Dlaczego fotogrametria z powietrza jest najlepszą techniką dla pomiarów geodezyjnych?

Nawet najbardziej początkujący użytkownik wie, że drony mogą być używane do robienia zdjęć. Dostępność fotografii lotniczej z drona doprowadziła do ich wykorzystania w wielu sektorach i pozwoliła na uzyskanie niesamowitych obrazów. Ale czy są one wystarczająco dobre dla Twoich następnych projektów geodezyjnych?

Prawda jest taka, że zdjęcia lotnicze same w sobie nie są w stanie zapewnić miarodajnych obrazów cyfrowych potrzebnych do pomiarów. Do tego niezbędna jest fotogrametria.

Na czym polega fotografia lotnicza?

Fotografia lotnicza opisuje każdy obraz fotograficzny wykonany za pomocą urządzenia znajdującego się w powietrzu. Oprócz bezzałogowych statków powietrznych (UAV), takich jak drony, zdjęcia lotnicze mogą być wykonywane z samolotu lub helikoptera. Zdjęcia lotnicze są jedną z bardziej powszechnych form teledetekcji, czyli pomiaru cech miejsca z odległości, zgodnie z United States Geological Survey.

Obrazy fotograficzne należą do najbardziej przyjaznych dla użytkownika sposobów udostępniania danych i mają praktyczne zastosowanie w wielu branżach. Nie są one jednak zbyt dokładne bez umieszczenia ich w modelu fotogrametrycznym i nie są zalecane do prac geodezyjnych.

Rodzaje fotografii lotniczej

Chociaż definicja fotografii lotniczej jest szeroka, obrazy zazwyczaj mieszczą się w kategorii zdjęć wykonywanych pionowo lub pod kątem.

Zdjęcia wertykalne są wykonywane z powietrza bezpośrednio nad obiektem. Ze względu na ustawienie prosto w dół, zdjęcia pionowe mają ograniczone problemy z perspektywą, które mogłyby utrudnić zbieranie danych. Zdjęcia pionowe mogą być również wykonywane z większych wysokości niż te wykonane pod kątem co znacznie ułatwia porównywanie fotografii różnych obszarów wykonanych z tych samych wysokości.

Zdjęcia ukośne są natomiast wykonywane ręcznie pod kątem, często około 45 stopni, ale można je dostosować w zależności od obiektu. Ponieważ nie oferują one prostej perspektywy w dół, zdjęcia ukośne są zazwyczaj wykonywane tylko z niższych wysokości, co ogranicza ich zastosowanie w większych projektach geodezyjnych i ostatecznie czyni je najlepszymi tylko dla unikalnie ukształtowanych elementów, które nie mogą być dokładnie uchwycone za pomocą obrazu pionowego. Niektóre z najczęstszych zastosowań zdjęć ukośnych to archeologia i pewne projekty z zakresu nauk środowiskowych.

Różnice między zdjęciami lotniczymi, a fotografią satelitarną

Zdjęcia lotnicze różnią się od zdjęć satelitarnych, na dodatek te dwa pojęcia są ze sobą często mylone. Zdjęcia lotnicze mogą być wykonywane przez wiele rodzajów urządzeń, w tym drony, i na dowolnej wysokości w powietrzu. Aby zdjęcie mogło być uznane za zdjęcie satelitarne, musi pochodzić z urządzenia, które krąży wokół Ziemi. Z tego powodu zdjęcia satelitarne są rzadko wykorzystywane w sektorze prywatnym i najczęściej służą do badań naukowych i monitorowania pogody.

Podczas gdy zarówno zdjęcia lotnicze, jak i satelitarne są uważane za formy teledetekcji, satelity mają kilka dodatkowych zastosowań dzięki ich unikalnemu umiejscowieniu daleko nad planetą, takich jak identyfikacja zmian temperatury. Oczywiście, zdjęcia satelitarne mają również ograniczone zastosowanie praktyczne w projektach, które koncentrują się na mniejszym obszarze lub wymagają niezwykle szczegółowego obrazowania.

Ograniczenia fotografii lotniczej

Zdjęcia lotnicze od dawna stanowią istotną część wielu form badań naukowych, a ich komercyjne zastosowanie wzrosło wraz z postępem technologicznym i obniżeniem cen wysokiej jakości kamer i dronów. Jednakże, ograniczenia tego rodzaju fotografii sprawiły, że stały się one niewystarczające do wykorzystania w celach geodezyjnych.

