
• GRASS GIS (přední open source GIS)
• SAGA GIS (analytický GIS)
• Nvidia CUDA (technologie pro distribuci procesů výpočtu)
Aerogis nemá své grafické okno. Pro zpracování snímků je nutné nahrát na úložiště
a celý výpočet je proveden pracovníkem Aerogisu. [30]
7.3 Icaros
Icaros je izraelskou společností vyvíjející fotogrammetrický software. Mimo jiné
produkují vlastní fotogrammetrické komory. Kromě klasické letecké fotogrammetrie se
zaměřují i na UAV nosiče, pro které poskytují online službu na zpracování dat. Cena
zpracování se odvíjí od počtu snímků. Za každý je účtována cena 2 euro, minimální
objednávka je za 100 euro. Proces zpracování není zcela automatický a vyžaduje také
vstup jejich pracovníků.[17]
7.4 Dronemapper
Dronemapper je nejmladším ze zníměných programů. Je vyvíjen jedním člověkem
se snahou o vytvoření softwaru na tvorbu ortofoto snímků a leteckých mozaik, který by byl
dostupný široké veřejnosti za nízký poplatek. Za necelý půlrok vývoje byl autor schopen
vytvořit aplikaci, která je velice podobná sw. Aerogis, tedy alespoň technologiemi, které
- 50 -
IV. ZPRACOVÁNÍ FOTOGRAMMETRICKÉ MISE-TEORETICKÝ ÚV OD_________________________________________________________________________
jsou pro zpracování použity. Zatím neumí pracovat s využitím vlícovacích bodů. Často má
také problém se složitější zástavbou. Lze se však domnívat, že pokud autor udrží tempo
vývoje, stane se Dronemapper jedním z významných zpracovatelských programů na trhu.
Ortofoto a digitální model nebyly z důvodů absence vlícovacích bodů uvažovány
ve vzájemném porovnání s ostatními programy. Výstupy jsou uvedeny v příloze.
Tato diplmová práce sloužila pro beta testování tohoto projektu. Díky úzkému
kontaktu s autorem zde může být popsána funkcionalita a princip výpočtu. Lze využít dvou
typů zpracování a to mód Mosaika a tzv. Letecký mód.
Mód Mosaika
• nahrání snímků s/bez leteckých parametrů (přibližných prvků vnější orientace),
• automatické vytvoření náhledové mozaiky prostým spojením snímků,
• výpočet aero-triangulace a svazkové vyrovnání->DEM,
• ortorektifikace jednotlivých snímků,
• spojení ortorektifikovaných snímků pomocí spojovacích bodů,
• vytvoření 3D mračna bodů z DEM a překrytí ortofotem-texturovaný 3D model,
Letecký mód
• snímky jsou nahrány společně s letovými parametry a dojde k připojení informací
k jednotlivým snímkům
• vytvoření OpenCV 2D mozaiky
• využití knihovny Gdal pro tvorbu georeferencované mozaiky
• vytvoření souborů KML, KMZ
[35]
- 51 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ
1. Kalibrace fotoaparátu
Pro zjištění PVO byly použity dvě kalibrační metody. První z nich je kalibrace za
využití testovacího pole, druhou je kalibrace pomocí nalétnutí kalibračního pole v terénu.
Obě metody byly zpracovány v sw. Photomodeler. Photomodeler je software vyvinutý
kanadskou firmou EOS System Inc. Skládá se z několika modulů, které slouží pro různé
fotogrammetrické vyhodnocení. Jeden z obsažených modulů je určen právě pro kalibraci
neměřičských komor. Fotoaparát byl kalibrován na svoji nejkratší ohniskovou vzdálenost,
ekvivalent ke kinofilmu 24 mm. [32]
1.1 Kalibrace pomocí testovacího pole
Kalibrace byla provedena pomocí rovinného kalibračního pole, obr. č. 28, které
obsahuje kódové značky pro automatické zpracování. Pro určení polohy bodu v prostoru je
nutné, aby určovaný bod byl viditelný alespoň na třech snímcích. Během snímkování je
nutné dodržet zásady průsekové fotogrammetrie, jako je konvergence os, pozice
stanovisek, natáčení kamery o 90° pro fixaci polohy hlavního snímkového bodu. Ke
kalibraci v laboratoři bylo potřeba nasnímkovat kalibrační pole ze všech 4 stran, přičemž
na každé straně byly pořízeny 3 snímky. Po vyfotografování prvního snímku se přístroj
otočil o 90° kolem osy záběru a vyfotografoval se další snímek. Během snímkování je také
nutné dodržet základní pravidla nastavení fotoaparátu, nejlépe takové, které bude
odpovídat nastavení při snímkování daného objektu. Kalibrační pole musí být přes celou
plochu snímku. Pro získání kvalitních výsledků je nutná i dostatečná obrazová kvalita
snímků. Ty by měly být ostré, s vhodně nastavenou expozicí.
Fotoaprát byl manuálně zaostřen na nekonečno, vypnuto bylo automatické
doostřování a stabilizace obrazu. Clona byla nastavena na nejvyšší hodnotu, v našem
případě bylo clonové číslo F=8.0. Expoziční doba byla nastavena na 1/200 s, ISO hodnota
na 320. Protože v laboratorních podmínkách nebyl dostatek světla, byl použit blesk.
Jednotlivé snímky byly foceny do formátu RAW, který obsahuje minimálně zpracovávaná
data ze senzoru. Snímky byly následně zpracovány v programu Canon Digital Photo
Professional, kde byly odstraněny ostřící filtry a redukce šumu. Snímky byly poté
exportovány do formátu JPEG v nejvyšší možné kvalitě.
- 52 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
Obr.č. 28 : Kalibrační pole s kódovými značkami [vlastní foto].
Výpočet kalibračních parametrů v sw. Photomodeler
Po vytvoření nového kalibračního projektu v modulu Camera Calibration
následovalo načtení snímků a samotná kalibrace, která byla provedena poloautomaticky.
Po načtení snímků dojde díky čtyřem řídícím značkám k automatickému rozpoznání
ostatních bodů kalibračního pole. Výsledkem byl protokol o přesnosti a automatická
orientace snímků mezi sebou. Následovalo ruční čištění nepatřičných bodů a přidávání
chybějících. Body, které nejsou automaticky dostatečně přesně určeny a zhoršují výslednou
přesnost, je nutné manuálně zaměřit na středy značek. Poté byl opět spuštěn výpočet
parametrů. Nyní však bez automatického rozpoznávání bodů a referencování snímků. Pro
dosažení kvalitních výsledků byla kontrolována maximální chyba, s jakou je bod
automaticky lokalizován, tzv. marking residual, neboli tzv. zbytkové označení. To
představuje zbytkové chyby při nesprávném ručním nebo automatickém označení bodu na
snímku. Jedná se o rozdíl mezi místem, které je označeno a které mělo být označeno. Tato
veličina by v kalibračním projektu neměla překročit hodnotu 1 pixelu. Hodnota
vypočítané ohniskové vzdálenosti je pouze relativní ve vztahu k velikosti snímače.
- 53 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
1.2 Letecká kalibrace
Pro dosažení přesných výsledků je vhodné provést kalibraci v podobných
podmínkách, v jakých bude probíhat samotné měření (M. Peréz, 2010).
Návrh kalibra čních bodů a jejích rozmístění
Vhodné zvolení umělých vlícovacích bodů je klíčové pro jejich přesné nalezení na
pořízených snímcích. Bylo navrhnuto a vyzkoušeno několik typů terčů. Následně byly
provedeny letové zkoušky pro určení viditelnosti a rozlišení terčů v terénu. Na obrázku
č. 29 je kódový terč používaný např. sw. Photomodeler vyfocený z výšek přiližně 30, 40
a 50 m, obr. č. 30.
Obr.č. 29 : Schéma kódového terče [vlastní zpracování].
Obr.č. 30 : Viditelnost terčů při letové výšce 30, 40 a 50 metrů [vlastní foto].
Je zřejmé, že rozlišovací schopnost pro zpracovaní kalibračního projektu nebyla
dostatečná. Kvalitnější terče byly nutností. Pro zpracování této práce byly zapůjčeny
profesionálně vyrobené terče určené ke kalibraci fotoaparátů z autonomní vzducholodě. Ty
jsou z tvrdého kartonu o velikosti A3 a středovým terčem o průměru 15 cm.
- 54 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
Obr.č. 31 : Kalibrační terče [vlastní foto].
Kalibrační pole bylo zvoleno na rovné ploše, kterou bylo bývalé fotbalové hřiště
o rozloze přibližně 40x40 m, rozmístěno bylo 50 kontrolních terčů. Protože má fotoaparát
na nejkratší ohniskové vzdálenosti velmi široký úhel záběru, bylo nutné zvolit letovou
výšku na 40 m, aby bylo celé kalibrační pole v záběru. Snímky byly pořízeny ze všech
stran a z různých úhlů, viz. obrázek č. 32.
Obr.č. 32 : Photomodeler - pozice kamer [vlastní zpracování].
