Dronekartlegging. Metodikk, nøyaktighet, bruksområder, erfaringer. Trond Arve Haakonsen, Vegdirektoratet - NVDB og Geodata

Transkript

1 Dronekartlegging Metodikk, nøyaktighet, bruksområder, erfaringer Trond Arve Haakonsen, Vegdirektoratet - NVDB og Geodata

2 Dronekartlegging Typer og operatørkategorier (RO1-RO3) Navigasjonssystem Metoder for å produsere 3D-punktsky: o Laserskanning ofotogrammetri (strålebuntmetoden) 3D-punktsky til TIN og rutenettsmodell Nøyaktighetsundersøkelser (RO1) NTNU Noen erfaringer fra vegprosjekter

3 RPAS: Remotely Piloted Aircraft Systems Fixed wing Rotary wing Images (photogrammetry) DSM (Digital surface model) Laser scanning (LIDAR) DSM -> DTM (Digital terrain model)

4 Luftfartstilsynet om droner Operatørkategorier, RO1, RO2 og RO3 avhengig av: RPAS innenfor eller utenfor synsrekkevidde, VLOS Flyhøyde (maks 120m i RO1) Vekt (maks 2,5 kg i RO1) Bortsett fra operatøren, ikke lov å fly nærmere enn 50 meter fra mennesker, kjøretøy eller bygninger. Tillatelse kan gis av berørte personer og deres utstyr.

5 Johan fra SVV, region Nord med fixed wing og Rafal på NTNU med quadcopter

6 6 Dronelaseren til Geomatikk Survey AS, så langt den eneste med laserskanner i Norge.

7 Navigasjonssystem Laserskanneren eller kameraets posisjon og retninger i terrengkoordinatsystemet kan beregnes fra dronens navigasjonssystem. x,y,z,ω,φ,κ for et kameras projeksjonssentrum kalles ytre orienteringsparametere Terrengkoordinatsystemet(N,E,H) (ikke jordsentrisk) Posisjonsnøyaktighet avhengig av GNSS Kodemåling (1-5 m) Fasemåling med korreksjoner fra referansenettverk (1-2cm)

8 Trajectory (bane) ved tidspunkt 1,2,..i nn 2 ee 2 h 2 nn 1 ee 1 h 1 nn ii ee ii h ii Sensor (skanner eller kamera) i kjent(e) avstand(er) fra plattformens navigasjonssentrum (GNSS-antenna) => posisjonen til sensoren ved måletodspunktet kan beregnes GNSS-posisjon ved tidspunkt i

9 9 Laserskanner ( rask totalstasjon) kan måle vinkler: φ og θ, og romlig avstand ρ Z ρ Y Omregningsformler fra kulekoordinater φ,θ,ρ til x,y,z relativt skannerens origo. X En skanner kan måle 1 million 3D-punkt/sek (+ respons intensitet og/eller RGB)

10 10 Kulekoordinater fra Kalkulus

11 Prinsipp laserskanning

12 3D-punktsky med intensitet fra laserskanner

13 Laser scanning (LIDAR) Distance- and direction measurements makes it possible to compute and store several hundred thousand 3D-points/sec. (spherical to rectangular coord.) Possible to classify more than one response!

14 Laserskanning versus fotogrammetri

15 15 Flight plan (Phothogrammetry) Classic overlap situation modern block setup Images seen from above Models (=pairs of images) seen from above 80/70% lengde-/sideveis overlapp Dobbelt stripemønster Hvert punkt synlig i bilder

16 Strålebuntmetoden

17 FOTOGRAMMETRI Pin hole camera, negativt (og positivt?) bildeplan/databrikke

18 Matematisk sammenheng mellom bildeobservasjoner og ukjente parametere:

19 Photogrammery: bundle adjustment 2D-coordinate systems xx jj yy jj for each image j x,y,z,ω,φ,κ for hvert bildes projeksjonssentrum (godt eller dårlig bestemt?) Terrain/map coordinatsyst. 1) GCP=Ground Control Points, known terrain coordinates (kjentpunkter) 2) Tie points, unknown terrain coordinates (sammenbindingspunkter) 3) «Measured» 2D-image coordinates (målte bildekoordinater) DSM established => 3D point cloud with RGB values computed

20

21 21 Etterprosessering 1) Strålebuntberegningen (MKM = vektet gjennomsnittsberegning) gir: i) endelig bestemte ytre orienteringsparametere x,y,z,ω,φ,κ for hvert bilde ii) en 3D-punktsky med «matchede» objektpunkter i terrengkoordinater. 2) Deretter beregnes 3D-terrengkoordinater og fargeverdier for «alle» piksler i bildene ved hjelp av framskjæring i rommet. 3) Omregning til normalprojeksjon og midling av fargeverdier (evt. interpolert til en fast grid = rasterdata) Automatiserte robuste rutiner for «dense matching» og «single pixel correlation routines» => «Fotogrammetriens gjenfødelse»?

