MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA GEOGRAFICKÝ ÚSTAV
Získávání dat pomocí UAV a jejich využití v krizovém řízení
Diplomová práce
Radim Stuchlík
Vedoucí práce: doc. RNDr. Petr Kubíček, CSc.
BRNO 2015
Bibliografický záznam
Autor:
Bc. Radim Stuchlík Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita Geografický ústav
Název práce:
Získávání dat pomocí UAV a jejich využití v krizovém řízení
Studijní program:
Geografie a kartografie
Studijní obor:
Geografická kartografie a geoinformatika
Vedoucí práce:
doc. RNDr. Petr Kubíček, CSc.
Akademický rok:
2014/2015
Počet stran:
86 + 6
Klíčová slova:
UAV, UAS, Krizový management, Třídění UAV, Legislativa ÚCL, Zpracování dat z UAV
Bibliografic Entry
Author:
Bc. Radim Stuchlík Faculty of Science, Masaryk University Department of Geography
Title of Thesis:
UAV data and its utilisation in crises management
Degree Programme:
Geography and Cartography
Field of Study:
Geographical Cartography and Geoinformatics
Supervisor:
doc. RNDr. Petr Kubíček, CSc.
Academic Year:
2014/2015
Number of Pages:
86 + 6
Keywords:
UAV, UAS, Crises Management, Sorting UAV, ÚCL Legislation, UAV data processing
Abstrakt Tato diplomová práce je zaměřena na využití dat z UAV v krizovém managementu. První kapitoly se zabývají UAV, jejich historií, využitím a tříděním. Následuje kapitola o legislativním omezení UAV v ČR. Další kapitoly se zabývají nasazením UAS v krizovém managementu a zpracováním dat pořízených z UAV. V následujících kapitolách je popsán UAS pořízený Geografickým ústavem a zpracování dat včetně výsledků ze tří uskutečněných letů.
Abstract This diploma thesis is aimed at UAV data and its utilisation in crises management. First chapters deal with UAV, its history, utilization and sorting. The following chapter is about legislative limitations of using UAV in the Czech Republic. Next chapters handle with UAV and its application in crises management and data processing obtained from UAV. UAS, which was bought by Geography department and data processing with results from three made flights are described in final chapters.
Poděkování Na tomto místě bych chtěl poděkovat doc. RNDr. Petru Kubíčkovi, CSc. za vedení práce, ochotný a přátelský přístup. Dále bych chtěl poděkovat Mgr. Bc. Zdeňku Stachoňovi, Ph.D. za uskutečněné lety a Michalu Pudichovi za praktické rady v oblasti UAV. V neposlední řadě můj dík patří mé rodině a přítelkyni za podporu při studiu.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji
diplomovou práci vypracoval
samostatně pod vedením
doc. RNDr. Petra Kubíčka, CSc. a s využitím informačních zdrojů, které jsou v práci citovány.
Brno, 6. 5. 2015 Radim Stuchlík
OBSAH 1 ÚVOD ........................................................................................................................................... 10 1. 1 Cíle práce .............................................................................................................................. 10 1. 2 Vymezení zkoumaného území .............................................................................................. 11 2 DEFINICE BEZPILOTNÍCH SYSTÉMŮ ................................................................................... 12 3 HISTORIE BEZPILOTNÍCH SYSTÉMŮ ................................................................................... 13 4 ROZDĚLENÍ A TYPY BEZPILOTNÍCH SYSTÉMŮ ................................................................ 15 4. 1 Bezmotorové systémy ........................................................................................................... 15 4. 2 Motorové systémy (elektromotor)......................................................................................... 20 4. 3 Motorové systémy (spalovací motor).................................................................................... 27 4. 4 Další možnosti třídění UAV.................................................................................................. 29 5 VÝHODY A OMEZENÍ UAV OPROTI KONVENČNÍM TECHNOLOGIÍM .......................... 32 6 LEGISLATIVNÍ OMEZENÍ ÚŘADU PRO CIVILNÍ LETECTVÍ ............................................ 34 7 KRIZOVÝ MANAGEMENT ....................................................................................................... 37 7. 1 Cyklus krizového řízení ........................................................................................................ 37 7. 1. 1 Včasné varování ............................................................................................................ 38 7. 1. 2 Rychlé mapování ........................................................................................................... 39 8 VYUŽITÍ BEZPILOTNÍCH SYSTÉMŮ V KRIZOVÉM MANAGEMENTU ........................... 40 8. 1 Příklady využití bezpilotních systémů ve světě a v tuzemsku .............................................. 41 8. 2 Zpracování dat z UAV v krizovém managementu ................................................................ 45 8. 2. 1 Automatické real-time zpracování dat .......................................................................... 46 8. 2. 2 Zpracování dat po ukončení letu ................................................................................... 48 9 PRAKTICKÁ ČÁST..................................................................................................................... 49 9. 1 Výběr bezpilotního leteckého systému ................................................................................. 49 9. 2 Základní komponenty UAS................................................................................................... 50 9. 3 Průběh procesů od výběru oblasti po finální výsledek .......................................................... 58 9. 3. 1 Výběr lokality................................................................................................................ 58 9. 3. 2 Úkony před zahájením letu ........................................................................................... 59
9. 3. 3 Průběh letu a ukončení letu ........................................................................................... 61 9. 3. 4 Zpracování dat ............................................................................................................... 62 9. 3. 5 Výsledky ....................................................................................................................... 67 10 DISKUZE.................................................................................................................................... 74 11 ZÁVĚR ....................................................................................................................................... 77 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ A LITERATURY ................................................................... 78 SEZNAM ZKRATEK...................................................................................................................... 84 SEZNAM PŘÍLOH .......................................................................................................................... 86
1 ÚVOD Vypadá to, že v dnešní době přibývá katastrof, buď přírodního původu nebo zaviněné člověkem. Aby mohlo být co nejvíce lidí zachráněno a mohlo dojít k rychlému odstranění škod, jsou zapotřebí především kvalitní podklady, na kterých je možno rozhodovat o dalším vývoji záchranných prací. Jedním z velmi rychlých prostředků, ze kterých lze získat aktuální prostorová data pořízená z výšky je UAV. Tato práce se zabývá pouze civilními leteckými prostředky, ne vojenskými, i když právě u armády započal výzkum těchto bezpilotních leteckých systémů (především pak těch motorových). UAS zažívá v dnešní době poměrně velký rozmach. Je to způsobeno především lehkou dostupností těchto systémů. Pokročilé technologie, které se dnes využívají v UAS umožňují snadnou pilotáž, kterou zvládne i nezkušený pilot. Dokonce i v malých a levných UAV jsou gyroskopy, které pomáhají stabilizovat stroj. Využitelnost těchto systémů je také velmi široká. Od tvorby uměleckých fotografií, přes on-line dohled nad určitou oblastí, až po snímání lokalit za účelem analýzy v GIS prostředích. Nebo prostě jenom proto, že létání a pořizování fotografií z výšky je zábava a koníček. Rozmach potvrzuje i fakt, že Úřad pro civilní letectví reagoval na tuto skutečnost vydáním Doplňku X, který omezuje (upravuje) používání UAV. Vyvíjejí se také nové programy, ve kterých je možné zpracovávat snímky z těchto prostředků. Výstupy mohou být poměrně kvalitní, i když dotyčné UAV není vybaveno špičkovou technologií. A především výsledky mohou být k dispozici ve velmi krátkém čase oproti konvenčním technologiím (letecké a satelitní snímkování).
1. 1 Cíle práce Cílem této práce je podat komplexní informace o UAS. Včetně roztřídění těchto systémů do jednotlivých platforem, popsání výhod i nevýhod. Dále bude stručně vysvětleno legislativní omezení týkající se používání UAS v České republice. Následovat bude využití těchto systémů v krizovém managementu ve světě i v České republice, včetně ukázky zpracování dat. Podrobně bude popsán také UAS, který byl zakoupen Geografickým ústavem, na jehož výběru se autor podílel. Připomínky na vylepšení tohoto systému budou popsány v diskuzi na konci této práce. Dále bude proveden sběr dat pomocí UAV a zpracování těchto dat. Všechny dosažené výsledky budou k dispozici v elektronické podobě na přiloženém DVD, některé budou obsaženy přímo v textu, popřípadě v příloze této práce.
10
1. 2 Vymezení zkoumaného území Všechny tři studované oblasti se nachází v Jihomoravském kraji. První oblast se nachází JJZ směrem cca 7 km od centra Brna v blízkosti obce Nebovidy. Zkoumaný objekt se nachází uprostřed zemědělsky využívaného pole. Další dvě lokality se nachází u Brněnské přehrady v její východní části. Na obou těchto lokalitách bylo nutné provést let v době pokleslé hladiny v nádrži. Další informace o oblasti se nachází v kapitole 9. 3. 1. Mapa, na které jsou vyobrazeny všechny tři oblasti, se nachází v příloze této práce.
11
2 DEFINICE BEZPILOTNÍCH SYSTÉMŮ Jako bezpilotní letouny, vozidla, prostředky, systémy nebo drony jsou označovány obecně všechny prostředky, které jsou ovládané na dálku, člověk není fyzicky přítomen na palubě. Přitom to mohou být prostředky zcela autonomní, které po naprogramování trasy samy vzlétnou, letí po dané trase a samy přistanou. Dále to jsou prostředky s poloautomatickým letem. Ty ovládá člověk, ale ke stabilizaci a zjednodušení letu využívají komponenty nesené na palubě. Potom to mohou být zcela manuální prostředky závislé pouze na ovládání člověkem. Pokud má vozidlo software a hardware, který umožní zcela autonomní let, pak tento prostředek může být použit i v jiném režimu, pokud se vypnou dané funkce daných komponent. Definic existuje velké množství. Například Úřad pro civilní letectví definuje UAV (Unmanned Aerial Vehicle) takto: „letadlo určené k provozu bez pilota na palubě (může se jednat a většinou se jedná o součást bezpilotního systému). V kontextu legislativního rámce České republiky se za bezpilotní letadla považují všechna bezpilotní letadla s výjimkou modelů letadel s maximální vzletovou hmotností nepřesahující 20 kg“ (Úřad pro civilní letectví_1, [on-line]) a dále definuje UAS (Unmanned Aerial System) jako: „systém skládající se z bezpilotního letadla, řídicí stanice a jakéhokoliv dalšího prvku nezbytného k umožnění letu, jako například komunikačního spojení a zařízení pro vypuštění a návrat. Bezpilotních letadel, řídicích stanic nebo zařízení pro vypuštění a návrat může být v rámci bezpilotního systému více“ (Úřad pro civilní letectví_1, [on-line]). Pro lepší pochopení je ještě přidána zkrácená definice modelu letadla: „letadlo, které není schopné nést člověka na palubě, je používané pro soutěžní, sportovní nebo rekreační účely, není vybaveno žádným zařízením umožňujícím automatický let na zvolené místo“ (Úřad pro civilní letectví_1, [online]). Dále Šíšlák [on-line] definuje dron jako prostředek, který je pilotovaný vzdáleně, mimo dohled operátora. Všechny známé definice jsou si podobné a operují s podobnými výrazy. Častokrát se jednotlivé názvy zaměňují, ale většinou lze z kontextu vyvodit, o co přesně se jedná. Zjednodušeně řečeno lze UAV považovat za jeden z nezbytných článků UAS, přičemž UAS zahrnuje všechny prostředky nutné k letu a UAV musí být na dohled pilotovi. First person View (FPV) neboli on-line přenos obrazu může být použit jen za předpokladu, pokud je let řízen dvěma osobami (Úřad pro civilní letectví_2, [on-line]). Dron je naopak označení takového UAV, který se používá bez vizuálního kontaktu. Jako model letadla, kromě výše zmíněné definice, nemůže být zahrnut ani systém, který vytváří fotografie nebo videa, která pak jsou použita pro komerční nebo experimentální účely. Tudíž i UAS v univerzitní sféře spadá do přísnější kategorie a musí se řídit legislativou Úřadu pro civilní letectví, viz kapitola 6.
12
3 HISTORIE BEZPILOTNÍCH SYSTÉMŮ První „bezpilotní systémy“, které byly určeny ke snímání zemského povrchu z výšky, se začaly objevovat již v 19. století. V první polovině tohoto století byla objevena fotografie, která zaručovala polovinu úspěchu. Druhou polovinu musel zařídit nosič. Z počátku se využívali draci, balóny a také třeba zvířata, například holubi. Ti měli fotografickou komoru připevněnou na těle a snímkovali okolí (Dobrovolný, 1998). Prvním rádiově kontrolovaným bezpilotním systémem na světě byl tzv. Aerial Target, který byl odzkoušen 21. května 1917. Otcem této myšlenky a průkopníkem v rádiově kontrolovaných systémech byl Archibald Montgomery Low. Toho dne byly provedeny dva testy, z nichž druhý prokázal, že je možné rádiově ovládat letoun (Encyclopedia of Science [on-line]). Toto letadlo neneslo žádné záznamové médium. Postupem času se bezpilotní systémy zlepšovaly a v roce 1979 Przybilla a WesterEbbinghaus poprvé použili těchto systémů ve fotogrammetrii. Jako nosič bylo použito letadlo od společnosti Hegi (obr. 1). Letoun byl 3 metry dlouhý, rozpětí křídel bylo 2,6 metru. Užitková nosnost letadla byla 3 kg. Navigační zařízení poskytla firma Lindhof Technika. Systém dokázal stanovit letovou výšku nosiče. Snímkování probíhalo z výšky 150 metrů nad povrchem v rychlosti 40 km/h. Snímky z prvního letu ovšem nebyly pro fotogrammetrii dostatečně kvalitní. Bylo to zapříčiněno především vysokou rychlostí nosiče a vibracemi motoru, které se přenesly na snímek. Tyto snímky ovšem dostačovaly pro potřebu archeologie a architektury. O rok později použili jako nosiče helikoptéru, která je méně citlivá k vibracím, viz kapitola 4. 3. K ovládání bylo potřeba dvou lidí, a to pilota a navigátora. Pilot měl za úkol vzlet, přistání a samotný let. Navigátor kontroloval výšku stroje a ovládal závěrku fotoaparátu (Eisenbeiß, 2004). Tento princip obsluhy se u většiny bezpilotních systému používá dodnes. S tím rozdílem, že navigátor ovládá nejen závěrku fotoaparátu, ale také zooming a jiné funkce. Pokud je nosič vybaven pohyblivým držákem, na kterém je fotoaparát připevněn, může s ním rotovat ve dvou nebo ve třech osách, záleží na konstrukci držáku.
13
Obr. 1 UAV model od společnosti Hegi (převzato od: Przybilla a Wester-Ebbinghaus, 1979 in Eisenbeiß, 2009, s. 14).
V České republice se v minulosti rovněž využívalo bezpilotních systémů ke snímkování. Podle Plánka 1984 a 1988 in Miřijovský (2013) k nejvýznamnějším obdobím, kdy docházelo k rozvoji této technologie, patřila sedmdesátá léta. Tyto technologie využívali experti z Geografického ústavu Československé akademie věd. V roce 1965 Dr. Otakar Stehlík sestrojil dálkově ovládaný model, který využíval princip padákového křídla. V roce 1976 byl sestrojen model s názvem Rogalo 1976, který nesl fotografickou komoru Flexaret. O pět let později Dr. Stehlík vyvinul multispektrální kameru Flexaret M-6, která byla nesena novějším modelem Rogalo 1981. V této době ještě nebylo možné snímky využít k přesné fotogrammetrické práci, ale používaly se k hodnocení krajiny. Větší využití těchto systémů byl možný až po rozmachu IT a navigačních technologií. Bohužel začátkem 90. let minulého století byl zrušen Geografický ústav Československé akademie věd a tudíž výzkum nemohl pokračovat. V dnešní době vědecká relevance UAS stoupá čím dál více. Dobře to dokazují počty publikací, které se zabývají UAV technologií. Tuto rešerši provedla Křížová (2014) ve své bakalářské práci. Počty publikací se mezi lety 1996-2013 pořád, až na malé výjimky, zvyšují. Nejvíce jich bylo vydáno ve Spojených státech amerických a v oboru meteorologie a klimatologie. Tato kapitola popisuje pouze stručně historii bezpilotních systémů. Popsány jsou první impulsy, které umožnily vývoj UAV (první fotografie, první rádiově ovládaný model, první pokus o využití ve fotogrammetrii, situace v ČSSR a vývoj využití v akademické sféře). Další historický vývoj je kvůli přehlednosti uváděn v kapitole 4, která se zabývá rozdělením UAV na jednotlivé platformy a jejich charakteristikou.
14
4 ROZDĚLENÍ A TYPY BEZPILOTNÍCH SYSTÉMŮ Bezpilotních systémů (UAS - Unmanned Aerial Systems) nebo bezpilotních modelů UAV (Unmanned Aerial Vehicle) je v dnešní době na trhu velmi mnoho. Tato kapitola je zaměřena na popis charakteristiky jednotlivých typů a jejich rozdělení do skupin. Třídění může probíhat podle několika různých kritérií. Například podle velikosti, nosnosti, dosahu, výdrže atd. Především se ale UAV třídí do kategorií podle toho, zda mají vlastní pohonnou jednotku či ne. Pokud mají, tak o jaký typ pohonné jednotky se jedná (spalovací motor, elektromotor), pokud nemají, tak zda jsou plně závislé na povětrnostních podmínkách (drak) nebo jsou ve vzduchu udržovány směsí, která je lehčí než vzduch - horký vzduch, inertní plyn - vodík, hélium (balón, vzducholoď). Tab. 1 Rozdělení bezpilotních systémů podle pohonné jednotky.
bezmotorové vzducholoď větroň balón drak
motorové (elektromotor) vzducholoď letadlo s fixním křídlem jednorotorové (vrtulník), dvourotorové (koaxiální vrtulník) multirotorové (kvadrokopter, hexakopter, oktokopter)
motorové (spalovací) vzducholoď paraglide rogalo letadlo s fixním křídlem vrtulník
4. 1 Bezmotorové systémy Pro svou jednoduchost byly bezmotorové systémy využívány jako první bezpilotní zařízení, která nesla snímací techniku. Podle Baumann [on-line] byl prvním člověkem, který využil balón k pořízení letecké fotografie Gaspard Felix Tournachon, který tak učinil v roce 1858. Výsledky tohoto snímkování byly sice zničeny, ale jeho úsilí se zachovalo na karikatuře (obr. 2).
Obr. 2. Karikatura Gasparda Felixe Tournachona alias Felixe Nadara z roku 1858 (převzato od: Curious-eye [on-line]).
15
Nejstarším dochovaným leteckým snímkem je fotografie části Bostonu z roku 1860, pořízena z výšky 365 metrů. Za tímto experimentem stáli James Wallace Black a profesor Sam King (obr. 3).
Obr. 3. Nejstarší dochovaný letecký snímek z roku 1860 (převzato od: Curious-eye [on-line]).
Drak se jako nosič fotografické komory začal využívat přibližně 30 let po prvním použití balónu. Podobně jako balón byl drak také poprvé použit ve Francii, kde ho sestrojil M. Arthur Batut. Různé zdroje uvádí jiná data prvního letu, ale všechna se shodují, že to bylo na konci osmdesátých let devatenáctého století. Na svou dobu byl Batutův drak (obr. 4) a celý systém dosti sofistikovaný. Fotoaparát byl připevněn přímo na tělo draka, kde byl také výškoměr, který zapisoval výšku letu přímo na fotografický papír. Závěrka fotoaparátu byla spuštěna několik minut po vzletu důmyslným systémem pomalu hořící pojistky a gumičky. Jako znamení, že se závěrka fotoaparátu otevřela, sloužila červená vlajka, která se z draka uvolnila a klesala k zemi. To znamenalo, že je potřeba s drakem přistát (Baumann P., R. [on-line]).
16
Obr. 4 Batutův drak (převzato od: Northstargallery [on-line]).