- 55 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
Obr.č. 33 : Letecké kalibrační pole [vlastní foto].
Zpracování pořízených záběrů bylo provedeno opět v sw. Photomodeler. Tentokrát
však nemohla být použita automatická kalibrace, ale jednotlivé body byly lokalizovány
ručně. Následně byla provedena tzv. Full field calibration.
- 56 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
1.3 Porovnání výsledků kalibrací
Tabulka č. 6 : Výsledky kalibrací [vlastní zpracování].
Testovací pole chyba Letecká kalibrace chyba
Ohnisková vzdálenost5.405703 mm 3.6e-004mm
5.440419 mm 0.004 mm
Velikost snímače 7.450114 mm 7.450114 mm
5.588000 mm 5.588000 mm
Hlavní snímkový bod 3.683388 mm 2.4e-004mm
3.683407 mm 9.3e-004mm
2.731006 mm 2.8e-004mm
2.692291 mm 0.003 mm
Radiální distorzeK1 1.770e-003 7.7e-006 1.361e-003 1.9e-005
K2 -1.624e-005 2.2e-007 -3.159e-006 9.3e-007
K3
Tangenciálnídistorze
P1 3.514e-004 2.5e-006 3.358e-004 9.5e-006
P2 -5.603e-004 2.7e-006 -8.055e-004 2.5e-005
Tabulka č. 7 : Přesnost kalibračního projektu [vlastní zpracování].
Testovací pole Letecká kalibrace
Final total error (pix) 1.467 1.198
Largest marking residual (pix) 0.76 0.75
Overall RMS (pixel) 0.189 0.202
Výsledná ohnisková vzdálenost nemá sama o sobě žádnou vypovídací hodnotu,
proto se může v různých projektech lišit. Důležité je uvažovat ji společně s rozměrem
obrazového snímače.
Střední hodnota kvadratické chyby (RMS) kalibračního projektu zpracovaném
v sw. Photomodeler určuje kvalitu daného projektu, není ji však za daných podmínek
možné mezi oběma projekty srovnávat. Její hodnotu totiž určuje kromě samotné přesnosti
lokalizace středu značky také nastavení apriorní přesnosti, s jakou je tato značka
lokalizována. Jsou rozdílné hodnoty pro značky lokalizované ručně nebo sub-pixelově
(automaticky, nebo pomocí ruční sub-pixelové lokalizace). Během kalibrace pomocí
testovacího pole byly všechny body lokalizovány sub-pixelově, v polní kalibraci byla
- 57 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
přibližně 1/3 bodů lokalizována ručně. Pokud by měla být celková chyba obou projektů
porovnávána mezi sebou, bylo by nutné lokalizovat všechny body v obou projektech
stejným způsobem. Jak je z tabulky č. 6 patrné, chybové hodnoty „laboratorní“ kalibrace
jsou v případě koeficientů distorze o řád nižší.
Dalším parametrem pro posouzení kvality je Photo Point Coverage - bodové
pokrytí fotografie, které by mělo být vyšší než 80 %. Zatímco v případě „laboratorní“
kalibrace to bylo 90 %, při letecké kalibraci pouze 80 %. Vliv tohoto zaplnění na kvalitu
projektu však vylučuje ve své diplomové práci „Využití digitálního fotoaparátu
v kartografické reprodukci“, Ondřej Vala, 2011, který v rámci praktických pokusů došel
k závěru, že není důležité samotné zaplnění snímku, jako postupné pokrytí snímače při
konfiguraci snímků.
Posledním kontrolovaným parametrem byla hodnota Total Error. Ta představuje
souhrn různých chyb a nastavení programu Photomodeler. Jedná se o bezrozměrnou
veličinu. Měla by nabývat maximální hodnoty 2.0, které se podařilo v obou projektech
dosáhnout. [32]
Protože jsou výsledky velmi podobné, byly v dalších výpočtech použity hodnoty
získané z polní kalibrace. Svým charakterem se tato kalibrační metoda nejvíce přibližuje
podmínkám skutečné fotogrammetrické mise. Pro většinu programů však tyto hodnoty
byly použity pouze jako přibližné a kalibrace probíhala přímo během výpočtu digitálního
modelu.
2. Nalezení vhodné lokality a stanovení letových parametrů
Součástí kvalitní přípravy mise je i vhodné seznámení se s terénem. Především je
nutná znalost výškových poměrů, orientace vůči světovým stranám, bezpečnostní rizika
v podobě překážek tvořených vedením vysokého napětí, stromů atd. Před hlavním
snímkovacím letem bylo provedeno několik menších projektů ve vybrané oblasti, pro
kontrolu nastavení modelu, plánování mise a možnosti zpracování. Pro prezentaci
možností UAV v oblasti tvorby ortofota byla vybrána lokalita ležící v katastru obce
Vojkovice v okresu Mělník. Lokalita je významná pro svou dřívější povrchovou těžbu
písku, nyní je pískovna zatopená a slouží k rekreačním účelům. Vybrané území je terénně
rozmanité, obsahující kromě zástavby v podobě bývalého zemědělského objektu i černou
skládku a rekreační objekt. Zájmová oblast je na obrázku č. 34. Povětrnostní podmínky
- 58 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
byly v době snímkování proměnlivé, od bezvětří až po nárazový vítr 4 m/s. Po celou dobu
bylo slunečno s teplotou od 12 do 20 °C.
Obr.č. 34 : Zájmové území na dostupném ortofotu ČÚZK [ČÚZK].
3. Trajektorie snímkového letu
Software pro plánování misí MK Tool, představen v kapitole III.2, sice obsahuje
nástroje pro správu a tvorbu letových bodů, není však koncipován pro plánování
fotogrammetrické mise, kde je nutné brát v úvahu parametry fotoaparátu a měřítko snímku.
Plánování trajektorie fotogrammetrické mise bylo provedeno ve vlastním programu
napsaném v Matlabu. Vstupními parametry jsou údaje o použitém fotoaparátu-ohnisková
vzdálenost, rozměry a rozlišení snímače. Po stanovení požadovaného rozlišení fotografie
v centimetrech na 1 pixel, podélného a příčného překrytu a souřadnic zájmového území,
proběhne výpočet dráhy letu. Požadované území se do programu vkládá pomocí třech
rohových souřadnic, levého horního rohu a levého a pravého dolního rohu. Souřadnice se
zadávají v souřadnicovém systému WGS-84.
Program ze zadaných parametrů nejprve vypočte výšku, ve které má model letět,
aby bylo dosaženo požadovaného rozlišení. Následně podle požadovaného podélného
překrytu určí vzdálenosti mezi body, ve kterých má model pořídit snímek. Tímto způsobem
se vypočtou souřadnice bodů, přes které má model letět. Po dokončení první řady jsou
vypočteny další, vždy s požadovaným příčným překrytem mezi sebou, viz. obrázek č. 35.
Výsledné souřadnice dráhy letu jsou exportovány v požadovaném formátu do textového
- 59 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
souboru, který je načten do řídící jednotky modelu. Kromě samotných souřadnic bodů
program také definuje výšku bodů a orientaci modelu vůči světovým stranám
v jednotlivých fázích letu. Výstupem programu je kromě bodové dávky i protokol o misi.
Ten obsahuje mimo jiné informace o počtu bodů, letové výšce, předpokládané délce trvání
mise a velikosti území. Misi lze pomocí tohoto skriptu naplánovat i opačným způsobem, se
vstupním parametrem, kterým je zvolená letová výška. Tento způsob plánování je vhodné
zvolit v místech, kde platí legislativní omezení maximální možné výšky pro let
bezpilotních prostředků. Např. se jedná o letový prostor v řízeném okrsku letiště, kde je
maximální letová hladina, bez předchozího povolení z ÚCL, 100 metrů nad zemí.
Vytvořený program je ve své první verzi konzolovou aplikací, bez vstupního
grafického rozhraní. Ukázková bodová dávka a výstupní protokol jsou uvedeny v příloze.
Rozloha požadované plochy byla určena na cca 5 ha. Podélný překryt 80 %, příčný 60 %.
Letová výška byla stanovena podle požadovaného rozlišení 2.6 cm na 75 m. Vzhledem
k členitosti terénu se výsledná hodnota rozlišení předpokládá kolem 3 cm/pixel.
Obr.č. 35 : Ukázková trajektorie letové mise [vlastní zpracování].
- 60 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
Obr.č. 36 : Trajektorie jedné letové mise načtená v sw. MKTool [vlastní zpracování].
