Ověřená technologie využití RPAS (UAV) v památkové péči Karel Pavelka, Jaroslav Šedina, Eva Matoušková, Martina Faltýnová, Jan Řezníček
Realizováno v rámci projektu DF13P01OVV02 programu aplikovaného výzkumu a vývoje národní a kulturní identity (NAKI) za rok 2015 „ Nové moderní metody neinvazního průzkumu památkových objektů “
ČVUT v Praze, Fakulta stavební 2015
1
Obsah 1.
Předmět ověřené technologie ........................................................................................................................ 3
2.
Struktura ověřené technologie....................................................................................................................... 3
3.
Motivační a teoretické základy ....................................................................................................................... 3 3.1
Legislativa - legislativní rámec v České republice .................................................................................. 4
3.2
Technické prostředky ............................................................................................................................ 5
3.3
Využití RPAS ........................................................................................................................................... 6
3.4
Teorie a zpracování dat ......................................................................................................................... 7
3.5
Obrazová fotografická data a další senzory ........................................................................................... 8
4.
Georeferencování pořízených rastrových dat ................................................................................................ 9
5.
Případové studie – ověření technologie v různých podmínkách .................................................................. 10 5.1
Příklady využití ..................................................................................................................................... 11
Průzkum a dokumentace nepřístupných částí historického objektu ........................................................... 11 Monitoring termální aktivity ........................................................................................................................ 13 Velkoměřítkové a tématické mapování pro archeologii .............................................................................. 14 Monitoring stavu vegetace - vyhledávání archeologických artefaktů leteckými metodami ........................ 15 Březno u Loun ............................................................................................................................................... 15 Případová studie – monitorování Božídarského rašeliniště ......................................................................... 17 Grónsko – Sermermiut ................................................................................................................................. 21 Irák / Kurdistán – Makhmour ....................................................................................................................... 24 Labské předmostí – Litoměřice .................................................................................................................... 28 Testování přesnosti ortofota ........................................................................................................................ 30 6.
Závěr ............................................................................................................................................................. 31
7.
Seznam použitých zdrojů .............................................................................................................................. 32
2
1. Předmět ověřené technologie Předmětem ověřené technologie je metoda nízkonákladové dokumentace historických objektů a krajiny a krajinných historických prvků pomocí moderní metody dálkově řízených leteckých prostředků RPAS (remotely piloted aircraft system) – často nazývané také UAV (unmanned aerial vehicle) nebo slangově drone. Tato technologie vychází z principů letecké fotogrammetrie, je aplikována v nízkonákladovém provedení a využívá sofistikované mikroelektronické prvky snímání, navigace, určování polohy, parametrů letu i přenosu dat. Výpočetní procesy jsou založeny na principu obrazové korelace navazujících, překrývajících se přibližně kolmých či obecných snímků. Výsledkem použití technologie je texturované mračno bodů, ortofoto, digitální model povrchu (DMP) a další informace z obrazových dat. Při dodržení požadavků kvality a znalosti parametrů letu a snímkování může tato technologie na malých oblastech nahradit drahé letecké snímkování či letecké laserové skenování nebo úlohy dálkového průzkumu Země.
2. Struktura ověřené technologie Technologie je rozdělena do hlavních oblastí, kterými jsou: Legislativa RPAS
Technika, využívaná u RPAS pořízení digitálních dat: uvedení podmínek nutných k získání kvalitních digitálních dat
snímkování
možnosti jiných senzorů
zpracování, tvorba ortofota a DMP (digitálního modelu povrchu)
ověření technologie na případových studiích, porovnání s klasickými metodami, doporučení provozu
3. Motivační a teoretické základy V následujícím textu je nejprve popsán teoretický základ a důvody využívání předkládané technologie. Vzhledem k bezpečnosti provozu i nastavení pravidel užívání není jejich nasazení zcela jednoduché a bezproblémové, jak někteří výrobci deklarují. Zde je i počátek nového označení RPAS – nejedná se přesně o „bezpilotní“ prostředky (to by mohlo vzbuzovat dojem, že zařízení nikdo neřídí, což je v rozporu s bezpečností), ale o dálkově řízené letecké prostředky. Tj., existuje osoba, která je za činnost RPAS zodpovědná. Tím se přenáší právní zodpovědnost na pilota, který zařízení musí ovládat, legislativa je ale v různých částech světa značně odlišná. Zde není prostor k širšímu výkladu práva a zahraničním pravidlům, zaměřme se tedy na Českou republiku (legislativa se ale rychle vyvíjí, typů, využití RPAS, ale i problémů rychle přibývá a kupř. již na sousedním Slovensku jsou právní normy v této oblasti zcela jiné). 3
