Ortofotomapy z drona

Ortofotomapy z drona

Co to jest ortofotomapa – definicja i cechy

Według definicji, ortofotomapa jest “mapą fotograficzną powstałą w wyniku przetwarzania różniczkowego zdjęcia lotniczego”. Taka definicja może być ciężka do strawienia, więc przyjrzymy się zagadnieniu bliżej.

Czym się różni ortofotomapa od zdjęcia lotniczego?

Najczęściej, ortofotomapy powstają w wyniku przetwarzania zdjęć satelitarnych, lotniczych lub z drona. Główną różnicą jest zmiana rzutu (perspektywy) z rzutu środkowego do rzutu ortogonalnego. Ortogonalnego, czyli inaczej prostopadłego do fotografowanej płaszczyzny.

Stąd też nazwa: “orto” – od rzutu ortogonalnego, “foto” – od fotografii, “mapa” – bo finalny produkt posiada wszystkie cechy mapy – skalę, układ współrzędnych i zachowane proporcje i może służyć do wykonywania pomiarów.

Rzut środkowy (gdzie “środkiem” jest jeden punkt – matryca aparatu) powoduje pozorne zakrzywienie przestrzeni i nierównomierność skali. Im większy fotografowany obszar, różnice terenu i krótsza ogniskowa (szerszy kąt widzenia obiektywu), tym zniekształcenia są większe.

Ekstremalny przypadek można zaobserwować z obiektywem typu rybie oko, gdzie celowo nie koryguje się dystorsji.

Ortofotomapy zdjęcia lotnicze
Na takim zdjęciu niemożliwe jest dokonanie jakichkolwiek precyzyjnych pomiarów lub planów.

W rzucie ortogonalnym, każdy punkt badanej płaszczyzny fotografowany jest prostopadle, pionowo z góry. By to uzyskać, ortofotomapy tworzy się wykonując setki zdjęć badanego obszaru, a następnie łączy w procesie ortorektyfikacji i mozaikowania.

Wierna ortofotomapa – true orthophoto

Obiekty wystające ponad/poniżej powierzchni ortofotomapy mogą ulec zakrzywieniu lub lekkiemu przesunięciu – w ich wypadku nie będzie zachowana skala. Mogą też przesłonić inne obiekty znajdujące się za nimi.

Ortofotomapa zakrzywienie
Ortofotomapa, ale nie wierna – elementy wysokie (dachy) przesunięte względem podstawy budynków.
Zdjęcie: Krzysztof Bosak, CC BY-SA 3.0

Wykorzystanie dronów i zebranie zdjęć o dużym pokrywaniu pozwala połączyć fotografie tak, by kontury budynków (lub innych wysokich elementów) zostały zrzutowane dokładnie na swoje podstawy. W takim przypadku mówimy o “wiernej ortofotomapie” (ang. true orthophoto).

Wierna ortofotomapa
Wierna ortofotomapa – kontury dachów budynków zrzutowane prostopadle na ich podstawy.
Zdjęcie: Krzysztof Bosak, CC BY-SA 3.0

Dokładność ortofotomapy – GSD

Dokładność i szczegółowość ortofotomapy zależy głównie od jej rozdzielczości – terenowego rozmiaru pixela, z angielskiego Ground Sampling Distance (GSD).

  • GSD rzędu 30cm/px pozwala na identyfikację elementów przestrzeni – zabudowań, dróg, itp.
  • GSD rzędu 10cm/px pozwala na dokładniejszą inspekcję obszarów zurbanizowanych – rozróżnienie pasów drogowych, płyt chodnikowych, instalacji naziemnych, granic budynków i działek,
  • GSD rzędu 5cm/px jest już bardzo szczegółową dokładnością i pozwala na inspekcje dachów, rynien i dachówek, pomiary odległości i objętości, rozróżnianie pojedynczych osób, itp.
  • GSD rzędu 1cm/px cechuje najdokładniejsze ortofotomapy, na których można opierać prace zgłaszane do ODGiK.

Takie rozdzielczości są dużo dokładniejsze niż te, które spotykane są w tradycyjnej fotogrametrii. Dostarczone w ten sposób informacje i pomiary pozwalają (częściowo lub w całości) zrezygnować z dalszych pomiarów geodezyjnych.

Ortofotomapy – zastosowanie

Ortofotomapy stosuje się wszędzie tam, gdzie potrzebne jest precyzyjne i dokładne odwzorowanie terenu (na potrzeby pomiarów lub wizualizacji). Choć zastosowań jest całe spektrum, to zdają się dominować dwa główne nurty – mapy na potrzeby inżynierii lądowej oraz mapy wykorzystywane przy analizach środowiska.

Realizacja inwestycji i promocja

Cyfrowe mapy mogą być pomocne na każdym etapie realizacji inwestycji budowlanej lub infrastrukturalnej. Od prezentacji terenu i wizualizacji planów zagospodarowania przed inwestorami, przez inwentaryzację wydzielonych działek, sprzedaż terenu po promocję zakończonej inwestycji.

W ramach takiej promocji można zrealizować kampanie marketingowe przedstawiające dane miejsce lub obiekt. Stworzyć wizualizację terenu np. w ośrodkach turystycznych, narciarskich i zaprezentować dostępne trasy, szlaki, punkty widokowe.

Inzynieria lądowa – planowanie prac budowlanych

Ortofotomapy z dronów używane są podczas projektowania i realizacji prac budowlanych. Postępujące prace monitoruje się bez konieczności ich zatrzymania. Kolejne etapy budowy poddaje się cyklicznej ocenie. Po zakończeniu budowy dokonuje się inwentaryzacji powykonawczej, np. poprzez zestawienie wykonanej pracy z planami i zamówieniem.

Mapy terenu wykorzystuje się również podczas planowania, budowy i inwentaryzacji infrastruktury, takiej jak drogi, linie kolejowe, linie przemysłowe, linie energetyczne, gazociągi.

Ortofotomapa cyfrowa prace budowlane

Inwentaryzacje wyrobisk, składowisk

W przypadku obiektów takich jak wyrobiska, składowiska, magazyny czy kopalnie odkrywkowe, tworzy się modele 3D tych obszarów przemysłowych. Wykorzystywane są one do pomiarów, planowania i monitoringu. Mierzy się objętość urobku, składowanych materiałów takich jak kruszywa i stanów magazynowych. Porównuje się wielkość (kubaturę) dostarczanych materiałów sypkich i zgodność dostaw z zamówieniami. Mierzy się objętość mas ziemnych i szacuje koszt oraz czas wywozu np. z planu budowy.
W ten sposób bada się również szybkość przyrastania wysypisk śmieci, złomowisk, itp.

Ewidencja gruntów i budynków

Na potrzeby ewidencji gruntów i budynków, cyfrowe ortomapy wykorzystuje się do wyznaczania granic działek i pomiarów ich powierzchni oraz odległości w przestrzeni.

Referencje do innych map

W ten sposób dokonuje się również aktualizacji starszych, istniejących już map lub porównuje mapy różnego typu (w ten sposób można wykryć samowole budowlane lub nielegalne wysypiska odpadów).

Na mapę rastrową (fotomapę) można nanieść mapę wektorową, np. dróg, zabudowań, linii energetycznych.

Można również stworzyć mapę termowizyjną CIR (Color-InfraRed), czyli mapę wykonaną ze zdjęć w podczerwieni. Takie mapy służą do badania np. stanu roślin, drzewostanu, wilgotności gleby, wykrywania rurociągów podziemnych.

Nadzorowanie zmian terenowych

Cyklicznie tworzone mapy danego terenu pozwalają na monitorowanie i detekcję zmian w środowisku naturalnym. Monitorować można takie parametry jak występowanie osuwisk, poziom wód powierzchniowych czy rodzaj i gęstość występującej roślinności.
W zestawieniu ze zmianami w środowisku naturalnym, przedstawić można plany rozwoju sieci osadniczej (urbanizacji).

Ortofotomapy w geodezji planowanie zagospodarowania

Analizy środowiskowe

Cyfrowe ortofotomapy w analizach środowiska pozwalają na monitorowanie stanu pól, lasów, rzek, jezior, gruntów, itp. W lasach służą do badania kondycji drzewostanów, wykrywania zniszczeń i uszkodzeń (złomów, wywrotów, pożarów), występowania szkodników czy monitorowania różnorodności biologicznej terenu.

Dokumentacja klęsk żywiołowych

W przypadku wystąpienia klęsk żywiołowych takich jak pożary, powodzie, podtopienia, susze możliwe jest badanie ich postępu oraz dokumentacja zakresu i rodzaju strat.

Ortofotomapy w rolnictwie
Na mapie widoczne efekty suszy i zniszczeń w uprawach

Rolnictwo precyzyjne

Drony z kamerami multispektralnymi wykorzystuje się także w rolnictwie. Taka ortofotomapa upraw pozwala na optymalizację nawożenia, weryfikację wzrostu polnów, inwentaryzację szkód, czy badanie melioracji gleby.

Ortofotomapa terenów rolniczych

Poszukiwania archeologiczne

Zdarza się, że cyfrowe mapy terenu wykorzystuje się w tak nietypowych zastosowaniach jak poszukiwania archeologiczne, co byłoby trudne do wykonania z powierzchni ziemi.

Ortofotomapy cyfrowe z drona – planowanie nalotu fotogrametrycznego

W dużym uproszczeniu, za pomocą drona z kamerą wykonuje się setki zdjęć mapowanego terenu, które następnie poddaje się odpowiedniej obróbce i składa w jedną mapę.

Planowanie nalotu

Pierwszym krokiem jest zaplanowanie nalotu i dobranie odpowiednich parametrów. W zależności od celu mapowania, ustala się:

  • rodzaj drona – płatowiec do obiektów liniowych (np. droga, rzeka) i dużych obszarów lub wielowirnikowiec do małych, lokalnych obszarów, jak pomiary na placu budowy,
  • kamerę i rozdzielczość matrycy, w zależności od wymaganego rozmiaru piksela – GSD,
  • wielkość pokrycia podłużnego i poprzecznego – sięgająca 80% dla precyzyjnych modeli terenu i wiernych ortofotomap.

Nalot fotogrametryczny

Fotopunkty

Następnie dobiera się osnowę fotogrametryczną. Jest to zbiór tzw. fotopunktów, czyli punktów o znanych współrzędnych w dowolnym układzie odniesienia (np.układ współrzędnych płaskich prostokątnych PL-2000) , który można jednoznacznie zidentyfikować na zdjęciach. Mogą to być plansze ustawione w terenie przed pomiarem, lub naturalnie występujące punkty jak studzienki kanalizacyjne.

Wykonanie nalotu

Nalot planuje się trasę w dedykowanym programie, w którym deklaruje się warunki startu, lądowania oraz obszaru mapowania (nalotu). W tym etapie bardzo ważne jest dobranie odpowiednich parametrów, takich jak pokrycie, wysokość, kierunek nalotu etc. Te czynniki będą determinowały jakość oraz rozdzielczość naszej ortofotomapy.

Na tym etapie pozyskiwane są setki zdjęć (w zależności od obszaru nalotu), którym automatycznie przypisuje się w pliku EXIF pozycję oraz orientację w przestrzeni przy wyzwoleniu zdjęcia. Dane pochodzą z modułów GNSS oraz IMU.

Chmura punktów

W kolejnym kroku, algorytm komputerowy dokonuje procesu zwanego matchingiem. Polega on na znalezieniu punktów wspólnych, tzw. punktów charakterystycznych (ang. keypoints) i połączeniu ich między zdjęciami.

Chmura punktów i aerotriangulacja

Aerotriangulacja

Następnie kolejny algorytm iteracyjny aerotriangulacji, łączy zbiór zdjęć w sieć geometryczną. Wykorzystuje do tego połączone zdjęcia oraz informacje o autokalibracji kamery oraz fotopunkty do zorientowania całości w znanym układzie współrzędnych wykorzystując dane GPS.

Na tej podstawie tworzony jest NMPT – numeryczny model pokrycia terenu.

Ortorektyfikacja

Numeryczny model terenu NMT (czy w wypadku zdjęć z infrastrukturą i roślinnością, NMPT) to jeszcze nie ortofotomapa. Ostatnim etapem jest nałożenie zdjęć na otrzymany wcześniej cyfrowy model terenu (czyli właśnie zmiana rzutu środkowego na ortogonalny – prostopadły) oraz mozaikowanie (czyli połączenie wielu fragmentów mapy w całość).

Zalety ortofotomap wykonanych z bezzałogowców (UAS/UAV)

Wierna ortofotomapa

Jednym z parametrów nalotu fotogrametrycznego dronem jest gęstość pokrycie (podłużne i poprzeczne). W praktyce oznacza to, jak duża część dwóch kolejnych zdjęć jest wspólna. Im pokrycie jest większe, tym gęściej wykonywane są zdjęcia.

Przy pokryciu rzędu 80% można uzyskać wierną ortofotomapę (true orthophoto), na której nie występuje przekłamanie perspektywy obiektów wysokich i zasłonięcie części terenu. Obiekty zrzutowane są prostopadle na swoje podstawy.

Lepsze niż zdjęcia z satelity

Drony wykonują zdjęcia z pułapu rzędu 50-500 metrów nad ziemią. Dodatkowo, naloty planowane są względem prognozy pogody. W ten sposób można uniknąć zachmurzenia i mgły na zdjęciach, a wysoka wilgotność powietrza na takim dystansie nie zaburza barw. Zdjęcia z drona charakteryzują się żywymi, dobrze odwzorowanymi kolorami.

Koszt wykonania takiej mapy jest również relatywnie niski, a wyniki można otrzymać w 24 godziny.

Mobilność

Wysoka mobilność dronów pozwala przeprowadzić naloty niemalże wszędzie i zawsze. Głównymi ograniczeniami są jedynie warunki pogodowe (prędkość wiatru, opady), możliwe miejsca startu i lądowania oraz strefy zakazu lotów.

Praca w trudnych warunkach

Drony dopuszczają także możliwość pracy w trudnym lub nieosiągalnym dla geodety terenie. Na przykład nad kopalniami odkrywkowymi, placem budowy, lub terenem skalistym czy bagnistym. W przypadku nalotów i mapowania terenów budowy, nie ma konieczności przerwy w pracach.

Chcesz wykonać cyfrową ortofotomapę?

Dokonaj pomiarów i zaplanuj wykorzystanie terenu


Zamów ortofotomapę z BZB UAS

Udostępnij ten post

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on pinterest
Share on print
Share on email