4. Zaměření vlícovacích a kontrolních bodů
Zaměření pozemních bodů bylo provedeno pomocí RTK (Real Time Kinematic)
GPS přístroje značky Topcon FC-100 využívající služby kategorie VRS (virtuální
referenční stanice) k výpočtu korekcí dat z více stanic sítě CZEPOS. Ten byl pro tuto práci
zapůjčen Stavební fakultou ČVUT. Přístroj je schopen přijímat korekce z permanentních
stanic sítě Czepos. Dvoufrekvenční aparatura GPS je schopná přijímat a zpracovávat
korekce v reálném čase s mobilním internetovým připojením GPRS (korekce jsou
přijímány přes síťový protokol NTRIP). Měřen byl střed terčové značky, který má v daném
místě malou díru pro jeho přesnou lokalizaci. [18]
Vybraná lokalita je díky své odlehlosti velice špatně dostupná mobilnímu datovému
signálu. Během měření byl problém zafixovat pozici. Některé body, především v západní
části oblasti, nebyly z tohoto důvodu zaměřeny vůbec. Díky těmto problémům se podařilo
změřit pouze 16 bodů. Pro hodnocení přesnosti ortofoto snímků bylo 10 zvoleno jako
vlícovacích a 6 jako kontrolních.
5. Kalibrace modelu, předletová kontrola parametrů a fotoaparátu
Před snímkovacím letem bylo nutné zkontrolovat správné nastavení modelu,
proběhla tzv. kontrola pohledem, zkouška letových funkcí a parametrů, které byly předtím
nastaveny pro dané povětrnostní podmínky. Při transportu modelu na větší vzdálenost je
- 61 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
vhodné provést kalibraci magnetometru. Před každým startem je nutné provést kalibraci
gyroskopů, na které jsou napojeny servomotory stabilizovaného držáku fotoaparátu.
Předletové nastavení fotoaparátu bylo provedeno podle dřívejších zkušeností a postupů
popsaných v kapitole IV.4.
6. Let - sběr dat
Vzhledem k plánovanému rozsahu snímkovaného území 5 ha byl sběr dat rozdělen
do 4 samostatných letů. Ty byly postupně nahrány na paměťovou kartu a vloženy do řídící
jednotky modelu. Model byl odstartován ručně. Poté byl přepnut do automatického režimu,
ve kterém nejprve nastoupal do požadované letové výšky a následně letěl na první
stanovený bod. Následoval automatický let z bodu na bod, na kterém model vždy 7 vteřin
počkal, aby byl čas pro pořízení několika snímků.
Na obrázku č. 37 je znázorněn průběh jedné části snímkového letu. Jedním ze
vstupních parametrů pro každý z bodů je tzv. radius, který udává průměr kruhu kolem
souřadnice bodu trasy. Pokud se model dostane do oblasti kolem tohoto bodu, považuje ho
za dosažený. Tento parametr je velice vhodný nastavit především během větrného počasí,
kdy má model problém přesně dosáhnout daných souřadnic bodu letové trasy.
Obr.č. 37 : Průběh letové mise na sw. MK OSD, se kterým je model online spojen
[vlastní zpracování].
- 62 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
7. Výběr snímků a jejich úprava
Foceno bylo ve formátu RAW a snímky byly upraveny pomocí sw. Canon Digital
Photo Professional, aby odpovídaly nastavení při kalibraci. Nadbytečné snímky byly
odstraněny a převedeny z formátu RAW do JPG. Pro zpracování tohoto
fotogrammetrického projektu bylo z celkového počtu 270 snímků vybráno 103. Velký
nadbytek byl dán díky několikanásobnému pořízení snímku na každém bodě.
7.1 Připojení prvků vnější orientace ke snímkům
Znalost přibližných prvků vnější orientace je pro některé fotogrammetrické
softwary jednou ze vstupních podmínek pro další zpracování. Model v průběhu
snímkování ukládá letové parametry na mikro SD kartu. Formát uložených dat je tzv. GPX
soubor, do kterého jsou každou vteřinu zaznamenávány hodnoty o rychlosti, výšce, poloze,
náklonu atd. Tyto údaje bylo nutné přiřadit ke každému pořízenému snímku. Protože na
trhu není dostupný nástroj, který by dokázal přiřadit ke snímkům tyto údaje, byl napsán
skript v matlabu.
Vstupními údaji do skriptu jsou jednotlivé snímky a GPX soubor se záznamem
letových parametrů. Následně skript díky porovnání času pořízení fotografie a času ze
záznamu letu přiřadí každé fotografii příslušné parametry. Čas pořízení fotografie je uložen
v metadatech každé fotky, v tzv. exif formátu. Pro správné přiřazení je nutné sjednotit čas
zadaný ve fotoaparátu s GPS časem nebo alespoň znát časový posun mezi nimi. Program
následné porovná časy pořízení snímků s letovým záznamem a každé fotografii přiřadí
požadované parametry, lišící se podle typy programu, do kterého budou použity.
Pro zpracování projektu je nutná přibližná znalost prvků vnější orietace každého
snímku. Protože je však model vybaven stabilizovaným držákem fotoaparátu, který udržuje
během náklonu modelu fotoaparát ve stejné poloze, byly třem úhlům náklonu přiřazeny
hodnoty 0. Na následujícím obrázku jsou na podkladě snímané oblasti zobrazeny tyto
údaje: zelené křížky jsou vlícovací body, modré jsou kontrolní body, červené tečky jsou
přibližné středy fotografií.
- 63 -
V. FOTOGRAMMETRICKÁ MISE - PROVEDENÍ_________________________________________________________________________
Obr.č. 38 : Přibližné středy snímků a umístění měřených bodů [vlastní zpracování].
- 64 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE
1. Vyhodnocení průběhu letové mise
Průběh letové mise společně s ostatními letovými parametry je zaznamenáván na
paměťovou kartu, z té byly kromě prvků vnější orientace pro každý snímek exportovány
i letové parametry pomocí vytvořených skriptů.
Zobrazení letové mise bylo provedeno pomocí vytvořeného skriptu v prostředí
Matlabu. Na následujících dvou obrázcích je ukázka trajektorie letu v porovnání
s plánovanou trasou. Podle skutečné letové trasy je patrné, že byl let modelu ovlivněn
větrem při trase mezi body. Je vidět vychýlení z kurzu při letu mezi body. Je patrné
i drobné kolísání ve výšce. Přesnou výšku modelu nelze spolehlivě z daných hodnot určit.
Obr.č. 39 : Skutečná vs. plánovaná trajektorie mise [vlastní zpracování].
- 65 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Obr.č. 40 : Skutečná vs. plánovaná trajektorie mise, pohled zhora [vlastní zpracování].
2. Zpracování snímků a vyhodnocení přesnosti
2.1 Pix4D
Software, jako jediný z testovaných programů, umožňuje uživateli přímo vstup do
procesu zpracování pomocí grafického rozhraní. Na následujícím obrázku je zpracovávaný
projekt. V levé části jsou informace o snímcích a souřadnicovém systému. V pravém okně
je wms google-ortofoto snímek se zobrazenými středy snímků. Přibližné parametry vnější
orientace se načítají z textového souboru, který byl vytvořen vlastním skriptem, viz.
kapitola V.7.
- 66 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Obr.č. 41 : Pix4D, grafické okno programu [vlastní zpracování].
Následuje ruční lokalizace vlícovacích bodů. Minimální počet pro georeferencování
projektu jsou tři body. Každý bod je vhodné lokalizovat na co nejvíce ostrých snímcích.
Minimum pro každý bod jsou tři snímky.
Obr.č. 42 : Pix4D, identifikace vlícovacích bodů [vlastní zpracování].
- 67 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Po vyznačení všech vlícovacích bodů je projekt se snímky nahrán na server Pix4D,
kde dojde ke zpracování. Po několika hodinách je připraven náhled výsledného ortofota
s rozlišením 50 cm a zpráva o výpočtu, kde je zahrnuta přesnost vyhodnocení a lokalizace
snímků. Tato část je zcela zdarma. Uživatel má pak volbu, zda zvolit základní službu, kde
je výstupem pouze ortofoto snímek, nebo profesionální zpracování, kde je ortofoto
doplněno o výškový rastr a 3D model. Pix4D nabízí trial licenci pro bezplatné profi
zpracování třech projektů.
Pro zjištění závislosti počtu vlícovacích bodů na přesnosti ortofota a digitálního
modelu bylo celkem zpracováno pět projektů. Počet snímků byl vždy stejný, měnil se však
počet vlícovacích bodů. Byly použity všechny měřené body, tzn. 16 vlícovacích bodů., dále
pak 13, 10, 7 a 4. Zbytek bodů byl považován za kontrolní. Přehled rozmístění vlícovacích
bodů je uveden v příloze.
Výstupní soubory byly všechny v souřadnicovém systému UTM v poledníkovém
pásu 33 st.
2.2 Aerogis
Druhým z použitých programů pro zpracování pořízených snímků byl Aerogis. Ten
nemá uživatelské rozhraní pro nahrání a správu projektů. Zpracování projektu pro tuto
diplomovou práci bylo po domluvě s autorem projektu, dr. Thomasem Krammerem, zcela
zdarma. Snímky společně s přehledovou mapou oblasti s rozmístěnými měřenými body
a soubory s prvky vnitřní a vnější orientace a souřadnicemi vlícovacích bodů byly nahrány
na FTP server. V tomto případě nebylo možné nijak zasáhnout do výpočtu a identifikace
bodů na snímcích. Zpracování bylo provedeno pracovníky firmy Aerogis. Výstupem byl
ortofoto snímek společně s výškovým modelem a výpočetním protokolem.