3.1 Legislativa - legislativní rámec v České republice Pro legální využívání RPAS k vědeckým či komerčním účelům (mimo sportovní a rekreační využití, kdy lze létat jen na bezpečných či jinak určených lokalitách) je třeba pilotní licence od Úřadu pro civilní letectví (ÚCL) a poměrně drahou pojistku (s plněním přes 20 mil. Kč). Počet žádostí o registraci RPAS za poslední dva roky na ÚCL prudce stoupl, jedná se již o stovky žádostí. Mnoho osob ale provozuje RPAS bez patřičných povolení, což je v rozporu se zákonem. Málokdo si uvědomuje, že v EU platí přísné a někdy i značně rozporuplné zákony na ochranu osobních údajů, kdežto kupř. v USA nikoliv v této podobě. Základními dokumenty pro využití RPAS jsou:
Zákon na ochranu osobních údajů
Doplněk X, Úřad pro civilní letectví
Zákon o civilním letectví č. 49/1997 - § 52 - Létání letadel bez pilota
Letecký předpis Ministerstva dopravy L 2 – Pravidla létání
Zařazení RPAS - prostředky se vzletovou hmotností 0,91- 20 kg RPAS se dělí dle využití: 1) Pro sportovní účely a zábavu teoreticky na vlastním pozemku, mimo ně na bezpečných místech (v souladu s Doplňkem X), létat lze s libovolnými modely, omezena je samozřejmě výška letu, která u všech typů nesmí přesáhnout 300m, kde začíná prostor pro civilní letectví. Pro modely do 20kg je požadovaná pojistka ve výši cca 5tis.Kč ročně, není potřeba licence; modely ale nesmí využívat zařízení se záznamem obrazu, určeným ke zveřejnění a zejména autopilota. 2) Pro vědecké a výzkumné potřeby – je třeba pilotní licence, je nutno RPAS mít schválený od ÚCL (typová identifikace a nutné bezpečnostní prvky – např. okamžitý návrat a přerušení automatického pilotování v případě hrozby), po jejímž certifikování dostane RPAS přidělený kód (OK-xxx), RPAS je registrován stejně jako odpovědná osoba – pilot. Požadována je pro nerozlišené typy do určité hmotnosti stejná pojistka ve výši krytí přes 20 mil. Kč. 3) Po práce spojené s leteckým snímkováním v rámci obchodní činnosti je nutno mít ještě povolení pro letecké snímkování. Prostory, uvolněné pro provozování RPAS Provozovat lety RPAS nelze v okruhu minimálně 5500m od letištní oblasti. Pokud ÚCL nestanoví jinak, musí se RPAS pohybovat v přímém dohledu pilota, což je pro skutečné využité malých RPAS, zejména okřídlených, problém. Nesmí se létat v blízkosti chráněných inženýrských sítí (vysoké napětí), vojenských objektů, v okolí vodních zdrojů a dalších vyhrazených oblastí. Výška letu je dána 100 m v řízeném okrsku letiště, jinde 300 m (nad zemí). RPAS je možno používat jen pro účely, dané licence. Vyhláška říká, že za letu se nelze přiblížit více než 100m k osobám, objektům a stavbám, které nejsou součástí provozu, při vzletu a přistání se prostředek mimo pilota nesmí přiblížit k osobám blíže než na 50m; dále se nelze se přiblížit více než na 150m k hustě osídleným oblastem (nelze létat nad hustě 4
zastavěným územím). To prakticky vylučuje nasazení RPAS ve městech. Pokud je to nutné, musí na to být zvláštní povolení. 3.2 Technické prostředky Naše (ale i cizí) legislativa definuje volně létající prostředky a upevněné létající prostředky. Upevněné létající prostředky mohou také sloužit různým účelům, jako jsou např. reklama, turistika, fotografování. Většinou se jedná o balóny, vzducholodě či draky. Na ty se legislativa ÚCL dále nevztahuje při dodržení podmínek letového provozu (zejména výška provozu); na umístění upevněného balónu či vzducholodě je nutné povolení úřadu veřejné správy. Volně létající prostředky se technicky dělí na: 1) 2) 3) 4) 5)
dálkově řízené vzducholodě vrtulníky (jeden či dva souosé hlavní rotory), multikoptéry, létající křídla letecké prostředky s křídly klasické konstrukce.
Podle pohonu lze RPAS rozdělit na zařízení s: a) elektrickým pohonem, b) spalovacím motorem. RPAS pro vědu, výzkum, a obchodní činnost jsou robustnější, dražší a zejména specializované svým užitečným nákladem. Využívají dnes nejčastěji elektrický bateriový pohon. I když výkon a kapacita baterií stoupá, doba letu je omezena v současné době u multikoptér na 10-20 (zcela výjimečně 30) minut, u okřídlených RPAS je výdrž ve vzduchu větší (běžně 40-60 minut). Všechna tato zařízení jsou doplněna o navigační prostředky typu INS (inertial navigation system), který se skládá z různě přesných čipů GNSS a antény (poloha zařízení v prostoru) a IMU (inertial measurement unit), zajišťující orientaci v prostoru. Princip letu u obou typů je odlišný a také jejich hlavní možnosti využití. Multikoptéty startují kolmo, rotory musí nést celou váhu zařízení, vertikální pohyb lze řídit otáčkami rotorů, horizontální pohyb se u vícerotorových RPAS uskutečňuje náklonem celého zařízení pomocí otáček jednotlivých rotorů. U klasického vrtulníku je nutno natáčet listy rotoru a rotor, vyrovnávací zadní kolmý rotor zamezuje rotaci celého zařízení a slouží pro řízení směru letu. Hmotnost multikoptér a elektrických vrtulníků je od stovek g po několik kg, z hlediska materiálu se využívá lehkých slitin a uhlíkových kompozitů v kombinaci s plastem; nosnost užitečného materiálu je relativně velká, od stovek g až po několik kg, závisí samozřejmě na předpokládané délce letu. Okřídlené RPAS mají klasická křídla, která po dosažení základní rychlosti vytváří nosný vztlak, který zařízení nese. Vrtule dává zařízení dopřednou rychlost, směr letu se řídí různými typy aerodynamických klapek. Menší typy mají obyčejně tlačnou vrtuli, která je bezpečnější a 5