Drak má obecně výhodu oproti balónu a vzducholodi v tom, že jeho let má v podstatě nulovou finanční náročnost. Balón i vzducholoď je třeba naplnit směsí, která je lehčí než vzduch (horký vzduch produkovaný plynovými hořáky nebo hélium, vodík). Oproti tomu drak potřebuje ke svému „pohonu“ pouze vítr. Jak již bylo řečeno, tak balón, potažmo vzducholoď jsou používány při minimálním větru, nejlépe bezvětří a drak přesně v opačném případě, kdy je vítr rychlejší než 4 m/s (Aber et. al., 2010). Na území České republiky sice celkový roční průměr rychlosti větru nepřesahuje 4 m/s, ale rychlost větru velmi závisí na dané lokalitě a ročním období (Tolasz et al., 2007). Drak je naopak oproti vzducholodi nebo balónu mobilnější, protože není tak robustní. Snímací zařízení je dnes i na těchto systémech ovládané pomocí RC soupravy. Eisenbeiß (2009) ve své práci tvrdí, že vzducholoď má větší dosah než balón. Toto tvrzení může platit, pouze pokud se porovnává motorová vzducholoď s balónem. Pokud se porovnávají oba systémy bez motoru, tak mají oba stejný dosah, protože musí být přivázány na laně. Posledním důležitým typem, který zatím nebyl zmíněn, je větroň. Jedná se o letadlo bez motoru s poměrně velkým rozpětím křídel (obr. 5). Na rozdíl od výše zmíněných modelů není se zemí spojen lanem, ale ovládá se pomocí kormidel (výškovky a směrovky) přes RC soupravu. Nejtěžší částí letu je vzlétnutí. Podle Kolmanl [on-line] je více možností, jak dostat větroně do vzduchu - například pomocí hodu, startu na natahovací gumě, startu modelu na šňůře, pomocí navijáku, start vynesením na motorovém modelu, pomocí aerovleku a startu s vlastním pohonem. Jednotlivé typy startu se více hodí pro jednotlivé váhové kategorie. Větroň dokáže zmapovat větší území než výše zmíněné modely, což vyplývá z faktu, že není pevně spojen se zemí.
17
Obr. 5 Větroň (převzato od: kup-rc-modely [on-line]).
Výše
zmíněné
bezmotorové
bezpilotní
systémy
mají
své
klady
a
zápory.
Mezi nejpodstatnější klady patří cena. Tyto systémy jsou nejlevnějšími UAV, jaké lze pořídit. Jejich cena je nízká především kvůli absenci motoru. Motor sice nemusí být nejdražší součástí (u elektrických UAV určitě není), ale pokud má stroj motor, potřebuje elektroniku a především centrální řídicí jednotku, která je jednou z nejdražších součástí. Pokud se bude jednat čistě o amatérský model, který si může každý udělat doma, tak je cena v porovnání s jinými modely takřka nulová. Jedná se například o draka, kterého si lze vyrobit v domácích podmínkách, připevnit na něj nějaké snímací zařízení a vypustit. Snímacích zařízení je dnes celá řada a lze si je vyrobit buď doma (camera obscura) nebo některé velmi levně koupit. Budeme-li hovořit o balónech nebo vzducholodích, tak zde už bude cena trochu vyšší, protože je potřeba balón a vzducholoď napustit směsí lehčí než vzduch. Pokud se bude jednat o menší balón, který nese velmi lehké snímací zařízení a výsledná výška bude minimální, lze tento balón „napustit“ pomocí horkovzdušné pistole. U větroně bude navíc potřeba dokoupit RC soupravu pro jeho ovládání. Dalším kladem je snadná údržba. Oproti motorovým systémům je údržba, výměna částí, či oprava velmi jednoduchá. A navíc tato platforma UAV nemá žádná extrémně namáhaná místa. Absence motoru také zajišťuje malou hlučnost a relativně velkou výdrž. Výdrž závisí především na typu systému a poté na povětrnostních podmínkách, ale obecně nejsou závislé na akumulátorech či na benzínu. Dalším kladem je možnost nést těžší závaží (snímací zařízení) než některé motorové systémy. Ovšem i v tomto případě závisí na velikosti UAV, popřípadě na množství dodané směsi lehčí než vzduch. Naopak největší nevýhodou bezmotorových UAV je fakt, že jsou téměř neovladatelná (s výjimkou větroně). Jsou pevně spojena se zemí, a tudíž se mohou pohybovat velmi omezeně (lze korigovat výšku pomocí lana, na kterém jsou zavěšeny) v závislosti na povětrnostních 18
podmínkách. Z toho vyplývá další zápor, a sice absolutní závislost na větru. Pokud panují špatné podmínky, tak tyto systémy nelze využít. Obecně všechny bezpilotní systémy jsou závislé na povětrnostních podmínkách, ale jednotliví zástupci bezmotorových UAV mají nejmenší rozptyl operativní působnosti v závislosti na počasí. S natočením snímacího zařízení do správného směru byly problémy v minulosti, kdy toto zařízení bylo připevněno pevně ke konstrukci. Dnes ke konstrukci lze připojit gimbal (závěs), který je dálkově ovládaný a teprve na něm je zavěšeno snímací zařízení a tudíž s ním lze otáčet, většinou ve třech osách. Dalším podstatným záporem, který souvisí s pevným spojením se zemí, je dosah (rozsah snímaného území). Čím výše se bude UAV nacházet, tím větší bude rozsah, ale menší detail. Eisenbeiß (2009) uvádí několik případů, ve kterých byly bezmotorové bezpilotní systémy, ať už úspěšně či ne, použity v minulosti. Balóny byly například využívány k získávání stereo snímků, k archeologickým průzkumům nebo k monitorování silniční sítě za účelem oprav, předcházení dopravním zácpám a rozšiřování silniční infrastruktury. Vůbec první využití bezpilotní technologie k mapování (archeologické oblasti) se uskutečnilo v roce 1967 a k mapování bylo využito balónu. Dále se v roce 1999 pokusily týmy z univerzity v Japonsku a Švýcarsku vytvořit 3D model chrámu v Kambodži. Drak byl využíván například pro mapování ložisek fosilních paliv v Arktidě nebo mapování hnízd tučňáků v Antarktidě. Dále byl drak využit pro mapování lesů, bažin, ledovců, hřbitovů a také poskytoval snímky pro potřeby architektů atd. Z hlediska bezpečnosti lze bezmotorové systémy s výhodou využít v intravilánu, protože u těchto systémů nehrozí tak dramatické zřícení jako u motorových systémů a tudíž lze předejít zraněním a poškození majetku. Na konec této podkapitoly se autor rozhodl přidat ještě jedno netypické zařízení, které ve své podstatě není bezpilotním zařízením, ale může poskytovat velmi zajímavé snímky z nízké výšky. Jedná se o přenosnou teleskopickou tyč, na jejímž konci může být umístěno snímací zařízení. Podle Spiderbeam [on-line] může tato tyč dosahovat výšky 26 metrů, váží 18 kilogramů a je odolná proti povětrnostním podmínkám. Teleskopická tyč najde využití především v kontinuálním monitoringu dané lokality (obr. 6).
19
Obr. 6 18-ti metrová teleskopická tyč (převzato od: Spiderbeam [on-line]).
4. 2 Motorové systémy (elektromotor) V dnešní době se jedná o nejrychleji se vyvíjející a nejpoužívanější typ UAV. Především se jedná o velké rozšíření multirotorových systémů. Tento trend lze pozorovat jak na příkladech vědecké práce (viz dále), tak na nevědeckém poli působnosti, například v oblasti masmédií. Některé televizní stanice využívají těchto systémů k natáčení svých reportáží. Hodně nových videí propagujících město, kraj či jakoukoliv oblast je založeno právě na snímcích pořízených pomocí UAV. Tento fakt zvyšuje prestiž videonahrávky, potažmo dané oblasti. Některé velké společnosti uvažují o doručování zboží pomocí těchto systémů. A v neposlední řadě si jednotlivci, nadšenci do létání, filmování nebo fotografování pořizují většinou právě tuto platformu. Mezi hlavní zástupce UAV využívající ke svému pohonu stejnosměrný nebo střídavý elektromotor patří vzducholoď, letadlo, vrtulník, koaxiální vrtulník a především multirotorové systémy, do kterých patří kvadrokoptéry, hexakoptéry a oktokoptéry. Ze tří typů bezpilotních systémů rozdělených podle druhu pohonu byl tento využit jako poslední. V literatuře nebylo přímo explicitně dohledáno, z jakého důvodu byly elektromotory jako pohon použity až po spalovacích motorech, ale nabízí se několik vysvětlení. Zaprvé byly první dálkově ovládané bezpilotní systémy 20
vyvíjeny pro armádní účely a ty potřebovaly především dlouhý dolet, který mohl zařídit pouze bezpilotní systém se spalovacím motorem. Zadruhé elektromotory potřebovaly ke svému provozu akumulátory, které byly v minulosti dosti těžké, velké a také velmi drahé. Preference spalovacích motorů je zajímavá z pohledu toho, že první elektromotor, sloužící k pohonu mobilního prostředku byl zkonstruován mnohem dříve, a to v roce 1834 M. H. Jacobim (Inuru [on-line]). Kdežto první spalovací motor byl sestaven až v roce 1876 Nicolausem Ottem (Burian, 2011). Spalovací motory byly pravděpodobně používány proto, že v absolutních číslech přinášejí tolik potřebný větší výkon, i přesto, že elektromotory mají obecně mnohem vyšší účinnost. Vzducholodě (obr. 7) poháněné elektrickým motorem se v „profesionálním“ využití UAV moc nepoužívají. Vzducholodě se obecně vyrábí ve dvou provedeních, a sice tzv. blimp a rigid (zeppelin). Typ blimp nemá pevnou kostru a tvar je udržován pouze pomocí přetlaku inertního plynu uvnitř vzducholodě. Naopak typ rigid (zeppelin) má pevnou kostru, která je obalena pláštěm a teprve pak se do pláště napouští inertní plyn (Airship [on-line]). Pohon poté zařizují elektromotory napájené akumulátory, směr letu řídí směrová kormidla a vše je ovládáno pomocí RC soupravy. Podle webových stránek AirshipClub.com [on-line], jsou na jejich vzducholodích otočné motory a vrtule podél příčné osy o ± 90°, což zajišťuje kolmý start. Tato firma se mimo jiné zabývá také tvorbou ortofotomap a vytvářením 3D snímků. Vzducholodě mohou být ovládány buď manuálně nebo mohou provést plně autonomní let podél předem naprogramované trasy. Tyto vzducholodě na palubě mohou nést snímací, navigační i podpůrná zařízení. V manuálním režimu řízení se vzducholoď může vzdálit od pilota maximálně na 500 metrů a do výšky může vystoupat maximálně do 300 metrů. V automatickém režimu se může od pilota vzdálit až do 25 kilometrů a vystoupat může do výšky až 700 metrů. Omezení vzdálenosti 500 metrů v manuálním režimu nebude zřejmě omezení technické, ale vizuální. Hodnota 25 kilometrů se zdá být reálná u větších vzducholodí s vyšší rychlostí a s větší výdrží akumulátoru. Na druhou stranu tady jsou omezení Úřadu pro civilní letectví, viz kapitola 6. Vzducholoď je vždy zatížena tak, aby byla celkově o něco těžší než vzduch a v případě ztráty signálu či energie pozvolna klesala k zemi.
21
Obr. 7 Vzducholoď se snímacím zařízením (převzato od: AirshipClub.com [on-line]).
Dalším typem UAV, které také může být poháněno pomocí elektromotorů je letadlo resp. UAV s pevným (fixním) křídlem. Existuje mnoho typů letadel, které se liší ve své konstrukci, typu materiálů, počtu motorů, křídel atd. Jedním z důležitých faktorů je také typ startu a přistání. Nejčastěji se používají tři typy vzletu - ze země, z ruky nebo z vystřelovací rampy. Ze země startují větší a těžší letadla, která potřebují pro svůj vzlet vyšší rychlost. Z ruky se poté vypouští menší modely a také samokřídla (obr. 8). Z vystřelovací rampy pak startují taková letadla, která nemají v daném místě dostatek prostoru na vzlet. Výdrž letadel je závislá na jejich hmotnosti a kapacitě akumulátorů. Obecně jsou letadla lépe manévrovatelná než například vzducholodě a hodí se ke snímkování liniových objektů. Jak uvádí Noth (2008), již delší dobu se úspěšně testují letadla se solárním pohonem. První letadlo s tímto pohonem bylo otestováno v roce 1974. Ve vzduchu vydrželo 20 minut s celkovou hmotností 12,25 kilogramu. Rekord z roku 2008 má hodnotu přes 27 hodin. Malá letadla s elektropohonem jsou nejlevnější dostupná motorová UAV na trhu. Samozřejmě se jedná o prostředky, na kterých je pouze upevněna minikamera a vše je ovládáno manuálně. Sofistikovanější výbava včetně navigačních, snímacích a podpůrných jednotek se přirozeně projeví na ceně.
22
Obr. 8 Samokřídlo se snímacím zařízením (převzato od: Onedrone [on-line]).
Jiným typem UAV spadajícím do kategorie s elektromotorem jsou vrtulníky a koaxiální vrtulníky (obr. 9). Rozdíl mezi těmito dvěma typy je v tom, že „klasický“ vrtulník má jeden rotor a koaxiální má dva rotory, které se otáčí každý v jiném směru. Koaxiální vrtulníky jsou tím pádem mnohem lépe ovladatelné a lépe zvládají poryvy větru. Naopak s tímto typem nelze provádět akrobacii. Svým způsobem by měl koaxiální vrtulník spadat do kategorie multirotorových systémů, jelikož má dva rotory, ale protože jsou umístěny nad sebou, a celé zařízení má svou povahou blíže k vrtulníku, spadá do této kategorie. Yundong, et al. (2008) porovnává efektivitu využitelnosti vrtulníku, vzducholodě a letadla s fixním křídlem. Z jeho závěru vyplývá, že snímky pořízené z vrtulníku jsou nejpřesnější. Na druhém místě je letadlo s fixním křídlem a nejméně přesné snímky poskytla vzducholoď (všechny tři platformy nesly stejné snímače). Další rozdíl je v bezpečnosti použití těchto tří platforem. Podle jeho názoru je nejnebezpečnější vrtulník, protože je technicky nejsložitější a tím pádem je vyšší riziko poruchy. Dále také jako jediný nemá záložní padák a pokud selžou systémy, tak se k zemi řítí střemhlav a může zranit obsluhu stroje nebo kohokoliv jiného. Dále jako jediný má velký rotor, který dokáže člověka i zabít. Na druhou stranu vrtulníku je s výhodou využito tam, kde je potřeba kolmého startu a přistání. Vzducholoď a letadlo s fixním křídlem mají podle Yundonga lepší využití tam, kde je zapotřebí delší doba letu.
23
Obr. 9 Koaxiální vrtulník (převzato od: Nitroplanes [on-line]).
V poslední době pravděpodobně nejrozšířenější, nejpoužívanější a nejoblíbenější kategorií UAV jsou multirotorové systémy (obr. 10). V praktické části této práce budou využita data právě z této platformy. Miřijovský (2013) uvádí, že multirotorové systémy se v UAV fotogrammetrii používají přibližně od roku 2011. Eisenbeiß (2009) uvádí, že první firmou, která se soustředila na výrobu VTOL systémů (Vertical Take-off and Landing), především multikoptérových platforem, je Microdrones. VTOL systém dovoluje kolmý start i přistání stroje a především pak dokáže „viset“ ve vzduchu na jednom místě. První kvadrokoptéra této firmy byla na trh uvedena v dubnu 2006. O popularitě multirotorových systémů svědčí i obrovské množství vystavovaných exemplářů na veletrhu elektroniky CES v Las Vegas v letošním roce. Multikoptéry mají oproti klasickým nebo koaxiálním vrtulníkům tu výhodu, že při poruše jednoho (případně více) motoru, či při rozlomení nebo porušení vrtule, přebírají funkci ostatní neporušené pohonné jednotky a stroj je schopen přistát. Samozřejmě záleží na stavbě multikoptéry a počtu motorů, pokud dojde k výpadku kritického počtu motorů, multikoptéra se stává neovladatelnou. Nejčastěji se objevují ve formaci s 4, 6 nebo 8 motory. Tyto systémy jsou také oproti vrtulníkům mnohem lépe ovladatelné a ve vzduchu jsou stabilnější. Multikoptéry jsou také jednodušší svou stavbou pohonných jednotek, kdy ke svému pohybu využívají pouze změnu počtu otáček vrtule, přičemž motory na protějších ramenech se otáčí každý v jiném směru. Naopak, jak uvádí Řehák (2012), vrtulník ke svému pohybu využívá ocasního rotoru, převodovky a natáčení vrtule, což je mnohem složitější systém nejenom na stavbu, ale i údržbu. Více informací o této platformě je k nalezení v kapitole 9. 2.
24
Obr. 10 Hexakopter DJI F550 (zdroj: autor).
Největším kladem této kategorie oproti bezmotorovým systémům je bezpochyby jejich ovladatelnost a možnost předem naprogramovaného automatického letu. Oproti motorovým systémům (spalovacím) jsou také méně hlučné a trpí menšími vibracemi, což v dnešní době už není tak důležité, protože otřesy zpracuje závěs snímacího zařízení. Dalším kritériem je cena. U této kategorie se těžko určuje, zda tuto položku zařadit mezi výhody nebo nevýhody. Pokud je potřeba pouze získat prosté obrazové informace o daném území z výšky, tak postačí zakoupit pouze nosič a snímací zařízení. Takový systém lze pořídit již od cca 2000 Kč (obr. 11). Což je velmi levná záležitost. Na druhou stranu lze pořídit pokročilé technologie za statisíce. Pokud se k tomu ještě připočítá velmi kvalitní pozemní stanice, software pro zpracování dat, GNSS přijímač, popřípadě další specifická zařízení, jako je například vystřelovací rampa, kufr atd., cena se může vyšplhat i vysoko nad milion korun českých. Tato platforma je jako všechny jiné také závislá na povětrnostní situaci, ale její rozptyl fungování je vyšší než u bezmotorových UAV.
25
Obr. 11 Kvadrokopter Syma X5C Explorers (zdroj: autor).
Naopak nevýhodou elektromotorových platforem je jejich výdrž a nosnost. Obě tyto charakteristiky jsou rozdílné mezi jednotlivými zástupci (vzducholoď, letadlo, jednorotorové, dvourotorové a multirotorové systémy). Nejmenší nosnost a výdrž mají rotorové systémy, které nejsou oproti dvěma zbývajícím schopné plachtit ve vzduchu bez pomoci pohonné jednotky. Od toho se také odvíjí velikost území, které jsou schopné nasnímat v průběhu jednoho letu. Dále jsou tyto systémy poměrně křehké, takže se mohou snadno zničit jak při vlastním letu, tak při neopatrném zacházení při jejich přemisťování. Dalším problémem může být převážení především vzducholodí a větších letadel s fixním křídlem. Pokud se jedná o systémy delší výdrže a větší nosnosti, jejich rozměry jsou větší a již není tak snadné je transportovat. Problémem jsou také akumulátory, které nemají dlouhou životnost a jsou poměrně drahé. A pokud je potřeba zmapovat větší území a není možné po každém letu čekat na nabití akumulátoru, je nutno jich nakoupit více. Využívání elektromotorových UAV systémů se v posledních letech velmi zvýšilo. Jak již bylo zmíněno výše, nejpoužívanějším typem jsou multirotorové systémy. Pokud se jedná o UAV s fixním křídlem nebo vrtulník, podle dostupné literatury se spíše využívají spalovací motory nebo se nerozlišuje pohonná jednotka a hovoří se pouze o letadlu (fixní křídlo) nebo o vrtulníku. Využití snímků z těchto platforem je široké, od monitorování archeologických nalezišť přes tvorbu 3D modelů, až po velmi přesné ortofoto snímky, které mohou být využity jako podklad k tvorbě katastrálních map.
26
4. 3 Motorové systémy (spalovací motor) Tato platforma byla využita jako první pro účely fotogrammetrie. Bylo to v roce 1979 a let provedli Przybilla a Wester-Ebbinghaus , viz kapitola 2. O důvodech, proč byla tato platforma využívána dříve než elektromotorové systémy pojednává část kapitoly 4. 2. Mezi hlavní zástupce patří vzducholoď, paraglide, rogalo, vrtulník a letadlo s fixním křídlem. O většině typů pojednávají předchozí kapitoly, takže tato bude stručnější, aby se neopakovaly informace z předešlých kapitol. Systémy totiž fungují na podobném principu jako elektromotorové platformy. „Novým“ typem, který se nevyskytoval v předchozích kapitolách je paraglide (obr. 12). Jde o UAV, které sestává z hlavní konstrukce, na které jsou umístěny všechny prvky (motor, snímač, atd.) a padáku (stavitelné křídlo). Jak uvádí Miřijovský et al. (2012), ideální rychlost větru pro provoz je mezi 3-35 km/h, přičemž spodní omezení je udáváno z důvodu zkrácení rozletové délky. Vrchní omezení je pak dáno z důvodu odporu a hmotnosti soustavy. UAV je poháněno spalovacím benzínovým motorem, který roztáčí vertikálně uloženou vrtuli a ta pohybuje celým zařízením. Snímací zařízení je uchyceno v závěsu (gimbalu). Na konstrukci mohou být umístěny i jiné senzory.
Obr. 12 UAV PIXY v letu (převzato od: UPOL [on-line]).
