Wybrane aspekty analizy zobrazowań pozyskanych kamerą cyfrową zamontowaną na pokładzie bezzałogowego statku latającego DAMIAN WIERZBICKI, MARCIN ROMANIUK Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Zakład Teledetekcji i Fotogrametrii, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2 Streszczenie. W ostatnim czasie coraz więcej uwagi poświęca się zagadnieniu zastosowania bezzałogowych statków latających w pozyskiwaniu geodanych. Zjawisko to wnosi nowe rozwiązanie technologiczne w pozyskiwaniu zobrazowań w dziedzinie fotogrametrii lotniczej. Obecnie istniejące bezzałogowe platformy mogą być wykorzystywane zarówno w opracowaniach wielkoskalowych, jak i małoskalowych. Pomimo, iż cena konstrukcji takich systemów stanowi wypadkową wielu czynników, takich jak np. wielkość platformy, jak również złożoność zamontowanych sensorów obrazujących, z całą pewnością stanowi ona ciekawą alternatywę dla klasycznych rozwiązań fotogrametrii lotniczej. W artykule przedstawiono wybrane aspekty pozyskiwania i oceny jakości zobrazowań pozyskanych kompaktową kamerą cyfrową z pokładu miniaturowego bezzałogowego statku latającego. Dokonując oceny pozyskanych zobrazowań skupiono się na analizie dokładności aerotriangulacji wybranego bloku zdjęć. Ponadto dokonano również analizy dokładności numerycznego modelu terenu wygenerowanego na podstawie pozyskanych zobrazowań. Słowa kluczowe: fotogrametria lotnicza, aerotriangulacja, numeryczny model terenu, BSL, analiza dokładności. Symbole UKD: 528.7 1. Wstęp Zastosowanie małego bezzałogowego statku latającego do pozyskiwania zobrazowań z kamery zainstalowanej na jego pokładzie pozwoli ocenić celowość i zasadność wykorzystania tego typu środka latającego w aspekcie stosunku kosztów do jakości pozyskiwanych danych. Pisząc tu o jakości danych należy mieć na uwadze przede wszystkim fakt, dokładności wyznaczenia orientacji zewnętrznej poszczególnych zdjęć w przestrzeni, a więc ich wyznaczenia elementów orientacji
16
Embed
Wybrane aspekty analizy zobrazowań pozyskanych kamerą ...
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Wybrane aspekty analizy zobrazowań pozyskanych kamerą cyfrową
zamontowaną na pokładzie bezzałogowego statku latającego
DAMIAN WIERZBICKI, MARCIN ROMANIUK
Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji,
Zakład Teledetekcji i Fotogrametrii, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2
Streszczenie. W ostatnim czasie coraz więcej uwagi poświęca się zagadnieniu
zastosowania bezzałogowych statków latających w pozyskiwaniu geodanych. Zjawisko
to wnosi nowe rozwiązanie technologiczne w pozyskiwaniu zobrazowań w dziedzinie
fotogrametrii lotniczej. Obecnie istniejące bezzałogowe platformy mogą być
wykorzystywane zarówno w opracowaniach wielkoskalowych, jak i małoskalowych.
Pomimo, iż cena konstrukcji takich systemów stanowi wypadkową wielu czynników,
takich jak np. wielkość platformy, jak również złożoność zamontowanych sensorów
obrazujących, z całą pewnością stanowi ona ciekawą alternatywę dla klasycznych
rozwiązań fotogrametrii lotniczej.
W artykule przedstawiono wybrane aspekty pozyskiwania i oceny jakości zobrazowań
pozyskanych kompaktową kamerą cyfrową z pokładu miniaturowego bezzałogowego
statku latającego. Dokonując oceny pozyskanych zobrazowań skupiono się na analizie
dokładności aerotriangulacji wybranego bloku zdjęć. Ponadto dokonano również
analizy dokładności numerycznego modelu terenu wygenerowanego na podstawie
pozyskanych zobrazowań.
Słowa kluczowe: fotogrametria lotnicza, aerotriangulacja, numeryczny model terenu,
BSL, analiza dokładności.
