18 Žilić, A.: Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji na primjeru aerofotogrametrijskog sistema SenseFly eBee

UDK 528.74 Stručni rad

PRIMJENA BESPILOTNIH LETJELICA U GEODEZIJI NA PRIMJERU AEROFOTOGRAMETRIJSKOG SISTEMA

SENSEFLY EBEE

APPLICATION OF UNMANNED AERIAL VEHICLES IN GEODESY ON THE EXAMPLE OF AERIAL PHOTOGRAMMETRIC SYSTEM SENSEFLY EBEE

Amel Žilić SAŽETAK

U posljednjih nekoliko godina razvija se potpuno nova metoda snimanja Zemljine površine u svrhu premjera zemljišta i objekata. Koristeći bespilotne letjelice, omogućeno je snimanje većih površina u vrlo kratkom vremenskom roku s visokom tačnošću. Iako još uvijek postoje mnogobrojne nejasnoće, neminovno je da ova metoda predstavlja budućnost u geodeziji i njenim oblastima. U ovom radu opisana je metoda snimanja bespilotnom letjelicom SenseFly eBee i način dobivanja oblaka tačaka, digitalnog modela reljefa i digitalnog ortofoto plana. Implementiranjem standarda NSSDA za ocjenu prostornih podataka zaključeno je da tačnost rezultata zavisi od rezolucije snimanja, konfiguracije terena i vremenskih uslova. Ključne riječi: bespilotna letjelica, digitalni model reljefa, digitalni ortofoto, aerofotogrametrija

ABSTRACT

During the last few years a completely new method for land and object surveying was devloped. Using unmanned aerial vehicle, it is possible to survey a large areas in very short period of time with high accuraccy. Although there are still many uncertainties, it is inevitable that this method represents the future in geodesy and its areas. This paper defines a method for land surveying using SenseFly eBee drone and proccess of creating point cloud, digital model of relief and digital ortofoto map. Using NSSDA standard for spatial data accuraccy on drone products, it was concluded that accuraccy of given results depends on the ground resolution, terrain relief and weather conditions. Keywords: SenseFly eBee unmanned aerial vehicle, digital elevation model, digital ortofoto, aerial photogrammetry

1. UVOD Svjedoci smo ekspanzije razvoja tehnologije i naučnih dostignuća u svim sferama života. Ipak, najveća dostignuća odražavaju se na informacione tehnologije i njene usko vezane oblasti. Upravo jedna takva oblast jeste i geodezija koja prati trend tehnoloških dostignuća. Razvoj tehnologije u geodeziji se najviše očituje kroz izradu savremenih instrumentarija (laserskih skenera, robotizovanih totalnih stanica, digitalnih nivelira i sl.), softvera i novih metoda

Žilić, A.: Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji na primjeru aerofotogrametrijskog sistema SenseFly eBee

19

snimanja Zemljine površine. U ovom radu fokus je stavljen na metodu snimanja Zemljine površine u svrhu premjera zemljišta i objekata, te izrade digitalnog modela reljefa i digitalnog ortofoto plana pomoću bespilotne letjelice SenseFly eBee. Metoda, o kojoj se danas vode brojne diskusije, jeste metoda snimanja Zemljine površine iz zraka pomoću bespilotnih letjelica. Koncept bespilotnog leta prvi predstavlja 1915. godine Nikola Tesla opisujući u svojoj disertaciji naoružani bespilotni avion dizajniran za odbranu SAD-a. Prvenstvena upotreba bespilotnih letjelica bila je u vojne svrhe za posmatranje, izviđanje i špijunažu. Naglim razvoje tehnologije, bespilotne letjelice su pronašle primjenu i u civilnim potrebama. U oblasti geodezije, metodu je prvi koristio profesor Wester-Ebbinghaus 1980. godine, koji je bespilotnu letjelicu u obliku helikoptera koristio za fotogrametrijske svrhe. Od tada pa sve do danas, pažnja je usmjerena na konstruisanju bespilotne letjelice koja bi se mogla primjenjivati i u drugim oblastima geodezije. Upotreba bespilotnih letjelica za prikupljanje podataka fotogrametrijskim metodama može se pozicionirati između terestričkih geodetskih metoda, aerofotogrametrije i laserskog skeniranja, odnosno u slučaju kada je potrebno prikupiti veliki broj informacija na relativno malom području (od nekoliko stotina kvadratnih metara do nekoliko kvadratnih kilometra) (slika 1).

