Korzystanie z naziemnych punktów kontrolnych w pomiarach dronami
Korzystanie z naziemnych punktów kontrolnych (GPC) w pomiarach dronami jest kluczowym elementem w zakresie zastosowań bezzałogowych statków powietrznych przy fotogrameterii niskiego pułapu. Wraz z dynamicznym rozwojem technologii dronów oraz ich wykorzystaniem w różnorodnych dziedzinach, takich jak mapowanie terenu, inspekcje przemysłowe czy nadzór nad infrastrukturą, pojawia się potrzeba zapewnienia wysokiej precyzji i dokładności wyników pomiarowych. W tym kontekście, naziemne punkty kontrolne stanowią kluczowy punkt odniesienia, umożliwiając skalowanie i kalibrację danych pozyskanych za pomocą dronów.
Pytanie, dlaczego korzystanie z naziemnych punktów kontrolnych jest tak istotne, nasuwa się nie tylko ze względu na zapewnienie dokładności pomiarów, ale także na potrzebę standaryzacji i porównywalności danych. GPC pozwalają na eliminację błędów systematycznych oraz uwzględnienie zmienności warunków terenowych czy atmosferycznych, co przekłada się na uzyskanie wiarygodnych rezultatów. Ponadto, ich stosowanie wpływa na zwiększenie efektywności procesu pozyskiwania danych oraz ułatwia analizę i interpretację informacji geoprzestrzennej.
W niniejszym artykule przyjrzymy się bliżej roli naziemnych punktów kontrolnych w pomiarach dronami, ich zastosowaniom oraz korzyściom płynącym z ich wykorzystania. Czym dokładnie są GPC i jak wpływają na jakość danych pozyskiwanych za pomocą dronów? Jakie są najczęstsze metody ich implementacji i jakie wyzwania mogą wystąpić podczas procesu kalibracji i analizy danych? Odpowiedzi na te pytania pozwolą lepiej zrozumieć znaczenie naziemnych punktów kontrolnych w dzisiejszych zastosowaniach dronów oraz wskazać kierunki dalszych badań i rozwoju tej dziedziny.
Co to jest naziemny punkt kontrolny (GPC) ?
Naziemny punkt kontrolny (GPC) jest fizycznym punktem o znanych współrzędnych geoprzestrzennych, który stanowi odniesienie dla pomiarów wykonywanych za pomocą dronów lub innych systemów lotniczych. GPC są umieszczane na terenie, który jest obiektem mapowania lub pomiarów i służą do kalibracji oraz dokładnościowej oceny danych uzyskanych przez drony.
Typowo naziemny punkt kontrolny składa się z wyraźnie zidentyfikowanej i trwale umieszczonego znacznika, np. tablica z kodem QR, namalowany znak, rozłożona plansza oraz precyzyjnie określonych współrzędnych geograficznych, które są dokładnie znane i udokumentowane poprzez pomiar odbiornikiem lub tacihimetrem. Te współrzędne są później wykorzystywane do geolokalizacji punktu kontrolnego w przestrzeni trójwymiarowej.
Jak działają naziemne punkty kontrolne?
Podczas lotu drona, jego system nawigacyjny korzysta z danych GPS oraz informacji z kamery lub innych czujników, aby określić swoją pozycję w przestrzeni. Porównując te dane z lokalizacją naziemnych punktów kontrolnych, możliwe jest skalowanie, kalibracja i korekcja dokładnościowych pomiarów uzyskanych przez drona. Dzięki temu GPC pozwalają na uzyskanie bardziej precyzyjnych i wiarygodnych danych geoprzestrzennych i lepsze wpasowanie tworzonych ortofotomap.
GCP działają, służąc jako znaczniki odniesienia w świecie rzeczywistym, umożliwiając dokładne georeferencje i zestawianie danych zdalnie wykrywanych, takich jak zdjęcia lotnicze lub satelitarne.
GCP są zwykle określane i mierzone za pomocą precyzyjnych metod pomiarowych, przy uzyciu tachimetru lub odbiornika GNSS RTK. Geodeci korzystają ze specjalistycznego sprzętu, aby dokładnie określić współrzędne geograficzne i wysokość określonych obiektów naziemnych. Obiekty te są często oznaczane fizycznymi znacznikami, dzięki czemu można je zidentyfikować w terenie oraz na zdjęciach lotniczych lub satelitarnych.