Symbole UKD: 528.7
1. Wstęp
Zastosowanie małego bezzałogowego statku latającego do pozyskiwania
zobrazowań z kamery zainstalowanej na jego pokładzie pozwoli ocenić celowość
i zasadność wykorzystania tego typu środka latającego w aspekcie stosunku kosztów do
jakości pozyskiwanych danych. Pisząc tu o jakości danych należy mieć na uwadze
przede wszystkim fakt, dokładności wyznaczenia orientacji zewnętrznej
poszczególnych zdjęć w przestrzeni, a więc ich wyznaczenia elementów orientacji
zewnętrznej oraz możliwości wyznaczenia w przyjętym układzie geodezyjnym
dowolnego punktu pomierzonego na wybranym zdjęciu. Dodatkowo zostanie także
zbadana możliwa do uzyskania dokładność numerycznego modelu terenu.
Zastosowanie, więc stosunkowo niedrogiego bezzałogowego statku latającego do
pozyskiwania zobrazowań będzie stanowiło istotną alternatywę dla opracowań
klasycznej fotogrametrii lotniczej, w której do tej pory były wykorzystywane drogie
i skomplikowane instalacje w postaci samolotów załogowych wraz z całym systemem
nawigacyjnym i obrazującym.
2. Pozyskanie i opracowanie danych
2.1 Cechy i budowa bezzałogowego statku latającego
Wykorzystana w badaniach platforma stanowi typ mikrokoptera. Posiada on
budowę modułową, dzięki czemu możliwe jest zamontowanie modułu GPS oraz
dowolnej kamery pod warunkiem, że jej waga nie będzie przekraczała 500 g. Budowę
systemu można podzielić zasadniczo na cztery bloki:
a) Blok komunikacji radiowej składa się z dwóch niezależnych sterowników radiowych,
a także radiomodemu zamontowanemu na maszynie, który jest odpowiedzialny za
odbiór sygnałów. Dzięki temu możliwe jest sterowanie mikro-śmigłowcem. Drugi
sterownik radiowy odpowiedzialny jest za wyzwolenie migawki w kamerze. Proces ten
odbywa się dzięki zamontowanemu na migawce mechanicznemu siłownikowi, który
wywiera odpowiedni nacisk na przycisk kamery wyzwalający migawkę.
b) Blok zasilania i napędu reprezentuje moduły elektroniki odpowiedzialne z kontrolę
elektrycznych silników wirnikowych oraz za monitorowanie poziomu naładowania
akumulatorów zasilających.. Ze względu na ograniczoną nośność BSL zamontowany
akumulator pozwala na wykonanie lotu o długości około 15 minut.
c) Blok kontroli lotu i awioniki związany jest z mikroprocesorem zamontowanym
w centralnej części maszyny. Jest kluczowym elementem odpowiedzialnym za
zapewnienie poprawnej fizyki lotu.
d) Blok obrazowania reprezentowany jest przez kompaktową kamerę Panasonic DMC
GF-2 zamontowaną na metalowym wysięgniku.
Rys. 1 Bezzałogowy statek latający typu mikrokopter wykorzystany w badaniach
Zaprezentowany powyżej mikrokopter jak można zauważyć jest wyposażony
tylko w niezbędne elementy umożliwiające realizację lotu wraz z podczepioną kamerą.
Zamontowanie, aż sześciu śmigieł zasilanych bezpośrednio przez własne elektryczne
silniki wirnikowe oraz centralne umieszczenie stosunkowo ciężkiego akumulatora
zapewniło platformie wzrost stabilności.
2.2 Kalibracja kamery
Bezzałogowy statek latający wykorzystywany w niniejszych badaniach
wyposażony był w systemowy aparat kompaktowy Panasonic DMC-GF2. Podstawowe
parametry z jakimi pozyskiwane były zdjęcia przedstawione są poniżej (Tab. 1)
Tabela 1
Podstawowe parametry aparatu Panasonic DMC-GF2
Przesłona f/6.3
Czułość ISO ISO-125
Przesłona 1/320 s
Długość ogniskowej 14 mm
Odchylenie ekspozycji 0
Rozmiar piksela 4.2x4.2 μm
Ostrość Nieskończoność
Tryb lampy błyskowej Bez lampy błyskowej
Kalibracja aparatu jest procesem, który pozwala wyznaczyć elementy orientacji
wewnętrznej. Wielkości te określają położenie środka rzutów, tym samym umożliwiając
fotogrametryczne opracowanie wykonanych zdjęć. Można do nich zaliczyć wartość
odległości obrazowej obiektywu (ogniskowa) kc ( f ), położenie punktu głównego
sensora kamery 0x i 0y , wartości dystorsji obiektywu (radialna i tangencjalna).