Slika 1: Izbor geodetske metode snimanja (Böhler i Heinz, 1999) Za razliku od klasične aerofotogrametrije važno je spomenuti, osim samog područja snimanja, i vremensku dimenziju podataka koja kod bespilotnih letjelica daje realniji prikaz stvarnog stanja na terenu jer relativno mala visina leta eliminiše uticaj negativnih atmosferskih prilika kao što su oblaci ili slaba magla, te omogućuje brzu reakciju i trenutno prikupljanje podataka (Kolarek, 2010).

20 Žilić, A.: Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji na primjeru aerofotogrametrijskog sistema SenseFly eBee

2. PODRUČJA PRIMJENE BESPILOTNIH LETJELICA U GEODEZIJI Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji predstavlja još uvijek nedovoljno istraženo područje. Međutim, jedna od najčešćih primjena bespilotnih letjelica u oblasti geodezije jeste u fotogrametrijske svrhe, za izradu 3D modela objekata, digitalnog modela terena i digitalnog ortofoto plana. Veoma je teško tačno precizirati primjenu bespilotnih letjelica u geodeziji, ali ona koja se najviše ističe jeste izrada geodetskih podloga koje se mogu upotrijebiti u mnogobrojnim oblastima. 2.1. Projektovanje i izrada idejnih rješenja Za projektovanje i izradu idejnih rješenja budućih objekata potrebno je koristiti podloge koje pružaju dovoljnu količinu informacija. Upravo jedna takva jeste geodetska podloga dobivena na osnovu snimanja bespilotnim letjelicama. Za razliku od tradicionalnih metoda, prednost dobivanja geodetske podloge snimanjem bespilotnim letjelicama ogleda se u vrlo kratkom vremenskom periodu dobivanja rezultata, ekonomskoj isplativosti i snimanju gotovo svih vrsta terena. Kombinacijom digitalnog modela terena i digitalnog ortofoto plana možemo dobiti različite geodetske podloge, kako u vektorskom obliku tako i u rasterskom obliku. Slika 2 (lijevo) ilustruje digitalni ortofoto plan sa izohipsama područja Betanije (Sarajevo, BiH), snimljen bespilotnom letjelicom SenseFly eBee, za potrebe izrade idejnog rješenja.

Slika 2: Rezultati snimanja bespilotnom letjelicom: podloga za projektovanje (lijevo); zapremine zemljanih masa (desno)

2.2. Rudarstvo Primjena bespilotnih letjelica u oblasti rudarstva ogleda se najviše u računanju zapremine zemljanih masa vanjskog kopa. Na osnovu fotogrametrijskog oblaka tačaka ili digitalnog modela reljefa može se izračunati zapremina ili volumen bilo kojeg tijela. Za razliku od tradicionalnih metoda, gdje se snima zemljana masa po profilima, prednost snimanja sa bespilotnom letjelicom ogleda se u tome što se dobiva nekoliko stotina hiljada tačaka, sa svim karakterističnim prijelomima, koji znatno utiču na zapreminu tj. volumen zemljanih masa. Na

ŽP

slibe 2.

UinorvrizdoPovrgo

S

Žilić, A.: Primjena bespilotnih

ici 2 (desno) prespilotne letjelic

.3. Geologija

oblasti geologijnformacija dobivrtofoto plana mremenskih neprivoditi razna račuo računanja nagiolja sa bespilotnremenskih nepriodine.