více chráněná při přistání. Drak letadla je často u levnějších typů z tvrzeného polystyrenu, což výrazně snižuje hmotnost celého zařízení. Váha bývá od stovek gramů po několik kg, nosnost je běžně 0,2-1,0 kg. Větší, těžší a dražší okřídlené RPAS využívají klasickou leteckou konstrukci a také i benzinový motor, nosnost je v kg. RPAS není pouze samotný létající model. Pod tímto pojmem jsou zahrnuty následující komponenty: • model letadla, vrtulníku • kontrolní stanice s pilotem • software • komunikační přenosová soustava • nesené vybavení • potřebné vybavení pro obsluhu a údržbu 3.3 Využití RPAS Civilní RPAS jsou novinkou posledních let ve světě dokumentace, mapování a monitorování objektů nízkonákladovými prostředky. RPAS jsou schopny nést digitálními fotoaparáty, multispektrální či hyperspektrální systémy, miniaturní letecké laserové skenery či termokamery aj., které levné určitě nejsou. RPAS dominují na technických výstavách a odborných akcích oborů geomatiky, geoinformatiky a geodézie již několik let. Výzkum technologie i zpracování výsledků je zde skutečně velmi rychlý a dnes existuje mnoho komerčně prodávaných typů pro rozličné využití. Hlavní oblasti využití: Tematické mapování, tvorba přesného DMP Monitoring Bezpečnostní a vojenské aplikace Precizní zemědělství Lesnictví Ekologie a monitoring nepřístupných či nebezpečných oblastí Havárie, živelné pohromy – dokumentace Památková péče Archeologie Základní vědecké nebo obchodní využití RPAS je dáno principem letu. Vrtulníky a multikoptéry jsou ideální pro dokumentaci či průzkum staveb. Bez lešení či mobilní plošiny lze dokumentovat stav stavby vysoko nad vámi i v poměrně úzkých prostorách. Průzkumný let je vyhotoven během desátek minut, multikoptéry mohou nést i těžší zařízení, využívají se kvalitní digitální fotoaparáty, kamery s vysokým rozlišením a nově i levné typy termokamer, jejich cena se výrazně snížila. Přítomnost INS umožňuje relativně snadné řízení multikoptéry, pokud je k ní vytvořen i speciální řídící software. Jinak INS zajišťuje v případě ztráty komunikace či viditelnosti RPAS jeho návrat na místo startu, „visení“ multikoptéry nad určitým bodem či dodržení bezpečného odstupu od kupř. budovy. Multikoptéry jsou téměř 6
standardně vybaveny podvěšeným otočným nosičem snímací aparatury (gimbal), který zajišťuje natáčení kupř. fotoaparátu na potřebný záběr – můžete tedy kupř. vystoupat s multikoptérou do určité a výšky a vzdálenosti od objektu, uzamknout jeho polohu a natáčení fotografovat objekt. Pokud se využívá multikoptéra pro plošné snímání, je třeba navigační software, který území rozdělí na náletové řady. To lze dělat i manuálně, ale je to jen pro zdatné piloty. Obecně lze říci, že ovládání profesionální či poloprofesionální multikoptéry je složitější a předpokládá určité zkušenosti, dosah a možné užití pro plošné objekty je menší, než u okřídlených RPAS. Okřídlené RPAS potřebují pro let určitou dopřednou rychlost, což je na druhou stranu určitá nevýhoda oproti multikoptérám. Nemohou zcela jednoduše startovat kolmo vzhůru, platí pro ně pravidla, jako u běžných letadel. Pro start a přistání potřebují volné prostranství, některé i zpevněnou plochu, určité typy využívají pro start katapult, jiné zas pro přistání padák. Zde je značná variace možností. Charakterem letu je dáno jejich použití - zejména mapování, dokumentace a průzkum plošného území obdobně jako klasická letecká fotogrammetrie. Špatně se hodí pro dokumentaci či průzkum jednotlivé budovy; lze ale využít pro monitoring plošné zástavby či velkých dopravních a vodních staveb, technologických velkoplošných celků apod. Oproti klasické letecké fotogrammetrii lze tento typ RPAS nasadit téměř okamžitě, cena za snímkování je minimální (daná odpisy zařízení a dopravou na místo), rozlišení od 2-3 cm po 10cm, avšak omezený dosah, běžně 1km2 na jeden let. Zatímco se u klasické letecké fotogrammetrie využívá drahá a speciální fotogrammetrická kamera, vyšší výška náletu a specializované dopravní malé letadlo, RPAS využívá běžně levné kompaktní digitální fotoaparáty, řízené přímo pomocí navigačního software. Rozlišení kompaktních fotoaparátů je sice mnohdy mezi 10-20MPix, avšak radiometrická a geometrická kvalita obrazu je dána kvalitou objektivu, a ta je u těchto typů nízká. Vždy platí a bude platit – něco za něco. Levná technologie je vyvážena nepříliš kvalitními snímky a jejím velkým množstvím (stovky snímků na 1km2) oproti vysoké kvalitě 1-2 snímků z klasické letecké fotogrammetrie na stejné území.
3.4 Teorie a zpracování dat Významný rozvoj bezpilotních prostředků v posledních letech vyvolal nutnost přesného vyhodnocení pořízených dat. Data, pořízená UAV, jsou svým charakterem blíže pozemní fotogrammetrii. Díky použití levných neměřických kamer a méně přesných inerciálních jednotek je nutné ke zpracování přistupovat odlišně, než u klasických leteckých snímků s přesnou znalostí všech požadovaných prvků. Profesionální fotogrammetrické softwarové produkty na tvorbu ortofota, které jsou vhodné pro rozsáhlé územní projekty, nejsou pro tato data určená a ani vhodná. Při zpracování obrazových dat z UAV se setkáváme s těmito problémy:
určování prvků vnější orientace - absence kvalitní GNSS/IMU určování prvků vnitřní orientace - použití neměřických komor nestandardní data - snímky často upravené již v sw fotoaparátu 7
snímky se často odklánějí od ideální svislice, zařazeny jsou i šikmé snímky, azimutální natočení je proměnlivé
Pro zpracování leteckých snímků z RPAS existuje v současné době na trhu několik specializovaných programů. Všechny jsou komerční:
Pix4D Terra 3D -SenseFly Aerogis Icaros Dronemapper PhotoScan Agisoft Specializované moduly v profesionálních systémech pro DPZ a fotogrammetrii
Dnes intenzívně využívaný a citovaný univerzální software Agisoft Photoscan využívá technologii image based modeling (SIFT algoritmus počítačového vidění). Software není ale přímo vytvořen pro fotogrammetrii, z tohoto důvodu v něm chyběly zpočátku některé klasické fotogrammetrické prvky jako kalibrace kamery, práce s vlícovacími body aj. Agisoft Photoscan se stal v posledních několika letech široce citovaným softwarem, jeho využití je obecně pro tvorbu 3D modelů z fotografií bez jakékoliv hlubší znalosti fotogrammetrie; kalibrace použitého fotoaparátu se řeší přímo v projektu na základě nadbytečného množství nalezených korespondujících (spojovacích) bodů. Zprvu se vypočte tzv. řídké mračno (sparse point cloud), což jsou prakticky spojovací body mezi jednotlivými snímky (tzv. korespondenční body s využitím algoritmu SIFT). Pomocí řídkého mračna bodů jsou vypočteny orientační prvky snímků (vnitřní i vnější orientace) a následně se spočte podrobné, tzv. husté mračno (dense point cloud). Výsledné mračno bodů se počítá ze všech snímků, možnosti ovlivnění výpočtu jsou velmi omezené. Nutno dodat, že software tohoto typu se rychle vyvíjí, kupř. do Agisoftu byla nedávno implementována možnost vložit vlícovací body a dále byl přiřazen modul na kalibraci kamery. Výsledkem procesu zpracování množiny snímků je texturované mračno bodů; při velké hustotě bodů (dense point cloud) mračno nahrazuje poměrně věrně 3D model objektu.