Dalším typem je rogalo. Jde v podstatě o podobnou konstrukci jako u výše zmíněného UAV. Hlavní konstrukce většinou vypadá jako trup klasického letadla a nad ní je umístěno „pevné“ křídlo ve tvaru šipky. Menší modely mohou být poháněny i elektromotorem. V profesionální UAV fotogrammetrii se tento typ využívá minimálně. 27
Mezi hlavní výhody systémů se spalovacím motorem patří především jejich nosnost, která je obecně vyšší než u systémů s elektromotorem. Tím pádem mohou nést více senzorů nebo lepší senzory. Zvláště u snímacího zařízení platí, že čím je zařízení větší, má větší CCD čip a objektiv, tím jsou snímky kvalitnější z grafického hlediska. Tak jako elektromotorové systémy jsou i tyto dobře ovladatelné a s příslušným vybavením mohou využít funkce automatického letu. Většinou má tato platforma také větší výdrž, záleží především na hmotnosti a objemu nádrže. Výhodou je také to, že po přistání stačí doplnit palivo a UAV může znovu odstartovat. Je to tedy jednodušší než u elektromotorových UAV. Nevýhodou této platformy je pak relativně vyšší hluk spalovacího motoru, těžší údržba a obecně vyšší cena. Pokud by na tuto platformu bylo pohlíženo z ekologického hlediska, tak by někteří mohli namítat, že znečišťuje ovzduší. Przybilla a Wester-Ebbinghaus kromě již zmíněného snímání pomocí UAV s fixním křídlem v roce 1979 provedli také jako první snímkování s vrtulníkem, avšak až o rok později. Použili k tomu vrtulník model Bell 222 od Dietera Schlütera (obr. 13). Maximální náklad činil 3 kg. Výškový rozptyl byl od 10 do 100 metrů. Zajímavě bylo řešeno upevnění snímacího zařízení, kdy bylo upevněno mezi dvě polystyrenové desky. Toto uložení mělo zabránit přenosům vibrací z motoru na snímací zařízení. Ovládání a navigace je popsána v kapitole 2. Tímto systémem byla nasnímána historická jednokolejka v německém Wuppertalu (Eisenbeiß, 2004).
Obr. 13 Vrtulník model Bell 222 využitý ke snímkování historické jednokolejky v roce 1980 (převzato od: Wester-Ebbinghaus, 1980 in Eisenbeiß, 2009, s. 14).
Miyatsuka (1996) využil vrtulník pro snímkování archeologické oblasti. Ve své práci popsal jak sbírat a zpracovávat data v reálném čase, aby mohla být co nejdříve k dispozici 28
archeologům. Vrtulník byl schopen vzlétnout do výšky až 300 metrů, ale jelikož nesl fotoaparát, který disponoval rozlišením pouze 6 Mpix, snímky nebyly dostatečně kvalitní. Na konci své práce navrhl použít jiné snímací zařízení. Velmi oblíbeným a užívaným modelem vrtulníku je RMAX od Yamahy (Obr. 14). Eisenbeiß (2009) popisuje, jak tohoto vrtulníku využil Hongoh k určení vegetačního pokryvu. V roce 2002 již měl tento vrtulník zabudovanou diferenciální GPS a testovala se jeho přesnost. Výsledek byl velmi dobrý. Dále uvádí, že je možné na nosič umístit malý a lehký LiDAR.
Obr. 14 Vrtulník RMAX od Yamahy (převzato od: Yamaha [on-line]).
Paraglide PIXY využívali například na Přírodovědecké fakultě UP v Olomouci na katedře geoinformatiky. Pomocí PIXY snímali mimo jiné také Kenický meandr v CHKO Litovelské Pomoraví (Miřijovský, 2013). Tak jako u předchozích platforem, i u této je popsáno velké množství případových studií. Tato práce poskytuje jen zlomek a velmi stručně pojednává o těchto studiích. Více se tomuto tématu věnuje Eisenbeiß (2009) ve své disertační práci, kde má tyto výzkumy rozděleny i podle časového období.
4. 4 Další možnosti třídění UAV V této kapitole budou pouze stručně zmíněny další možnosti třídění UAV. Tabulka 2 uvádí rozdělení UAV podle toho, zda jsou „lehčí nebo těžší“ než vzduch.
29
Tab 2. Rozdělení jednotlivých typů UAV podle pohonu a podle toho, zda jsou „lehčí nebo těžší“ než vzduch (upraveno podle: Eisenbeiß, 2009, s. 34).
Lehčí než vzduch
Bez pohonu
Těžší než vzduch Stavitelné křídlo
Fixní křídlo
Rotující křídlo
Rogalo
Větroň
Rotující drak
Letadlo s klasickým motorem
Vrtulník
Balón
Paraglide Drak Paraglide
S pohonem
Vzducholoď
Letadlo s proudovým motorem Koaxiální vrtulník Multikoptéra
Tabulka 3 uvádí třídění UAV podle jejich velikostí, doletu, maximální dosažitelné výšky, letové doby a hmotnosti. Některé zkratky z této tabulky jsou dále používány. Tab. 3. Rozdělení UAV podle jejich velikostí, doletu, maximální dosažitelné výšky, letové doby a hmotnosti (upraveno podle: Blyenburgh, 2008, s. 8).
Označení
Kategorie
Dolet [km] Výška [m] Letová doba [hod] Hmotnost [kg]
μ
Mikro
<10
250
1
<5
Mini
Mini
<10
350
<2
<30
CR
Close Range
10-30
3 000
2-4
25-150
SR
Short Range
30-70
3 000
3-6
50-250
MR
Medium Range
70-200
3-5 000
6-10
150-500
MRE
Medium Range Endurance
>500
8 000
10-18
500-1 500
LADP
Long Altitude Deep Penetration
>250
50-9 000
0,5-1
250-2 500
LALE
Long altitude Long Endurance
>500
3 000
>24
15-25
24-48
1 500
MALE
Medium Altitude Long Endurance
500-700
5 0008 000
HALE
High altitude Long Endurance
>250
20 000
24-48
2 500-5 000
UCAV
Unmanned Combat Aerial Vehicle
400
<20 000
2
10 000
Tabulka 4 popisuje třídění UAV podle ceny, využití a nosnosti.
30
Tab. 4 Roztřídění UAV podle ceny a nosnosti (u praveno podle: Eisenbeiß, 2009, s. 38).
Kategorie
Vysvětlení
Omezení
Open source a manuálně kontrolované systémy: Limitované komerční využití a cena hardware OM-class není vyšší než 5000 €
Nemožnost automatického letu
M-class
Micro and Mini systems
Nosnost méně než 5 kg
L-class
Large payload UAVs
Nosnost více než 5 kg
Tabulka 5 klasifikuje UAV na základě použitých senzorů resp. jejich absence. Tab. 5 Klasifikace UAV na základě použitých senzorů a možnostech georeferencování, on line zpracování, přesnosti a UAV kategorie (u praveno podle: Eisenbeiß, 2009, s. 38).
Sensor
Georeferencování
On-line zpracování
Přesnost
UAV kategorie
Bez GPS/INS
po snímkování
nelze
nízká [m]
OM-class
dobré
střední [dm-m]
M a L-class
velmi dobré
vysoká [cm]
M a L-class
GPS a jednoduchá INS po/během snímkování DGPS a taktická INS
po/během snímkování
31
5 VÝHODY A OMEZENÍ UAV OPROTI KONVENČNÍM TECHNOLOGIÍM Obecně se za největší výhodu UAV považuje absence lidské posádky na palubě. To umožňuje také snímat místa, kam člověk nemůže z důvodu bezpečnosti vstoupit (radioaktivitou zamořené oblasti, místa, kde hrozí bezprostřední ohrožení - výbuch, záplava, sesuv, padající předměty atd.). UAV je také možné vhodně využít v oblastech krizového managementu, kdy je možné tyto systémy v podstatě okamžitě využít a tím pádem mohou poskytovat on-line monitoring. Obecně jsou lehce transportovatelné a většina z nich nepotřebuje ke svému startu žádnou rozletovou dráhu, což je velmi výhodné, protože mohou startovat v místě určení. Tento fakt také zkracuje dobu, za kterou je UAV schopno dostat se na dané místo. Družicový ani letecký snímek není schopen dosáhnout takového rozlišení jako snímky pořízené pomocí UAV. Oproti těmto dvěma metodám je také výhoda v tom, že UAV létá ve velmi nízkých výškách a tudíž pod případnou oblačností. Výhodné je také použití v oblastech, kde je nutné snímat místo vícekrát v krátkých časových intervalech. Pro snímání relativně malé oblasti se finančně vyplatí využít UAV, než například leteckého snímkování, popřípadě pořizovat družicové snímky. V dnešní době mohou UAV nést mnoho typů snímačů včetně LiDARu, což posunuje jejich použití zase o krok dále. Z cenového hlediska jsou na tom jednotlivé typy UAV velmi rozdílně. Jak již bylo zmíněno v předchozí kapitole, cena se pohybuje od pár tisíc po miliony korun českých. Závisí to na mnoha faktorech. Při případném pořizování je potřeba provést analýzu, k čemu se bude UAV využívat a poté zvolit vyhovující model s dostatečným vybavením. Tak jako má UAV mnoho výhod, má také řadu omezení. Mezi hlavní omezení patří nosnost. Menší a lehčí UAV nejsou schopny unést těžší a kvalitnější senzory. Dalším omezením je výdrž. Ta se pohybuje řádově od jednotek minut po hodiny, opět záleží na typu UAV. Z toho vyplývá také omezená schopnost snímat rozsáhlejší území. Drtivá většina UAV je také velmi závislá na povětrnostních podmínkách, především na rychlosti větru a srážkách. Omezení nemají jen technický rozměr, ale také legislativní. Informace o legislativě ÚCL jsou blíže popsány v následující kapitole 6. V poslední době se také zvedá jistá vlna odporu proti bezpilotním systémům z důvodu ochrany soukromí a vypadá to, že se v této oblasti budou pravidla ještě zpřísňovat. Tabulka 6 porovnává leteckou a blízkou fotogrammetrii s UAV fotogrammetrií.
32
Tab 6 Vlastnosti letecké, UAV a blízké fotogrammetrie (u praveno podle Eisenbeiß , 2011, s. 135).
Plánování Získávaní dat/let
Letecká
UAV
Blízká
polo-automatické
automatické/manuální
manuální
asistované/manuální automatické/asistované/manuální automatické/asistované/manuální
Velikost oblasti
km2
m2-km2
mm2-m2
Rozlišení snímku
cm-m
mm-m
mm-dm
Vzdálenost od objektu
100 m-10 km
m-km
cm-῀300 m
Orientace
kolmá/šikmá
kolmá/šikmá
kolmá/šikmá
Přesnost
cm-dm
cm-10 m
mm-m
Velké oblasti Příklady
(mapování, lesnictví,
využití
glaciologie, 3D modelování atd.)
Malé a velké oblasti (archeologie, monitorování hazardů, 3D modelování, snímání nepřístupných a nebezpečných míst, real-time monitoring atd.)
33
Malé oblasti a objekty (archeologie, 3D modelování, architektura, industriální fotogrammetrie atd.)
6 LEGISLATIVNÍ OMEZENÍ ÚŘADU PRO CIVILNÍ LETECTVÍ Informace o tom, jak Úřad pro civilní letectví chápe význam slov UAV, UAS a model letadla je popsán v kapitole 2. Tato kapitola popisuje jednak zákony, vyhlášky a doplňky týkající se bezpilotních systémů a také potřebné kroky k tomu, jak získat pilotní průkaz a povolení k leteckým pracím. Závaznost všech dokumentů týkajících se bezpilotních systémů (a nejen jich) vyplývá ze zákona č. 49/1997 Sb., o civilním letectví ve znění pozdějších předpisů a dále z prováděcí vyhlášky k tomuto zákonu č. 108/1997 Sb. (Úřad pro civilní letectví_3 [on-line]). Nejdůležitější dokument, který se zabývá bezpilotními prostředky, je Doplněk X (platný od 1. 3. 2012), který se nachází v předpisu L2 (Pravidla létání), který uveřejňuje Letecká informační služba (LIS), která spadá pod Ministerstvo dopravy ČR. Tento doplněk nepojednává o pravidlech pro provoz volných balónů bez pilota na palubě se zátěží, tato pravidla jsou uvedena v Hlavě 3 a dodatku 5 tohoto předpisu. Dále nepojednává o pravidlech pro provoz volných balónů bez pilota na palubě bez zátěže a upoutaných balónů bez pilota, tato pravidla stanovuje doplněk R tohoto předpisu. Doplněk X sestává ze 17 ustanovení (Definice, Rozsah působnosti, Bezpečnost, Dohled pilota, Odpovědnost, Ukončení letu, Prostory, Ochranná pásma, Meteorologická minima, Nebezpečný náklad, Shazování nákladu, Pohyb pilota, Letecká veřejná vystoupení, Ostatní legislativa, Pohon, Další podmínky pro provoz bezpilotního letadla a Hlášení událostí). Ustanovení 16 - Další podmínky pro provoz bezpilotního letadla uvádí, v jakých případech musí pilot, potažmo provozovatel bezpilotního prostředku požádat o povolení k létání, popřípadě povolení k leteckým pracím (Doplněk X - Bezpilotní systémy [on-line]). Ustanovení 16 tedy dělí bezpilotní prostředky do 4 váhových kategorií + bezpilotní prostředek ovládaný mimo vizuální dosah pilota (samostatná kategorie). Bezpilotní prostředky (modely) do 20 kg, které jsou využívány pouze pro rekreační nebo sportovní aktivity nemusí mít evidenci letadla, pilota ani povolení k létání. Pro letecké práce modely v této kategorii (sportovněrekreační) nelze využít. Tyto modely nesmí být vybaveny zařízením umožňující automatický let na zvolené místo. Modely nad 20 kg mají poté stejné povinnosti jako dále uvedené UAV. Pokud zařízení bude využito pro letecké práce (výdělečné, experimentální, výzkumné), tak nezáleží, do jaké váhové kategorie spadá a musí se splnit výše uvedené požadavky a navíc pilot projde teoretickým i praktickým testem, povinností je mít sjednané pojištění a mít provozní příručku. Taky je zde povinnost hlásit události (letecká nehoda, incident nebo vážný incident (Dopněk X Bezpilotní systémy [on-line])). Z toho vyplývá, že pokud zařízení nese jakýkoliv snímač a je jedno, zda se jedná o senzor v podobě teplotního čidla či fotoaparát, musí splňovat výše uvedené požadavky bez ohledu na velikost UAV. Pokud se tento snímač ze zařízení demontuje, jedná se o model (do 20 kg), který v podstatě nepodléhá žádným omezením. 34
Kroky, které je nutné splnit, aby UAV mohlo být používáno k výdělečným, experimentálním a výzkumným účelům, jsou popsány dále. Celý proces sestává ze dvou fází. V první fázi získá pilot povolení k létání a v druhé fázi získá povolení k provádění leteckých prací. Jednotlivé kroky lze popsat takto: 1. Fáze a) podání žádosti včetně příloh (mj. doklad o vlastnictví UAV, sjednané pojištění, schéma zapojení palubní elektroinstalace, provozní příručka atd.); b) ÚCL vyhodnotí dodané dokumenty; c) pokud jsou všechny dokumenty v pořádku, ÚCL vyzve k zaplacení poplatku 4 000,- Kč; d) nejprve dojde k vydání Rozhodnutí o vydání Povolení k létání letadla bez pilota na palubě s omezeními „pilot - žák“ a následně, po nabytí právní moci, bude vydáno samotné Povolení; e) pilot si musí zažádat o zrušení žákovských omezení (v této fázi může létat pouze za dozoru pilota, který toto povolení již vlastní); f) poté je s pilotem domluvena schůzka, na které se ověří jeho teoretické znalosti a projde také praktickým testem, který sestává z několika leteckých manévrů, dojde také k fyzické kontrole systému, zda odpovídá informacím uvedeným v příručce; g) výzva k zaplacení správního poplatku 400,- Kč; h) stejně jako v bodě d) dojde nejprve k vydání rozhodnutí a následně k vydání povolení, tentokrát bez omezení „pilot - žák“. 2. Fáze a) podání žádosti včetně příloh (Povolení k provozování leteckých prací); b) ÚCL vyhodnotí dodané dokumenty; c) výzva o zaplacení správního poplatku 10 000,- Kč; d) vydání rozhodnutí a následně po nabytí právní moci vydání Povolení k provozování leteckých prací (Úřad pro civilní letectví_4 [on-line]. Poté co pilot dostane toto povolení, může provádět letecké práce, ale musí se samozřejmě řídit doplňkem X a leteckými předpisy. V některých případech musí pilot požádat o povolení ÚCL k leteckým pracím. Jedná se především o létání nad zastavěnou oblastí a o přelétávání liniových staveb. Dále také pilot nesmí létat nad lidmi (výjimkou jsou například poučení herci při natáčení (Vertical images [on-line], Úřad pro civilní letectví_6 [on-line])).
35
Na webových stránkách ÚCL je veřejně dostupná evidence bezpilotních letadel, pilotů bezpilotních letadel a evidence provozovatelů leteckých prací/leteckých činností pro vlastní potřebu bezpilotními letadly. K 31. 10. 2014 bylo evidováno 64 bezpilotních prostředků a 80 pilotů. K 23. 1. 2015 bylo zaevidováno 10 subjektů, které mohou provádět letecké práce (Úřad pro civilní letectví_5 [on-line]). Je možné, že výše zmíněná pravidla se budou měnit. V dnešní době totiž dochází k velkému rozvoji bezpilotních systémů a ÚCL na to reaguje. Pokud někdo chce pracovat s bezpilotními prostředky a není si jistý, do jaké kategorie spadá jeho činnost a nechce porušovat zákony, je nejjednodušší kontaktovat ÚCL, kde daný dotaz s ochotou vyřídí. Následné pokuty za neoprávněné využití jsou velmi vysoké a hrozí zde dokonce i trest odnětí svobody.
36
7 KRIZOVÝ MANAGEMENT Název kapitoly již napovídá, že krizový management se zabývá krizovými událostmi. Více informací o této problematice lze nalézt v bakalářské práci autora z roku 2013 s názvem Využití dat dálkového průzkumu Země v krizovém managementu. Podle zákona č. 240/2000 Sb. je krizový management „souhrn řídicích činností orgánů krizového řízení zaměřených na analýzu a vyhodnocení bezpečnostních rizik a plánování, organizování, realizaci a kontrolu činností prováděných v souvislosti s - přípravou na krizové situace a jejich řešením, nebo - ochranou kritické infrastruktury“ (zákon č. 240/2000 Sb. [on-line]).
7. 1 Cyklus krizového řízení „Cyklus krizového řízení je schéma, které zahrnuje všechny fáze před a po vzniku katastrofy a pomáhá předcházet, respektive účinně odstranit následky katastrof“ (Stuchlík, 2013, s. 14). Existuje několik typů modelů. Následující model na obr. 15 je evropského typu. Tento model je rozdělen na 4 fáze: 1. prevence, 2. příprava, 3. odezva, 4. obnova. Mezi fázemi přípravy a odezvy dochází ke krizové události (Stuchlík, 2013).
Obr. 15 Cyklus krizového řízení (převzato od: Báčová, 2011).
37
1. Fáze prevence: tato fáze teoreticky trvá nejdéle z celého cyklu a probíhá neustále. Stále je totiž potřeba zlepšovat mapové podklady, informační systémy atd. V této fázi dochází k vytváření různých krizových plánů. A také se investují peníze do bezpečnostní infrastruktury (přehrady, poldry, domy s pevnými základy, které jsou schopné odolat například zemětřesení. V souvislosti s povodněmi se také mění územní plány a v záplavových zónách již není možné stavět, což následně může při povodních velmi eliminovat vzniklé škody. 2. Fáze příprava: při nástupu této fáze je téměř jednoznačné, že se již nelze krizové události vyhnout. V tuto chvíli jsou velmi užitečné, pokud existují a jsou kvalitně zpracované, mapové podklady a krizové plány. Krizový štáb se na základě těchto materiálů může lépe rozhodovat a je pravděpodobnější, že nad kvalitními a správnými materiály vydají lepší rozhodnutí. Probíhá také evakuace osob. Po této fázi následuje samotná katastrofa. Její trvání záleží na typu krizové události. Může se jednat o jednotky minut nebo i desítky hodin. 3. Fáze odezva: probíhá evakuace lidí, kteří nemohli nebo se z časových důvodů nestihli evakuovat v předchozí fázi. Krizová událost může být v této fázi již skončena nebo může dále pokračovat a dokonce i sílit (například povodňové vlny). Hlavním cílem této fáze je snižovat dopad katastrofy na životy lidí a majetek. 4. Fáze obnova: jakmile riziková událost odezní a lidé již nejsou v přímém ohrožení, nastává fáze obnovy. V této fázi je nejdůležitější odstranit škody, které katastrofa napáchala (odvoz sutin, zprůjezdnění komunikací, zajistit obnovu dodávek elektřiny, pitné vody atd.). Je potřeba také v co nejrychlejším čase opravit nebo postavit zničené domy, aby se lidé mohli vrátit do svých domovů a vše mohlo fungovat tak, jako před vypuknutím katastrofy (Stuchlík, 2013). V určitých případech je třeba zvážit, zda obnovovat domy, popřípadě celé čtvrtě v dané oblasti, kde hrozí velké riziko, že se krizové události budou opakovat. Mnohem účinnější je vybrat nějakou blízkou oblast, kde se mohou domy začít znovu stavět a pravděpodobnost výskytu katastrofy se výrazně sníží.