Podczas gdy fotografia lotnicza jest świetna do tworzenia wizualnej reprezentacji obszaru, to jednak nie zapewnia dokładności niezbędnej do nanoszenia dokładnych współrzędnych, co jest wymagane do przeprowadzania pomiarów. Według Encyklopedii Britannica, nawet w przypadku pionowego zdjęcia lotniczego, współrzędne mogą być przesunięte lub zniekształcone. Pionowe zdjęcia lotnicze nie dostarczają również dokładnych informacji o topografii i głębokości, co sprawia, że w pełni wiarygodne pomiary stają się wyzwaniem. Nawet w pełni pionowe fotografie będą miały te problemy. Z tego powodu samo zdjęcie lotnicze wystarczy tylko wtedy, gdy nie ma potrzeby zbierania szczegółowych pomiarów.

Aby stworzyć mapy gotowe do pomiarów, musisz dodać możliwości oferowane przez fotogrametrię lub inną technikę pozyskiwania danych, taką jak LiDAR lub czujnik multispektralny.

• 

• 

Czym jest fotogrametria lotnicza?

Fotografia lotnicza może być wykorzystywana do wykonywania obrazów z powietrza i uzyskania ogólnego obrazu terenu, jednak nie zapewnia ona precyzji niezbędnej dla większości prac geodezyjnych i nie pokazuje topografii. Do tego celu potrzebna jest fotogrametria.

Fotogrametria polega na wykonaniu wielu zdjęć danego obiektu i wykorzystaniu ich do stworzenia cyfrowych modeli 2D lub 3D o wysokiej rozdzielczości, z których można wyprowadzić dokładne pomiary. W zależności od zakresu projektu, model wykonany za pomocą fotogrametrii może wymagać od kilkuset do kilku tysięcy oddzielnych zdjęć.

Podstawowe zasady fotogrametrii, takie jak wykorzystanie wielu perspektyw lub „linii horyzontu” do umiejscowienia współrzędnych, zostały po raz pierwszy opracowane ponad 150 lat temu, według GIS Lounge. Jednak forma modelowania osiągnęła nowe poziomy dostępności i wykorzystania dzięki obrazowaniu cyfrowemu i technologii lotniczej, takiej jak drony. Przed pojawieniem się fotografii lotniczej, geodeci używali sprzętu takiego jak kompasy magnetyczne, barometry, stoły kreślarskie i taśmy do określania topografii, zgodnie z Penn State University.

Obecnie fotogrametria może być wykonywana za pomocą różnych urządzeń, w tym dronów, samolotów i helikopterów. Jednak dzięki postępowi technologicznemu i niższej cenie, drony stały się preferowanym sprzętem dla wielu geodetów.

Rodzaje fotogrametrii lotniczej

Fotogrametrię można ogólnie podzielić na dwie kategorie: fotogrametrię metryczną i fotogrametrię interpretacyjną. Fotogrametria metryczna wykorzystuje punkty współrzędnych na obiektach, aby zobrazować obiekt z niemal dokładnym odwzorowaniem. Fotogrametria interpretacyjna natomiast wykonuje zdjęcie i dodaje topografię używając wskaźników, takich jak kształty, cienie i wzory przedstawione na obrazie, a nie współrzędne. Podczas gdy fotogrametria metryczna jest bardziej precyzyjna, fotogrametria interpretacyjna jest wystarczająca w wielu sytuacjach. W obu przypadkach, program komputerowy jest używany do łączenia obrazów i tworzenia dokładnego modelu 3D.

Zastosowania fotogrametrii lotniczej

Ostatecznie fotogrametria lotnicza jest szczególnie korzystna dla geodetów w porównaniu do technik naziemnych, niezależnie od branży. Fotogrametria lotnicza dostarcza więcej danych w krótszym czasie i pozwala geodetom omijać niebezpieczne obszary, jednocześnie zbierając potrzebne informacje. Rezultatem są często większe oszczędności dla firm. Ponadto, ponieważ fotogrametria opiera się na obrazach cyfrowych, może być wykorzystywana do tworzenia modeli 3D, które są realistyczne i łatwo rozpoznawalne, co ułatwia ich wykorzystanie przez różne podmioty.

Różnica pomiędzy fotogrametrią a metodą pomiaru LiDAR

Należy podkreślić, że fotogrametria różni się od LiDAR (ang. light detection and ranging). Podczas gdy fotogrametria opiera się na identyfikacji współrzędnych w celu uzyskania dokładnego obrazu 3D, metoda pomiaru LiDAR buduje topografię, mierząc czas, jaki fala świetlna potrzebuje na odbicie się od ziemi i powrót do drona. Nowe urządzenia DJI Zenmuse P1 i DJI Zenmuse L1 stają się najbardziej wydajnymi rozwiązaniami w przemyśle dronów przemysłowych, dedykowanymi dla specjalistów zajmujących się geodezją i projektowaniem oraz branżą budowlaną.

To, czy wykorzystasz fotogrametrię lub LiDAR, zależy od projektu. LiDAR jest idealny dla miejsc pracy z niespójnym oświetleniem, które mogłoby wpłynąć na jakość obrazu fotograficznego. Geodeci pracujący w obszarze o dużym pokryciu roślinnością mogą również preferować LiDAR, ponieważ przenika on przez liście, gałęzie i drzewa. Inne zastosowania mogą obejmować projekty zależne od ultracienkich elementów, takich jak linie energetyczne. Ostatecznie jednak, obie techniki mogą być wykorzystane do budowy funkcjonalnych, łatwych do zastosowania modeli 3D.

Wielkość piksela terenowego (GSD) w fotografii lotniczej i fotogrametrii

Aby poprawnie przeskalować zdjęcie lotnicze i wykorzystać je do modelowania fotogrametrycznego, należy wielkość piksela terenowego od podłoża. Technika pomiarowa GSD opisuje rzeczywistą odległość pomiędzy środkami dwóch kolejnych pikseli na obrazie. Innymi słowy, jeśli GSD jest obliczona jako jeden metr, oznacza to, że każdy piksel na mapie odpowiada tej odległości. Zarówno zdjęcia lotnicze, jak i fotogrametria wymagają dokładnego GSD, ponieważ mapy fotogrametryczne są również wykonywane z wielu obrazów cyfrowych.

Projekty o większej skali będą wymagały większej wartości GSD, co oznacza, że ogólna mapa będzie mniej szczegółowa. Z kolei aby uzyskać jak najmniejszy rozmiar piksela terenowego, a co za tym idzie, najlepszą dokładność, musimy przeprowadzić nalot na najniższej wysokości. Wielu geodetów, według Aerial Survey Base, wybierze zarówno docelową jak i minimalną wartość GSD. Pozwoli to na wykorzystanie obrazów z niewielkimi różnicami GSD, co jest spowodowane różnicami w ukształtowaniu terenu. Dopuszczenie szerokiego zakresu pomiędzy wartością docelową a minimalną może pozwolić na wykorzystanie większej ilości zdjęć, co jest szczególnie powszechne w fotogrametrii lotniczej, ale wymaga większych mocy obliczeniowych ze względu na ilość danych.

Aby obliczyć wielkość piksela terenowego (GSD), musisz znać następujące parametry swojego drona:

• wysokość i szerokość sensora;
• wysokość i szerokość obrazu;
• długość ogniskowej;
• wysokość lotu.

Każda z tych liczb powinna być łatwa do znalezienia, w zależności od marki Twojego drona. Następnie, GSD można znaleźć za pomocą kalkulatora online lub wpisując liczby do równania.

W jaki sposób drony ułatwiają fotogrametrię lotniczą?

Wykorzystanie fotogrametrii dronowej w porównaniu z klasycznymi technikami pomiarów naziemnych pozwala zaoszczędzić sporo czasu i pieniędzy. Oznacza to, że drony mapujące są opłacalną inwestycją zarówno dla geodetów, jak i osób, które ich zatrudniają. Aby dron nadawał się do fotogrametrii, musi również być w stanie wykonywać zdjęcia lotnicze, ponieważ obrazy fotograficzne są podstawą tej techniki.

Jeśli potrzebujesz mapowania nowej generacji to Matrice 300 RTK jest dla Ciebie najlepszym rozwiązaniem. Dron ten łączy w sobie przemyślane rozwiązania z wysoką wydajnością, w tym sześć kierunkowych czujników z optycznym systemem pozycjonowania i omijania przeszkód oraz możliwość lotu z trzema payloadami jednocześnie.
Oprócz wyboru drona z odpowiednimi możliwościami, geodeci chcący korzystać z fotogrametrii będą również potrzebować intuicyjnego oprogramowania do mapowania dronów, takiego jak DJI Terra lub Pix4D. Niezależnie od tego, czy potrzebujesz mapy 2D czy 3D, oprogramowania te są kompleksowym rozwiązaniem do mapowania dronem, za pomocą których możesz przetwarzać dane i generować dokładne obrazy znacząco usprawniając pomiary geodezyjne.

Chociaż fotografia lotnicza zrewolucjonizowała prowadzenie badań naukowych i mapowanie to przetwarzanie obrazów fotogrametrycznych jest niezbędne przy tworzeniu dokładnych modeli 2D i 3D z precyzyjnymi współrzędnymi. Zrozumieniem tej techniki przy użyciu narzędzi DJI sprawi, że sprostasz każdemu zadaniu.