Drony skutecznie zastępują klasyczne metody pomiarowe

Technologia dronów przeszła bardzo długą drogę w ciągu ostatnich kilku lat. Niegdyś uważane za gadżet, a nie specjalistyczny sprzęt, drony geodezyjne obecnie tworzą nową jakość w technikach pomiarowych wykorzystując metody fotogrametryczne do tworzenia map w rekordowo krótkim czasie.

Zastanawiasz się, czy dron fotogrametryczny to właściwa inwestycja dla Twojej firmy geodezyjnej? Zapoznaj się z naszym artykułem i przekonaj się, w jaki sposób ta technologia pomoże Tobie zaoszczędzić czas, nakład pracy i ostatecznie pieniądze, a wszystko to bez utraty dokładności pomiarów.

Co to jest fotogrametria lotnicza?

Aby zrozumieć, jak drony mogą być wykorzystywane w geodezji, przypomnijmy sobie szybko o fotogrametrii lotniczej. Polega ona na wykonywaniu wielu zdjęć lotniczych danego obiektu i wykorzystaniu ich do stworzenia cyfrowych modeli 2D lub 3D o wysokiej rozdzielczości, z których można odczytać dokładne dane pomiarowe. Zadanie to można realizować za pomocą specjalistycznego oprogramowania do mapowania, które szuka wspólnych cech w zdjęciach i wykorzystuje je do ich łączenia w sposób, który oferuje dokładne odwzorowanie przestrzeni. Zazwyczaj jest to punkt współrzędnych, ale dokładna wspólna cecha może się różnić w zależności od rodzaju fotogrametrii (więcej na ten temat później). W zależności od zakresu projektu, model wykonany za pomocą fotogrametrii może wymagać od kilkuset do kilku tysięcy oddzielnych zdjęć.

Warto zauważyć, że pojedyncze zdjęcie lotnicze nie może być wykorzystane jako mapa fotogrametryczna, ponieważ nie zostały uwzględnione takie kwestie jak perspektywa i zniekształcenia. Chociaż zdjęcia lotnicze są świetne do celów fotograficznych i filmowych to dla zapewnienia dokładności potrzebne są zdjęcia pod wieloma kątami.

Zazwyczaj najbardziej opłacalnym sposobem na uchwycenie wszystkich tych zdjęć lotniczych, których potrzebujesz, jest użycie bezzałogowego statku powietrznego (UAV), takiego jak dron. Zastosowanie samolotów i helikopterów jest również możliwe, ale te opcje są zwykle bardziej kosztowne.

Jedną z kluczowych zalet fotogrametrycznych zdjęć lotniczych jest to, że mogą być one wykorzystane do tworzenia wielu rodzajów map. W zależności od rodzaju posiadanego oprogramowania do fotogrametrii, możliwe jest tworzenie różnorodnych materiałów wyjściowych, takich jak ortomozaika, trójwymiarowe modele chmur punktów, cyfrowe modele powierzchniowe i inne. Pozostałe rodzaje map wykorzystujące impulsy światła do pomiaru topografii, takie jak LiDAR, wymagają zastosowania oddzielnego payloadu w postaci skanera.

Rodzaje fotogrametrii lotniczej

Fotogrametria może być zasadniczo podzielona na dwie kategorie:

• Fotogrametria metryczna: Metoda ta wykorzystuje punkty współrzędnych na obiektach, aby zobrazować obiekt z niemal dokładnymi pomiarami. Mapy mogą być następnie budowane w oparciu o położenie współrzędnych względem siebie. Współrzędne te są zwykle fizycznie ustalane za pomocą tzw. punktów kontrolnych.
• Fotogrametria interpretacyjna: Zamiast konkretnych współrzędnych, wykonuje się zdjęcie i dodaje do niego topografię, patrząc na parametry, takie jak kształty, cienie i wzory przedstawione na obrazie.

Każdy ze stylów fotogrametrii może być wykorzystywany do pomiarów geodezyjnych, w zależności od specyfiki pracy i wymaganej dbałości o szczegóły. Ogólnie rzecz biorąc, fotogrametria metryczna jest jednak bardziej precyzyjna i zalecana do prac geodezyjnych wymagających centymetrowej dokładności. Oba style opierają się na specjalistycznym oprogramowaniu do tworzenia map fotogrametrycznych.