7. 1. 1 Včasné varování Tato aktivita se nachází v cyklu ve fázi přípravy, těsně před vypuknutím katastrofy. Nastává okamžitě po tom, kdy se objeví indicie k tomu, že se blíží riziková událost. V určitých případech může být výskyt katastrofy znám několik dní dopředu. Například povodně způsobené vytrvalým deštěm lze předpovídat dopředu. Podobně pak vlny tsunami způsobené zemětřesením. Naopak náhlé jevy, jako je například zemětřesení nebo tornádo předpovídat nelze. Je pouze možné předpovídat, zda jsou pro tyto jevy nastaveny vhodné podmínky (Stuchlík, 2013). The United Nations Office for Disaster Risk Reduction definuje systém včasného varování (Early warning 38
system) takto: „The set of capacities needed to generate and disseminate timely and meaningful warning information to enable individuals, communities and organizations threatened by a hazard to prepare and to act appropriately and in sufficient time to reduce the possibility of harm or loss“ (UNISDR [on-line]).
7. 1. 2 Rychlé mapování Rapid mapping neboli rychlé mapování by mělo začít co nejrychleji po vypuknutí rizikové události. Bez prostorového povědomí o dané situaci lze totiž velmi těžko provádět a koordinovat záchranné práce. V tuto dobu lze vhodně využít bezpilotních systémů k nasnímání postižené oblasti. Mnohdy to může být také jediný použitelný zdroj informací. Protože pokud oblast pokrývá oblačnost, tak není možné použít satelitní snímky a v určitých případech nelze použít ani pilotované letadlo (s lidskou posádkou na palubě). Tyto případy jsou například slabá viditelnost kvůli kouři, mlze nebo oblačnosti, popřípadě nebezpečnost zasaženého území pro lidskou posádku v letadle. Bezpilotní prostředky lze samozřejmě využít ve všech fázích krizového cyklu. Program Copernicus definuje rychlé mapování (Rapid mapping) jako: „service consists of the on-demand and fast provision (hours-days) of geospatial information. This information supports emergency management activities immediately following an emergency event. The service is based on the acquisition, processing and analysis, in rapid mode, of satellite imagery and other geospatial raster and vector data sources. The products are standardised following a set of parameters the user can choose when requesting the service“ (Copernicus, [on-line]).
39
8 VYUŽITÍ BEZPILOTNÍCH SYSTÉMŮ V KRIZOVÉM MANAGEMENTU Tato kapitola se bude zabývat využitelností UAV v krizovém managementu. Budou představeny vybrané případy, kdy tato technologie byla použita v minulosti. Příklady využití mimo krizový management lze nalézt v kapitole 4 u jednotlivých typů UAV. Co se týče typů sbíraných dat, tak v krizovém managementu i mimo něj převládají snímky z viditelného spektra a v pravých barvách. Používají se také snímky z infračerveného spektra nebo poslední dobou také termální snímky. Dále lze na UAV připevnit také laserový scanner, který je vhodný například k tvorbě velmi přesného digitálního modelu terénu (DMT) či povrchu (DMP). DMT a DMP lze vytvářet také ze snímků pomocí stereofotogrammetrie, SfM atd. Co se týče typů snímků z hlediska polohy vůči zemi, převažují kolmé snímky, ale také se používají šikmé snímky s viditelným horizontem nebo bez něj. Rovněž snímky s vodorovným natočením objektivu, například pro hodnocení stavu budov pro krizový management nebo stav fasády pro architektonické účely atd. Na obr. 16 je schematicky znázorněn jeden z možných procesních modelů využití UAS v krizovém managementu ve fázích prevence (částečně přípravy) a odezvy. Vystihuje v podstatě všechny důležité kroky potřebné k nasazení UAS do krizového managementu.
Obr. 16 Procesní model nasazení UAS v krizovém managementu (upraveno podle: Thamm et al., 2013, s. 6).
40
Schéma
je
rozděleno
podle
úkonů,
které
souvisí
s kontrolním
střediskem
a s nasazením UAS. Dále poté podle toho, zda se jedná o úkony před krizovou událostí nebo po ní. Ve fázi prevence (částečně přípravy) se v rámci kontrolního střediska shromažďují data a vytváří se analýzy. V rámci UAS se především vybírá vhodný typ UAV a nahrávají se do systému aktuální data. Důležitý je také výcvik obsluhy UAS. Ve fázi odezvy kontrolní středisko zjišťuje a rozhoduje o tom, jaká data budou potřeba pro zvládnutí situace a jestli finální data jsou dostačující či nikoliv. Dále probíhá zpracování snímků. V případě UAS dochází k naprogramování autopilota a k provedení samotného letu. Přičemž kontrolní středisko vidí on-line polohu UAV i obraz, který se přenáší.
8. 1 Příklady využití bezpilotních systémů ve světě a v tuzemsku První fotografií (obr. 17) krizové události, která byla pořízena z bezpilotního prostředku, byl snímek poničeného San Francisca zemětřesením v roce 1906. Jednalo se o šikmý snímek. Velmi těžký fotoaparát (přes 20 kg) vyneslo do vzduchu 9-17 draků (přesný počet není znám). Let provedl George R. Lawrence (Baumann [on-line]).
Obr. 17 Šikmý snímek zachycující zničené San Francisco po zemětřesení v roce 1906 (převzato od: Baumann [on-line]).
Na snímku lze pozorovat zbořené nebo polorozbořené domy. Především pak jsou vidět místa, kde stály domy, jejichž trosky již byly odstraněny. Snímek je panoramatický, protože byl vytvořený speciální prohnutou fotografickou komorou. Baumann [on-line] uvádí, že snímek měl rozměry 48 x 122 cm. K většímu rozvoji UAV a jeho využití v krizovém managementu pak dochází až na počátku 21. století. Mezi první velké katastrofy, kde bylo využito UAS, patří hurikán Katrina, jež zasáhl ničivou silou New Orleans v srpnu 2005. Pratt et al. (2007) uvádí, proč byl nasazen
41
systém UAS pro inspekci škod v New Orleans. Především to bylo proto, že do té doby se používaly 2 způsoby zjišťování škod - pozemní a klasická letecká metoda (s posádkou na palubě). Přičemž pozemní metoda je schopna ve vertikálním směru zmapovat oblast od 0 do 10 metrů výšky. Klasická letecká metoda je vhodná pro vytváření plánů. Ale ve městech s vyššími budovami je potřeba pokrýt místo mezi pozemní a klasickou leteckou metodou. A to je přesně místo pro nasazení UAV. V New Orleans bylo provedeno celkem 32 letů v 7 oblastech. Lety probíhaly v období 29. 11. - 3. 12. 2005, tedy 3 měsíce po hurikánu. Jako nosiče bylo využito vrtulníku iSensys IP3 MAV poháněného Li-Pol akumulátorem s průměrem rotoru 1,4 metru a nosností 1 kg. O průběh se staraly celkem 3 osoby. „Ředitel letu“ měl na starosti bezpečnost týmu a zodpovídal za celý průběh mise. Pilot byl zodpovědný za UAV a samotný let a letecký specialista měl na starosti veškerý náklad, který se na stroji nacházel a také měl zodpovědnost za shromažďování dat. Létání mezi budovami a uvnitř je velmi složité samo o sobě a navíc, pokud je budova poničena, tak vznikají další překážky, kterým je potřeba se vyhnout. Jsou to především kabely, rozpadlé zdi, stromy, infrastruktura atd., které mohou způsobit pád a zničení UAV. Proto je potřeba mít na UAV zařízení, které bude kontrolovat jeho polohu vůči všem ostatním předmětům a v případě potřeby dokáže zabránit srážce. Toto zařízení pracuje na principu „3D bufferu“, kdy neustále kontroluje předem definované okolí UAV. Dále Pratt et al. (2007) diskutují nad tím, proč není výhodné používat předem nadefinovaný automatický let pomocí tzv. waypoints. Zaprvé navigační signál může být rušen odrazy od zničené infrastruktury, popřípadě se úplně ztrácet uvnitř budov. Zadruhé je v postižených oblastech předem těžko odhadnutelné, kudy by měla vést letová trasa. Zatřetí, pokud by se tato trasa předem naplánovala a bylo by nutné ji v průběhu letu měnit, zabere to cca 1 minutu, tzn. asi 5% celkového letového času. Na obr. 18 lze pozorovat, co vidí jednotliví členové týmu. Tři lidé se využívají pro jeden let z bezpečnostních důvodů a také proto, že každý se zaměřuje na jiný detail, vidí něco jiného a může upozornit ostatní členy týmu.
42
Obr. 18 Na levém snímku lze pozorovat průběh letu očima specialisty, který používá tzv. HUD View z palubních snímačů (vytváří snímky, které jsou dále zpracovávány). Na prostředním snímku je zobrazen let očima pilota, který používá buďto jen vizuální kontakt s UAV nebo také používá HUD View a má k dispozici přímý pohled z kamery umístěné v „cockpitu“. Vpravo je pohled vedoucího letu, který nemá k dispozici žádné záběry z UAV. Veškerý obraz je přenášen v reálném čase do pozemní stanice a dalších zařízení (převzato od: Pratt et al., 2007, s. 8).
UAV bylo také využito například pro inspekci škod po tajfunu Morakot (srpen 2009), který zasáhl velké území na Dálném východě, ale nejvíce škod způsobil na Taiwanu, kde spadlo až 2583 mm srážek. Pro Taiwan to byl také jeden z nejsilnějších a nejničivějších tajfunů v historii. Zde také proběhlo snímkování pomocí UAV. Ke snímkování byl použit vrtulník se spalovacím motorem. Váha stroje byla 8,5 kg a dokázal nést až 5,5 kg. Výdrž byla přibližně 20 minut. Díky velké nosnosti mohl stroj nést digitální fotoaparát i digitální videokameru. Tím pádem byl k dispozici jak videozáznam, tak šikmé a kolmé snímky. Po této misi vznikly ortofotomapy a digitální modely terénu, které mapovaly především sesuvy půdy v dané oblasti (Chou et al., 2010). 24. října 2005 zasáhl Floridu hurikán Wilma. O tři dny později přijeli na Mys Romano průzkumníci z Centra pro vyhledávání a záchranu za asistence robotů z univerzity Jižní Florida. Tato akce byla zajímavá především proto, že zde zřejmě poprvé došlo k využití nejen UAV, ale především USV (Unnmanned Sea Surface Vehicle). Toto zařízení funguje na podobném principu navigace jako UAV a je určeno především pro inspekci škod na pobřežích a na řekách. Jedná se především o zkoumání stavu pobřežních mol a mostů, kdy je toto zařízení snímá zespoda
43
a následné snímky slouží k posouzení stavu daného objektu. Dále může zkoumat stav pod vodní hladinou díky sonaru a zjišťovat, zda je oblast průchodná pro plavidla. UAV zde mělo za úkol nasnímat postiženou oblast (jako v obvyklých případech), ale především zde sloužilo jako „dohled“ pro USV. Díky real-time snímkům z UAV mohla být plánována trasa pro USV. Složení obsluhy jednotlivých strojů bylo podobné jako u výše zmíněného případu hurikánu Katrina. Taktéž UAV bylo dodáno stejnou společností (tehdy se ovšem nejmenovalo iSensys, ale T-Rex). Aby se zabránilo interferenci signálů, každé zařízení bylo ovládáno a přijímalo informace na jiné frekvenci (Murphy et al., 2008). Po ničivém zemětřesení, které zasáhlo Haiti v lednu 2010, se do snímkování oblasti zapojily nejméně dvě UAV. První bylo mini UAV od soukromé společnosti, které svým snímkováním velmi zrychlilo záchranné práce. Průzkumem odlehlých oblastí totiž zjistili, že místa, o kterých si mysleli, že jsou zasažena a zničena, byla v pořádku a záchranné jednotky neztrácely čas jejich navštívením a mohly pomáhat tam, kde bylo potřeba (VT Group in Adams, 2013). Druhým průzkumným letounem byl HALE UAV (viz tab. 3) od letectva Spojených států amerických. Na své palubě nesl radar a senzory zachycující optickou a infračervenou část spektra. Sloužil především pro zkoumání stavu a sjízdnosti silnic. Protože zničená infrastruktura na Haiti neumožňovala přistání UAV, tak bylo nutné denně létat z USA na Haiti a zase zpět. Jedna mise trvala většinou 14 hodin. UAV obsluhovali dva lidé - pilot a operátor senzorů (Helicopter News [on-line]). Více než jeden typ UAV byl využit také při inspekci škod v jaderné elektrárně Fukušima, která byla zničena vlnou Tsunami, jež byla vyvolána velmi silným zemětřesením 11. března 2011. Podobně jako na Haiti, i zde byl využit HALE UAV The Global Hawk, který v tomto případě pracuje zcela autonomně na základě předem daných pokynů. Výdrž stroje je až 36 hodin a může vyletět až do výšky 18 kilometrů. V Japonsku byl využit k průzkumu zasažené oblasti, ale především k monitorování reaktoru infračerveným senzorem, aby se zjistilo, zda je ochlazování reaktoru účinné či nikoliv (Ackerman [on-line]). Dalším použitým zařízením byl MAV T-Hawk, jednorotorový vrtulník, který nesl kameru, dozimetr a měřil množství uniklé radiace okolo elektrárny a také uvnitř (Adams, 2013). Ve světě existuje mnoho případů, kdy byly bezpilotní letouny využity v krizovém managementu. Výše je uvedeno pouze pár příkladů využití u těch nejznámějších katastrof. UAS nejsou dnes využívány jen pro hodnocení škod po katastrofě, ale také se začínají čím dál více využívat i jako prostředek pro dohled nad bezpečností (demonstrace, riziková sportovní utkání, běžný preventivní dohled na nebezpečných místech atd.). Velmi zajímavý je projekt tzv. Ambulance drone. Jedná se o hexakopter, který má ovšem jen 3 ramena (2 motory na jednom rameni) a místo senzoru pro snímání oblasti nese defibrilátor. Projekt by měl fungovat tak,
44
že po zavolání na tísňovou linku operátor vyhodnotí stav a pokud se jedná o zástavu srdce, může na místo vyslat Ambulance drone, který se tam dostane mnohem rychleji než záchranná služba (Gizmag [on-line]). V České republice se prozatím ve veřejné správě UAS pro krizový management nevyužívá. V roce 2012 byla Ministerstvem vnitra zadána veřejná zakázka, která má za úkol vypracovat legislativní prostředí pro nasazení tzv. státních bezpilotních prostředků. Tato legislativa by pak měla umožnit IZS, především pak policii a hasičům využívat UAV ve všech krizových situacích, kde to budou okolnosti vyžadovat. Dále by také měla specifikovat a navrhnout, jak by mělo vypadat školení budoucích pilotů atd. Podle smlouvy mezi zadavatelem a dodavatelem by zakázka měla být hotová do konce roku 2015 (Veřejná zakázka [on-line]). Naopak v soukromé sféře již bylo využito UAV v krizovém managementu. Například firma UpVision v květnu 2014 nasnímala a vytvořila 3D model sesuvu na nedokončenou dálnici D8 u Litochovic nad Labem. Ke snímkování byla využita hexakoptéra, která nesla zrcadlovku. Stejný stroj byl použit také ke snímkování a vyhledávání poškozených míst na dvou mostech na dálnici D3. Na UAV byla zavěšena termokamera, která snímala mosty a díky rozdílným teplotám bylo možné odhalit praskliny a nedokonalosti i pod povrchem vozovky (UpVision [on-line]).
8. 2 Zpracování dat z UAV v krizovém managementu Zpracování dat, kterým se bude zabývat tato kapitola, je použitelné i mimo krizový management. Nejdůležitějším faktorem v krizovém řízení je čas. Je nutné, aby čas, který uplyne od propuknutí mimořádné události do chvíle, kdy budou k dispozici potřebná data, nad kterými se bude rozhodovat o záchranných pracích, byl co nejkratší. Jak je zřejmé z předchozího textu, tak nasazení UAS do akce je možné ve velmi krátkém čase. Rovněž je potřeba zajistit rychlé zpracování dat, abychom tuto časovou výhodu mohli plně využít. Existuje poměrně hodně způsobů, jak zpracovávat data z UAV. Záleží, o jaká data se jedná a k jakému účelu budou používána. Je velký rozdíl mezi tím, jestli budou data využívána pro „geodeticky“ přesné výpočty nebo naopak budou sloužit pouze jako společný operační pohled (common operational picture) znázorňující současnou situaci pro zasahující složky krizového štábu. Pokud jde o druhý, mnohem jednodušší případ, pak je mise splněna v okamžiku, kdy je UAV ve vzduchu a snímá danou lokalitu. Přes FPV může posílat real-time pohled na zemi do pozemní stanice. Zde si lze data okamžitě prohlédnout a jsou ihned k dispozici. Pokud jsou potřeba data, která se dále budou využívat v GIS, je potřeba zvolit jiný způsob. Nejprve je důležité si uvědomit, že senzory (fotoaparáty, kamery) nesené běžnými UAV jsou neměřické komory. Tzn., že výrobce neudává zkreslení vzniklé fyzickými vlastnostmi 45
objektivu, senzor není kalibrovaný a nejsou známy tzv. prvky vnitřní orientace. Aby bylo možné je zjistit a dále s nimi pracovat, je potřeba snímací zařízení zkalibrovat. Ve většině případů nejsou známy ani prvky vnější orientace a proto je nutné mít na zemi viditelně označené (tak aby je bylo možné rozpoznat na snímku) a geodeticky přesně zaměřené vlícovací body (GCP). Tyto body umožní snímky georeferencovat a dále s nimi pracovat. Podle Miřijovského (2013) se GCP používají nejen k určení prvků vnější orientace, ale i k zpřesnění prvků vnitřní orientace, které byly zjištěny kalibrací komory.
8. 2. 1 Automatické real-time zpracování dat Existují v podstatě dva typy zpracování snímků z UAV v krizovém managementu. První je automatické real-time zpracování s tím, že snímky jsou okamžitě k dispozici, nebo je potřeba snímky následně zpracovat. Funkčnost prvního typu (okamžité automatické zpracování) popisuje ve své práci Suzuki et al. (2008), který tento systém navrhl pro využívání právě v krizovém managementu. Hlavním záměrem bylo zajistit co nejrychlejší záchranu přeživších, kteří by byli jasně lokalizováni na snímcích. Navrhuje dvě metody okamžitého zpracování snímků. První metoda využívá videozáznamu a zpracovává jej do mozaiky pomocí obrazové korelace. Druhá metoda využívá snímky a informace o poloze UAV z GPS a ostatních senzorů na palubě (gyroskopy, akcelerometry, barometr). Suzuki et al. (2008) v první metodě využívá videozáznamu. K detekci objektů na jednotlivých po sobě jdoucích snímcích využívá tzv. Harrisův detektor hran a rohů. Harris, Stephens (1988) navrhli ke spojování snímků metodu detekcí hran a rohů založenou na lokálních autokorelačních funkcích. Suzuki et al. (2008) dále využívá techniku SSD, která umožňuje spojit stejné prvky na sousedících snímcích. Poté se automaticky vygeneruje mozaika, která projektuje zachycené snímky, za pomoci parametrů vycházejících z odpovídajících si objektů. Projekce je omezena pouze na rotaci a translaci (obr. 19), a to z důvodu omezení časové náročnosti. K výpočtu rotace a translace se využívá pseudo-inverzní matice.
Obr. 19 Translace t a rotace ϴ snímku (převzato od: Suzuki, 2008, s. 444).
46
Druhá metoda umožňuje real-time automatickou transformaci a projekci snímků do zvoleného souřadnicového systému. Pro tuto operaci je nutné mít snímky a data ze senzorů z UAV. Pomocí těchto dat je možné zjistit pozici UAV v prostoru.
Obr. 20 Projekce snímku do souřadnicového systému (převzato od: Suzuki, 2008, s. 444).