22 3D-punktsky fra fotogrammetri DSM (N,E,H) Orthomosaic (N,E,color) Resample (interpolate) to a grid of chosen resolution and add RGB-values

23 3D-punktsky til TIN eller grid for visualisering N = E = Triangelmodell (TIN) resamplet Grid/Rutenettsmodel

24 Nøyaktighetsundersøkelse NTNU Geomatikk, testfelt for droner GCP

25 25 Nøyaktighetsundersøkelser 1 Fixed wing

26 Prosessert med den samme (strålebunt) programvare a kr !

27 Årsaksforklaring forskjeller?

28 Parametere som beregnes med strålebuntmetoden: Posisjon og retninger (endelige) for kameraets projeksjonssentrum. (6 per bilde j). Koordinater for objektpunkter i terrengkoordinatsystemet (3 per pkt.) Kameraparametere beregnes vanligvis simultant med beregningen av parametere i strålebuntutjevningen, såkalt selvkalibrering. Hvordan vekte grupper av parametere? Vibrasjoner?, Vindstille?, nøyaktig navigasjonssystem (RTK-GNSS)? Påstand: forutsatt riktig vekting og «gode kjentpunkter» på bakken, og stille vær kan en oppnå like gode resultater med en kode- som en fasebasert sanntids GNSS

29 2015: Optimale flyforhold med kontrollpunkter på underlag av harde flater Tilfeldig at dette tilsvarer CPOS-nøyaktighet?

30 UAV measurement solution 3D data from 2D images How is that works? Two images are triangulated to get sense of depth

31

32 SVV startet med droner Bruksområder vegprosjekt Foto og film - dokumentere framdrift - info / media - annen dokumentasjon Mapping (innmåling) - ortofoto - punktsky masseberegning ivareta Vegvesenets kontrollerende rolle 1dm nøyaktighet OK? Teknologidagene Svein Sæterbø E6-miljøpakken Trondheim

33 På 2-3 år: 10 droner og 25 piloter i SVV Teknologidagene Svein Sæterbø E6-miljøpakken Trondheim

34 Eksempel foto og film Teknologidagene Svein Sæterbø E6-miljøpakken Trondheim

35 Info til publikum Teknologidagene Svein Sæterbø E6-miljøpakken Trondheim

36 Erfaringer fra prosjekter med RTK-drone i region Nord. HMS, minsker/fjerner risiko i bratte og farlige områder, trafikkerte veier mm Innsparing på kapasiteten til landmålere, store områder kan kartlegges i løpet av kort tid. Anleggene kan kartlegges enkelt fortløpende. Demper konflikter med entreprenør, oversiktlig og lett å kjenne seg igjen i målingene.

37 Erfaringer kjøp av dronedata i region Øst. Terrenget modelleres systematisk for høyt For å godta bruk av dronedata i forbindelse med dokumentasjon på vegprosjekt forutsettes: Underlag bestående av harde plane flater uten vegetasjon Dokumentert bruk av nøyaktig landmålte kontrollpunkter eller kontrollflater. Må vite hva en gjør => fortsatt bruk for geomatikere

38 Etatsrammeavtale DTM-konstruksjon+datafangst DTM = TIN + vektorobjekter iht. egendefinert liste

39 Vegvesenet ønsker å kravstille produkter uavhengig av (datafangst)plattform og sensor: Bilskanning Helikopter (bemannet) skanning Fly (bemannet) skanning Kopter-droneskanning Fly-droneskanning Ryggsekkskanner Terrestrisk skanning Båtskanning

40 Plattformer for datafangst, sensorer: GNSS, IMU, skanner, kamera, => 3D-punktsky kan lagres i terrengkoordinater

41 Landmålerens personlige utstyr (2015-priser u.mva) k 350k 300k + 200k 200k + 150k + + +?