Proces georeferencji
Podczas procesu georeferencji współrzędne punktów GCP są wykorzystywane do przekształcania pikseli na zdjęciach satelitarnych lub lotniczych na rzeczywiste współrzędne geograficzne. Oprogramowanie geoprzestrzenne analizuje związek między znanymi GCP a odpowiadającymi im pikselami obrazu, stosując przekształcenia matematyczne w celu dokładnego dopasowania obrazu do powierzchni Ziemi.
Walidacja i regulacja
Po wykonaniu georeferencji sprawdzana jest dokładność wyników mapowania. Do oceny jakości zbioru danych georeferencyjnych można wykorzystać dodatkowe naziemne punkty kontrolne. W przypadku wykrycia rozbieżności wprowadza się poprawki w celu zwiększenia dokładności. Ten iteracyjny proces gwarantuje, że ostateczne dane georeferencyjne będą tak dokładne, jak to tylko możliwe.
Rodzaje i wygląd naziemnych punktów kontrolnych
Poniżej przedstawiamy kilka popularnych rodzajów fizycznych punktów kontrolnych:
- Tablice z kodami QR lub kodami kreskowymi: Tablice te zawierają unikalne kody QR lub kreskowe, które można zeskanować za pomocą urządzenia mobilnego lub drona, aby uzyskać dokładne współrzędne punktu kontrolnego. Tablice mogą być wykonane z trwałych materiałów, takich jak aluminium lub plastik, i są zazwyczaj montowane na stalowych prętach lub ramach dla łatwej identyfikacji.
- Geodezyjne tyczki pomiarowe: Są to metalowe lub plastikowe tyczki o różnych kształtach i rozmiarach, zazwyczaj wyposażone w oznaczenia odległości lub współrzędnych geoprzestrzennych. Tyczki te mogą być stosowane zarówno do określania punktów kontrolnych, jak i do oznaczania granic terenowych lub tras pomiarowych.
- Białe płyty refleksyjne: Takie płyty są często używane w przypadku pomiarów laserowych lub w sytuacjach wymagających dokładnego odwzorowania terenu. Białe płyty refleksyjne mają zdolność odbijania światła, co czyni je łatwymi do zlokalizowania nawet w trudnych warunkach oświetleniowych.
- Stalowe pręty lub pikiety: To jedne z najczęściej stosowanych punktów kontrolnych. Są to zazwyczaj stalowe pręty o średnicy kilku centymetrów i długości od kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów, wbijane w ziemię na stałe lub tymczasowo. Pręty te są zazwyczaj pomalowane na jaskrawe kolory, takie jak czerwony, żółty lub pomarańczowy, aby były łatwo widoczne z powietrza.
Kiedy potrzebne są naziemne punkty kontroli?
Konieczność stosowania GCP zależy od skali i wymagań dotyczących dokładności projektu geoprzestrzennego. Istnieją różne sytuacje, w których stosowanie naziemnych punktów kontrolnych jest kluczowe:
- Kalibracja i dokładnościowa ocena danych: GPC są niezbędne do kalibracji i dokładnościowej oceny danych uzyskanych przez drony. Porównując lokalizację drona z znanymi współrzędnymi naziemnych punktów kontrolnych, możliwe jest skalowanie i korekcja wyników pomiarowych, co prowadzi do uzyskania bardziej precyzyjnych rezultatów.
- Eliminacja błędów systematycznych: Drony mogą być podatne na różne błędy systematyczne, takie jak błędy GPS, odchylenia sensorów lub zniekształcenia obrazu. Stosowanie GPC umożliwia identyfikację i eliminację tych błędów poprzez porównanie danych pomiarowych z rzeczywistymi współrzędnymi punktów kontrolnych.
- Standaryzacja i porównywalność danych: GPC pozwalają na standaryzację i porównywalność danych geoprzestrzennych zebranych z różnych źródeł lub w różnych czasach. Dzięki temu można uzyskać spójne i wiarygodne wyniki, które mogą być wykorzystane w analizach długoterminowych lub porównawczych.