Na obr. 20 je zobrazen princip projekce snímku do zvoleného souřadnicového systému. Kde m = [u, v]r značí 2D obrazové souřadnice. Mc = [Xc, Yc, Zc]r značí 3D souřadnice senzoru. Mw = [Xw, Yw, Zw]r značí 3D souřadnice ve zvoleném souřadnicovém systému. Rovnice vyjadřující vztah mezi Mc a Mw = [Xw, Yw, Zw, 1]r je definována jako Mc = Rt (Mw – t0), kde R je matice rotace UAV odhadnuta pomocí senzorů a t0 je pozice UAV ve zvoleném souřadnicovém systému. Fotoaparát je modelovaný jako dírková komora a tudíž vztah mezi 3D souřadnicemi fotoaparátu a jeho perspektivní obrazovou projekcí je sm = PMc, kde s je arbitrární skalární faktor a P je 3x4 projekční matice, která obsahuje vnitřní parametry kamery. Předpokládá se, že kamera byla předem kalibrována. Některé snímky mohou být extrémně zkreslené z důvodu náklonu letadla při změně směru, ale podle autora lze omezit toto zkreslení pomocí perspektivní projekce. Dále autor uvádí možnost propojení těchto snímků s Google Earth, kdy se na pořízených snímcích postupně označují objekty zájmu, včetně potřebných metadat a včetně snímků z UAV, a zobrazují se na podkladu Google Earth. Samotný let byl proveden autonomně (Suzuki, 2008). Tento systém byl reálně odzkoušen a autor tvrdí, že je vhodný pro využití v krizovém managementu. S tímto tvrzením lze souhlasit, avšak autor se bohužel v práci nezmiňuje o přesnosti výsledných snímků. Jelikož používá standardní GPS modul, lze očekávat chybu v řádech metrů. Pokud by se ale klasický GPS modul vyměnil za RTK GPS modul, který v dnešní době může být velmi malý a také cenově dostupný, chyba by mohla klesnout řádově na centimetry. Ovšem v tomto případě nebude přesnost závislá jen na GPS modulu, ale také na IMU, kalibraci snímacího
47
senzoru, správnosti použité metodiky atd. Otázkou zůstává, jak přesné snímky jsou potřebné pro krizový management. V případě vyhledávání lidí nebo objektů není potřebná velká přesnost snímků (postačí vzájemná pozice objektů), ale naopak při hodnocení škod a následném mapování je vysoká přesnost žádoucí.
8. 2. 2 Zpracování dat po ukončení letu Druhý typ zpracování dat z UAV se používá častěji. Jedná se o sérii po sobě jdoucích úkolů, které musí být splněny, aby výsledný produkt dosahoval určité kvality. Ovšem kvalita výsledku nezávisí jen na správně zvoleném postupu jednotlivých kroků, ale také na hardwarovém a softwarovém vybavení, jenž pořizuje, respektive zpracovává data. Toto zpracování může probíhat automaticky, poloautomaticky či zcela manuálně. Tento typ zpracování je popsán v praktické části této práce.
48
9 PRAKTICKÁ ČÁST
9. 1 Výběr bezpilotního leteckého systému V březnu 2014 bylo jisté, že se pro Geografický ústav Masarykovy univerzity bude pořizovat bezpilotní letecký systém. V tuto dobu začal autor provádět rešerši dosavadních systémů a vyhodnocovat klady a zápory jednotlivých typů. Ty jsou zmíněny v kapitole 4, vždy u daného typu UAV. Hodnocení nevychází jen ze zkoumané literatury, ale také z vlastní empirie a především z možnosti účastnit se praktických ukázek převážně multirotorových systémů. Poté co byla zhodnocena všechna kritéria (nosnost, výdrž, hmotnost, rozměry, hlučnost, typ pohonu, typ startu/přistání, ovladatelnost, výbava, cena, mód dodání, atd.), zvítězil multirotorový bezpilotní systém. Přesněji hexakopter Tarot FY690 (obr. 21). Multirotorový systém byl vybrán především pro svou poměrně jednoduchou ovladatelnost. Umožňuje kolmý start i přistání, může zůstat „viset“ ve vzduchu na jednom místě. Pokud se létá na jiný než manuální režim, tak po „odložení“ RC soupravy zůstává také na jednom místě. Dále má pravděpodobně nejuniverzálnější možnosti použití ze všech typů UAV. Podle druhu multikopterových systémů byl ještě na výběr trikopter (není hojně rozšířen), kvadrokopter, hexakopter a oktokopter. Šestivrtulové UAV bylo vybráno proto, že při poruše motoru je lépe ovladatelné než čtyřvrtulové UAV a je levnější než osmivrtulové UAV. Dále disponuje bezpečnostními a podpůrnými systémy (viz dále).
Obr. 21 Hexakopter Tarot FY690 (zdroj: autor).
49
9. 2 Základní komponenty UAS Základem každého UAS systému je samotné UAV a především jeho rám, který nese všechny ostatní komponenty na palubě. Jak již bylo zmíněno, jedná se o rám Tarot FY690 (690 mm rozteč mezi dvěma motory). Ten je vyroben z lehkého a odolného 3K karbonu. Má 6 ramen, které je možno skládat (obr. 22), výhradně z důvodu úspory místa při transportu. Rameno se v poloze „připraven k letu“ nebo „transport“ pevně zacvakne do úchytu, takže nehrozí, že by se při letu rameno samovolně uvolnilo. K rámu patří také podvozek, který se skládá ze dvou částí. Uprostřed jsou základové desky, na kterých jsou namontovány komponenty. Některé obrázky komponentů budou přebírány, protože UAV bylo dodáno již smontované v tzv. módu RTF. Tudíž některé komponenty na smontovaném UAV nejsou vidět.
Obr. 22 Složená ramena i podvozek (převzato od: Robotshop [on-line]).
Na konci každého ramene je umístěn jeden střídavý elektromotor série V-3508 od firmy Sunny Sky. Disponuje 380 ot/min/V. Podle Himodel [on-line] se maximální počet otáček s vrtulí 12 x 3,8 pohybuje okolo 5545-6475 při 100% přidání plynu. Počet otáček je závislý na napětí. Tyto motory jsou určeny právě pro osazení multirotorových bezpilotních prostředků. Motor s vrtulí je vyobrazen na obr. 23. Nyní jsou na stroji umělohmotné vrtule, které by se měly v nejbližší době vyměnit za karbonové, které netrpí tak velkými vibracemi a jsou tedy lepší pro stabilitu stroje. Počet otáček je ovládán regulátory.
50
Obr. 23 Detail motoru s vrtulí uchycenou na konci ramena (zdroj: autor).
Řídicí jednotkou celého systému, přes kterou prochází v podstatě všechny informace, je Naza M V2 od firmy DJI. Jedná se o vylepšenou verzi předchozí jednotky Naza M. Jednotka se skládá ze čtyř hlavních komponentů. MC je hlavní řídicí jednotkou, přebírá a vyhodnocuje informace z ostatních komponentů. Ovládá regulátory motorů a monitoruje polohu UAV. Součástí MC jsou barometrický výškoměr, IMU s tříosým gyroskopem a akcelerometry. PMU modul má na starosti hospodaření s energií. GPS/Compass modul je velmi nápadný, jedná se o anténu vyčnívající z konstrukce. V „klobouku“ se nachází GPS modul a kompas (magnetometr). Poslední součástí je LED dioda, která svým blikáním (červené, oranžové a zelené barvy) dává informace o stavu UAV a jeho komponentů. Dioda je umístěna na zádi UAV tak, aby byla viditelná pro obsluhu. Pod diodou se nachází micro USB, vstup pro připojení k PC (Naza - M V2 [on-line]). Obr. 24 zobrazuje komponenty Naza M V2.
51
Obr. 24 Komponenty řídicí jednotky. Vlevo nahoře se nachází main controller, vpravo anténa GPS/Compass. Vlevo dole je LED dioda s micro USB vstupem, vpravo pak power management unit. Viditelné části na stroji jsou GPS/Compass a LED dioda (upraveno podle: DJI_1 [on-line]).
Řídicí jednotka Naza M V2 nabízí 3 typy letového režimu (manuální režim, atti. režim, GPS atti. režim).
Manuální režim - jednotka nepomáhá stabilizovat UAV, pilot ovládá stroj zcela manuálně. Tento režim by měli využívat pouze zkušení piloti, a pokud se se strojem neprovádí akrobacie, tak v podstatě není důvod tento mód používat.
Atti. režim - tento režim slouží ke stabilizaci modelu ve vzduchu. Tzn., pokud pilot pustí páčky na RC soupravě, tak UAV zůstane „viset“ ve vzduchu.
GPS atti. režim - režim funguje podobně jako výše zmíněný atti., s tím rozdílem, že tento režim stabilizuje i zeměpisnou polohu stroje. Pokud je stroj v náklonu (letí určitým směrem), tak po puštění páček RC soupravy uletí ještě několik metrů vlivem setrvačnosti. V atti režimu se zastaví tam, kam doletí vlivem setrvačnosti. V GPS atti režimu se vrátí na místo, na kterém byly páčky puštěny. Dokáže UAV udržet na jednom místě i při větru. Dále Naza umožňuje využít systémy při ztrátě signálu fail safe nebo podpůrné systémy,
které zjednodušují ovládání home lock a course lock. Pro tyto termíny se nepoužívají české ekvivalenty. Vysvětlení funkcí se nachází níže.
Fail safe - jedná se o systém, který se automaticky spouští při ztrátě signálu, ať už nechtěném (velká vzdálenost od RC soupravy, zastínění atd.) nebo chtěném (vypnutím RC soupravy). Chování tohoto systému je závislé na letovém režimu (viz výše). V manuálním režimu nefunguje a v atti a GPS atti. režimu funguje podobně, pouze se mění časy prodlev a způsob přebírání řízení zpět do rukou pilota. Obecně po ztrátě signálu
52
zůstane UAV pár vteřin „viset“ na jednom místě, a jestliže není alespoň ve výšce 20 metrů, pak do této výšky vystoupá. Začne se vracet na tzv. home point, místo startu (musí být předem určené, neboli UAV
musí
mít
před startem dostatek času na to,
aby si „zapamatoval“ a zapsal toto místo do paměti), zde zůstane „viset“ po dobu 15 vteřin a přistane. Také při úplném vybití akumulátorů UAV nespadne na zem, ale bezpečně přistane. Nevýhodou ovšem je, že přistane na tom místě, kde se zrovna nachází, nevrací se na home point. Nevýhoda fail safe systému spočívá také v tom, že stroj se vrací nejkratší cestou, tedy po přímce. Pokud se mezi home point a aktuální polohou UAV nachází překážka, která dosahuje dané výšky letu, stroj do ní narazí.
Home lock - je funkce, která kolem home point vytvoří imaginární soustředné kružnice a při pohybu doleva a doprava se UAV pohybuje po této kružnici (ve stejné vzdálenosti od home point). Při pohybu dopředu a dozadu se vzdaluje, resp. přibližuje středu soustředných kružnic (home point). Je jedno jakým směrem směřuje příď UAV.
Course lock - funguje na podobném principu jako home lock s tím rozdílem, že v tomto módu se UAV nepohybuje po kružnici, ale jako při normálním letu. Nezáleží, jak je stroj narotovaný (kterým směrem směřuje příď UAV). Například pokud bude stroj natočený přídí k pilotovi, tak při vypnutém systému course lock bude naklonění páčky doleva na RC soupravě znamenat, že stroj poletí doprava. Při zapnutém systému poletí doleva. Funkčnost home lock a course lock je naznačena na obr. 25.
Obr. 25 Grafické zobrazení módu course lock (nahoře) a home lock (dole) (upraveno podle: DJI_2 [on-line]).
53
Udávaná přesnost GPS modulu je ± 0,8 metru vertikálně a ± 2,5 metru horizontálně. Maximální rychlost otáčení podél vertikální osy (yaw angle) je 200°/s. Maximální náklon (tilt angle) je 35°. Maximální rychlost stoupání je 6m/s a klesání je 4,5 m/s. Provozní teplota je v rozmezí od -10 °C do 50 °C (DJI_3 [on-line]). Řídicí jednotku lze programovat. Například je možné si zvolit, při jakém napětí akumulátorů začne UAV klesat na nouzové přistání atd. Měnit nastavení by měla pouze zkušená osoba, která danému systému rozumí. Například při nastavení velmi nízkého napětí pro zahájení nouzového přistání se může stát, že se UAV zřítí, protože akumulátor již nebude schopen dodávat energii motorům. Dalším důležitým komponentem je telemetrie. Zjednodušeně řečeno toto zařízení přejímá telemetrické údaje z řídicí jednotky Naza přes S-Bus (sběrnice dat, která je součástí Naza), posílá tato data do FPV (viz dále) a společně s videosignálem jsou „posílána“ do pozemní stanice. UAV disponuje telemetrií od firmy DJI - WKM iOSD Mini (obr. 26).
Obr. 26 Telemetrie WKM iOSD Mini (upraveno podle: UAV - outlet [on-line]).
Tato jednotka přenáší informace o letovém režimu (1), azimutu (2), výšce modelu vůči home point (3), horizontální vzdálenosti od home point (4), napájecím napětí (5) - pokud je nízké, tak ikonka baterie začne blikat, náklonu v ose klopení (6) - pitch, náklonu v ose klonění (7) - roll, vodorovné rychlosti modelu (8), počtu zachycených navigačních satelitů (9), úhlu, který svírá příď UAV s home point (10) - pomocné šipky ukazují, na kterou stranu vůči místu vzletu směřuje příď, pokud je uprostřed znak kosočtverce, znamená to, že příď směřuje k home point, rychlosti klesání, resp. stoupání (11). Uprostřed se nachází indikátor sklonu UAV. Dále telemetrie informuje o případné poruše kompasu, nebo pokud se aktivuje fail safe systém. Na obr. 27 je znázorněno rozmístění výše zmíněných informací na pozemním monitoru.
54
Obr. 27 Telemetrické údaje zobrazené na pozemní obrazovce. Vysvětlení jednotlivých ikon se nachází v textu výše (zdroj: autor).
Telemetrie je úzce spojena s dalším komponentem, a sice s FPV. To zajišťuje přenos videosignálu (včetně telemetrických dat) ze snímacího zařízení na UAV do pozemní stanice (monitoru), který je vyobrazen na obr. 27. Na tomto obrázku není vidět žádný videosignál a to z důvodu technologie fotoaparátu. Při zápisu obrazových dat fotoaparát nesnímá a proto ani pilot nedostává obrazové informace. Snímek monitoru byl pořízen právě bez obrazových dat, aby byly dobře čitelné jednotlivé informace poskytované telemetrií. FPV umožňuje obsluze UAV jednodušší navigaci a především lze přesně pozorovat, co je snímáno. Použité FPV na UAV je výrobkem firmy Telink s označením FPV 5.8G (TX600) AV (obr. 28). Disponuje hodnotami elektrického proudu 600 mA a přenosovou frekvencí 5.8 GHz. Vysílač (na UAV) i přijímač (monitor) je osazen cirkulárními anténami, které by měly zvyšovat dosah FPV signálu.
Obr. 28 Vysílač FPV signálu s „třílistou“ cirkulární anténou (zdroj: autor).
55
Dalšími komponenty jsou závěs (gimbal) a fotoaparát. Funkce fotoaparátu je zřejmá a gimbal slouží jak k uchycení fotoaparátu, tak k jeho stabilizaci. Tzn., že pokud bude pohybováno UAV, tak gimbal zajistí, aby fotoaparát „mířil“ stále jedním směrem. UAV je osazeno tříosým gimbalem firmy DJI Zenmuse H3 - 3D standard version. Dokáže tedy fotoaparát stabilizovat a natáčet ve třech osách. Tento závěs je přesně vyroben pro fotoaparát GoPro HD HERO 3 + Black Edition, který je rovněž součástí UAV (informace o nastavení se nachází dále). Závěs i s fotoaparátem je na obr. 29.
Obr. 29 Závěs s fotoaparátem (zdroj: autor).
Poslední hlavní komponentou na palubě UAV je akumulátor. V tomto případě se jedná o šestičlánkové lithium polymerové akumulátory Gens ace Tattu s kapacitou 8000 mAh a napětím 22.2 V (obr. 30). Tyto akumulátory jsou schopné udržet UAV ve vzduchu okolo 15 minut i déle, záleží na okolních podmínkách a váze UAV. Akumulátor je uchycený ve spodní části stroje.
Obr. 30 Akumulátor Gens ace Tattu. Disponuje dvěma silovými konektory a jedním servisním konektorem (zdroj: autor).
Všechny výše zmíněné komponenty se nachází na palubě UAV. Nyní budou uvedeny základní komponenty, které se nachází mimo palubu. Nejdůležitější pozemní součástí je bezesporu
56
RC souprava. Pomocí této soupravy se ovládá směr letu UAV, poloha gimbalu, přepínání letových režimů, zapínání funkcí course a home lock atd. Pokud by na UAV byl jiný typ fotoaparátu, tak je možné pomocí RC ovládat závěrku fotoaparátu nebo zoom. Na LCD display se zobrazují údaje o napětí akumulátoru, době letu atd. Používaná RC souprava je od firmy Graupner typ MX-20 2,4 GHz Hott RC. Jedná se o dvanáctikanálovou soupravu, která pracuje na frekvenci 2,4 GHz. Tento údaj je velmi důležitý, protože FPV nikdy nesmí pracovat na stejné přenosové frekvenci jako RC souprava, jinak hrozí zřícení UAV z důvodu rušení signálu. RC souprava je nastavená v módu ovládání 1 - plyn se ovládá pravou páčkou (viz obr. 31). Přijímač RC soupravy je umístěn na palubě UAV (viditelný na obr. 21 v zadní části stroje, se dvěma nápadnými, na sebe kolmými černými anténami pro příjem signálu s RC soupravy), je propojen s řídicí jednotkou Naza a s jednotkou gimbalu. Páčky na ovládání směru letu jsou křížové a po puštění se vrací vždy do středové polohy (lze upravit tak, aby se nevracely do středu, ale zůstaly v dané poloze, což ale spíše komplikuje let).
Obr. 31 RC souprava Graupner mx-20 Hott s vyznačenými funkcemi vybraných ovladačů. Na horní straně RC soupravy lze pozorovat uhlíkový rám, na kterém je uchycen monitor z obr. 27 (zdroj: autor).
Dalším základním „pozemním“ komponentem je monitor, který je na obr. 27 a je uchycen k RC soupravě. Má v sobě integrovaný přijímač FPV dat včetně telemetrie a pro příjem slouží „čtyřlistá“ cirkulární anténa. Monitor je napájen tříčlánkovým akumulátorem Foxy s kapacitou 57
5000 mAh a napětím 11.1 V. K monitoru je připojen kabelem, aby bylo pilotovi umožněno si akumulátor uložit například do kapsy. Posledním důležitým zařízením je stabilizovaný spínaný síťový zdroj a nabíječka. Síťový zdroj je eFuel s maximálním výkonem 540 W s nastavitelným napětím 12-18 V a proudem 0-30 A. Na síťový zdroj je napojena nabíječka Raytronic, jejíž maximální výkon činí 500 W. Je dvoukanálová, takže je možno nabíjet dva akumulátory najednou a každý v jiném režimu. Umožňuje nastavení mnoha parametrů (módů) nabíjení. Užitečný je také digitální tester akumulátorů Raytronic M8, který okamžitě zjistí, zda jsou akumulátory dostatečně nabité, aby mohly být použity pro let.
9. 3 Průběh procesů od výběru oblasti po finální výsledek 9. 3. 1 Výběr lokality Tato práce je zaměřena na UAV a jeho využití v krizovém managementu. V předchozích kapitolách jsou informace o bezpilotních leteckých systémech, krizovém managementu a spojení těchto dvou oblastí. Praktický projekt měl také mapovat určitou situaci spojenou s krizovým managementem. Kvůli časové flexibilitě a komplexnosti byly jako riziko vybrány sesuvy. Jsou to rizika, která v porovnání s povodněmi většinou „nezmizí“ za pár dní. První vybranou lokalitou měl být sesuv na nedostavěnou dálnici D8 u Litochovic nad Labem v Ústeckém kraji. Od tohoto plánu muselo být upuštěno. Především z důvodu omezeného přístupu (vzdálenost od Brna), a zmapování sesuvu soukromou firmou v květnu 2014. V Dolních Věstonicích se v září 2014 utrhl svah a vznikl poměrně velký sesuv. Bohužel ohrožoval místní komunikaci, takže místo bylo oplocené, hlídané a byl sem přísný zákaz vstupu. Ani při osobním kontaktu s lidmi na místě se nebylo možné domluvit na vstupu z důvodu bezpečnosti. Nakonec byl vybrán malý sesuv u obce Nebovidy, která se nachází cca 7 km JJV od centra Brna. Sesuv se nachází na poli a má rozlohu cca 1 500 m2. Na první pohled nelze tento sesuv rozeznat, ale oproti okolí není zemědělsky využíván a ČGS eviduje tuto oblast jako aktivní. Autor provedl dvě prohlídky místa v listopadu a prosinci 2014. V prosinci 2014 byl uskutečněn na místě první let, ale z technických důvodů byl let opakován 12. 1. 2015 okolo 15:30. Tento den bylo skoro zataženo, vanul severozápadní vítr (cca 5 m/s) a teplota se pohybovala okolo 5°C. Následně byly provedeny další dva lety (druhý a třetí) u Brněnské přehrady. Snímkovaly se abrazní sruby a břehy. Tyto oblasti byly vybrány z důvodu návaznosti na studie zabývající se ohrožením pobřežní linie vodních nádrží abrazí (Kubíček, 1987). Abrazní sruby jsou nebezpečné z toho důvodu, že dochází k jejich řícení a tím pádem rozšiřování vodní plochy, což může ohrožovat okolní zástavbu a infrastrukturu. Autor opět provedl průzkum místa 16. března 2015. Samotné lety poté proběhly 58
19. března v rozmezí od 14:00 - 16:30. V tento den bylo jasné slunečné počasí, vanul mírný severovýchodní vítr (2 m/s), teplota byla okolo 11 °C. Obě lokality byly vybrány z důvodu krátké vzdálenosti od Brna a především proto, že leží mimo obydlenou oblast. V bezprostřední blízkosti se nenachází žádná infrastruktura ani lidé, kteří by mohli být při případném pádu zraněni. Polohy všech tří oblastí, kde probíhaly lety 1 - 3, jsou vyobrazeny na mapě v příloze 1.