Do przeprowadzenia kalibracji wykorzystano dwuwymiarowe pole testowe (Rys. 2).
Arkusz kalibracyjny składa się z 145 równomiernie rozmieszczonych punktów. Wśród
nich znajduje się 5 znaków otoczonych kwadratami dla łatwiejszego zlokalizowania.
Rys. 2 Test kalibracyjny
Cały proces przeprowadzono dwa razy, następnie wyniki uśredniono. Kalibracja
z wykorzystaniem testu polegała na sfotografowaniu go pięciokrotnie, za każdym razem
pod innym kątem (Rys.2). Zdjęcia należało wykonać w taki sposób, aby w kadrze
zmieściły się wszystkie punkty testu. Obiektyw aparatu ustawiony był za każdym razem
na punkt centralny.
Rys. 3 Sposób wykonywania zdjęć
2.3 Obszar opracowania
Obszar nad jakim został wykonany nalot to obszar boiska położonego na terenie
ośrodka sportowego Wojskowej Akademii Technicznej. Teren charakteryzował się
płaską rzeźbą, za wyjątkiem wzniesienia, które po stronie zachodniej było pokryte
pasem drzew, natomiast od strony wschodniej znajdowały się trybuny. Ponadto
szczegółami sytuacyjnymi wystającymi ponad powierzchnię terenu były pojedyncze
drzewa, metalowe bramki oraz szereg latarni usytuowanych od zachodniej strony
wzniesienia.
Rys. 4 Obszar opracowania
2.4 Planowanie i pomiar osnowy
Osnowa fotogrametryczna jest zbiorem punktów o znanych współrzędnych X,
Y, Z - fotopunktów. Jej pomiar wykonuje się po wykonaniu zobrazowań (lub po
ostatecznym jego zaplanowaniu) oraz z uwzględnieniem wywiadu terenowego. Podczas
wywiadu terenowego należy ustalić lokalizację punktów w zależności od charakteru
terenu oraz przyjętej metody pomiarowej. Na obszarze opracowania zaprojektowano
101 fotopunktów. W projekcie zastosowano osnowę niesygnalizowaną. Podczas
projektowania lokalizacji poszczególnych punktów czyniono niezbędne starania, aby
wybrane naturalne szczegóły terenowe dobrze kontrastowały z otoczeniem. Ponadto
punkty te musiały być zlokalizowane tak, aby można je było jednoznacznie
zidentyfikować zarówno na zdjęciu, jak i w terenie. Dodatkowo, w miarę możliwości
powinny się one znajdować w takich miejscach, które nie będą narażone przykryciem
przez cień. Wybrana lokalizacja fotopunktów to przeważnie narożniki chodników,
miejsca ich załamania, otwory studzienek, przerwy między krawężnikami
Rys. 5 Przykładowe lokalizacje fotopunktów
Wszystkie punkty zostały pomierzone techniką GPS. Ze względu na szybkość
i bezproblemowość pomiaru wybrano metodę RTK. Metoda ta charakteryzuje się
głównie tym, iż pomiar na pojedynczym punkcie trwa tylko kilka sekund. Pomiarów
dokonano przy pomocy odbiornika Leica Viva CS15. Współrzędne fotopunktów
zostały wyznaczone w układzie współrzędnych 2000, z dokładnością lepszą niż 0,05 m.
Pomiary zostały wykonane w dniu 24 listopada 2011 roku, w godzinach
dopołudniowych przy średnim zachmurzeniu. Dodatkowo badania zakładały analizę
dokładnościową numerycznego modelu terenu. Jedną metodą miało być porównanie go
z wysokościami punktów kontrolnych wykorzystanych do orientacji bloku zdjęć.
Jednakże, takie podejście nie gwarantowało dostatecznej oceny dokładności modelu na
obszarze objętym zadrzewieniem. W związku z tym, zostały pomierzone przy