Fotogrametria dronowa a klasyczne pomiary naziemne

Pomimo postępu technologicznego, geodezja naziemna nadal stanowi wyzwanie i jest skomplikowana. Tradycyjnie, aby uzyskać wysokiej rozdzielczości dane przestrzenne dotyczące topografii powierzchni ziemi, geodeci korzystają z takich narzędzi jak tachimetry, odbiorniki GPS i naziemne skanery laserowe. Może to wymagać dużego nakładu czasu i pracy, co zwiększa koszty projektów geodezyjnych i odciąga pracowników od innych zadań. W niektórych przypadkach pomiary naziemne mogą być nawet niebezpieczne dla pracowników, szczególnie w przypadku pracy przy urwiskach.

Fotogrametryczne mapowanie z dronów pozwala geodetom osiągnąć więcej w krótszym czasie. Prace geodezyjne, które zazwyczaj trwałyby tygodniami, mogą być ukończone w ciągu kilku dni przy użyciu dronów. W związku z tym, użycie dronów może okazać się znacznie tańsze w przypadku wielu projektów.

Ponieważ drony mogą być rozmieszczone szybko, praktycznie wszędzie, ich użycie eliminuje potrzebę wysyłania ekip geodezyjnych w niebezpieczne obszary, takie jak dachy, krawędzie, drogi, niestabilna gleba i strome nasypy. Nawet trudnodostępne obiekty, takie jak wieże telefonii komórkowej i wierzchołki drzew, mogą być łatwo odwzorowane przy użyciu dronów.

Faktyczna dokładność fotogrametrii dronowej

Podczas gdy każda z wymienionych powyżej zalet dotyczy potencjału drona w zakresie skrócenia czasu realizacji projektu, zmniejszenia niebezpieczeństwa i kosztów, istnieje jeszcze jeden bardzo ważny czynnik, który należy rozważyć: Czy pomiary dronem są tak dokładne jak tradycyjne metody naziemne?

Według jednego z ostatnich badań opublikowanych w Journal of Unmanned Vehicle Systems, dron wyposażony w najnowocześniejsze rozwiązania pozwalające na precyzyjne przetwarzanie danych, jest wystarczająco dokładny, aby uzupełnić lub zastąpić naziemne metody pomiarowe w wielu zastosowaniach – twierdzą naukowcy.

Aby potwierdzić swoją hipotezę, badacze siedmiokrotnie wykonali triangulację terenu kościoła o powierzchni 4 akrów, używając drona DJI Inspire 2 wyposażonego w wysoce precyzyjny system PPK GNSS oraz kamerę Zenmuse X4S. Teren zawierał zarówno gładkie powierzchnie, które jak wiadomo są dobrze modelowane przez drony (parkingi, pola i dachy), jak i elementy, które trudno odwzorować przez fotogrametrię lotniczą (ściany, przewody elektryczne i podłoże z roślinnością). Naukowcy wykorzystali dane z par obrazów stereo, aby uzupełnić brakujące lub zniekształcone elementy. Zespół otrzymał 23 dobrze rozmieszczone punkty kontrolne, a więc wystarczającą ilość danych do sporządzenia miarodajnych statystyk.

Zbieranie danych z powietrza trwało pół dnia w terenie, a kolejne półtora dnia zajęła obróbka danych. Natomiast konwencjonalne pomiary geodezyjne i obróbka danych zajęły trzy dni.

Przy zaledwie 2 cm marginesie średniej kwadratowej błędów (RMSE), mapowanie dronem okazało się być konsekwentnie i wystarczająco dokładne, aby wykorzystać je do wielu zastosowań typowych dla geodezji naziemnej. Badacze zaobserwowali również, że dokładność poprawiła się, gdy dron leciał na niższej wysokości. Gdyby był to typowy projekt geodezyjny, użycie dronów przyniosłoby 33% oszczędności czasu i 58% oszczędności kosztów.

Naukowcy zbadali ekonomiczny aspekt mapowania za pomocą drona, przeprowadzając pomiary dachów z myślą o instalacji paneli słonecznych. Zespół zebrał dane z powietrza na trzech dachach sklepów spożywczych, o powierzchni od 3 do 7 akrów, w ciągu jednego dnia. Bez konieczności umieszczania pracowników na dachu, wszystkie elementy zostały uchwycone w stereo, w tym przewody gazowe, wywietrzniki dachowe, jednostki HVAC, świetliki i panele elektryczne. Podczas gdy konwencjonalne pomiary naziemne zajęłyby 12 dni od rozpoczęcia projektu do ostatecznego dostarczenia, pomiar z drona zajął tylko 7 dni – co oznacza 41 % oszczędność kosztów i 58 % oszczędność czasu.