- Analiza zmian terenowych: Stosowanie GPC ułatwia analizę zmian terenowych poprzez umożliwienie dokładnego odwzorowania topografii i struktury terenu w czasie. Dzięki temu można monitorować ewolucję środowiska naturalnego lub infrastruktury oraz identyfikować obszary podatne na erozję, zalania czy inne zagrożenia.
- Zastosowania prawne i techniczne: W niektórych przypadkach stosowanie naziemnych punktów kontrolnych może być wymagane przez przepisy prawne lub specyfikacje techniczne, zwłaszcza w sektorach takich jak geodezja, inżynieria lądowa czy planowanie przestrzenne.
- Brak korekty RTK lub PPK: Jednym z głównych scenariuszy wymagających stosowania GCP jest sytuacja, gdy dane z badań lotniczych nie są korygowane w czasie rzeczywistym lub w procesie końcowym za pomocą metod kinematycznych czasu rzeczywistego (RTK) lub kinematyki postprocesowej (PPK). Bez tych technik korekcji naturalną dokładność niezależnych danych GPS można osiągnąć jedynie w zakresie kilku metrów. Jednak w przypadku precyzyjnego mapowania i pomiarów ten poziom dokładności często jest niewystarczający. W takich przypadkach punkty GCP stają się niezbędne do poprawy ogólnej dokładności wyników mapowania.
Ile naziemnych punktów kontroli potrzeba do poprawnego wykonania pomiarów?
Ilość naziemnych punktów kontrolnych (GPC) potrzebnych do poprawnego wykonania mapy zależy od wielu czynników, takich jak rozmiar obszaru mapowanego, jego złożoność topograficzna, wymagana dokładność oraz używana metoda pomiarowa. Ogólnie rzecz biorąc, większa liczba punktów kontrolnych przekłada się na większą precyzję i dokładność mapy.
Mapowanie bez technologii dronów PPK lub RTK
Jeśli wykonujesz mapowanie bez drona PPK lub RTK, będziesz chciał zapewnić dokładność swoich map poprzez odpowiednią liczbę punktów GCP. Ogólnie rzecz biorąc, na początek niezbędne są co najmniej 4 punkty GCP. Zaleca się jednak użycie co najmniej 8 punktów GCP do mapowania obszarów o powierzchni do 50 akrów. W przypadku większych projektów mapowych, przekraczających 50 akrów, zaleca się dodanie punktu kontrolnego na każde dodatkowe 10 akrów. Takie podejście pomaga w utrzymaniu dokładności mapy na większym obszarze. Korzystanie z punktów kontrolnych, które są dodatkowymi punktami GCP, pomaga w sprawdzaniu dokładności procesu georeferencji.
Wykorzystanie technologii PPK lub RTK
Stosując technologię PPK lub RTK, można znacznie zmniejszyć liczbę wymaganych punktów GCP dzięki korekcie danych GPS w czasie rzeczywistym lub po ich przetworzeniu. Na 2 km² mapowania w przypadku korzystania z PPK lub RTK zasadniczo nie powinno być potrzebnych więcej niż 4 do 5 punktów GCP. Dokładna wymagana liczba zależy od specyfiki projektu i terenu.
W przypadkach, gdy teren ma pofałdowane i skomplikowane cechy, zaleca się zwiększenie liczby punktów kontrolnych obrazu o 10% do 20%, aby uwzględnić dodatkowe wyzwania związane z taką topografią.
Czynniki wpływające na gęstość GCP
Rozdzielczość czujnika kamery: Rozmiar piksela czujnika kamery UAV odgrywa znaczącą rolę w określaniu gęstości GCP. Drony wyposażone w kamery o większej liczbie pikseli mogą osiągać dokładne wyniki przy mniejszej gęstości punktów GCP. Dzieje się tak dlatego, że kamery o wysokiej rozdzielczości rejestrują dokładniejsze szczegóły, co ułatwia precyzyjną georeferencję zdjęć.
Wysokość lotu: Wysokość lotu jest kluczowym czynnikiem przy określaniu gęstości GCP. Niższe wysokości lotu wymagają większej gęstości punktów kontrolnych, aby utrzymać pożądany poziom dokładności.
Jak wybrać naziemne punkty kontrolne?
W sytuacjach, gdy tradycyjne naziemne punkty kontrolne są niedostępne, naturalne ukształtowanie terenu lub cechy krajobrazu mogą służyć jako wiarygodne markery do mapowania GIS.