3.5 Obrazová fotografická data a další senzory Vybavení RPAS se skládá z volitelné kamery, dále se prodávají i multispektrální kamery, termální kamery, hyperspektrální kamery, laserové skenery a další speciální sensory. V naší verzi vlastníme dvě kamery pro viditelné a blízké infračervené spektrum, což umožňuje provádět i vegetační aplikace (např. NDVI a interpretaci IR snímků, které jsou citlivé na vlhkost).
8
Obr. 1: Ukázka spektrální citlivost IR kamery ELPH (dle SenseFly) Zpracování dat Výsledkem mise RPAS jsou sady snímků ve viditelné či infračervené části spektra (běžně lze do RPAS vložit lze vždy jen jedna kamera, pokud není užita jiná konstrukce či systém s vyšší nosností. Typicky se získají stovky snímků s velkým překrytem (70-80% podélný překryt, 4080% příčný překryt). Jak bylo řečeno, pro zpracování se v současné době nejčastěji používá software Agisoft PhotoScan, dále Pix4D a originální software firmy SenseFly, Terra 3D (mutace Pix4D). Využít lze samozřejmě i celé řady softwarových modulů pro RPAS, které jsou dnes urychleně implementovány do významných fotogrammetrických programových produktů i do produktů pro dálkový průzkum Země (DPZ). Tato řešení jsou obyčejně ale značně drahá, proto uživatelé RPAS sahají více právě po jednoúčelových řešeních, vytvořených pro RPAS. Agisoft Photoscan je výjimkou, je víceméně univerzální.
4. Georeferencování pořízených rastrových dat U předmětů, artefaktů a drobných staveb obyčejně není požadavek transformace výsledku do geodetického referenčního systému. Větší celky, archeologické sondy a zejména krajinné prvky či celé areály ale je nutno georeferencovat tak, aby bylo možné je umístit do GIS nebo propojit s dosavadními výsledky v mapovém podkladu. Software Agisoft Photoscan má tuto možnost zakomponovanou teprve nedávno, jelikož se nejedná o pravý geodetický systém, ale obecně univerzální systém pro tvorbu 3D modelů z fotografií. Ostatní fotogrammetrické či zpracovatelské systémy pro editaci 3D modelů v rámci zejména 3D skenování (laserového skenování) možnost georeferencovat data běžně mají. Obecně je třeba alespoň tří dobře identifikovatelných vlícovacích bodů, prostorově rozložených, které nejsou ani se neblíží jejich pozice libovolné linii. Prakticky je ale nutno oblast pokrýt dostatečně hustou a pravidelnou sítí vlícovacích bodů, jinak dochází k deformaci digitálního modelu a tudíž i polohovým chybám v ortofotu. Rozložení vlícovacích bodů záleží na terénu i velikosti území, ale je nutno počítat s cca minimálně deseti body na km2 pro kvalitní DMP. Z testů vyplynulo, že Agisift Photoscan při malém počtu vlícovacích bodů značně při vyrovnání v jednom celku 9
vzniklý DMP deformuje; zde je tedy třeba poměrně husté sítě vlícovacích bodů. Pokud se ale použije software, který je psán pro geodetické využití RPAS (např. Pix4D či Terra 3D), výsledky jsou lepší. Je zde totiž umožněno vkládat vlastní spojovací body mezi snímky a definovat přesnost vlícovacích bodů (matematické fotogrammetrické vyrovnání paprskových svazků lze do jisté míry ovlivnit a řídit). Při kvalitním rozmístění vlícovacích bodů a jejich dostatečném počtu lze docílit středních chyb na kontrolních bodech okolo velikosti 1 pixelu, tedy reálně 3-5 cm, v poloze a asi dvojnásobek ve výšce. Jinou metodou je využití RTK systémů u RPAS. To je značně dražší řešení, ale pro běžné úlohy víceméně odpadá nutnost signalizace a zaměření vlícovacích bodů, což významně zrychluje práci v terénu. Udávaná přesnost přímého georeferencování je několik cm.
5. Případové studie – ověření technologie v různých podmínkách Pro ověření výše popsané technologie byly provedeny testy, které potvrdily vhodnost technologie pro dokumentaci objektů památkové péče a menších oblastí s historickými prvky či archeologickými nálezy.
Obr.2 : EBee od firmy SenseFly Pro případové studie byly využity dva základní typy RPAS, vícerotorový Hexakopter (Německo) a okřídlený RPAS EBee (Švýcarsko). Oba jsou certifikovány ÚCL a provozovány Laboratoří fotogrammetrie (katedra Geomatiky, FSv, ČVUT v Praze). RPAS s názvem EBee od firmy SenseFly je klasické letadlo s odnímatelnými křídly a tlačnou vrtulí. Umožňuje automatický snímkový let s dobou letu až 40 minut. K dispozici jsou různé kamery pro viditelné a blízké infračervené záření, vyráběna je multispektrální a termální kamery (před letem je nutno vybrat ovšem jen jednu vzhledem k nosnosti prostředku). Využití je široké od klasického mapování, tvorby ortofota s vysokým rozlišením (velikost pixelu až 3cm), tvorby digitálního modelu terénu až po monitorování stavu vegetace (pomocí vegetačního indexu NDVI). 10
Obr.3 : Hexakopter s podvěšenou kamerou RPAS Hexakopter je produkt německé firmy Mikrokopter. Šeštivrtulová verze je schopna nést i klasickou digitální zrcadlovku, typický let je kolem 15-20minut podle vybavení. Do zavěšené otočné přístrojové plošiny lze umístit digitální kameru, pořizovat šikmé i svislé snímky, pořizovat video. Využít lze ale i multispektrální komoru (R,G,B, NIR) či miniaturní termokameru (např. Optris ThermoImager TIM 160). 5.1 Příklady využití Využití RPAS je závislé na jeho typu, charakteru snímaného objektu či plochy a právních předpisech. Okřídlené systémy dopřednou rychlost a jsou vhodnější pro kolmé snímkování či tvorbu videa, hodí se na větší oblasti a jejich uplatnění je zejména při mapovacích technologiích. Multirotorové systémy mohou pomalu oblétat objekty, „viset“ ve vzduchu nad určitým bodem a vzhledem k letové výdrži se hodí na menší oblasti a stavební objekty. Legislativa platí pro oba typy stejná. Levné typy RPAS jsou nejčastěji využívány pro tvorbu videonáhledu nad daným územím.
Průzkum a dokumentace nepřístupných částí historického objektu Projekty či práce, zabývající se jedním či více objekty, např. historickými budovami, jsou typické pro multirotorové systémy. Startovat lze z velmi malé oblasti, let může být pomalý a svislý, což je ideální předpoklad pro monitorování stavu stavebních a technologických objektů. Jak ale vyplývá z „Doplňku X“, plošně mapovat či monitorovat hustě zastavěná území nelze. Přesto je při zajištění relativně malého okolí letové oblasti let bezpečný a monitorovací práce jsou ekonomické a rychlé. Je tedy alespoň nutno zajistit blízké okolí a dohodnout se na podmínkách se správcem či vlastníkem objektu. 11
Jako příklad lze uvést monitorování špatně přístupných částí historického objektu (fasády zámku v Litomyšli). Při dokumentaci stavu fasády byla provedeno fotogrammetrické zaměření jednotlivých fasád, které předpokládá určitý odstup od objetu pro vhodné snímkování. V případě, že fasáda je těsně přimknuta k jiné stavbě, v okolí je množství vzrostlé vegetace či vrchní část je (např. z důvody přečnívající římsy) neviditelná, je využití RPAS přínosné. Stavba lešení a či příjezd plošiny jsou buď příliš drahé a pomalé nebo i technicky neproveditelné.
Obr. 4: Hexakopter při monitorvání nepřístupné části fasády, zámek Litomyšl, foto K.Pavelka
Obr. 5: Ukázka snímku z dokumentačního letu; snímkování zdola špatně viditelných oblastí bylo provedeno v několika minutách, nebylo potřeba lešení a příjezd plošiny do parkové části areálu. Na obrázku je ale pouhým okem vidět deformace obrazu, způsobená distorzí objektivu. Proto je nutné kameru kalibrovat a deformace pro běžné užití následně odstranit. Zámek Litomyšl, foto K. Pavelka, M. Řehák. 12
Častou úlohou je tvorba videa pro účely PR, reklamy či jednoduchou vizuální kontrolu vrchní části budovy.
Obr. 6: UCEEB, ČVUT v Praze, snímky, pořízené za účelem PR do dokončení objektu; hexakopter, foto a video B. Michalík a K. Pavelka. Monitoring termální aktivity Monitorování termální aktivity objektů či areálů patří již delší dobu k běžným technologiím. Termální kamery ale mají poměrně malé rozlišení a byly v nedávné době značně hmotné a velmi drahé. Poslední léta přinesla výrazné snížení cen tepelných detektorů, které vedly ke snížení ceny, zmenšily se též kompletní kamery, které dnes mohou být velikosti krabičky od zápalek. I když jsou cenově dostupnější, stále stojí běžně přes sto tisíc Kč; obyčejně ale pracují jako klasické video-kamery - pořizují tedy videozáběr, který je nutno dále zpracovat. Pokud se požaduje jen monitorování objektu či dokumentační obrázky, není obyčejně se zpracováním problém. Pokud má být ale výsledkem kupř. termální tematická mapa, zpracování není jednoduché. Videozáběry je nutno zpracovat do souboru snímků, které se ve fotogrammetrickém programu dají zpracovat do formy ortofota. Bohužel, většina programových produktů, pracujících na bázi obrazové korelace, potřebuje pro kvalitní zpracování značný překryt snímků a vysoké rozlišení, což u termálních snímků není běžné. Dále nastává problém s georeferncování dat; vlícovací body se špatně vytváří jako umělé cíle, vyhledání přirozených vlícovacích bodů není jednoduché díky nízkému rozlišení a odlišnému pohledu. Pokud RPAS není vybaven RTK GNSS systémem a možností přihrávání polohových a orientačních dat k videodatům, je jistou možností buď přidat do systému menší RGB kameru, nebo provést další let s klasickým digitálním fotoaparátem. Populární je jistě klasická přehlídka tepelných úniků staveb, která ale legislativně naráží na nemožnost létat nad hustě zastavěnou oblastí. Pro solitérní historické objekty lze technologii RPAS při zajištění bezpečnosti uplatnit (např. zříceniny, hrady, tvrze, vysoké věže aj.). Jistou možností je nejen zjištění tepelných úniků z historických staveb, ale také termální mapy historických objektů, které mohou ukázat mnoho nového – neznámé, zazděné, dostavěné či stavebně odlišné části objektů s odlišnou tepelnou kapacitou. 13
Obr. 7.: Detailní pohled na šikmo umístěnou termální minikameru Optris a malou RGB kameru, oktokopter. Foto M. Řehák
Obr. 8: Výsledky monitorování termální aktivity
Velkoměřítkové a tématické mapování pro archeologii Cílem obdobných projektů v archeologii je obyčejně přesné a podrobné ortofoto (ve viditelné či blízké infračervené oblasti), kde lze nalézt kupř. vegetační příznaky archeologických objektů a DMP, který ve formě stínovaného reliéfu může významně přispět k definování a zaměření neznatelných objektů díky terénním příznakům. 14
Monitoring stavu vegetace - vyhledávání archeologických artefaktů leteckými metodami Vegetační příznaky podpovrchových struktur patří nepochybně k jedněm nejznámějších technik letecké archeologie. Základy letecké archeologické prospekce jsou známy dlouhou dobu zejména z Velké Británie, ale je rozvíjena intenzívně i v českých zemích pomocí menších letadel s pořizováním většinou šikmých leteckých záběrů při vhodných světelných podmínkách a vegetačním stavu1. Proto je znalost snímání a monitorování vegetace velmi důležitá a je častým využitím profesionálních systémů RPAS. Pro kvalitní monitorování vegetace je třeba využít adekvátní přístrojovou techniku, obyčejně nestačí jen využití klasické digitální kamery, předpokládá se minimálně sledování v blízkém infračerveném pásmu pro tvorbu vegetačních indexů, existují i multispektrální či hyperspektrální systémy. Velmi populární je dnes tzv. „precizní zemědělství (precision farming). K tomu je třeba využít multispektrální či hyperspektrální kameru nebo speciální kameru, pořizující data v oblasti tzv.“red edge“ či umožňující tvorbu NDVI. Tato oblast elektromagnetického spektra je citlivá na stav vegetace. Odlišný stav vegetace zase detekuje podpovrchové jevy, kterými mohou být kupř. zbytky staveb či historické odpadní jámy, kůlové jámy apod. Březno u Loun V okolí archeologické lokality a skanzenu Březno u Loun lze na leteckých snímcích nalézt za vhodných vegetačních podmínek občas objekty, které jsou nepochybně historické a mají archeologický význam. Lounsko je bohaté na archeologické objekty, stejně jako celá česká kotlina, obývaná od pradávna. Nedaleko Loun u obce Březno je archeologický skanzen, umístěný poblíž výrazného meandru řeky Ohře, což dává předpoklad prehistorického osídlení (otázkou zůstává, jak ovšem řeka meandrovala před tisíci léty). Cílem projektu bylo pokusit se vyhledat libovolný neznámý objekt a dále ho verifikovat pomocí dalších pozemních metod. Pomocí eBee se podařilo určitý objekt nalézt, další postup byl verifikace v terénu (červen 2015).