W innym przykładzie, zespół zebrał dane lotnicze do pełnego badania topograficzno-animetrycznego pola golfowego o powierzchni 260 akrów w ciągu jednego dnia. Gdyby zastosowano klasyczne metody, trzy ekipy terenowe potrzebowałyby 30 dni na zebranie tych danych, co doprowadziłoby do znacznych przestojów na polu golfowym. Niektóre silnie porośnięte obszary pola wymagały konwencjonalnych pomiarów, ale dron był w stanie odwzorować wiele częściowo zasłoniętych miejsc za pomocą kompilacji stereo, wybierając odpowiedni model stereo. W efekcie cały teren został zmapowany w 15 dni, co pozwoliło zaoszczędzić 75% kosztów i 50% czasu.

Czy zatem drony można nazwać dokładnymi, skutecznymi narzędziami do pomiarów geodezyjnych? Odpowiedź brzmi: zdecydowanie tak. Co więcej, badanie Journal of Unmanned Vehicle Systems jasno pokazuje potencjał tej technologii w zakresie oszczędności kosztów i czasu, co nie powinno umknąć uwadze geodetów.

Inne zastosowania fotogrametrii dronowej

Drony mogą mieć ogromny wpływ na projekty geodezyjne, potencjalnie skracając pracę o całe dni. Geodezja nie jest jednak jedyną dziedziną, w której fotogrametria z wykorzystaniem dronów ma przełomowy wpływ. Do innych obszarów można zaliczyć:

• Budownictwo: Pomiary geodezyjne z wykorzystaniem fotogrametrii mogą ujawnić informacje na temat terenu, na którym ma powstać budynek. Ponadto, modelowanie lotnicze z wykorzystaniem dronów może pomóc w ogólnym zarządzaniu projektem budowlanym.
• Rynek nieruchomości: Pośrednicy używają dronów do tworzenia dokładnych modeli 3D domów na sprzedaż i wirtualnych wycieczek. Technika ta zyskała na popularności w wyniku pandemii wirusa COVID-19.
• Inżynieria: Inżynierowie mogą wykorzystać zdjęcia fotogrametryczne do stworzenia trójwymiarowego modelu zarówno budynków, jak i urządzeń.
• Energetyka: Firmy naftowe i gazowe używają dronów do monitorowania obszarów wokół rurociągów pod kątem zmian środowiskowych w perspektywie czasu. Pomiary gruntów są również powszechnie stosowane w tym sektorze.

Drony są wykorzystywane w niemal każdej branży, która ceni sobie dokładne pomiary.

Dlaczego warto wybrać DJI?

Nie ulega wątpliwości, że dzisiejsze drony stały się niezwykle cennym dodatkiem do zestawu narzędzi geodety i coraz częściej uzupełniają lub zastępują naziemne metody pomiarowe w wielu zastosowaniach. Aby jednak mieć pewność, że uzyskasz dokładne wyniki, jakich oczekujesz, musisz nie tylko stosować odpowiednie metody pomiarów dronem – potrzebujesz również najlepszego sprzętu.

Nowej generacji drony do mapowania, takie jak DJI Phantom 4 RTK, pozwalają geodetom osiągnąć centymetrową dokładność danych, wymagając jednocześnie mniejszej ilości punktów kontrolnych. Najważniejsze cechy tego drona to system pozycjonowania na poziomie centymetra, system TimeSync zapewniający dokładność danych oraz jednocalowy, 20-megapikselowy sensor CMOS. Uzyskanie niemal idealnej precyzji współrzędnych jest możliwe dzięki pozycjonowaniu poziomemu RTK o dokładności 1cm+1ppm, pozycjonowaniu pionowemu RTK o dokładności 1,5cm+1ppm oraz maksymalnej, wynoszącej 5cm, bezwzględnej dokładności poziomej modeli fotogrametrycznych. W połączeniu z dronem Matrice 300 RTK i kamerą Zenmuse P1 otrzymamy najlepsze rozwiązanie dla geodetów.

Oczywiście, nawet najlepszy dron jest ograniczony przez oprogramowanie do mapowania, którego używasz razem z nim. Zaawansowane rozwiązania takie jak DJI Terra pomogą przekształcić Twoje zdjęcia w praktyczne ortomozaiki 2D i modele 3D.

Dowiedz się więcej na temat dronów DJI i payloadów użytkowych, które mogą okazać się odpowiednie dla Twojej działalności, przechodząc do naszego artykułu – Czy drony mogą pomóc Twojej firmie geodezyjnej?