2.3 Icaros
Zpracování snímků bylo provedeno po nahrání dat na FTP server automaticky
s ručním zásahem pracovníky společnosti. Poskytnutá data byla stejná jako v případě
Aerogisu. Zajímavý je poskytnutý přehled časové nářočnosti zpracování.
- 68 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Tabulka č. 8 : Výsledky kalibrací v porovnání s hodnotami ze zpracovatelských programů .
Proces Časová náročnost Automatické / ruční zpracování
Příprava dat - vnitřní, vnější o. 1 hodina ruční
Match-Me - extrakcespojovacích bodů
7 minut - 4 vteřiny/snímek automatické- 2654 určených bodů
Připojení vlícovacích bodů 30 minut ruční
Svazkové vyrovnání 5 hodin 90 % automatické, 10 % ruční volbaparametrů pro zvýšení přesnosti
DEM 45 minut automatické
Ortorektifikace 1.5 minuty automatické
Stitch me - spojení snímků domozaiky
2.18 minuty automatické
Ruční editace linií a odstraněníchyb
30 minut ruční s automatickými nástroji
Celkem 8 hodin 75 % automatické, 25 % ruční,vhodným workflow je možnédosáhnout až 90 % automatického.
[vlastní zpracování]
2.4 Dronemapper
Zpracování snímků bylo provedeno autorem projektu. V současné době má
program již svoje grafické rozhraní pro nahrání a správu dat.
3. Výsledky kalibrací
V následující tabulce je porovnání dvou provedených kalibrací s hodnotami, které
byly určeny přímo ze snímků samotnými programy. Aerogis, který použil jako vstupní
hodnoty údaje z polní kalibrace, své výsledné hodnoty poskytl v jiném kalibračním
modelu, proto nebyly do následující tabulky uvažovány. Výpočetní protokol z Icarosu
neobsahoval kalibrační parametry. V následující tabulce jsou tak uvedeny pouze hodnoty
získané vlastní kalibrací a údaje z protokolů z projektů Pix4D.
- 69 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Tabulka č. 9 : Výsledky kalibrací v porovnání s hodnotami ze zpracovatelských programů
Laboratorní Polní Pix4D (16GCP) Pix4D (10GCP)
Ohnisková vzd. 5.405703 mm 5.440419 mm 5.384703 mm 5.386654 mm
Velikost snímače 7.450114 mm 7.450114 mm 7.442200 mm 7.442200 mm
5.588000 mm 5.588000 mm 5.581650 mm 5.386654 mm
Hlavní snímkový bod3.683388 mm 3.683407 mm 0.000624 mm 0.000970 mm
2.731006 mm 2.692291 mm 0.072672 mm 0.072665 mm
Radiální d.K1 1.770e-003 1.361e-003 -5.04e-007 -4.57e-007
K2 -1.624e-005 -3.159e-006 1.04e-007 1.02e-007
K3 0 0 0 0
Tangenciální d.P1 3.514e-004 3.358e-004 -1.23e-004 -1.23e-004
P2 -5.603e-004 -8.055e-004 1.22e-005 1.11e-005
[vlastní zpracování]
4. Vyhodnocení v geografických informačních systémech
Výstupem z použitých programů byly ortofoto snímky a digitální výškové modely.
Tato data byla dále použita pro analýzy v prostředí geografických informačních systémů.
Zpracování všech dat bylo provedeno v programu ArcGis 10 v licenci ArcInfo
a tabulkovém procesoru Open Office org Calc. Souřadnicový systém pracovní plochy
modulu ArcMap byl nastaven na UTM 33. Rastr ortofoto snímku ze sw. Aerogis, který měl
zeměpisné souřadnice, byl přetransformován. Poté byla vytvořena geodatabáze pro uložení
měřených bodů. Do té byly uloženy souřadnice vlícovacích a kontrolních bodů ze všech
rastrů. Po identifikaci všech bodů a naplnění geodatabáze byly hodnoty exportovány do
tabulkového procesoru.
4.1 Ortofoto snímek
Hlavním výstupem z pořízených snímků je barevné ortofoto s parametry viz.
tabulka č. 10. Hodnota rozlišení udává nejnižší rozlišení v dané oblasti. Místa s vyšším
rozlišením byla převzorkovaná na tuto hodnotu. Zpracované ortofoto snímky jsou uvedeny
v příloze. V této kapitole budou popsány hlavní rozdíly v grafickém zpracování
- 70 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
a charakteristiky přesnosti. V tabulce č. 10 je uvedena základní charakteristika výsledných
snímků.
Tabulka č. 10 : Základní charakteristiky výsledných ortofoto snímků s 10 vlícovacími body.
Pix4D Aerogis Dronemapper Icaros
Rozlišení [cm/pix] 2.7 3 3 10
Počet použitých snímků 103 103 103 103
Rozloha [ha] 6.03 6.31 6.00 6.10
Standardní cena [euro] 240 neuvedeno 45 206[vlastní zpracování]
Z ortofoto snímků byly odečteny rovinné souřadnice UTM souřadnicového
systému. V tabulce č. 11 je porovnání souřadnicových rozdílů mezi referenčními
hodnotami, naměřenými v terénu, a souřadnicemi odměřenými na snímcích. V úvahu je
nutné brát i přesnost lokalizace středu značky. Lokalizace byla provedena s maximální
pečlivostí.
Rozbor přesnosti kontrolních bodů
Přesnost kontrolních bodů byla vypočítána pomocí tzv. kvadratického průměru –
RMS (root mean square = odmocnina průměru čtverce).
RMSX=∑1
N
Xobs−X mea2
N
chyba souřadnice X
RMSY=∑1
N
Yobs−Ymea2
N
chyba souřadnice Y
RMSZ=∑1
N
Zobs−Zmea2
N
chyba souřadnice Z
RMSXY=RMSX2RMSY
2
chyba v poloze
- 71 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
RMSXYZ=RMSXY2 RMSZ
2
chyba celková
Tabulka č. 11 : Chyby v poloze a výšce ortofoto snímků z Pix4D s různými počty GCP.
Pix4D
(GCP/CHKP) 13/3 10/6 7/9 4/12
Emax X 0.047 0.046 0.050 0.069
EmaxY 0.045 0.042 0.044 0.060
EmaxZ 0.042 0.041 0.071 0.151
RMSxy 0.039 0.039 0.039 0.052
RMSz 0.017 0.019 0.030 0.054
RMStotal 0.043 0.043 0.049 0.075[vlastní zpracování]
Obr.č. 43 : Graf vývoje chyby v poloze, výšce a celkové chyby polohy bodů
[vlastní zpracování].
V následující tabulce jsou uvedené statistické veličiny dat s deseti vlícovacími
a šesti kontrolními body, která byla zpracována ve třech různých programech. Jak je
z tabulky patrné, velikost chyby v poloze je v případě Aerogisu a Pix4D velice podobná.
- 72 -
13 10 7 40,000
0,010
0,020
0,030
0,040
0,050
0,060
0,070
0,080
RMSz
RMSxy
RMStotal
Počet vlícovacích bodů
RM
S [m
]
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Výslednou hodnotu RMS tak nejvíce ovlivňuje chyba ve výšce, která v případě sw.
Aerogis dosahuje téměř 11 mm.
Tabulka č. 12 : Chyby v poloze a výšce kontrolních bodů na zpracovaných ortofotech.
Pix4D vs Aerogis vs Icaros
Emax X EmaxY EmaxZ RMSxy RMSz RMStotal
Pix4D 6 CHKP 0.037 0.041 0.041 0.035 0.019 0.040
Aerogis 6 CHKP 0.034 0.054 0.107 0.036 0.083 0.090
Icaros 6 CHKP 0.099 0.142 - 0.101 - -[vlastní zpracování]
Vizuální porovnání ortofoto snímků
Na obrázcích č. 44 a 45 jsou ukázky rozdílnosti ve zpracování mezi sw. Aerogis
a Pix4D. Největší odchylky jsou mezi zpracováním budovy. Nevyhlazenost krajů budovy
je dána nepřesným digitálním modelem, viz. příloha. Ortofoto z Icarosu je se svým
výsledným rozlišením 10 cm/pixel daleko za ostatními programy. Není známo, zda je takto
malé rozlišení způsobeno trial licencí nebo zda se jedná o standardní zpracování. Přesto se
jedná o graficky kvalitní výstup s velmi přesným vyhodnocením budov a ostatních objektů,
které převyšují okolní terén.
- 73 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Příklady rozdílností ve zpracování
Obr.č. 44 : Ortofoto Pix4D s 10 vlícovacími body - špatně vyhodnocený okraj budovy
[vlastní zpracování].
Obr.č. 45 : Ortofoto Aerogis - správně vyhodnocený okraj budovy [vlastní zpracování].
- 74 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
4.2 Výškový model
Jedním z výstupů při tvorbě ortofoto snímku je i digitální výškový model (DEM).
DEM zobrazuje povrch terénu a vrchní plochy všech objektů na něm (střechy, koruny
stromů apod.) Každý z modelů se nepatrně lišil v oblasti, kterou pokrýval. Pro další
porovnání bylo nutné vybrat tu část, která je obsažena ve všech modelech. Byla vytvořena
polygonová vrstva, podle které byly všechny rastry oříznuty. Výstupní model ze sw.
Aerogis obsahoval mnoho pixelů, kde byly hodnoty NULL nebo mimo skutečný rámec
reálných hodnot jako např. 999999. Pro nápravu byla vytvořena maska, kde byly tyto
hodnoty reklasifikovány na hodnotu nula. Zbylým pixelům byla přiřazena hodnota 1. Touto
rastrovou maskou byl vynásoben původní rastr. Ovlivnění hodnot tímto krokem je
nezanedbatelné, protože do statistických výpočtů vstupují hodnoty 0, vzhledem k jejich
počtu je však vliv menší, než pokud by byly zachovány původní hodnoty.
Výškové modely byly vytvořeny v programu Pix4D na podkladě různého počtu
vlícovacích bodů. Poté byly porovnávány rozdíly mezi rastrem s největším počtem
vlícovacích bodů a ostatními. Využita byla funkce Raster calculator a rastry byly mezi
sebou odečteny v absolutní hodnotě. Snahou bylo zjistit, jak počet vlícovacích bodů
ovlivní přesnost a změny digitálního modelu. V závěru této kapitoly jsou mezi sebou
porovnávány i rastry vytvořené s deseti vlícovacími body vytvořené v Pix4D a Aerogis.
Rastr z Icarosu nebyl kvůli svému rozlišení 3 m použitelný.
Tabulka č. 13 : Pix4D - porovnání DEM vytvořených s různým počtem vlícovacích bodů.
Počet GCP 16-13 16-10 16-7 16-4
Max [m] 6.988 6.504 6.877 8.852
Průměr [m] 0.065 0.066 0.071 0.108
Směr. odchylka [m] 0.196 0.206 0.206 0.209[vlastní zpracování]
Z tabulky statistických údajů je zřejmé, že maximální hodnoty jsou u všech
rozdílových rastrů velice podobné. Průměrná hodnota rozdílu nabývá hodnot kolem
0.07 m, pouze v případě rozdílu rastru vytvořeném ze šestnácti vlícovacích bodů s rastrem
se čtyřmi body má hodnotu 0.108 m. Průběh vývoje průměrných rozdílů je zachycen na
následujícím grafu.
- 75 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Obr.č. 46 : Vývoj průměrné hodnoty rozdílu rastrů [vlastní zpracování].
Pro určení velikosti změn mezi modely byly udělány rastrové rozdíly. V tabulce
č. 14 jsou tyto rozdíly uvedeny. Je patrné, že s ubývajícími vlícovacími body se nezvyšuje
rozdíl průměrné hodnoty rozdílu mezi rastry. Rozdíl prudce roste až v případě rastru se
sedmi a čtyřmi vlícovacími body.
Tabulka č. 14 : Pix4D - porovnání DEM vytvořených s různým počtem vlícovacích bodů.
Počet GCP 16-13 13-10 10-7 7-4
Max [m] 6.988 8.258 6.694 8.711
Průměr [m] 0.065 0.067 0.063 0.102
Směr. odchylka [m] 0.196 0.213 0.167 0.212[vlastní zpracování]
- 76 -
Pix16-13 Pix16-10 Pix16-7 Pix16-4
0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
Rastr
prů
mě
rná
ho
dn
ota
roz
dílu
[m]
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Obr.č. 47 : Procentuální zastoupení ploch rozdílových rastrů Pix4D [vlastní zpracování].
Na obrázku č. 47 je zobrazeno rozdělení plochy rozdílových rastrů. Rastr
s nejvyšším počtem vlícovacích bodů byl brán jako výchozí. Od něj byly odečteny všechny
ostatní. Rastry byly následně reklasifikovány do jedenácti tříd vždy po deseti centimetrech.
Poslední třída obsahuje rozdíly větší než 1m. Jak je z grafu procentuálního zastoupení
patrné, nejvíce plochy rozdílových rastrů zaujímá třída s hodnotou <0-10) cm.
S ubývajícím počtem vlícovacích bodů klesá i zastoupení v ní na úkor ostatních tříd,
především třídy <10-20) cm a <20-30) cm.
Z obrázků č. 48 je patrná změna hodnoty rozdílových rastrů vypočítaném z dig. el.
modelů 16 a 13 vlícovacími body, a rastru vypočítaném z modelů 16 a 4 vlícovacích bodů,
obr. č 49. V obou případech je patrný významný rozdíl v oblasti kolem budovy a v místech
se vzrostlými stromy a keři. Zde jsou rozdíly větší než 1 m. Na obrázku je patrný nárůst
především ve třídách 0.2 m až 0.4 m v západní části území. Díky rozložení použitých
vlícovacích bodů v rastru, který byl odečítán od toho referenčního, a výsledné podobě
rozdílového rastru, je zřejmé, že v této části došlo k deformaci 3D modelu. Na ortofoto
snímku však tato defomace není vizuálně patrná. Vlícovací body, které jsou vyznačené na
obrázcích, jsou ty, které byly použity jako vlícovací u rastru, který byl od toho
nejpřesnějšího odečten.
- 77 -
0-0.1 0.1-0.2 0,2-0,3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 0.6-0.7 0.7-0.8 0.8-0.9 0.9-1 1<
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Pix16-4
Pix16-7
Pix16-10
Pix16-13
rozdíl rastrů [m]
plo
cha
[%]
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Obr.č. 48 : Rozdíl rastrů DEM Pix4D 16GCP a Pix4D 13GCP [vlastní zpracování].
Obr.č. 49 : Rozdíl rastrů DEM Pix4D 16GCP a Pix4D 4GCP [vlastní zpracování].
- 78 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Pro porovnání dat z různých sw. byl stejným způsobem reklasifikován i rastr
vytvořený v sw Aerogis. Na obr. č. 51 je rozdíl digitálního výškového modelu Aerogis
a Pix4D, oba vytvořené s použitím 10 vlícovacích bodů. Na grafu č. 50 je procentuální
zastoupení rozdílových tříd na celkové ploše rastru. Stejně jako v předešlých ukázkách tak
i na tomto rastru jsou největší hodnoty ve výškově nestejnorodých oblastech kolem budov
a vegetace. V rovinné části území je nejčetnější třída 0-0.1m rozdílu. V těchto oblastech
provádějí programy tvorbu digitálního modelu podobně.
Tabulka č. 15 : Rozdíly DEM [vlastní zpracování].
10 GCP Pix4D-Aerogis
Max [m] 220.277
Průměr [m] 0.139
Směr. odchylka [m] 0.503
Obr.č. 50 : Procentuální zastoupení ploch rozdílového rastru Pix4D 10GCP a Aerogis 10GCP
[vlastní zpracování].
- 79 -
0-0.1 0.1-0.2 0,2-0,3 0.3-0.4 0.4-0.5 0.5-0.6 0.6-0.7 0.7-0.8 0.8-0.9 0.9-1 1<
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
rozdíl rastrů [m]
plo
hca
[%]
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Obr.č. 51 : Rozdíl rastrů DEM Pix4D 10GCP a Aerogis 10GCP [vlastní zpracování].
4.3 3D model
Pokud jsou pořízené snímky dostatečně kvalitní s velkým překrytem, je možné
kromě ortofota vytvořit také 3D model. Použit byl software německé firmy ArcTron zvaný
Aspect3D. Jedná se o grafickou nadstavbu softwaru, jehož základem je Bundler. Ten je
složen z algoritmů, které vytvořil prof. Noah Snavely. Je šířen jako open source.
Některé programy, jako např. Aerogis přímo využívají systému Bundler pro
vytvoření digitálního modelu k následné ortorektifikaci snímků. Bundler dokáže na
podkladě souboru snímků rekonstruovat 3D pozici kamery v době pořízení každého
snímku. Kromě prvků vnější orientace je schopen obrazovou korelací určit také prvky
vnitřní orientace. Parametry jsou poté převzaty tzv. PMVS/CMVS (Patch-based Multi-
view Stereo Software/Clustering Views for Multi-view Stereo) algoritmy, které jsou ze
snímků schopné získat jednotlivé body objektu. Ze všech pořízených snímků, tj. 270, bylo
programem vytvořeno obarvené mračno bodů, to bylo dále zasíťováno a oříznuto.
- 80 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Výsledný model je uveden v příloze.
Na obr. č. 52 je vyrenderovaný výstup z programu s ukázkou pozic kamer v době
pořízení snímků.
Obr.č. 52 : Mračno bodů s pozicemi kamer [vlastní zpracování].
5. Zhodnocení výsledků
Přesnost v poloze v případě ortofoto snímků s deseti vlícovacími body je
srovnatelná mezi Pix4D a Aerogis. Hodnota chyby v poloze je v obou případech cca
0.035 m, pokud vezmeme v úvahu rozlišení ortofoto snímků, které je u Pix4D 2.7 cm
a u Aerogis 3 cm na pixel je chyba 1.4 pixelu, resp. 1.17 pixelu. Ve výšce je rozdíl větší.