Obr. 9: Infračervené ortofoto (vlevo) a ortofoto ve viditelné části spektra s nalezeným objektem; doba jednoho letu cca 15 minut, 60 snímků 1 Gojda,M., John, J. a kol.: Archeologie a letecké laserové skenování krajiny, Plzeň, 2013. ISBN 978-80261-0194-9 15
Obr. 10: Detail - infračervené ortofoto (vlevo) a ortofoto ve viditelné části spektra s nalezeným objektem, velkost pixelu 4cm. Nález je zřejmě zahloubený objekt – chata, pozůstatek možná keltského či slovanského osídlení. Shodou okolností leží těsně vedle zničených pevnůstek (řapíků) z předválečného Československa (na obr. 10 zarostlá kruhová část snímku). Provedeno bylo několik náletů s kamerou VIS i NIR v různých vegetačních obdobích, avšak vzhledem k suchému roku letos nebyly obrysy významně detekovány (vegetační příznaky jsou viditelné jen občas, mnohdy jen několik dní po mnoha letech); pokračovat se bude i na jaře r. 2016. V červnu bylo provedeno geofyzikální měření pro verifikaci nálezu. Použit byl magnetometr / gradiometr a dále georadar GPR SIR 3000. Výsledky však nebyla nijak přesvědčivé. Magnetometr zjistil menší anomálie, ale vzhledem k přítomnosti zničené pevnůstky s železobetonem byly již kraje oblasti ovlivněné železnými zbytky. Georadarové měření jasně ukázalo podkladní vrstvu – jedná o říční terasu. Významné objekty ale viditelné nejsou, pouze malé anomálie, z čehož lze usuzovat, že stavba opravdu byla kůlová.
Obr. 11: Ukázka měření z magnetometru; oblast zahloubeného objektu 16
Případová studie – monitorování Božídarského rašeliniště Zcela jistě je významné využití RPAS v nepřístupných oblastech. To mohou být oblasti nebezpečné ekologicky, vojensky či technicky nebo oblasti nepřístupné z různých jiných důvodů, např. z důvodů ochrany cenného a citlivého území, intaktní území (např. nepřístupné plochy na planině Nazca s cennými geoglyfy) aj. Božídarské rašeliniště bylo vyhlášeno v roce 1965 a znovu projednáno v roce 1987 na ploše cca 1000 ha. Leží v Karlovarském kraji nedaleko města Boží Dar na hranicích s Německem v Krušných horách. Jedná se o horskou oblast s nadmořskou výškou 945 – 1115 m n.m. s dominantním vrchem Špičákem. Cílem ochrany Státní přírodní rezervace je unikátní fauna a flóra horského mokřadu. Oblast byla v minulosti hospodářsky využívána jednak pro intenzivní těžbu rašeliny, jednak již dříve pro činnosti související s historickou důlní činností (vodohospodářské úpravy a těžba dřevní hmoty; v oblasti je kupř. veden historický Blatenský příkop, vystavěný kolem roku 1540 z důvodu zásobování hamrů vodou). Touto činností byla oblast značně poškozena, asi nejdůležitější byla snaha o odvodnění celého mokřadu. Současná snaha je zcela opačná, staré odvodňovací kanály byly dřevěnými konstrukcemi přehrazeny na mnoha místech s cílem zadržet v oblasti vodu a udržet místní mokřadní charakter. Celá oblast je nepřístupná technicky (jedná se o rašeliniště), v oblasti je kupř. vytvořena turistická zpevněná trasa. Z hlediska ochrany oblasti je tedy nutno sledovat účinnost hrazení starých odvodňovacích kanálů a zejména je definovat v hustém porostu. Tomu znamenitě slouží právě vegetační příznaky.
Obr. 12: Ukázka - přehledka pořízených snímků (VIS, software eMotion, EBee, SenseFly), Božídarské rašeliniště 17
Obr.13: Ortofoto, pořízené v blízké infračervené oblasti, cca 1km2, 250 snímků, velikost pixelu 5cm, 25 minut letu, 3 hodiny zpracování v software Agisoft Photoscan na výkonné pracovní stanici.
18
Obr.14: Ortofoto, pořízené ve viditelné části spektra, stejné území i parametry, jako u předchozího snímku.
19
Obr. 15 a, b: Ukázka ortofota území s detailem historických odvodňovacích příkopů a NDVI index Božídarského rašeliniště – ukazující vegetační příznaky starých kanálů 20
Grónsko – Sermermiut V rámci německo – české expedice Spurensuche Grönland 2015 (Grónsko 2015) byl využit RPAS pro dokumentaci cenného archeologického naleziště Sermermiut nedaleko města Ilulissat na západním břehu Grónska. Lokalita, datovaná možná až do doby kolem 4000 let př.n.l. byla trvale osídlena až do r. 1860, kdy bylo osídlení přeneseno do nedalekého Ilulissatu (původně Jakobshaven), je zkoumána skoro 100 let, ale přesné ortofoto a digitální model terénu vytvořen nebyl. Provedeny byly 3 lety ve viditelné i infračervené oblasti, samostatně bylo snímáno i nedaleké pohřebiště s nekropolí. Výsledky jsou prozatímní, jedná se o spolupráci s dánským archeologickým institutem a muzeem v Ilulissatu. Podmínky v Grónsku jsou odlišné od Střední Evropy, zejména zde působí vlhkost, častá mlha, chlad a silný vítr. Přesto se podařilo oblast úspěšně nasnímkovat. Oblast je v současnosti na seznamu památek UNESCO díky unikátnímu přírodnímu útvaru, blízkému ledovci.