Slika 3: Područje

h letjelica u geodeziji

rikazan je primje SenseFly eBee

a

je, bespilotne levenih na osnovumogu identifikoilika. Kombinacunanja, od računiba terena i orijnom letjelicom ilika (poplava)

e Topčić Polja (Z

i na primjeru aerofot

mjer snimanja i re.

etjelice se mogu proizvoda besp

ovati zone kliziijom digitalnog

nanja zapremine entacije padine.SenseFly eBee, koje su se des

(Zenica, BiH) sni

togrametrijskog siste

računanja zapre

primjenjivati napilotne letjelice. išta, kao i plamodela reljefa

pokrenute mase Slika 3 prikazugdje je sniman

ile u Bosni i H

imljeno bespilotn

ema SenseFly eBee

emine zemljane

a način da pružaTako se na osn

avna područja sa ortofoto pla

, površine i zapruje snimljeno ponje urađeno nepoHercegovini pol

nom letjelicom S

Površina k

Zapremina k

21

mase pomoću

aju raznolikost novu digitalnog

nastala usljed anom mogu se remine klizišta, odručje Topčić osredno nakon lovinom 2014.

SenseFly eBee

klizišta

klizišta

22 Žilić, A.: Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji na primjeru aerofotogrametrijskog sistema SenseFly eBee

2.4. Šumarstvo Na osnovu visokorezolucijskih aerosnimaka, te njihovog objedinjavanja u digitalni ortofoto plan ovaj proizvod se može koristiti i u šumarstvu (slika 4). Osim računanja površine, digitalni ortofoto plan može poslužiti za analizu bespravne sječe šume. Instaliranje kamere na bespilotnu letjelicu sa NIR (engl. Near InfraRed) spektrom, može pomoći pri analizi zdravlja šume na osnovu NDVI (engl. Normalized Differenced Vegetation Index) vegetacijskog indeksa.

Slika 4: Snimanje područja Tarčina kod Sarajeva sa bespilotnom letjelicom SenseFly eBee i prikaz NDVI vegetacijskog indeksa, koji prikazuje zdravlje šume (vrijednosti bliže +1 ukazuju

na zdraviju šumu) 3. IZRADA DIGITALNOG MODELA RELJEFA I ORTOFOTO PLANA

KORIŠTENJEM BESPILOTNE LETJELICE SENSEFLY EBEE Izrada digitalnih modela reljefa (skraćeno DMR) i digitalnih ortofoto planova (skraćeno DOF) različitih razmjera, danas predstavljaju svakodnevne aktivnosti velikog broja geodeta. Postoje različiti postupci dobivanja ovih proizvoda, od tradicionalnih do savremenih metoda. Upotreba bespilotnih letjelica jedna je od savremenih metoda dobivanja DMR-a i DOF-a, a njihova prednost se ogleda u brzini prikupljanja podataka, ekonomskoj isplativosti, te dobivanju up-date1 digitalnog modela reljefa i digitalnog ortofoto plana.

1 Pod terminom up-date podrazumjeva se dobivanje ažurnih proizvoda koji se odnose na dan snimanja bespilotnom letjelicom.

Žilić, A.: Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji na primjeru aerofotogrametrijskog sistema SenseFly eBee

23

U nastavku se opisuje primjer dobivanja digitalnog modela reljefa i ortofoto plana područja Građevinskog fakulteta u Sarajevu, primjenom bespilotne letjelice SenseFly eBee.