Hodnota z Pix4D je 0.019 m, u Aerogis to je 0.083 m. Pix4D má lepší přesnost při tvorbě
digitálního modelu, na přesnosti v poloze to však nemá vliv a ani po grafické stránce, kdy
je ortofoto z Aerogisu na lepší úrovni než z Pix4D. Ortofoto snímek z programu Icaros je
po grafické stránce na velmi dobré úrovni, je však patrný ruční zásah zpracovatelů. Hlavní
rozdíl oproti zbylým programům je výsledné rozlišení, s jakým byl snímek zpracován. To
činí 10 cm. Chyba v poloze je podle měření na kontrolních bodech také 10 cm.
- 81 -
VI. VYHODNOCENÍ DAT A JEJICH PREZENTACE _________________________________________________________________________
Přesnost ortofota závisí na kvalitě a počtu vlícovacích bodů. V práci byla
porovnána přesnost bodů odměřených na snímcích s různým počtem vlícovacích bodů. Byl
potvrzen předpoklad, že s ubývajícím počtem těchto bodů klesá přesnost především ve
výšce. Polohová přesnost byla zhoršena jen při použití čtyř vlícovacích bodů.
Standardními výstupy jsou společně s ortofoto snímky také digitální výškové
modely. Ty byly také porovnávány mezi sebou. Na kontrolních bodech byl nepřesnější
model z Pix4D. Pro zjištění vývoje změn při použití různého počtu vlícovacích bodů byly
porovnávány hodnoty mezi pěti výslednými rastry z Pix4D. Ukázalo se, že podstatné
rozdíly mezi výchozím rastrem s 16 vlícovacími body jsou až při použití 7 a 4 vlícovacích
bodů. Pro zajímavost bylo provedeno zpracování v sw. Pix4D se 13 body znovu. Podle
původního výpočetního protokolu byl výpočet proveden ve verzi (Pix4UAV version
v1.11609) dne 7.4.2012, o cca měsíc později, tj. 10.5.2012 ve verzi (Pix4UAV version
v1.11707). Výsledek je překvapující s nečekaně vysokými hodnotami rozdílového rastru,
viz. příloha. Grafická podoba a především polohová přesnost však zůstala téměř
nezměněna. Digitální model z Icarosu nebyl vzhledem ke svému rozlišení 3 m do
porovnání zahrnut.
Pro ukázku dalších možností jak vyhodnotit pořízené snímky byl použit program
Aspect3D, ve kterém bylo vytvořeno mračno bodů. To bylo následně zasíťováno do 3D
modelu, viz. příloha.
- 82 -
VII. ZÁV ĚR_________________________________________________________________________
VII. ZÁV ĚR
Cílem této diplomové práce bylo ukázat možnosti využití bezpilotních prostředků
ve fotogrammetrii. V úvodu práce byly představeny základní poznatky z oblasti
bezpilotních prostředků a způsoby jejich využití. Zdrojem informací pro úvodní části této
práce byly technické dokumentace a vědecké články z výzkumných projektů světových
univerzit zabývajících se touto problematikou. Podstatná část informací byla také získána
z českých a zahraničních modelářských diskuzních fór, neboť stavba
a řízení těchto strojů s modelářstvím úzce souvisí. Cenné materiální podklady a zkušenosti
byly také získány na prvním ročníku konference o využití bezpilotních prostředků ve
fotogrammetrii, uskutečněné na podzim 2011 ve švýcarském Curychu. Při zpracování
přípravy letové mise a praktické části této práce bylo čerpáno především z osobních
zkušeností z předešlých projektů podobné tématiky.
Pro zpracování této práce byla vybrána jedna ze základních úloh fotogrammetrie,
jakou bezesporu tvorba ortofota je. Jedná se o jednu z nejkomplexnějších
fotogrammetrických úloh. Tvorba ortofoto snímku z bezpilotního prostředků není ničím
novým, ale použití multikopteru pro takto rozsáhlou plochu však podle dostupných
informací nebylo ještě publikováno. Také doposud chyběla práce, která by porovnávala
výstup z několika programů zároveň.
Bezpilotní prostředek je velice limitován svojí nosností, a proto použití lehké
neměřičské komory s sebou nese také nutnost její kalibrace, neboli určení prvků vnitřní
orientace. Kalibrace byla provedena dvojího typu, klasická, rychlá metoda pomocí
testovacího pole, a letecká kalibrace s využitím pozemních terčů rozložených na
fotbalovém hřišti. Oběma metodami byly dosaženy kvalitní výsledky.
Problematice přípravy a provedení letové mise byla věnována kapitola IV. Pro
přesné naplánování letu byl vytvořen program v Matlabu, jehož výstupem je bodová dávka
pro řídící elektroniku vrtulníku. Několik výpočetních skriptů umí po načtení
telemetrických dat z vrtulníku kromě plánování mise i její základní grafické vyhodnocení.
Zpracování pořízených dat bylo provedeno pro porovnání v několika programech.
Z uživatelského hlediska se jako nejvíce přívětivý jevý Pix4D, který díky grafickému
rozhraní na straně klienta umožňuje získat přehled o zpracování. Lokalizace měřených
- 83 -
VII. ZÁV ĚR_________________________________________________________________________
bodů je oproti jiným programům provedena ručně a ne třetí osobou. Aerogis používá více
intenzivní ostřící filtry na výslednou ortomozaiku. Výsledek je ostřejší, s vyšším
kontrastem.
Protože Pix4D umožnil díky své trial verzi několikanásobné zpracování, byl
výpočet proveden pětkrát, vždy s rozdílným počtem vlícovacích bodů. Následně byly tyto
ortofoto snímky vzájemně porovnány. Mezi další použité programy patřil Aerogis a Icaros.
V obou byla data zpracována pouze jednou a to s deseti vlícovacími body. Protože byl
během tvorby této práce navázán úzký kontakt s autorem nového projektu Dronemapper,
byly snímky zpracovány i v něm. Podle informací autora byl díky této diplomové práci
a především poskytnutým datům podstatně urychlen vývoj tohoto programu. Poskytnutá
data byla zpracována více než stokrát, dokud se výsledky kvalitativně nevyrovnaly
dosavadním programům. Protože Dronemapper zatím neumí pracovat s vlícovacími body,
nebyl do porovnání přesnosti zahrnut. Grafická kvalita je však na velmi vysoké úrovni, viz.
příloha.
Použití dat z UAV se pro potřeby mapování v krajině ukázalo jako velmi vhodné.
Oproti ostatním metodám umožňuje získání nových informací, zejména týkajících se
prostorového umístění. Při fotogrammetrickém mapování se s každým snímkem sbírají
milióny bodů, s kvantitativní informací je také získána i kvalitativní informace pro
výslednou interpretaci objektu. Díky efektivitě sběru a zpracování dat je využití
bezpilotních prostředků nesrovnatelně levnější oproti klasickému mapování při velmi
dobré přesnosti.
Práce s bezpilotním prostředkem proběhla bez větších problémů, bez havárie.
Interpretace výsledků byla provedena v prostředí geoinformačních systémů, které
představují v současné době důležitý nástroj pro zpracování dat v oblasti mapování
a územního plánování. Při práci ve vybraných programech se nevyskytly žádné problémy.
- 84 -
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________
VIII. SEZNAMY
1. Použitá literatura a prameny
[1] UAV Types. The UAV: Unmanned Aerial Vehicle [online]. [cit. 2012-03-12]. Dostupné
z: http://www.theuav.com/
[2] EVERAERTS, J. The use od unmanned aerial vehicles (UAVS) for remote sensing and
mapping. 2008.
Dostupné z: http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/congress/1_pdf/203.pdf
[3] A Short History of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Draganfly [online]. 2012 [cit.
2012-03-17]. Dostupné z: http://www.draganfly.com/news/2009/03/04/a-short-history-of-
unmanned-aerial-vehicles-uavs/
[4] VERHOEVEN, GEERTJ.J. Providing an Archaeological Bird’s-eye View – an Overall
Picture of Ground - based Means to Execute Low-altitude Aerial Photography (LAAP) in
Archaeology. 2009. DOI: 10.1002/arp. Dostupné z:
http://lbi.academia.edu/GeertVerhoeven/Papers/403479/Providing_An_Archaeological_Bir
ds-eye_View_-_an_Overall_Picture_of_Ground-based_Means_to_Execute_Low-
altitude_Aerial_Photography_LAAP_In_Archaeology
[5] Fotografie ze vzduchu. Wikipedia [online]. 2009 [cit. 2012-03-19]. Dostupné z:
http://cs.wikipedia.org/wiki/Fotografie_ze_vzduchu
[6] EISENBEISS, Henri. The Potential od Unmanned Aerial Vehicles for Mapping. 2011.
Dostupné z: http://www.ifp.uni-stuttgart.de/publications/phowo11/140Eisenbeiss.pdf
[7] ČESKOMORAVSKÁ MODELÁŘSKÁ ASOCIACE [online]. 2012 [cit. 2012-04-12].