Obr. 16: Pozemní snímek lokality Sermermiut
Obr. 17: Nálezy v oblasti z historických archeologických průzkumů 21
Obr. 18: Originální snímek RPAS EBee, Sermermiut, velikost pixelu 5cm, viditelné spektrum
Data z expedice budou detailně zpracována přes zimní období 2015-16 a budou součástí příští zprávy; významný je mezinárodní prvek projektu.
Obr. 19: Perspektivní pohled na archeologické naleziště Sermermiut 22
Obr. 20: Ortofoto oblasti Sermermiut, RPAS EBee, srpen 2015, 60 snímků, let cca 15 minut, silnější vítr a nízké teploty výrazně ovlivňují délku letu a nasnímané území
Obr. 21: Perspektivní pohled na inuitské pohřebiště a nekropoli (horní část) 23
Irák / Kurdistán – Makhmour V rámci české archeologické expedice do Iráku byla zvolena technologie dokumentace pomocí RPAS jako jediná možná, dostatečně podrobná. Irák je bezletová zóna a lokální účelové lety nelze provádět dlouhou dobu, natož v oblasti kolem frontové linie. Lokalita Makhmour leží bohužel několik km od současné frontové linie s tzv. Islámským státem; přesto archeologická mise proběhla, výzkum je podpořen grantovými financemi GAČR a letos končí. Bezpečná dostupná družicová data se ukázala jako kvalitní, ale problém byl vytvořit dostatečně přesný digitální model terénu či povrchu (DMT či DMP), na kterém jsou dobře patrné terénní příznaky jednotlivých objektů celé archeologické lokality. I když byl námi vytvořen speciálně z družicových dat DMP ze stereo-dat nové družice Pleiades, DMP nebyl příliš kvalitní a podrobný. Bylo tedy dohodnuto, že lokalita bude dokumentována pomocí RPAS (to ale přineslo celou řadu úředních problémů a samozřejmě také bezpečnostních). Akce proběhla v říjnu letošního roku, podařilo se získat opravdu unikátní data světového významu, celkem cca 1200 leteckých fotografií a asi stejné množství pozemních fotografií, které se budou teprve podrobně zpracovávat. Provedeno bylo celkem 5 letů ve dvou dnech za poměrně příznivého počasí a slabého větru. Porovnání družicového DMP a modelu z RPAS EBee je vidět na obrázcích (obr. 23 a 24). Dále byla vytvořena velmi podrobná ortofota ve viditelném i infračerveném světle s velikostí pixelu 3-4cm, dokumentováno bylo mnoho objektů pomocí pozemní fotogrammetrie (viz dále image based modelling). Mise byla úspěšná, data se ale budou vyhodnocovat dlouhé měsíce, výsledek bude v příští zprávě.
Obr. 22: Lokalita Makhmour, západní Kurdistán poblíž frontové linie 24
Obr. 23: DMP ze stereo-dat Pleiades
Obr. 24: DMP z RPAS EBee, stejná oblast, jako na předchozím obrázku. Rozdílový model, kvalita a podrobnost je mnohonásobně vyšší. Šipkou označen stejný objekt. 25
Obr. 25: Družicová data, Pleiades, viditelné spektrum, rozlišení 50cm.
Obr. 26: Pozemní snímek lokality, možné zbytky kostela z období Kalifátu (8. stol. n.l.)
26
Obr. 27: Snímek oblasti domnělého kostela z předešlého obrázku z RPAS EBee, velikost pixelu 4cm.
Obr. 28: Perspektivní pohled na renderovaný 3D model, Makhmour, Kurdistán.
27
Obr. 29: Ortofoto oblasti v blízkém infračerveném světle, mozaika celkem pěti letů, celková doba letů 100 minut, zpracování na pracovní stanici s 32GB RAM cca 1 den včetně přípravných prací.
Labské předmostí – Litoměřice Poblíž města Litoměřice byla vybudována obranná postavení v době těsně před pruskorakouskou válkou. Toto obranné postavení se skládalo z několika fortů – polopermanentního opevnění, vybavené dělostřelectvem a pěchotou, které byly spojeny obranným valem. Úkolem tohoto předmostí byla ochrana zásobovací pevnosti Terezín z protilehlé terasy přes řeku Labe a střežení řeky Labe, jakožto zásobovací tepny. Nikdy zde nedošlo k bojovým akcím, a proto byla po válce polní opevnění opuštěna. Na obr. 30 vlevo je prakticky neporušené Nové Labské předmostí, je zachyceno na historickém ortofotu z roku 1954. Pomocí RPAS eBee se nám podařilo identifikovat zbytky opevnění nejen vegetačními příznaky, ale i terénními pomocí stínovaného reliéfu a rozdílového digitálního modelu reliéfu. Model byl doplněn o geofyzikální průzkum oblasti. V zájmové oblasti bylo použito magnetometrické měření k detekci magnetických anomálií, které mohou naznačovat podpovrchové struktury a zbytky objektu. Projekt názorně ukazuje rychlost zanikání historických objektů.
28
Obr. 30: Fort č. IV, vlevo ortofoto z roku 1954, vpravo současné ortofoto ČÚZK Oblast byla nasnímána RPAS eBee, velikost pixelu odpovídala cca 4 cm, k snímkování oblasti byly použity obě kamery. V terénu byly rozmístěny vlícovací body (5 bodů), které byly zaměřeny metodou GNSS. Výsledkem průzkumu je model zachycující oblast ve viditelném a blízkém infračerveném spektru, digitální model povrchu a znázornění magnetometrického měření formou hypsometrie anomálií. Model byl předložen jako soubor tematických map k certifikaci MKČR. Data jsou volně dostupná na stránkách projektu: http://lfgm.fsv.cvut.cz/naki/vysledky.html.