Slika 5: Elementi sistema bespilotne letjelice eBee (SenseFly, 2015) Projekat snimanja iz zraka bespilotnom letjelicom SenseFly eBee (slika 5) počinje izradom plana leta za planirano područje. Plan leta za testno područje Građevinskog fakulteta Univerziteta u Sarajevu obuhvatio je površinu od 0,25 km2 ili 25 ha. Pri planiranju se vodilo računa o preklopu između snimaka i rezoluciji snimanja. Linije leta su postavljene paralelno sa izohipsama, a sa ciljem dobivanja zahtijevane rezolucije snimanja. Na osnovu plana leta, definisan je raspored orijentacionih tačaka koje su služile za orijentaciju i rekonstrukciju modela (Republička geodetska uprava, 1974), te raspored kontrolnih tačaka na osnovu kojih je urađena horizontalna i visinska ocjena tačnosti DMR-a i DOF-a (slika 6). Određivanje koordinata signalisanih tačaka urađeno je GNSS metodom. Koordinate su određene sa dvofrekventnim GNSS prijemnikom TOPCON HIPER II, koristeći visokoprecizni servis pozicioniranja (VPSP) sa mreže permanentnih stanica FBIHPOS. Dobivene koordinate su se odnosile na referentni okvir ETRF 2000, epoha 2011.307, te su iste transformisane u stari Bosanskohercegovački državni koordinatni sistem u razmjeru 1:1000. Lokalizacija je izvršena na temelju zvanično utvrđenih parametara slične 3D transformacije, određenih na temelju koordinata iz GPS kampanje SARAREF 06. Svi radovi na određivanju koordinata tačaka obavljeni su prema Pravilniku o primjeni satelitskih mjerenja u geodeziji (Službene novine FBiH, 2012). Nakon što je određeno područje snimanja i urađeni pripremni terenski radovi, izvršeno je snimanje terena iz zraka bespilotnom letjelicom, u skladu s važećom zakonskom regulativom (Službeni glasnik BiH, 2013; Savezna geodetska uprava, 1962). Procesiranje i obrada podataka snimanja je urađena u profesionalnom fotogrametrijskom softveru Postflight Terra 3D. Softver, na osnovu snimaka i koordinata tačka, upoređuje zajedničke piksele koji nakon skupnog izravnanja u bloku (Kraus, 2006) izrađuje fotogrametrijski oblak tačaka. Fotogrametrijski oblak tačaka je prvi i najtačniji rezultat obrade

24 Žilić, A.: Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji na primjeru aerofotogrametrijskog sistema SenseFly eBee

podataka, te je svaka tačaka definisana sa tri koordinate (y, x, H). Digitalni model terena nastaje rasterskom interpolacijom oblaka tačaka, te je za svrhu dobivanja digitalnog modela reljefa bilo potrebno izvršiti klasifikaciju oblaka tačaka. Digitalni ortofoto plan je dobiven na osnovu digitalnog modela terena.

Slika 6: Raspored i signalizacija orijentacionih i kontrolnih tačaka prikazanih na ortofoto planu dobivenog pomoću SenseFly eBee

ŽP

UeB

Žilić, A.: Primjena bespilotnih

nastavku su priBee, za područje

Slika 7: Digita

Slika 8: Isječak

h letjelica u geodeziji

kazani rezultati e Građevinskog f

alni model terenGrađevin

k DOF-a i DMR-

i na primjeru aerofot

obrade podatakafakulteta Univerz

a, digitalni modskog fakulteta U

-a područja Gra

togrametrijskog siste

a snimanja sa beziteta u Sarajevu

del reljefa i digitaUniverziteta u Sa

ađevinskog fakult

ema SenseFly eBee

espilotnom letjelu, (slike 7 i 8).

alni ortofoto plarajevu

teta Univerziteta

25

icom SenseFly

n područja

a u Sarajevu

26 Žilić, A.: Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji na primjeru aerofotogrametrijskog sistema SenseFly eBee

Kao mjera kvalitete, urađena je ocjena tačnosti, koja je provedena u skladu sa Američkim nacionalnim standardom za ocjenu tačnosti prostornih podataka (engl. National Standard For Spatial Data Accuracy, skraćeno NSSDA) (FDGC, 1998). Tabela 1 prikazuje dobivene i očekivane vrijednosti RMSE (engl. Root Mean Squared Error - korijen srednje kvadratne greške) za navedene proizvode. Tabela 1: Ocjena tačnosti Kao što se može vidjeti, fotogrametrijski oblak tačaka, koji predstavlja najtačniji proizvod rezultata snimanja, nalazi se u granicama očekivane tačnosti, kao i digitalni ortofoto plan. Visinska tačnost digitalnog modela reljefa odstupa od očekivane vrijednosti, iz čega proizilazi da se pri snimanju bespilotnom letjelicom najveća odstupanja javljaju kod visina tačaka. Položajna tačnost koju navodi proizvođač je 1-2 x GSD, dok za visinsku tačnost proizvođač navodi 2-3 x GSD (GSD je zemljišna rezolucija rezultirajuće ortofotoslike – engl. Ground Sample Distance).

4. ZAKLJUČAK Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji je još uvijek u „povojima“. Tek treba uvidjeti sve mogućnosti i primjene u konkretnim geodetskim radovima u skladu sa tačnošću ove tehnologije. No, neupitna je činjenica da je to izuzetno perspektivna tehnologija koju zasigurno čeka „svjetla budućnost“. Dobivanje krajnjih rezultata u vrlo kratkom vremenskom razdoblju najveća je prednost bespilotnih letjelica. Samim time dolazi do izražaja njena ekonomičnost. Daljnjim razvojem ove tehnologije zasigurno će zaživjeti njena implementacija u svakodnevnim geodetskim radovima. Naravno, uz svoje prednosti, bespilotne letjelice imaju i nedostatke, a to su stroge zakonske regulative, tj. zabrana korištenja letjelica bez najave i odobrenja nadležnih struktura. Nemogućnost mjerenja u svim vremenskim uslovima bespilotnih letjelica je drugi nedostatak. Krajnji rezultati snimanja bespilotnom letjelicom najviše zavise od kvalitete snimaka, preklopa snimaka, te broja i rasporeda orijentacionih tačka, kao i tačnosti određivanja njihovog položaja,. Bespilotnom letjelicom SenseFly eBee moguće je ostvariti položajnu (planimetrijsku) tačnost od 3 cm i visinsku tačnost od 5 cm u idealnim vremenskim uslovima, tj. kad se snima po sunčanom vremenu, bez vjetra i kad postoje pravilno raspoređene orijentacione tačke..

RMSEx  

[cm]

RMSEy  

[cm]

RMSExy  

[cm]

RMSEh  

[cm]

Fotogrametrijski oblak tačaka 3.9 2.6 4.7 9.4Položajna    

tačnost:3.47 < RMSExy > 6.94

Digitalni model reljefa ‐ ‐ ‐ 16.2

Digitalni ortofoto plan 3.7 3.1 4.8 ‐ Visinska tačnost: 6.94 < RMSEh > 10.41

DOBIVENE VRIJEDNOSTI

OČEKIVANE VRIJEDNOSTIGSD = 3.47 cm/px

Žilić, A.: Primjena bespilotnih letjelica u geodeziji na primjeru aerofotogrametrijskog sistema SenseFly eBee

27

LITERATURA Bento, M. F. (2008): Unmanned Aerial Vehicles: An Overview. Inside GNSS, Vol. January/February, pp. 54-61. Böhler, W., Heinz, G. (1999): Documentation, surveying, photogrammetry. XVII CIPA Symposium, Recife, Brazil. FDGC - Federal Geographic Data Committee (1998): NSSDA – Geospatial Positioning Accuracy Standards, Part 3: National Standard for Spatial Data Accuracy. Reston, Virginija, SAD. Kolarek, M. (2010): Bespilotne letjelice za potrebe fotogrametrije. Ekscentar, br. 12, str. 70-73. Kraus, K. (2006): Fotogrametrija, 1. dio: osnove i standardni procesi. Prijevod s engleskog jezika A. Mulahusić. SYNOPSIS Zagreb i SYNOPSIS Sarajevo.

Savezna geodetska uprava (1962): Uputstvo za fotogrametrijske radove na državnom premjeru (II Izdanje), Beograd. SenseFly LDT (2015): Ebee SenseFly Extended User Manual. Cheseaux-Lausanne, Švicarska. Službeni glasnik BiH (2013): Pravilnik o odobravanju letova, 50/13 (25. 06. 2013.), Banja Luka. Službene novine FBiH (2012): Pravilnik o primjeni satelitskih mjerenja u geodeziji, 18 (29. 02. 2012), Sarajevo, str. 217 – 241. Republička geodetska uprava (1974): Uputstvo o načinu određivanja veznih tačaka, Sarajevo. Autor: Amel Žilić, MA geod. - dipl.inž.geod. INZA d.o.o. Sarajevo Grbavička 34, 71000 Sarajevo Bosna i Hercegovina E-mail: amel_zilic@live.com