Dostupné z: http://cmma.cz/
[8] MACEK, Pavel. Doplňující informace ÚCL k návrhu Doplňku X leteckého předpisu L
2. 2011. Dostupné z:
- 85 -
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________
http://www.volny.cz/pavel.macek/regulace/UCL_soubory/Doplnujici_informace.pdf
[9] VISINGR, Lukáš. Bezpilotní vzdušné prostředky. 2006. Dostupné z:
http://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=suicidal
%20ucav&source=web&cd=2&ved=0CCoQFjAB&url=http%3A%2F
%2Flvisingr.czweb.org%2Fstazeni%2Fatm
%2Fuav.rtf&ei=ZQVIT6TIC8HM0QXN6ZiIDg&usg=AFQjCNHZZIucCtsIiwX6pR3rURl
s7CX-PA&cad=rja
[10] SCHWARZ, David. Využití bezpilotních létajících prostředků pro telemetrické účely.
2006, roč. 5, III. Dostupné z: http://pernerscontacts.upce.cz/19_2010/Schwarz.pdf
[11] Trigger Composites Pteryx UAV. Troybuiltmodels [online]. 2012 [cit. 2012-04-22].
Dostupné z: http://www.troybuiltmodels.com/items/PTERYX-UAV.html
[12] MapKnitter: Combine aerial photos into a map [online]. [cit. 2012-04-20]. Dostupné
z: http://mapknitter.org/
[13] Vrtulník. Wikipedia [online]. 2012 [cit. 2012-04-20]. Dostupné z:http://cs.wikipedia.org/wiki/Vrtuln%C3%ADk
[14] Microdrones [online]. [cit. 2012-05-9]. Dostupné z: http://www.microdrones-
turkey.com/urun/md4-1000.html
[15] REMONDINO, F. UAV Photogrammetry for mapping and 3D modeling: Current
status and future perspectives. 2011.
Dostupné z: http://www.isprs.org/proceedings/XXXVIII/1-C22/papers/remondino.pdf
[16] Fotogrammetrie. Geodis [online]. [cit. 2012-04-25].
Dostupné z: http://www.geodis.cz/sluzby/fotogrametrie
[17] Icaros: Mapping Above & Beyond [online]. 2010 [cit. 2012-05-01].
Dostupné z: http://www.icaros.us/
- 86 -
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________
[18] Czepos: Informace o službách a produktech. [online]. [cit. 2012-04-29]. Dostupné z:
http://czepos.cuzk.cz/_servicesProducts.aspx
[19] Česká Republika. DOPLNĚK X – BEZPILOTNÍ SYSTÉMY. In: Hlava 3, ust. 3.1.12.
2008. Dostupné z:
http://lis.rlp.cz/predpisy/predpisy/dokumenty/L/L-2/data/effective/doplX.pdf
[20] Česká Republika. Směrnice SLS: Postup pro vydání povolení k létání letadla bez
pilota. In: Praha, 2012, č. 1. Dostupné z: http://www.caa.cz/file/5965
[21] EISENBEISS, Henri. UAV Photogrammetry. Curych, 2009. DISS. ETH NO. 18515.
Dostupné z: http://www.igp-data.ethz.ch/berichte/Blaue_Berichte_PDF/105.pdf. Disertační
práce. ETH Curych
[22] BLYENBURGH, Peter van. Unmanned Aircraft Systems: The Current Situation.
Dostupné z:
http://www.acrtucson.com/Presentations_n_Publications/pdf/6_UVS_International.pdf
[23] SenseFly: Autonomous flying sensors [online]. Curych, 2011 [cit. 2012-05-03].
Dostupné z: http://www.sensefly.com/
[24] Mikrokopter [online], 2011 [cit. 2012-05-03]. Dostupné z: http://www. mikrokopter.de /
[25] THAMM, H.P. Susi 62: Robust and safe parachute UAV with long flight time and
good payload. 2011. Dostupné z: http://www.isprs.org/proceedings/XXXVIII/1-
C22/papers/thamm.pdf
[26] PAVELKA, Karel. Fotogrammetrie 10. 2. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2003.
ISBN 80-01-02649-3
[27] PAVELKA, Karel. Fotogrammetrie 20. 2. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2006.
ISBN 80-01-02762-7
- 87 -
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________
[28] BOSAK, Krzystof. Secrets of Photomapping. 1st ed. Pteryx, 2011
[29] ABER, James, MARZOLFF, Irene and RIES, John. Small-Format Aerial
Photography Principles, techniques and geoscience applications. 1st ed. Amsterdam :
Elsevier Science, 2010. 268p. ISBN 0444532609
[30] GisCat: Consulting-Application-Training [online]. 09.10.2010 [cit. 2012-05-14].
Dostupné z: http://www.giscat.com/
[31] Pix4D UAV [online]. 2012, 11.5.2012 [cit. 2012-05-14].
Dostupné z: http://www.pix4d.com/
[32] Photomodeler: Measuring & Modeling the Real World [online]. 2010 [cit. 2012-03-
01]. Dostupné z: http://www.photomodeler.com/
[33] PÜSCHEL, Hannes. Set up of a photogrammetric test field for UAV-platforms. Zürich,
2009. Dostupné z:
http://www.igp.ethz.ch/photogrammetry/people/photogrammetry/people/dnovak/projects_d
avid/UAV_Testfield_klein.pdf. Master thesis. ETH Zürich.
Vedoucí práce Henri Eisenbeiss, David Novák.
[34] PERÉZ, M., AGUERA a F. CARVAJAL. Digital camera calibration using images
taken from an unmanned aerial vehicle. 2011
[35] Dronemapper: UAV Flight Tracking and Imagery Processing [online]. 2012 [cit.
2012-03-02]. Dostupné z: http://dronemapper.com/
[36] Nova: Time Line of UAVs. Nova: Science programming on air and online [online].
2002 [cit. 2012-03-16]. Dostupné z: http://www.pbs.org/wgbh/nova/spiesfly/uavs.html
[37] Photogrammetry Meets Kite Aerial Photography (KAP). The Fiducial Mark [online].
2009 [cit. 2012-04-16]. Dostupné z:
http://fiducialmark.blogspot.com/2009/03/photogrammetry-meets-kite-aerial.html
- 88 -
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________
2. Obrázky
Obr.č. 1 : Drak použitý E. D. Archibaldem. ........................................................................13Obr.č. 2 : Raketa A. Maula [A. Maul, 1904]. .....................................................................14Obr.č. 3 : Holub s fotoaparátem [Neubronner, 1903]. .........................................................14Obr.č. 4 : Uvázaný balón s kamerovým závěsem [Whittlesley, 1967]. ...............................15Obr.č. 5 : Snímkovací model letadla [Przybilla, 1979]........................................................16Obr.č. 6 : Model vrtulníku [Westr-Ebbinghaus, 1980].........................................................16Obr.č. 7 : Struktura Doplňku X [20].....................................................................................22Obr.č. 8 : Pteryx UAV [11]. Obr.č. 9 : Swinglet CAM [23]............................................27Obr.č. 10 : Zpravodajská vzducholoď Skive [vlastní foto]..................................................28Obr.č. 11 : Detail gondoly s kamerou [vlastní foto]............................................................28Obr.č. 12 : Drak využitý pro fot. Dokumentaci. Obr.č. 13 : Detail stabilizovanéhozávěsu...................................................................................................................................30Obr.č. 14 : Paraglide Susi [vlastní foto]. Obr.č. 15 : Susi: gondola s kamerou [vlastnífoto]......................................................................................................................................31Obr.č. 16 : Survey Copter [33].............................................................................................32Obr.č. 17 : Quadro kopter [24]. Obr.č. 18 : Hexa kopter [24]..........................................33Obr.č. 19 : Microdrone MD4-200 [14]. Obr.č. 20 : AscTec Falcon 8 [vlastní foto]...............................................................................................................................................34Obr.č. 21 : Elektronika Mikrokopter, Flight Ctrl, Navi Ctrl, MK-GPS [24]........................36Obr.č. 22 : Hexakopter s dálkovým ovládáním [vlastní zpracování]...................................37Obr.č. 23 : Teoretický výpočet letového času modelu [vlastní zpracování].........................39 Obr.č. 24 : Schéma snímkovacího letu [vlastní zpracování]...............................................41Obr.č. 25 : Ukázka rozmístění snímků při automatickém a manuálním letu [Forestrydepartment Mecklenburg-Western Pormania]......................................................................42Obr.č. 26 : Závislost času mezi pořízením dvou snímků na letové výšce při 80 % překrytua rychlosti 3 m/s [vlastní zpracování]...................................................................................46Obr.č. 27 : Hodnota překrytu dvou snímků v dané výšce při rychlosti 3m/s.......................46Obr.č. 28 : Kalibrační pole s kódovými značkami [vlastní foto].........................................53 Obr.č. 29 : Schéma kódového terče [vlastní zpracování]...................................................54Obr.č. 30 : Viditelnost terčů při letové výšce 30, 40 a 50 metrů [vlastní foto]....................54Obr.č. 31 : Kalibrační terče [vlastní foto].............................................................................55Obr.č. 32 : Photomodeler - pozice kamer [vlastní zpracování]............................................55Obr.č. 33 : Letecké kalibrační pole [vlastní foto].................................................................56Obr.č. 34 : Zájmové území na dostupném ortofotu ČÚZK [ČÚZK]...................................59Obr.č. 35 : Ukázková trajektorie letové mise [vlastní zpracování]......................................60Obr.č. 36 : Trajektorie jedné letové mise načtená v sw. MKTool [vlastní zpracování]........61Obr.č. 37 : Průběh letové mise na sw. MK OSD, se kterým je model online spojen...........62Obr.č. 38 : Přibližné středy snímků a umístění měřených bodů [vlastní zpracování]..........64Obr.č. 39 : Skutečná vs. plánovaná trajektorie mise [vlastní zpracování]............................65Obr.č. 40 : Skutečná vs. plánovaná trajektorie mise, pohled zhora [vlastní zpracování].....66Obr.č. 41 : Pix4D, grafické okno programu [vlastní zpracování]........................................67Obr.č. 42 : Pix4D, identifikace vlícovacích bodů [vlastní zpracování]................................67Obr.č. 43 : Graf vývoje chyby v poloze, výšce a celkové chyby polohy bodů....................72Obr.č. 44 : Ortofoto Pix4D s 10 vlícovacími body - špatně vyhodnocený okraj budovy....74Obr.č. 45 : Ortofoto Aerogis-správně vyhodnocený okraj budovy [vlastní zpracování].....74