9. 3. 2 Úkony před zahájením letu Hlavním kritériem pro to, zda se daný den let uskuteční či nikoliv, jsou povětrnostní podmínky. Pokud jsou tyto podmínky splněny, dále je potřeba zkontrolovat ve webové aplikaci Aisview, zda není uzavřen nebo omezen vzdušný prostor nad zájmovou oblastí. Aplikaci provozuje Řízení letového provozu ČR. Ani na jeden z letových dní se nevztahovala žádná omezení a lety probíhaly také v dostatečné vzdálenosti od letišť Brno-Tuřany i Brno-Medlánky (Aisview [on-line]). V případě prvního letu (Nebovidy) se startovalo z polní cesty cca 150 metrů od snímkované oblasti. Bližší místo startu nebylo možné, neboť pole (které obklopuje sesuv) bylo poměrně hodně rozbahněné. Na sesuv šel pouze autor z důvodu rozmístění GCP. V případě letu dva a tři (Brněnská přehrada) se již startovalo přímo u snímkované oblasti, z pláže, která z důvodu nízkého (zimního) stavu naplnění přehrady, není zaplavena. Ještě je potřeba se přesvědčit, zda se v okolí letu nenachází nějaké špatně viditelné překážky, dráty elektrického vedení atd. Dalším krokem je rozmístění GCP bodů. Podle Miřijovského (2013) je nejhorší variantou, když jsou body v přímce a mají mezi sebou lineární závislost. Naopak za nejlepší považuje rovnoměrné rozmístění tak, aby tři různé body nebyly na stejné přímce. V terénu je poměrně těžké tohoto přesně dosáhnout. Autor tedy postupoval podle této myšlenky a při prvním letu rozmístil 10 GCP, v druhém a třetím potom 18 GCP a 6 vázacích bodů (tie points). Ne všechny body byly použity pro výpočet, většinou z důvodu velké poziční chyby zaměřeného bodu. Při prvním letu byly použity CD a DVD, přesněji jejich lesklejší „zapisovatelná“ strana. V tento zatažený den bylo potřeba, aby se od GCP odráželo co nejvíce světla. Velikost CD a DVD je také dostačující, jelikož se létalo ve velmi malé výšce (cca 5-15 m). Při druhém a třetím letu již bylo využito více druhů GCP, resp. více úprav CD a DVD. Jelikož byl slunečný den, měl autor obavy, aby snímek nebyl přesvětlený z důvodu odrazu slunečních paprsků od lesklé strany disků. Z tohoto důvodu byly některé disky celé oblepeny červenou lepicí páskou a na vázacích bodech byl vytvořen z této pásky červený kříž. Zbylé disky byly otočeny matnou „potiskovatelnou“ stranou nahoru. Všechny GCP i vázací body byly na snímcích poměrně dobře dohledatelné. Při druhém a třetím letu se létalo ve výšce cca 10-20 m. Na obr. 32 jsou zobrazeny jednotlivé typy GCP a vázací bod.
59
Obr. 32 Vlícovací body (zleva: disk oblepený páskou, matná strana, lesklá strana) a vázací bod (zdroj: autor).
Před každým letem by měl být zkontrolován technický stav UAS. Ještě před výjezdem by se mělo zkontrolovat napětí ve všech akumulátorech (včetně akumulátoru ve fotoaparátu, pokud není nabíjen z UAV), jestliže není v terénu k dispozici nabíječka. Dále je důležité zkontrolovat, zda jsou sbaleny a naloženy všechny potřebné komponenty, které se budou při snímkování používat. Na místě je pak potřeba vybrat vhodné místo pro start a zkontrolovat technický stav UAV. Klíčová je kontrola pevného uchycení všech komponentů na UAV a v případě skládacího rámu je nutné se přesvědčit, zda jsou všechna ramena pevně „zacvaknutá“ v poloze pro let. Pokud by bylo nějaké rameno uvolněno, došlo by za letu ke kontaktu vrtulí a jejich následnému zničení a pravděpodobně pádu stroje. Pokud je vše v pořádku, může se zapnout RC souprava. Ta by měla být vždy zapnuta dříve než UAV a vypínána později než UAV. V tuto chvíli by se měl zapnout fotoaparát, rovněž před spuštěním UAV, aby nedošlo k narušení stability gimbalu. Následuje zapnutí UAV, které se provádí spojením dvou silových konektorů akumulátoru a UAV. Pokud telemetrie přeposílá nepravdivé údaje, například že UAV se nachází několik metrů nad home point a přitom ještě nevzlétlo, je potřeba kalibrovat kompas. Podle příručky Naza M V2 [on-line] se kalibrace provádí následujícím způsobem. Nejprve je nutno rychle přepínat páčku na RC soupravě, kterou se mění letové režimy (viz obr. 31). Po chvíli začne LED dioda řídicí jednotky svítit oranžovou barvou. To je signál, že kompas je připraven ke kalibraci. Nyní je potřeba UAV chytit v horizontální poloze a pomalu se otočit o 360°. Na konci otočky by se oranžové světlo mělo změnit na stále svítící zelené světlo. Nyní je potřeba UAV sklonit o 90° ve vertikálním směru (příď míří k zemi) a opět udělat kolečko 360°. Pokud LED dioda zhasla, vše je v pořádku. V případě blikání červené barvy je potřeba kalibraci zopakovat. Po kalibraci se silové konektory rozpojí a po pár vteřinách se mohou opět spojit. LED dioda bude střídavě blikat ve všech třech barvách a nakonec čtyřikrát blikne zeleně. V tuto chvíli UAV dokončilo tzv. self-test. Následují čtyři bliknutí oranžové barvy (zahřívání systému). Pro správné fungování všech letových režimů, fail safe systému, home a course lock módu, je potřeba zapsat home point a směr, kterým směřuje příď. Obě pozice lze zapsat automaticky nebo manuálně. Lepší je nechat zapsat tyto údaje automaticky před startem. Course lock (směřování přídě) se nastaví 30 sekund po zapnutí systému do letového režimu GPS atti (čtyři bliknutí zelené 60
barvy). Home lock (home point) se nastaví, pokud před zapnutím motorů UAV přijímá signál z alespoň 6 navigačních satelitů, alespoň po dobu 10 sekund. Následuje zablikání LED diody čtyřikrát zelenou barvou (znamená to, že pozice byla uložena). Nyní se již může odstartovat.
9. 3. 3 Průběh letu a ukončení letu Motory se spustí křižným pohybem směrových ovládacích páček RC soupravy dolů a do stran. Nyní je možné se vznést a provést vlastní let. Během letu stále bliká LED dioda řídicího systému a dává informace o stavu UAV. Existuje několik kombinací intervalů blikání a změny barvy. Všechny jsou popsány v příručce řídicí jednotky, včetně jejich významu. Jeden z nejdůležitějších signálů je rychlé červené blikání, které znázorňuje kritický stav napětí v akumulátoru. Další důležité signály a jejich významy lze dohledat v příloze 2. Let (obr. 33) byl proveden v režimu GPS atti. Navádění stroje probíhalo manuálně. Fotoaparát nelze ovládat pomocí RC soupravy, takže byl přednastaven tak, aby pořizoval snímek každé 2 vteřiny. Fotoaparát umožňuje mnohem vyšší frekvenci snímkování, ale z důvodu zachování podstaty funkčnosti FPV přenosu je maximální možná frekvence právě 2 vteřiny. Jinak pilot vidí pouze „černou obrazovku“. Ve všech třech případech byla oblast snímkována z různých výšek v rozmezí 5-20 m. Let i samotný postprocessing by velmi usnadnila přítomnost datalink modulu s waypoint licencí, která umožňuje automatický let UAV (viz diskuze). Po nasnímkování oblasti je potřeba opatrně přistát, ideálně na rovném podkladu. Vypínání motorů lze provést dvěma způsoby. V prvním případě při dosednutí stačí „ubrat“ plyn o více jak 10% a motory se po cca 3 sekundách přestanou točit (řídicí jednotka vyhodnotí, že UAV je na zemi a motory zastaví). Nebo je možné použít opět křižného pohybu a motory se vypnou okamžitě. Řídicí jednotka v takovém případě vypne motory, i když je UAV ve vzduchu, takže na toto si musí dávat pilot pozor. Po dosednutí a vypnutí motorů je potřeba ještě vypnout fotoaparát GoPro.
Obr. 33 UAV za letu (zdroj: autor).
61
Po skončení letu je zapotřebí zaměřit nasnímané GCP. Zaměřování probíhalo pomocí GNSS přijímače Trimble GeoExplorer 6000 Series: Geo XH 3,5G. Průměrně bylo na všech bodech zaznamenáno 90 zápisů polohy (1 sekunda = 1 zápis polohy). Podle Trimble [on-line] je přesnost po postprocessingu dat okolo 10 cm. Jedná se o dvoufrekvenční zařízení podporující GPS a GLONASS družice. Poloha většiny bodů byla upravena podle korekce Postprocessed Carrier Float a zbývající podle korekce Postprocessed Code. Obecně nejmenší poziční chybu vykazovaly GCP u letu 1 (Nebovidy) a největší u letu 2 (Brněnská přehrada). Tento fakt nepřímo koreluje s tzv. Sky View Factor (SVF). V Nebovidech se okolo měřeného místa nenacházela žádná vegetace. Naopak na Brněnské přehradě bylo okolo snímaného místa vegetace poměrně hodně. Všechny GCP, které měly poziční chybu vyšší jak 0,85 metru, byly odstraněny (5 bodů). Rovněž tak další body, které vykazovaly abnormální hodnoty (1 bod).
9. 3. 4 Zpracování dat Snímky byly pořízeny fotoaparátem GoPro HD HERO 3 + Black Edition. Nastavení fotoaparátu je uvedeno v tabulce 7. Tab. 7 Základní informace o nastavení fotoaparátu, které bylo použito při snímkování letu 2 a 3. U letu 1 byl rozdílný čas expozice a ISO z důvodu slabších světelných podmínek (hodnoty uvedeny v závorce).
Fotoaparát Ohnisková vzdálenost Expozice Expoziční program ISO Velikost snímku Field of View Frekvence snímání Blesk Digitální zoom Formát
GoPro HD HERO 3 + Black Edition 2,77 mm 1/500-900 sekundy (1/60 sekundy) AE 100 (220) 4 000 x 3 000 pix-12 Mpix 104° 2 sekundy vypnuto 1 JPEG
Před každým snímkováním by měla být provedena kalibrace neměřické komory, aby se zjistily prvky vnitřní orientace a mohly vstoupit do výpočtu. Kalibrace je poměrně složitý proces. Je potřeba disponovat potřebným hardware i software. K hardware patří například stativ, kalibrační pole, 3D kalibrační pole atd. Dále je zapotřebí mít software, který dokáže zpracovat a vyhodnotit kalibraci. Navíc proces u fotoaparátu GoPro je ztížen tím, že objektiv je širokoúhlý (s tzv. fish eye rybí oko). Tzn., že jsou potřeba větší kalibrační pole, aby do snímku nezasahovalo okolní prostředí. Jelikož nebyl k dispozici potřebný hardware ani software, bylo přikročeno k jinému řešení této situace.
62
Kalibrace probíhala až po snímkování. Přesněji řečeno neprobíhala kalibrace komory, ale snímků. Tento proces byl proveden v programu Adobe Photoshop Lightroom 5. 7. Program disponuje funkcí Lens Correction. Pod touto záložkou se skrývá poměrně hodně funkcí, které umožňují opravit chyby objektivu. Pro tento účel je nejdůležitější záložka Profile. Zde se korigují optické vady snímků. Vše lze nastavit ručně nebo automaticky. V tomto případě byla nastavena automatická cesta, kdy program rozpozná, z jakého zařízení snímky pochází. Program rozeznal fotoaparát GoPro HD HERO 3 + Black Edition (podle metadat z EXIF) a nabídl tuto korekci. Pokud by daný fotoaparát v nabídce nebyl, je zde možnost nahrát si vlastní profil, který spočívá právě v provedení kalibrace a vložení daných výsledků do programu. Z toho autor usuzuje, že vstupem pro korekci distorze snímku z GoPro jsou právě výsledky kalibrace této komory. Dále se tedy považuje, že tento proces nahrazuje kalibraci komory resp. výsledky, které by vstupovaly do výpočtu. Navíc se snímky, s tzv. fish eye, by bylo velmi obtížné pracovat v dalších programech, jelikož jejich zkreslení je podstatné a není jednoduché se v nich zorientovat. Následný zpracovatelský program (viz dále) dokáže odhadnout polohu hlavního bodu a také radiální distorzi. Pokud má program k dispozici pouze jeden snímek, polohu hlavního bodu umístí přesně do středu snímku. Pokud se více snímků spojí do jednoho, program je schopen přesněji určit polohu hlavního bodu a také je schopen odhadnout velikost radiální distorze. Následovalo oříznutí snímků. V případě prvního letu byly snímky ořezávány manuálně v programu Gimp 2. 8. 6. V případě druhého a třetího letu byly snímky automaticky ořezávány v programu FastStone Photo Resizer 3. 3. Pavelka 2003 in Miřijovský (2013) uvádí, že pokud není přesně známa radiální distorze, tak by mělo být použito pouze 60% snímku od jeho pomyslného středu.
Tedy
snímky,
které
vstupovaly
do
následného
zpracování,
měly
rozměry
2400 x 1800 pixelů (v případě prvního letu 2500 x 1875), rozlišení 240 dpi a bitovou hloubku 24 bitů. Autor se nejprve pokoušel snímky zpracovat klasickou stereofotogrammetrickou metodou. Podle Böhm (2002) je pro stereofotogrammetrické zpracování snímku velmi důležité, aby osy záběru byly rovnoběžné. Jelikož byl let proveden manuálně, osy záběru nejsou rovnoběžné, a proto nebylo možno touto metodou dosáhnout rozumného výsledku. Proto byla pro zpracování vybrána metoda Structure from Motion (SfM). Miřijovský (2013) uvádí, že metoda SfM kombinuje výhody metod průsekové fotogrammetrie a stereofotogrammetrických metod. Tudíž do procesu mohou vstupovat snímky s konvergentními osami záběru i s rovnoběžnými osami záběru. Což bylo pro účely této práce kritické, jelikož v manuálním režimu ovládání letu nelze zajistit rovnoběžnost a kolmost všech snímků. Zpracování snímků je jednodušší a rychlejší oproti první zmiňované metodě. Rychlost zpracování je jedním z nejdůležitějších požadavků v krizovém managementu.
63
Pro zpracování byl použit software od firmy Agisoft, přesněji program PhotoScan Professional 1. 1. 4. Tento program je jednodušší na ovládání než vyzkoušené profesionální fotogrammetrické programy a je také intuitivnější. Postup práce, nebo některé údaje, které nelze odvodit z názvu nástrojů lze najít v Help (Agisoft [on-line]), který je srozumitelný a poměrně kvalitně zpracovaný. Nejdůležitější záložkou programu (kde se nachází důležité operace vedoucí k vytvoření modelu) je Workflow. Nejprve je nutné do programu nahrát všechny snímky, které budou vstupovat do procesu. Poté je potřeba označit tzv. markery - všechny body GCP, pro které jsou známé jejich souřadnice a jsou jasně viditelné na snímku. Lze označit jen pár GCP a zbytek nechat program dopočítat automaticky. Pozici většiny markerů je po této automatické funkci potřeba upravit. Následně se může spustit první funkce Align Photos. Tato funkce nalezne pozici a orientaci každého snímku, spojí všechny snímky dohromady a vytvoří tzv. sparse point cloud model (řídké mračno bodů). V této záložce lze nastavovat parametry Accuracy (přesnost), Pair preselection (párové třídění), Key point limit (maximální počet klíčových bodů) a Tie point limit (maximální počet vázacích bodů).
Accuracy - přesnost s jakou se má vypočítat pozice kamery. Možnosti od Low po High.
Pair preselection - zrychluje spojování jednotlivých snímků. Možnost Generic (na základě překryvů snímků) nebo Ground Control (na základě známé pozice kamer).
Key a Tie point limit - určuje počet bodů, resp. vázacích bodů v mračnu. Další funkcí je Build Dense Cloud. Tato funkce vytvoří husté mračno bodů (včetně
rekonstrukce hloubky), které dále vstupuje do procesu. Opět lze nastavovat parametry a sice Quality (kvalita) a Depth Filtering (filtrování hloubky mračna bodů).
Quality - určuje, jak kvalitně (přesně) bude zpracována geometrie snímků. Možnosti jsou od Lowest po Ultra High. Přičemž možnosti od Lowest po High vychází z bodového mračna vytvořeného v předchozím kroku a jejich výpočet zabere minuty až desítky minut. Při nastavení parametru Ultra High se vychází z originálních snímků a proces zabere hodiny až desítky hodin.
Depth Filtering - způsob, jakým se filtruje hloubka mračna bodů. Možnosti jsou Disabled nedoporučuje se používat, protože výsledné mračno bodů může obsahovat vysoký podíl šumu. Dále Mild, tato možnost by se měla používat, pokud se na daném místě objevují nepatrné, ale důležité detaily, které je nutné postihnout. Naopak Agressive se používá tehdy, kdy není potřeba postihnout malé detaily. Možnost Moderate je „střední cesta“ mezi Agressive a Mild.
64
Dalším krokem je vytvoření polygonové „sítě“ povrchu pomocí funkce Build Mesh. V této funkci lze nastavit tři hlavní parametry - Surface type (typ povrchu), Source data (zdrojová data), a Face count (počet stěn).
Surface type - zpracování povrchu, nabízí dvě možnosti. Možnost Arbitrary se zadává pro 3D objekty jako sochy a domy. Možnost Height field se zadává především pro rovinné objekty a je doporučena pro zpracování leteckých snímků.
Source data - nabízí dvě možnosti, podle toho z jakého mračna bodů se bude „síť vypočítávat. Na výběr je Sparse nebo Dense cloud.
Face count - nabízí čtyři možnosti: High, Medium, Low a Custom. Přičemž se jedná o počet vytvořených polygonů, které bude síť obsahovat. Počet je vypočítán jako určitý poměr vstupního mračna bodů. Posledním krokem je vytvoření textury, které se provádí pomocí funkce Build Texture.
U této funkce lze nastavit celkem tři parametry: Mapping mode (maskování scény), Blending mode (výběr maskovacího pixelu), Texture size (velikost textury).
Mapping mode - nabízí celkem 5 možností, které určují, jakým způsobem bude daná scéna maskována. Možnost Generic vytváří uniformní texturu a nepracuje s žádnými předpoklady ohledně typu objektů. Adaptive ortophoto rozdělí objekt na horizontální a vertikální části, přičemž horizontální část je maskována pomocí ortografické projekce, kdežto vertikální jsou maskovány odděleně. Ortophoto maskuje všechny části pomocí ortografické projekce. Spherical je ideální pro kulové objekty. Single photo maskuje celý objekt pomocí jednoho snímku. Keep uv může být použit například pro maskování objektů, které mají rozdílné rozlišení.
Blending mode - nabízí 4 možnosti. Možnost Mosaic používá pro maskování pouze jeden pixel ze snímku, jehož střed je nejblíže danému pixelu. Average používá průměr všech pixelů na daném místě. Max a min intensity používá pixel s největší resp. nejmenší intenzitou v daném místě.