Obr. 31: Ortofoto zaniklého fortu, vlevo blízké infračervené spektrum, vpravo viditelné spektrum
29
Obr. 32: Vlevo stínovaný digitální model povrchu, vpravo hypsometrická vizualizace magnetometrického měření Testování přesnosti ortofota Je jisté, že otázky přesnosti v celé technologii hrají důležitou roli. Testování přesnosti proto proběhlo v klidné, ale zastavěné oblasti zahrádkářské kolonie u Litoměřic, která je znázorněna na obrázku 33, nedaleko zbytků opevnění z Prusko-rakouské války. Cílem bylo určit, jaký je nutný počet vlícovacích bodů, aby si model udržel svou vnitřní přesnost a nedocházelo k jeho deformacím. Dále byl testován optimální překryt snímků, možnost přidání příčného náletu a možnost náletu ve více výškách. V oblasti bylo rozmístěno 21 signalizovaných bodů, které byly zaměřeny GNSS metodou. Bod byl signalizován dřevěnou deskou s šachovnicovým vzorem o rozměrech cca 30x30cm.
Obr. 33: Testovací oblast, tečky znázorňují signalizované body 30
Byl testován vliv přidání příčného letu na přesnost modelu. Přesnost byla testována na vlícovacích bodech na kontrolních bodech. Z tab.1 je zřejmé, že lepších výsledků je dosaženo přidáním příčného letu při plánování letové mise, přičemž podélný překryt 60% nebo 80% nehraje významnější roli, příčný překryt byl pro obě varianty 60%. Podélný
Let
Podélný a příčný
Podélný
80% 0,04 0,08 0,03 [m] 60% 0,01 0,06 0,02 překryt – průměrná polohová odchylka – průměrná směrodatná polohová odchylka
0,04 [m] 0,04
Tab. 1: Výsledky testování přidání příčného letu Dále byl testován vliv pořízení snímků v různých letových výškách. Kde velikost pixelu snímku odpovídala 3, 6 a 12 cm. Tabulka 2 shrnuje dosažené odchylky na vlícovacích bodech a kontrolních bodech. Odchylky na vlícovacích a kontrolních bodech jsou prakticky totožné pro výšku letu odpovídající 3 cm a výšky letu 3 a 6 cm. Přidáním letu s velikostí pixelu 12 cm dojde k snížení přesnosti modelu. Velikost pixelu do 6 cm, což zhruba odpovídá přesnosti měření GNSS, zásadně neovlivní přesnost obdrženou na vlícovacích a kontrolních bodech. Letové výšky
3 0,06 0,07
2 0,03 0,04
1 0,03 0,04
Tab. 2: Vliv velikosti pixelu snímku na přesnost obdrženou na vlícovacích a kontrolních bodech
6. Závěr Výše popsaným postupem byla vytvořeny ortofota ve viditelné i blízké infračervené oblasti spektra, dále termovizní monitoring a zejména přesný DMP. Aplikace multispektrálního či hyperspektrálního snímání nebyly testovány z důvodu absence potřebného drahého vybavení, ale tato technika bude v nějaké podobě zakoupena z dalších zdrojů a ve výsledcích se objeví příští rok. Technologie byla ověřena na několika případových studiích a reprezentuje potřeby archeologie, památkové péče, architektury, stavebnictví, designu a dalších příbuzných oborů, kde se požaduje tvorba 3D modelu a přesné mapové podklady. Lze konstatovat, že technologií nízkonákladového snímání archeologických lokalit či objektů památkové péče lze výhodně pořizovat RPAS relevantní a velmi přesná data. Zásadně je nutno definovat před 31
každým projektem hranici, kdy je tato technologie ještě ekonomicky výhodná a zejména bezpečná pro okolí. Data, dodaná archeologům i odborníkům památkové péče splnila očekávání a uživatelé byli některými výsledky nadšeni (zejména archeologická lokalita Makhmour v Iráku, kde podrobnost DMP i ekonomičnost technologie je oproti jiným bezkontaktním metodám jednoznačná). Ve smyslu ustanovení § 11 odst. 1 písm. a) zákona č. 130/2002 Sb., o podpoře výzkumu, experimentálního vývoje a inovací zveřejněných prostředků a o změně některých souvisejících zákonů (zákon o podpoře výzkumu a vývoje), byla uzavřena smlouva o využití výsledků s dalším subjektem (GemaArt, a.s., Praha).
7. Seznam použitých zdrojů Mach, J. 2009. Insight 3D : open source image based 3d modelling software [online]. [1-52015]. http://insight3d.sourceforge.net/ Pavelka, K. & Řezníček, J. New Low-cost Automated Processing of Digital Photos for Documentation and Visualization of the Cultural Heritage. Geoinformatics CTU FCE, ISSN 1802-2669.vol. 6, no. 6, 2011, pp. 245-258. http://www.geoinformatics.fsv.cvut.cz. Remondino, F. UAV Photogrammetry for mapping and 3D modelling: Current status and future perspectives. 2011. http://www.isprs.org/proceedings/XXXVIII/1C22/papers/remondino.pdf Eisenbeiss, H. UAV Photogrammetry. Curych,. DISS. ETH NO. 18515. ETH Curych, 2009. http://www.igp-data.ethz.ch/berichte/Blaue_Berichte_PDF/105.pdf. Lowe, David G. (1999). "Object recognition from local scale-invariant features". Proceedings of the International Conference on Computer Vision 2. pp. 1150–1157. doi:10.1109/ICCV.1999.790410. U.S. Patent 6,711,293, "Method and apparatus for identifying scale invariant features in an image and use of same for locating an object in an image", David Lowe's patent for the SIFT algorithm, March 23, 2004 Reference z webu: Božídarské rašeliniště National Nature Reserve. http://www.cittadella.cz/europarc/index.php?p=index&site=NPR_bozidarske_raseliniste_en SIFT. https://en.wikipedia.org/wiki/Scale-invariant_feature_transform Dan McGovern: Busting UAS myths. http://www.sparpointgroup.com/Blogs/DisruptivePerspective/Busting-UAS-myths/
32