- 89 -
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________
Obr.č. 46 : Vývoj průměrné hodnoty rozdílu rastrů [vlastní zpracování]...........................76Obr.č. 47 : Procentuální zastoupení ploch rozdílových rastrů Pix4D [vlastní zpracování]..77Obr.č. 48 : Rozdíl rastrů DEM Pix4D 16GCP a Pix4D 13GCP [vlastní zpracování].........78Obr.č. 49 : Rozdíl rastrů DEM Pix4D 16GCP a Pix4D 4GCP [vlastní zpracování]...........78Obr.č. 50 : Procentuální zastoupení ploch rozdílového rastru Pix4D 10GCP a Aerogis10GCP..................................................................................................................................79Obr.č. 51 : Rozdíl rastrů DEM Pix4D 10GCP a Aerogis 10GCP [vlastní zpracování].......80 Obr.č. 52 : Mračno bodů s pozicemi kamer [vlastní zpracování].......................................81
3. Tabulky
Tabulka č. 1 : Porovnání letecké, blízké a UAV fotogrammetrie [6].................................19Tabulka č. 2 : Rozdělení UAV [21].....................................................................................25Tabulka č. 3 : Třídení UAV podle velikosti a dalších letových parametrů [22]..................25Tabulka č. 4 : Letový čas v závislosti na velikosti zátěže [vlastní zpracování]..................39Tabulka č. 5 : Nejdelší možný expoziční čas v závislosti na rozlišení při rychlosti 3 m/s..45Tabulka č. 6 : Výsledky kalibrací [vlastní zpracování].......................................................57Tabulka č. 7 : Přesnost kalibračního projektu [vlastní zpracování].....................................57Tabulka č. 8 : Výsledky kalibrací v porovnání s hodnotami ze zpracovatelskýchprogramů .............................................................................................................................69Tabulka č. 9 : Výsledky kalibrací v porovnání s hodnotami ze zpracovatelských programů ..............................................................................................................................................70Tabulka č. 10 : Základní charakteristiky výsledných ortofoto snímků s 10 vlícovacímibody......................................................................................................................................71Tabulka č. 11 : Chyby v poloze a výšce ortofoto snímků z Pix4D s různými počty GCP.. .72Tabulka č. 12 : Chyby v poloze a výšce kontrolních bodů na zpracovaných ortofotech... .73Tabulka č. 13 : Pix4D - porovnání DEM vytvořených s různým počtem vlícovacích bodů...............................................................................................................................................75Tabulka č. 14 : Pix4D - porovnání DEM vytvořených s různým počtem vlícovacích bodů. ..............................................................................................................................................76Tabulka č. 15 : Rozdíly DEM [vlastní zpracování].............................................................79
- 90 -
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________
4. Přílohy
Příloha č. 1 : Rozdíl DEM ...................................................................................................92Příloha č. 2 : Porovnání digitálních modelů v oblasti kolem zemědělské budovy [vlastnízpracování]...........................................................................................................................93Příloha č. 3 : Porovnání ortofoto snímků: 1. Pix4D, 2. Aerogis, 3. Dronemapper, 4. Icaros[vlastní zpracování]..............................................................................................................94Příloha č. 4 : Ortofoto snímek, Aerogis 10 GCP..................................................................95Příloha č. 5 : Ortofoto snímek, Pix4 10 GCP.......................................................................96Příloha č. 6 : Ortofoto snímek, Dronemapper .....................................................................97Příloha č. 7 : Ortofoto snímek, Icaros..................................................................................98Příloha č. 8 : Digitální model povrchu, Dronemapper ........................................................99Příloha č. 9 : 3D model (Aspect3D)...................................................................................100Příloha č. 10 : Přehled různé konfigurace vlícovacích bodů během zpracování v programuPix4D..................................................................................................................................101Příloha č. 11 : Ukázka bodové dávky letové mise a letových parametrů...........................102Příloha č. 12 : Měřené body...............................................................................................103
- 91 -
VIII. SEZNAMY
Příloha č. 1 : Rozdíl DEM
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 2 : Porovnání digitálních modelů v oblasti kolem zemědělské budovy [vlastní zpracování]
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 3 : Porovnání ortofoto snímků: 1. Pix4D, 2. Aerogis, 3. Dronemapper, 4. Icaros [vlastní zpracování]
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 4 : Ortofoto snímek, Aerogis 10 GCP
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 5 : Ortofoto snímek, Pix4 10 GCP
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 6 : Ortofoto snímek, Dronemapper
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 7 : Ortofoto snímek, Icaros
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 8 : Digitální model povrchu, Dronemapper
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 9 : 3D model (Aspect3D)
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 10 : Přehled různé konfigurace vlícovacích bodů během zpracování v programu Pix4D
VIII. SEZNAMY
Příloha č. 11 : Ukázka bodové dávky letové mise a letových parametrů
[General]
FileVersion=2NumberOfWaypoints=30UsePOI=0POI_CAM_NICK_CTRL=0[POI]Altitude=15Latitude=50.2782619Longitude=14.3756938[Waypoint1]Latitude=50.291937Longitude=14.367955Radius=3Altitude= 75ClimbRate=30DelayTime=7WP_Event_Channel_Value=100Heading= 86[Waypoint2]Latitude=50.291952Longitude=14.368161Radius=3Altitude= 75ClimbRate=30DelayTime=7WP_Event_Channel_Value=100Heading= 86
PROTOKOL MISE
=========================
Fotoaparat=Canon S100Podelny prekryt= 80 Pricny prekryt= 60 Letova vyska= 75m Rozliseni= 2.6 cm/px Delka uzemi= 147.72m Sirka uzemi= 61.42m Delka uzemi z jednoho snimku= 78.00m Sirka uzemi z jednoho snimku= 104.00m Pocet waypointu celkem= 33 Max pocet waypointu pro MK= 30 Podelna vzdalenost mezi stredy snimku= 15.6mPricna vdalenost mezi stredy snimku= 41.6m
VIII. SEZNAMY_________________________________________________________________________________________________________________________
Příloha č. 12 : Měřené body
Číslo body Latitude Longitude H RMS sat Pdop h RMS v RMS1 50,29211802 14,36848675 215,519 0,0056 9 1,720 0,003 0,0052 50,29216802 14,36884294 215,664 0,0064 9 1,718 0,004 0,0053 50,29203587 14,36972136 216,170 0,0066 8 1,980 0,004 0,0064 50,29185330 14,36875489 215,871 0,0073 8 2,167 0,004 0,0065 50,29186591 14,36927392 215,927 0,0069 7 2,175 0,004 0,0066 50,29186576 14,36956104 215,956 0,0073 7 2,176 0,004 0,0067 50,29138037 14,36867827 215,704 0,0054 11 1,600 0,003 0,0048 50,29136450 14,36920863 215,803 0,0076 11 1,507 0,005 0,0069 50,29145916 14,36960029 215,755 0,0050 11 1,639 0,003 0,00411 50,29123576 14,37004673 213,494 0,0057 9 1,712 0,003 0,00512 50,29194529 14,37033323 215,557 0,0084 9 1,712 0,005 0,00713 50,29171556 14,36828602 216,024 0,0056 9 1,868 0,003 0,00515 50,29214329 14,36930158 216,658 0,0067 9 1,794 0,004 0,00616 50,29183042 14,37090666 210,835 0,0072 9 1,710 0,004 0,00620 50,29162230 14,36987978 215,667 0,0065 10 1,567 0,004 0,00522 50,29158371 14,37004923 215,988 0,0064 10 1,567 0,004 0,005