Texture size - určuje velikost (rozměr) výsledné textury. Může být rozdělen do více souborů. Následně lze takto vytvořený objekt exportovat jako 3D model v několika formátech, dále
jako mračno bodů, DEM nebo ortofoto. Během zpracování lze manuálně mazat body, popřípadě části vytvořené „sítě“, které následně nebudou vstupovat do dalšího procesu. Během zpracovávání tří oblastí bylo vyzkoušeno několik různých typů nastavení. Překvapením bylo například nastavení parametru Surface type u funkce Build Mesh, které podle popisu v Help mělo být pro povahu dané oblasti (především u letu 2 a 3 na Brněnské přehradě) Arbitrary a ne Height field. Při zadání Arbitrary z modelu „vyčnívaly“ objekty (obr. 34), které byly ve skutečnosti součástí roviny, tudíž 65
by vyčnívat neměly. Parametr filtrování hloubky mračna bodů u funkce Build Dens Cloud by také měl být podle doporučení (pro typ dané oblasti) nastaven na možnost Agressive, ale jako nejlepší se osvědčila možnost Moderate. I přes nastavení „nejlepších“ empiricky odzkoušených parametrů bylo nutné do procesu ručně zasahovat a odstraňovat odlehlé body, které do výsledného modelu nepatřily. Jelikož se snímkovalo z velmi malých výšek, tak byl poměrně velký problém s vegetací. A proto bylo potřeba bodové mračno ručně upravovat (mazání a poté dopočítávání vzniklých „děr“ pomocí funkce na uzavírání těchto děr). Na druhou stranu je třeba podotknout, že autor předpokládal větší problémy, ale software si s tím dokázal poměrně dobře poradit.
Obr. 34 „Vyčnívající“ objekt (označeno červeně), který ve skutečnosti neexistuje, jedná se o rovinu (zdroj: autor).
Jako souřadnicový systém byl zvolen ETRS89 / UTM zone 33N (EPSG: 25833). S původním souřadnicovým systémem (ve kterém byly zaměřeny GCP) WGS 84 nebylo možné korektně pracovat ve 3D režimu v programu ArcScene 10. 2. 2. Souřadnice musely být transformovány v programu ArcMap 10. 2. 2 a následně exportovány ve formátu .txt a importovány do PhotoScan Professional 1. 1. 4.
66
9. 3. 5 Výsledky Následující kapitola popisuje výsledky práce, kterých bylo dosaženo za použití metod popsaných výše. Jedná se především o textový popis výsledků práce. Grafické výstupy jsou v plném rozsahu na přiloženém DVD. Procesní model, který vedl k vytvoření výstupů této práce je schematicky znázorněn na obr. 35.
Obr. 35 Procesní model, který zobrazuje postup použitý v této práci (zdroj: autor).
Veškeré použité nastavení včetně informací o vstupních a výstupních hodnotách je popsáno v tabulce 8. Řádek s parametrem Počet GCP na snímcích znamená, kolik těchto bodů bylo na výsledných snímcích označeno. Jelikož docházelo k oříznutí snímků, tak ne všechny GCP „zůstaly“ na snímcích. Rozpoznatelné byly všechny, které na oříznutém snímku byly vyobrazeny. Hodnoty vypočtené výšky letu (automaticky) korespondují s reálnou výškou letu 2 a 3. U letu 1 je 67
tato hodnota nadhodnocena. Polohová přesnost výsledků se hodnotí podle RMS chyby (RMSE RMS Error). RMS chyba je vzdálenost mezi polohou bodu ve zdrojových souřadnicích a jeho polohou vypočtenou na výsledném snímku, modelu atd. (Dobrovolný, 1998). Co se týče RMS chyby finálních výstupů, tak největší byla u letu 2 a nejmenší naopak u letu 1. Vyšší chyba u letu 2 je způsobena vyšší vertikální členitostí snímané oblasti. Většinou právě souřadnice Z (vertikální) má největší polohovou chybu. Naopak let 1 má nejmenší průměrnou polohovou chybu a nejmenší vertikální členitost snímané oblasti. Polohové chyby pro jednotlivé body a jejich osy ze všech letů a další informace lze nalézt v souboru report.pdf u jednotlivých letů na přiloženém DVD. Tab. 8 Výsledné nastavení jednotlivých parametrů u všech tří zpracovávaných oblastí včetně vstupních a výstupních informací.
Parametr Počet snímků Počet zaměřených GCP v terénu Počet GCP na snímcích Počet GCP vstupujících do výpočtu Accuracy Pair presellection Key point limit Tie point limit Quality Depth Filtering Surface type Source data Face count Interpolation Mapping mode Blending mode Texture size/count Vypočítaná výška letu [m] Rozlišení [m/pix] RMSE v ose X [m] RMSE v ose Y [m] RMSE v ose Z [m] Celková RMSE [m]
Let 2 - Brněnská Let 3 - Brněnská Let 1 - Nebovidy přehrada přehrada Informace o vstupních hodnotách 59 15 35 10 19 19 9 7 17 7 5 8 Align Photos High High High Generic Generic Generic 400 000 400 000 400 000 10 000 10 000 10 000 Build Dense Cloud High High High Moderate Moderate Moderate Build Mesh Height field Height field Height field Dense cloud Sparse cloud Dense cloud High (2 183 121) High (90 000) High (673 629) Enabled Enabled Enabled Build Texture Adaptive orthophoto Generic Generic Mosaic Mosaic Mosaic 4096/1 4096/1 4096/1 Informace o výstupních hodnotách 17,0465 16,8857 14,3092 0,0085 0,0097 0,0085 0,0161 0,2060 0,0538 0,0130 0,1250 0,1288 0,0676 0,3055 0,0950 0,0707 0,3891 0,1689
68
RMSE je poměrně velká u všech letů. Lze to přisoudit absenci kalibrace komory, která nemohla být provedena z důvodů uvedených výše. Dále na to mohou mít vliv nepravidelné překryvy snímků, kolísání výšky letu i os záběrů, způsobené manuálním ovládáním UAV a především širokoúhlým záběrem objektivu. Před samotným nasnímáním oblasti byly kromě GCP rozloženy také vázací body. Jejich poloha nebyla zaměřena, ale byly naměřeny vzdálenosti mezi těmito body. Měření probíhalo měřickým pásmem na vidlici. Po ortorektifikaci snímků byly tyto vzdálenosti změřeny v GIS. U letu 1 tyto body nebyly rozmístěny. U letu 2 byla zaměřena vzdálenost mezi šesti body, ale viditelné jsou pouze 3 (obr. 36). Úsečka AB měřila ve skutečnosti 592 cm a na ortorektifikované mozaice 595 cm. Úsečka BC měřila 430 cm ve skutečnosti a na ortofoto 421 cm. Úsečka CA ve skutečnosti měřila 821 cm a 812 cm na ortofoto. U letu 3 (obr. 37) byla taktéž zaměřena vzdálenost mezi 6 body, ale vidět jdou pouze 3. Úsečka AB měřila ve skutečnosti 1538 cm a na ortorektifikované mozaice 1521 cm. Úsečka BC měla 1031cm ve skutečnosti a 1018 cm na ortofoto. Úsečka CA měřila 864 cm ve skutečnosti a 852 cm na snímku. Lze tedy konstatovat, že výsledné ortomozaiky jsou velmi mírně smrštěné, přesněji řečeno naměřené vzdálenosti na ortofoto jsou kratší v rozmezí od 0,504% do 2,093% oproti naměřeným hodnotám v terénu. Je potřeba také vzít v potaz chyby, které mohly při měření pásmem vzniknout. Toto měření přesnosti ale sloužilo pouze pro jednoduché porovnání mezi skutečným stavem a ortomozaikou. Jednalo se spíše o experiment. Vázací body byly umístěny přibližně ve středu snímané oblasti.
Obr. 36 Výřez ortofoto z letu 2 s vyobrazenými GCP (oblepené červenou lepicí páskou), vázacími body a naměřenými úsečkami mezi body AB, BC, CA (zdroj: autor).
69
Obr. 37 Výřez ortofoto z letu 3 s vyobrazenými GCP (matné a lesklé), vázacími body a naměřenými úsečkami mezi body AB, BC, CA (zdroj: autor).
Výsledkem ze snímkování všech tří oblastí jsou ortofota, mračna bodů, DEM a 3D modely. Ortofota jsou ve formátu .tiff, mračna bodů jsou ve formátu .xyz, DEM jsou ve formátu .tiff a 3D modely jsou ve formátu .pdf. Všechny výše zmíněné soubory se nachází na přiloženém DVD. Soubory lze využít v jakýchkoliv programech, které jsou kompatibilní s danými formáty. Součástí každého letu je také report, kde jsou uvedeny například hodnoty RMSE v jednotlivých bodech a osách, rozmístění GCP, překryvy a pozice jednotlivých snímků, odhadnutá poloha hlavního bodu, hodnoty radiální distorze atd. Následující výstupy částečně dokumentují výsledky této práce. Jako ukázková data byla vybrána ta, která pochází z 3. letu uskutečněného na Brněnské přehradě. Většinou se jedná o výřezy, které slouží pouze jako ukázka výsledků práce. Všechny výsledky jsou k dispozici na přiloženém DVD, některé i v příloze. Na obr. 38 je výřez z 3D modelu (celý 3D model je také v příloze).
70
Obr. 38 Výřez z 3D modelu vytvořeného ze snímků z letu 3 - Brněnská přehrada (zdroj: autor).
Obr. 39 nabízí pohled na husté mračno bodů. Zobrazené území přibližně odpovídá rozsahu, který je vyobrazen na 3D modelu (obr. 38). Jak je zřejmé z obrázku, tak horizontální plochy jsou lépe pokryté, než vertikální.
Obr. 39 Výřez z mračna bodů (hustého) vytvořeného ze snímků z letu 3 - Brněnská přehrada (zdroj: autor).
Na obr. 40 je zobrazen digitální model terénu, který jako jediný není oříznutý. Výškový rozdíl daného území je téměř 4 metry. Pokud se DEM přiřadí jeho vlastní výška v programu ArcScene 10. 2. 2, tak kolmé stěny a převisy nebudou zobrazeny korektně, protože se jedná o 2,5 D model, který právě není schopen postihnout tyto tvary.
71
Obr. 40 DEM vytvořený ze snímků z letu 3 - Brněnská přehrada (zdroj: autor).
Poslední ukázka na obr. 41 je z výřezu ortofota. Tento obrázek demonstruje velmi vysoké prostorové rozlišení ortofota, kdy lze pozorovat jednotlivé „stopy“ v písku. Celý náhled na ortofoto se nachází také v příloze. V severozápadní části je ortofoto poměrně tmavé, což je způsobeno tím, že Slunce v době snímkování již bylo nízko nad obzorem. A navíc tato část se nachází ve stínu vzrostlého stromu.
Obr. 41 Výřez z ortofoto, které bylo vytvořeno ze snímků z letu 3 - Brněnská přehrada (zdroj: autor).
72
Obr. 42 dokumentuje průběh letu. Území je rozlišeno barevně podle toho, kolika snímky je daná část pokryta. Pochopitelně nejvíce je snímky pokryta středová část oblasti. Naopak kraje jsou pokryty méně a z důvodu absence více snímků zde dochází k chybám v poloze. Lze si toho povšimnout na 3D modelu, DEM a u mračna bodů (let 3 - Brněnská přehrada). Autor úmyslně neodstranil některé okrajové oblasti a především na JZ okraji si lze povšimnout mírného, ale ohraničeného poklesu terénu, který koresponduje s pokrytím oblasti snímky (obr. 42). Okrajové oblasti, které pokrýval jen jeden snímek, byly zdeformovány poměrně hodně, a proto byly odstraněny.
Obr. 42 Tečky zobrazují pozici komory a barva zobrazuje kolika snímky je území letu 3 na Brněnské přehradě pokryto (zdroj: autor). Tyto a další údaje pro každý uskutečněný let se nachází v souboru report.pdf na přiloženém DVD.
73
10 DISKUZE Následující kapitola diskutuje možnosti technologického vylepšení současného vybavení UAS, porovnává výsledky s existujícími studiemi a dále diskutuje možnosti využití především v oblasti krizového řízení. UAS popsané výše, jehož snímky jsou využívány v této práci, je poměrně dobře technicky vybaveno, ale přesto autor navrhuje jistá vylepšení. Především by bylo vhodné pořídit kvalitnější fotoaparát. S GoPro sice lze pořizovat snímky, které se následně dají zpracovat, ale nikdy nemůže být dosaženo takových výsledků, jako u fotoaparátů, které nemají tak široký úhel záběru. Z tohoto důvodu mají i vyšší ohniskovou vzdálenost. GoPro se také mnohem hůře kalibruje a práce se snímky s tzv. „rybím okem“ je také složitější. Při pořízení nového fotoaparátu je potřeba rovněž koupit nový závěs (stávající je pouze pro GoPro). V tomto případě by mohl stačit dvouosý gimbal (závěs). Poměrně nutné je současně zařízení, které umožňuje předem nadefinovat letovou dráhu, po které poté UAV automaticky letí a pořizuje snímky. Jedná se o zařízení datalink s licencí na zadávání tzv. waypoints, které slouží k definování letové dráhy. Později by bylo možné dokoupit další snímače (termokameru, laserový scanner atd.). Podobnému tématu, které řeší tato práce, se v minulosti věnovala řada autorů. Například Miřijovský (2013) mj. zkoumá břehovou nátrž - Štěpánov. V této lokalitě proběhly dva lety. Jeden s padákovým kluzákem PIXY a druhý s multirotorovým systémem Hexakopter XL. Obě UAV nesla fotoaparát Canon EOS 500D s objektivem Canon EF - S (18-55 mm). Padákový kluzák PIXY neměl oproti Hexakopteru XL možnost automatického letu. Přesnost výsledků byla 0,028 m (PIXY) a 0,022 m (Hexakopter XL). Dále Křížová (2014) ve své bakalářské práci využívá snímků z Hexakopteru XL. Zkoumány jsou snímky z okolí Strážnického meandru z let 2012-2014. Přesnost snímků se zde pohybuje od 0,011m do 0,037 m. Tyto výsledky tedy mohou být vstupními daty pro velmi přesné analýzy a monitoring vývoje fluviálních tvarů. Výsledná přesnost je v případě výše uvedených studií lepší než u výsledků této práce a existuje pro to několik vysvětlení. U obou studií bylo využito kvalitního fotoaparátu (zrcadlovky), který navíc prošel kalibrací, což v případě této práce nebylo možno. Lety (kromě padákového kluzáku PIXY) byly provedeny automaticky. Automatický let zajistil správné překryvy a orientace snímků. Výška letů se u projektů výše pohybovala od 50-150 metrů. To může mít také vliv na přesnost snímků. Především proto, že výška nad terénem nekolísá tolik, jako v případě letu 2 - Brněnská přehrada (kde je nejvyšší RMSE). Jelikož se snímkoval poměrně vysoký abrazní srub (cca 5 metrů) z malé výšky (cca 15 metrů), je relativní změna výšky nad terénem velká. Proto má také tento let nejmenší prostorové rozlišení, i když má průměrnou výšku letu cca o 20 cm nižší než let 1. Naopak let 1 - Nebovidy má vypočtenu přesnost 0,0707 metru, což lze považovat za solidní výsledek. Lze to přičíst především malé vertikální členitosti, nulovému zastínění vegetací a nejvyššímu počtu vstupních snímků. Niethammer et al., 74
2010 řešil problém sesuvů s podobným vybavením jako bylo k dispozici při tvorbě této práce. S tím rozdílem, že měl kompaktní fotoaparát (bez tzv. fish eye). Přesněji snímkoval oblast sesuvu v Jižních francouzských Alpách. Celkový objem sesuvu je odhadován na 750 000 m3. Zpracování snímků probíhalo také metodou SfM, ale nepoužíval žádné GCP. Rektifikace probíhala pomocí transformace o sedmi parametrech a třech viditelných známých bodech na snímcích. RMSE byla v tomto případě 0,5 metru. Potenciál využití výsledků je poměrně široký. Lze je mj. rozdělit z hlediska využití buď pro 2D nebo 3D (resp. 2,5D) analýzy. Pro 2D analýzy bude sloužit především ortofoto, na kterém je možno měřit vzdálenosti i plochy, a slouží jako zdroj obrazových informací pořízených z výšky. Protože ortofoto je v souřadnicovém systému, lze jej použít například jako podklad a na něm zobrazovat jiná vektorová data vztahující se k danému tématu. Ortofoto lze ale využít i pro 3D analýzy. Například otevřít jej v ArcScene 10. 2. 2 a přiřadit mu výšku z přiloženého DEM. Dále 3D modely (.pdf) mohou sloužit k vizuální inspekci dat. Pro vlastní tvorbu spojitého povrchu je ideální přiložený soubor s mračnem bodů, které lze jednoduše v jednom kroku převést na soubor .shp a dále jej interpolovat. Poté lze tato data analyzovat. Mračna bodů jsou k dispozici jako tzv. řídká nebo hustá. V „řídkých“ mračnech se objevují poměrně velké mezery, ale soubory jsou malé a lze s nimi jednoduše pracovat i na méně výkonných PC. Naopak „hustá“ mračna pokrývají oblast velmi detailně, ale objem dat je řádově vyšší a pro práci s těmito daty je nutné výkonnější PC. Z pořízených snímků lze tedy vytvořit poměrně velké množství různých souborů, které mohou vstupovat do další analýzy. V krizovém managementu tedy mohou být využita ta data, která jsou podstatná pro danou analýzu. Do povodňového modelu mohou vstupovat 3D data, naopak pro inspekci škod a mapování bude ideální 2D ortofoto atd. Ukázka 3D modelů z letu 2 a 3 a ortofoto jsou mimo jiné v příloze této práce. Bohužel tyto výsledky nebylo možno porovnat s jinými zdroji. Pouze s GCP (z nichž vychází RMSE) a z naměřených vzdáleností mezi vázacími body (viz výše). Jediná data, která jsou dost podrobná na to, aby mohla být porovnána s výsledky této práce, jsou DMR 5 nebo DMP 1. Bohužel pro tyto 3 oblasti laserové skenování 5. generace ještě neproběhlo nebo není zpracováno. UAS je možno využít ve všech fázích krizového managementu. V preventivní fázi je zejména nutno vybrat správný typ UAV, které bude následně využito při ostrém zásahu. Nedílnou součástí je také obsluha systému. Ta by se měla neustále školit a zlepšovat své dovednosti v ovládání UAV a všech ostatních podpůrných zařízení. Navíc by tito lidé měli znát alespoň základní technickou podstatu systému. V pozemní kontrolní stanici je potřeba mít nahrány aktuální mapy oblasti včetně tematických map (zobrazující školy, nemocnice, domovy pro seniory, elektrárny atd.). Pokud se jedná již o fázi přípravy, je nutno zajistit povolení k létání. V ČR by měla 75
být do konce roku 2015 dokončena legislativa (viz kapitola 8. 1), která bude umožňovat nasazení UAS v krizových situacích a bude pravděpodobně také upravovat vydávání povolení k létání. Ve fázi odezvy je nejprve potřeba vybrat oblast průzkumu. Záleží na typu a především rozsahu katastrofy. Při větším rozsahu UAS nebude schopno rychle a efektivně zmapovat celou oblast. Pokud je místo určeno, je možno začít s plánováním letu a pokud bude využíván autopilot, je nutno jej naprogramovat. UAV sbírá data a spolu s nimi také posílá on-line video přenos do pozemní kontrolní stanice a do kontrolního střediska. Zde se také zpracovávají a hodnotí pořízená data. Objekty se většinou detekují z ortofoto, následně jsou vektorizovány a jsou jim přiděleny atributy. Pokud jsou snímky nevyhovující, let se opakuje. Nespornou výhodu je také možnost měnit letovou dráhu v reálném čase. Ve fázi odezvy se postupuje podobně. Zajímavé by také mohlo být využití dat z UAV prostřednictvím VGI pro krizový management, jelikož mnoho lidí vlastní UAS, ať již profesionální nebo amatérské. Těch amatérských bude mnohonásobně více, obecně roste popularita těchto technologií i počet jejich uživatelů. Po odeznění katastrofy, kdy by již lidé nebyli ohroženi, by mohli majitelé těchto zařízení nasnímat oblast, kde se právě vyskytují. Tyto snímky by mohly být dále využity a snímkování celé oblasti by bylo mnohem rychlejší. Otázkou by poté zůstávala kvalita dat, jelikož každý by snímal s jinak kvalitním zařízením. Problémem by také byl fakt, že některé oblasti by byly pokryty hustě, jiné ne. Tento problém by mohla vyřešit webová aplikace, kde by bylo zobrazeno území, které již je pokryto snímky a které pokryto není. Dalším problémem je legislativa ÚCL, která zakazuje lety nad obydleným územím, lidmi atd. Problémy jsou tedy jak technického, tak legislativního charakteru, ale v budoucnosti se tento problém může podařit vyřešit. Data pořízená v této práci by bylo možné z hlediska prostorové přesnosti využít v krizovém managementu. V případě prostorového rozlišení se jedná o nadstandardní kvalitu, což je zapříčiněno velmi nízkou výškou letu, která by za normálních okolností, při průzkumu větší oblasti v rámci krizového managementu, asi nebyla použita.
76
11 ZÁVĚR Cíle práce stanovené v úvodní kapitole se podařilo naplnit. Práce podává jak teoretický, tak praktický pohled na UAS a na zpracování a využití obrazových dat pořízených z tohoto systému. První kapitoly se věnují krátce definici a historii těchto systémů. Pak následuje poměrně obsáhlá kapitola o rozdělení těchto systémů do jednotlivých kategorií, včetně příkladů jejich využití v minulosti a rovněž jejich výhod a nevýhod. Dále je stručně popsána legislativa ÚCL, proces získávání pilotního průkazu a licence pro provádění leteckých prací. Následují kapitoly o využití UAS v krizovém managementu, včetně ukázek. Poslední kapitoly jsou věnovány detailnímu rozboru UAS, se kterým byly provedeny všechny lety, poté je popsán proces zpracování snímků a komentář k výsledkům práce. Samotné výsledky (všechny) jsou poté k dispozici na přiloženém DVD a některé i v příloze této práce. Porovnání přesnosti výsledků této práce s jinými studiemi proběhlo v diskuzi, stejně jako návrhy na zlepšení vybavení a tím pádem i přesnosti výsledných produktů. Původním záměrem bylo získat snímky z oblasti postižené určitým druhem katastrofy. Prvotní představa autora byla taková, že by měly být získány snímky z oblasti postižené povodní. Ale žádná taková událost neproběhla, tudíž musela být pozornost věnována jinému fenoménu. Jak již bylo v práci zmíněno, z několika důvodů bylo přistoupeno ke snímkování sesuvů. Práce se tudíž zaměřila spíše na zpracování dat do podoby jednoduše analyzovatelné v GIS, než na analytické hodnocení oblasti. Autor vidí hlavní přínos práce v tom, že pojednává komplexně o problematice UAS od výběru zařízení po finální výsledky. Některá vylepšení, která byla popsána v diskuzi, již byla zakoupena a nainstalována na UAV. Jedná se o zařízení datalink. Bohužel toto zařízení bylo nainstalováno poměrně krátkou dobu před odevzdáním této práce, a tudíž zkušenosti s tímto zařízením již nebylo možné zapracovat do textu. Navíc je potřeba datalink nejprve odzkoušet na volném prostranství a seznámit se se software a chování UAV během tohoto automatického letu. Dále byla na UAV nainstalována také termokamera s PC, nový gimbal, HiLOG a HiBAT. Poslední dvě zmiňovaná zařízení slouží k automatickému zápisu letového deníku. S výše uvedenými vylepšeními se z UAS stává opět o něco účinnější nástroj pro sběr dat. Datalink zajistí vyšší efektivitu a rychlost sběru dat. Termokamera pak poskytne pohled na situaci z jiné části (infračervené) elektromagnetického spektra, než fotoaparát (viditelné). Autor by se chtěl dalším využitím, především v oblasti krizového managementu, zabývat v doktorském studiu. A to nejen z hlediska technologie UAS, sběru a zpracování dat, ale také z hlediska analýzy, vizualizace a také možné automatizace těchto procesů.
77
SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ A LITERATURY Knihy a časopisy ABER, J. S. (2010): Small Format Aerial Photography: Principles, techniques and geoscience applications. 1 edition. Elsevier Science, Amsterdam, 268 s. ISBN: 978-0-444-53260-2. BÁČOVÁ, R. (2011): Prostorová data v krizovém řízení: Povodně 2011. Masarykova univerzita, Brno, poster. DOBROVOLNÝ, P. (1998): Dálkový průzkum Země: digitální zpracování obrazu. 1. vyd. Masarykova univerzita, Brno, 208 s. ISBN 80-210-1812-7. CHOU, T.-Y., et al. (2010): Disaster Monitoring and Management by the Unmanned Aerial Vehicle Technology. In: ISPRS TC VII Symposium – 100 Years ISPRS Advancing Remote Sensing Science. Institute of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna University of Technology, Vídeň, 137 – 142 s. ISSN 1682-1777. KUBÍČEK, P. (1987): Vývoj břehů Brněnské přehrady a jejich zázemí, Univerzita Jana Evangelisty Purkyně, Brno, 65 s. KŘÍŽOVÁ, A. (2014): UAV snímkování a jeho aplikace ve fyzické geografii, Masarykova univerzita, Brno, 86 s. MIŘIJOVSKÝ, J. (2013): Bezpilotní systémy – sběr dat a využití ve fotogrammetrii. 1. vyd. Vydavatelství UP, Olomouc, 169 s. ISBN 978-80-244-3923-5. MURPHY, R., et al. (2008): Cooperative Use of Unmanned Sea Surface and Micro Aerial Vehicle at Hurricane Wilma. In: Journal of Field Robotics. Wiley Periodicals, Hoboken, 164 -180 s. ISSN 1556-4959. STUCHLÍK, R. (2013): Využití dat dálkového průzkumu Země v krizovém managementu. Masarykova univerzita, Brno, 72 s.
Mapy a atlasy TOLASZ, R., et al (2007): Atlas podnebí Česka. 1. vyd. Český hydrometeorologický ústav, Praha, 255 s. ISBN 978-80-244-1626-7.
78
Elektronické nosiče a www stránky ACKERMAN, E. [on-line]: Japan Earthquake: Global Hawk UAV May Be Able to Peek Inside Damaged
Reactors.
IEEE
Spectrum,
http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/military-
robots/global-hawk-uav-may-be-able-to-peek-inside-damaged-reactors (březen 2015). ADAMS, S. M., FRIEDLAND, C. J. (2013): A Survey of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Usage for
Imagery
Collection
in
Disaster
Research
and
Management,
8
s.,
https://blume.stanford.edu/sites/default/files/RS_Adams_Survey_paper_0.pdf (březen 2015). AGISOFT [on-line]: Help, http://www.agisoft.com/pdf/photoscan-pro_1_1_en.pdf (duben 2015). AIRSHIP [on-line]: A dirigible and Zeppelin history site, http://www.airships.net/dirigible (listopad 2014). AISVIEW [on-line]: Řízení letového provozu České republiky, http://aisview.rlp.cz/ (leden a březen 2015) BAUMANN,
P.,
R.
[on-line]:
History
of
remote
sensing,
aerial
photography,
http://www.oneonta.edu/faculty/baumanpr/geosat2/RS%20History%20I/RS-History-Part-1.htm (říjen 2014) BLYENBURGH, P. (2008): Unmanned Aircraft Systems: The Current Situation, 35 s., http://www.acrtucson.com/Presentations_n_Publications/pdf/6_UVS_International.pdf
(únor
2015). BÖHM,
J.
(2002):
Fotogrammetrie
–
učební
texty,
16
s.,
http://igdm.vsb.cz/igdm/materialy/Fotogrammetrie.pdf (duben 2015). BURIAN, O. (2011): Tepelné motory – Stirlingův motor, historie a vývojové trendy, http://www1.fs.cvut.cz/stretech/2011/sbornik/119.pdf (listopad 2014). COPERNICUS
[on-line]:
EMS
Rapid
mapping
products,
http://emergency.copernicus.eu/mapping/ems/ems-rapid-mapping-products (duben 2015). CURIOUS-EYE [on-line]: Aerial Photography, http://www.curious-eye.com/photography_pg7.php (únor 2015) DJI_1 [on-line]: Products – Overview, http://www.dji.com/product/naza-m-v2 (březen 2015). DJI_2 [on-line]: Products – Features, http://www.dji.com/product/naza-m-v2/feature (březen 2015). DJI_3 [on-line]: Products – Specs, http://www.dji.com/product/naza-m-v2/spec (březen 2015). DOPLNĚK
X
–
BEZPILOTNÍ
SYSTÉMY
[on-line]:
http://lis.rlp.cz/predpisy/predpisy/index.htm (únor 2015). 79
Letecká
informační
služba,
EISENBEIß, H. (2004): A mini unmanned aerial vehicle (UAV): System overview and image acquisition, 7 s., http://www.isprs.org/proceedings/xxxvi/5-w1/papers/11.pdf (září 2014). EISENBEIß,
H.
(2009):
UAV
Photogrammetry,
199
s.,
http://www.igp-
data.ethz.ch/berichte/Blaue_Berichte_PDF/105.pdf (říjen 2014). EISENBEIß, H. (2011): The Potential of Unmanned Aerial Vehicles for Mapping. Photogrammetric
week
2011,
135
–
145
s.,
http://www.ifp.uni-
stuttgart.de/publications/phowo11/140Eisenbeiss.pdf (únor 2015). ENCYCLOPEDIA
OF
SCIENCE
[on-line]:
The
Worlds
of
David
Darling,
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/L/Low.html (září 2014). GIZMAG [on-line]: In a heartbeat: Ambulance Drone designed to cut cardiac arrest response times, http://www.gizmag.com/ambulance-drone-response-time-cardiac-arrests/34504/ (březen 2015). HARRIS, CH., STEPHENS, M. (1988): A Combined Corner and Edge Detector line, 5 s., http://www.ic.unicamp.br/~rocha/teaching/2013s1/mc851/aulas/additional-material-harrisdetector.pdf (březen 2015). HELICOPTER NEWS [on-line]: Haiti Global Hawk Missions Aid in Relief Effort, http://eds.b.ebscohost.com/eds/detail/detail?sid=60100ea4-c973-48e6-812e72677b142a85%40sessionmgr112&vid=0&hid=108&bdata=JkF1dGhUeXBlPWlwLGNvb2tpZSx 1aWQmbGFuZz1jcyZzaXRlPWVkcy1saXZlJnNjb3BlPXNpdGU%3d#db=bth&AN=47874562 (březen 2015). HIMODEL [on-line]: SUNNYSKY V3508 700KV Outrunner Brushless Motor for Multi-rotor Aircraft, http://www.himodel.com/electric/SUNNYSKY_V3508_700KV_Outrunner_Brushless_Motor_for_ Multi-rotor_Aircraft.html (březen 2015). INURU [on-line]: Mezníky vědy, http://www.inuru.com/index.php/planeta/mezniky-vedy/468historie-elektromobil-elektromotor (listopad 2014). KOLMANL
[on-line]:
Větroně
–
bezmotorové
modely,
kluzáky,
házedly,
…,
http://www.kolmanl.info/index.php?show=vetrone_start (říjen 2014). KUP-RC-MODELY [on-line]: RC větroně, http://www.kup-rc-modely.cz/p_info/826-art-techvetron-diamond-2500-glider-2-4-ghz-22091-stridavy-brushless-postovne-zdarma/?Lang=1
(únor
2015). MIŘIJOVSKÝ, J., PECHANEC, V., BURIAN, J. (2012): Využití bezpilotního modelu PIXY při snímkování
krajiny,
http://geography.cz/informace-cgs/wp-
content/uploads/2012/03/icgs012012_mirijovsky.pdf (únor 205). 80
MIYATSUKA, Y. (1996): Archaeological Real-time Photogrammetric System using Digital Still Camera, http://www.isprs.org/proceedings/XXXI/congress/part5/374_XXXI-part5.pdf (únor 2015). NAZA
–
M
V2
[on-line]:
DJI,
http://download.dji-innovations.com/downloads/nazam-
v2/en/NAZA-M_Quick_Start_Guide_v1.26_en.pdf (březen 2015). NIETHAMMER, U., et al (2010): UAV - based remote sensing of landslides. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XXXVIII, 496 – 501 s., http://www.isprs.org/proceedings/XXXVIII/part5/papers/102.pdf (duben 2015). NITROPLANES [on-line]: RC Helicopter, http://www.nitroplanes.com/rchelicopters.html (únor 2015). NORTHSTARGALLERY
[on-line]:
Aviation
and
Aerial
Photography,
http://northstargallery.com/aerialphotography/history%20aerial%20photography/history.htm (únor 2015). NOTH, A. (2008): Design of solar powered airplanes for continuous flight, 196 s., http://www.skysailor.ethz.ch/docs/Thesis_Noth_2008.pdf (listopad 2014). ONEDRONE [on-line]: TBS Caipirinha PRO BnF, http://onedrone.com/store/airplanes/rtf-arf-pnf1131695760/tbs-caipirinha-pro-bnf.html (únor 2015). PRATT, K. S., MURPHY, R., STOVER, S., GRIFFIN, CH. (2007): CONOPS and Autonomy Recomandations for VTOL MAVs Based on Observations of Hurricane Katrina UAV Operations, 13 s., http://www.kpratt.net/wp-content/uploads/2008/03/katrina_journal_article.pdf (březen 2015). ROBOTSHOP [on-line]: Tarot, http://www.robotshop.com/media/files/images2/tarot-690-foldingcarbon-fiber-hexacopter-frame-1-large.jpg (březen 2015). ŘEHÁK,
M.
(2012):
Využití
bezpilotních
prostředků
ve
fotogrammetrii,
http://geo.fsv.cvut.cz/proj/dp/2012/martin-rehak-dp-2012.pdf (únor 2015). SPIDERBEAM
[on-line]:
High
Performance
Lightweight
Antennas,
http://www.spiderbeam.com/product_info.php?info=p233_Spiderbeam%2026m%20fiberglass%20 pole.html (říjen 2014). SUZUKI, T., et al. (2008): Real-time Hazard Map Generation Using Small Unmanned Aerial Vehicle.
SICE
Annual
Conference
2008,
443
–
446
s.,
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4654695 (březen 2015). ŠÍŠLÁK,
D.
[on-line]:
Úvodní
a
motivační
http://webdav.agents.fel.cvut.cz/data/teaching/bep/BEP1_2014.pdf (listopad 2014).
81
přednáška,
THAMM, H. P., LUDWIG, T., REUTER, CH (2013): Design of a Process Model for Unmanned Aerial
System
(UAS)
in
Emergencies,
10
s.,
http://www.wiwi.uni-
siegen.de/wirtschaftsinformatik/paper/2013/2013_thammludwigreuter_uasemergency_iscram.pdf (březen 2015). TRIMBLE
[on-line]:
Trimble
Geo
XH/XT/XM,
http://www.e-
trimblegps.com/Trimble_GeoXH_GeoXT_GeoXM.htm (duben 2015). UAV – OUTLET [on-line]: Products, http://www.uav-outlet.com/products/dji-iosd-mini-on-screendisplay-module.html (březen 2015). UNISDR
[on-line]:
Terminology
-
Early
warning
system,
http://www.unisdr.org/we/inform/terminology (duben 2015). UPOL [on-line]: Katalog přístrojů a služeb, http://www.upol.cz/struktura-up/univerzitnizarizeni/vedeckotechnicky-park/katalog/?ctl=device&ctlid=224&idLng=cz (únor 2015). UPVISION [on-line]: News, http://www.upvision.cz/ (březen 2015). ÚŘAD PRO CIVILNÍ LETECTVÍ_1 [on-line]: Co je to bezpilotní letadlo, bezpilotní systém, model
letadla?
,
http://www.caa.cz/letadla-bez-pilota-na-palube/co-je-to-bezpilotni-letadlo-
bezpilotni-system-model-letadla (listopad 2014). ÚŘAD
PRO
CIVILNÍ
LETECTVÍ_2
[on-line]:
Letadla
bez
pilota
na
palubě,
http://www.caa.cz/letadla-bez-pilota-na-palube (listopad 2014). ÚŘAD
PRO
CIVILNÍ
LETECTVÍ_3
[on-line]:
Přehled
právních
předpisů,
http://www.caa.cz/predpisy/prehled-pravnich-predpisu (únor 2015). ÚŘAD PRO CIVILNÍ LETECTVÍ_4 [on-line]: Chci provozovat bezpilotní letadlo / systém, jak mohu
postupovat?,
http://www.caa.cz/letadla-bez-pilota-na-palube/budu-chtit-provozovat-
bezpilotni-letadlo-jak-postupovat (únor 2015). ÚŘAD PRO CIVILNÍ LETECTVÍ_5 [on-line]: Evidence, http://www.caa.cz/letadla-bez-pilota-napalube/evidence (únor 2015). ÚŘAD PRO CIVILNÍ LETECTVÍ_6 [on-line]: Informace související s provozem bezpilotních letadel a modelů letadel, http://www.caa.cz/letadla-bez-pilota-na-palube/informace-souvisejici-sprovozem-bezpilotnich-letadel-a-1 (únor 2015). VERTICAL
IMAGES
[on-line]:
Certifikace
u
ÚCL,
http://www.verticalimages.cz/cz/aktuality/certifikace-u-ucl-povoleni-k-letani-a-letecke-prace-9zacatecnikuv-pruvodce-leteckym-filmovanim-a-fotografovanim-69 (únor 2015).
82
VEŘEJNÁ ZAKÁZKA [on-line]: Zpracování legislativních podkladů pro provoz státních bezpilotních
prostředků.
Ministerstvo
vnitra,
https://www.zakazky.mvcr.cz/contract_display_3507.html (březen 2015). YAMAHA [on-line]: RMAX, http://rmax.yamaha-motor.com.au/ (únor 2015). YUNDONG, W., et al. (2008): A contrast among experiments in free low-altitude unmanned aerial vehicles photography: security, quality & efficiency. ISPRS XXXVII Congress, 1223 - 1228 s., http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/congress/1_pdf/208.pdf (leden 2015). ZÁKON Č. 240/2000 Sb. [on-line]: Zákon o krizovém řízení a o změně některých zákonů (krizový zákon), https://portal.gov.cz/app/zakony/zakonPar.jsp?page=0&idBiblio=49557&recShow=1&nr=240~2F2 000&rpp=15#parCnt (duben 2015).
83
SEZNAM ZKRATEK CCD - Charge-coupled device CD - Compact Disc CES - Consumer Electronics Show ČGS - Česká geologická společnost DEM - Digital Elevation Model DMP 1 - Digitální model povrchu (1. generace) DMR 5 - Digitální model reliéfu (5. generace) DMT - Digitální model terénu dpi - dot per inch DVD - Digital Video (Versatile) Disc EPSG - European Petroleum Survey Group ETRS - European Terrestrial Reference System EXIF - Exchangeable Image File Format FPV - First Person View GCP - Ground Control Point GLONASS - Global Navigation Satellite System GNSS - Global Navigation Satellite Systém GPS - Global Positioning System HUD - Heads-Up Display CHKO - Chráněná Krajinná Oblast IMU - Inertial Measurement Unit INS - Inertial Navigation System IZS - Integrovaný záchranný systém JPEG - Joint Photographic Experts Group LED - Light - Emitting Diode LiDAR - Light Detection and Ranging
84
Li - Pol - Lithium Polymer LIS - Letecká informační služba MAV - Micro Air Vehicle MC - Main Controller Mpix - Megapixel PC - Personal Computer PDF - Portable Document Format PMU - Power Management Unit RC - Remote Control RMSE - Root Mean Square Error RTF - Ready to Fly RTK - Real Time Kinematic SfM - Structure from Motion SSD - Sum-of-squared Differences SVF - Sky View Factor TIFF - Tagged Image File Format UAS - Unmanned Aerial System UAV - Unmanned Aerial Vehicle ÚCL - Úřad civilního letectví UP - Univerzita Palackého USB - Universal Serial Bus USV - Unmanned Sea Surface Vehicle UTM - Universal Transverse Mercator VGI - Volunteered Geographic Information VTOL - Vertical Take-off and Landing WGS 84 - World Geodetic System 84 WLAN - Wireless Local Area Network
85
SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Mapa zobrazující zájmové oblasti (místa letů). Příloha 2 Vybrané signály řídicí jednotky NAZA a jejich význam (NAZA - M V2 [on-line]). Příloha 3 Výsledné ortofoto - let 2 (Brněnská přehrada). Příloha 4 Výsledné ortofoto - let 3 (Brněnská přehrada). Příloha 5 Výsledný 3D model - let 2 (Brněnská přehrada). Příloha 6 Výsledný 3D model - let 3 (Brněnská přehrada). Na přiloženém DVD jsou následující soubory: let_1_Nebovidy: DEM.tiff (GeoTIFF) model.pdf (3D model) ortofoto.tiff (GeoTIFF) point_cloud_dense.xyz point_cloud_sparse.xyz report.pdf let_2_Brnenska_prehrada: DEM.tiff (GeoTIFF) model.pdf (3D model) ortofoto.tiff (GeoTIFF) point_cloud_dense.xyz point_cloud_sparse.xyz report.pdf let_3_Brnenska_prehrada: DEM.tiff (GeoTIFF) model.pdf (3D model) ortofoto.tiff (GeoTIFF) point_cloud_dense.xyz point_cloud_sparse.xyz report.pdf
86
Příloha 1 Mapa zobrazující zájmové oblasti (místa letů).
Příloha 2 Vybrané signály řídicí jednotky NAZA a jejich význam.
Příloha 3 Výsledné ortofoto - let 2 (Brněnská přehrada).
Příloha 4 Výsledné ortofoto - let 3 (Brněnská přehrada).
Příloha 5 Výsledný 3D model - let 2 (Brněnská přehrada).
Příloha 6 Výsledný 3D model - let 3 (Brněnská přehrada).