Obiekty te muszą być umieszczone na ziemi w otwartym środowisku, aby zapewnić ich widoczność na oryginalnych obrazach. Należy unikać bliskości wysokich konstrukcji, takich jak budynki lub drzewa, ponieważ mogą one zasłaniać punkt na obrazie orto-gotowym. Wybór lokalizacji na płaskim terenie zwiększa oczekiwaną dokładność cyfrowego modelu wysokości (DEM) na stanowisku GCP, co jest kluczowym czynnikiem wpływającym na jakość procesu ortorektyfikacji. Jeśli chodzi o ustanawianie naziemnych punktów kontroli (GCP), podstawową zasadą jest strategiczne rozmieszczenie ich na badanym obszarze, unikając przy tym układów liniowych. Takie podejście ma kluczowe znaczenie dla wyeliminowania wszelkich błędów georeferencyjnych i ograniczenia błędów w procesie mapowania.
Jak mierzyć GCP?
Po naniesieniu GCP kolejnym kluczowym krokiem jest dokładne zmierzenie ich pozycji. Odbywa się to zazwyczaj przy użyciu odbiorników GNSS (Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej) obsługujących kinematykę czasu rzeczywistego (RTK) lub kinematykę postprocessowaną (PPK). Te precyzyjne systemy GNSS dostarczają dokładnych danych o pozycji dla punktów GCP.
Zanim zaczniesz mierzyć pozycje GCP, upewnij się, że masz przygotowany następujący sprzęt i oprogramowanie:
Odbiornik GNSS RTK lub PPK: Upewnij się, że masz precyzyjny odbiornik GNSS umożliwiający korektę RTK lub PPK.
Tyczka pomiarowa lub statyw: Aby utrzymać odbiornik GNSS na stałej wysokości nad GCP, niezbędny jest stabilny system podparcia. Nie poruszaj odbiornikiem w czasie pomiarów
Moduł zbierający dane lub tablet: Do monitorowania i rejestrowania pozycji odbiornika potrzebny będzie moduł zbierający dane lub tablet z oprogramowaniem GNSS.
Punkty kontrolne pomiaru: Są to znane punkty z dokładnie określonymi współrzędnymi. Służą one jako punkty odniesienia dla odbiornika GNSS w celu skorygowania jego pomiarów. Dokładność pomiarów GCP zależy od jakości punktów kontrolnych.
Jaka jest różnica między GCP a CheckPoint?
Punkty kontrolne to określone lokalizacje na zdjęciach wykonanych za pomocą drona, w których znane są dokładne współrzędne GPS. Nie odgrywają one roli w przetwarzaniu danych, ale służą do sprawdzenia dokładności mapy. Innymi słowy, podczas gdy naziemne punkty kontrolne (GPC) poprawiają dokładność podczas przetwarzania, punkty kontrolne (CheckPoint) służą wyłącznie do weryfikacji dokładności mapy po przetworzeniu.
Czy potrzebujesz naziemnych punktów kontroli przy lataniu dronem z RTK?
Tak, powinieneś używać naziemnych punktów kontroli (GCP) z dronem RTK (Real-Time Kinematic), ale liczba wymaganych punktów GCP jest zazwyczaj mniejsza w porównaniu z dronami innymi niż RTK. Technologia RTK zapewnia zwiększoną dokładność GPS, zmniejszając zależność od punktów GCP w przypadku georeferencji, ale punkty GCP są nadal cenne dla kontroli jakości i korekcji błędów w badaniach lotniczych.
Konkretna liczba potrzebnych punktów GCP może się różnić w zależności od wymagań dotyczących dokładności projektu, ale ogólnie rzecz biorąc, drony RTK mogą znacznie zmniejszyć liczbę punktów GCP wymaganych do zadań geodezyjnych i mapowania.
Specjalistyczne szkolenie z dronów pomiarowych
Wpis jest fragmentem jednego z naszych specjalistycznych szkoleń dronowych dotyczących procesu tworzenia ortofotomap i modeli 3D z drona. Dzięki ukończeniu jednego z naszych kursów dronowych zostaniesz profesjonalnym pilotem drona i będziesz mógł świadczyć nowej jakości usługi w swojej firmie.
Autor:
