W teście porównaliśmy trzy podejścia do nalotów fotogrametrycznych: Circlegrammetry przy użyciu UGCS w wersji 5.6.0 oraz Smart Oblique i Nadir za pomocą DJI Pilot 2 w wersji 10.0.7.22. Testy zostały przeprowadzone w dwóch różnych środowiskach – obszarze miejskim oraz wiejskim – aby ocenić skuteczność, wydajność oraz jakość wyników uzyskiwanych za pomocą tych metod. Zdjęcia wykonano kamerą RGB w dronie DJI Mavic 3 Multispectral.
W obszarze miejskim skoncentrowaliśmy się na nalotach Circlegrammetry i Smart Oblique. Circlegrammetry pozwoliło na uzyskanie 726 zdjęć w czasie niespełna 51 minut. Z kolei Smart Oblique wygenerowało aż 2051 zdjęć w krótszym czasie – zaledwie 30 minut – co świadczy o jego wyższej wydajności jednakże przy znacznie większej ilości danych.
Wyniki w terenie wiejskim wskazują na wyraźne różnice w zastosowaniach obu technologii. Nalot Circlegrammetry w porównaniu z metodą Nadir w tym samym czasie był wstanie pokryć tylko 40 Ha, a klasyczna metoda aż 100 Ha, co jednak było do przewidzenia i nie świadczy o wyższości jednej techniki nad drugą, ale o tym dopowiemy trochę później. Drobne problemy techniczne związane z aplikacją UGCS – samoczynne przerywanie i konieczność wznawiania misji, RTH i restartowanie, delikatnie wpłynęły na wydajność tego podejścia w i tak już trudnych warunkach jakie mamy w tym okresie w Polsce – krótki dzień, częste deszcze i temperatury bliskie zeru.
W niniejszym artykule omawiamy wyniki naszych pierwszych testów przeprowadzonych w środowisku miejskim, gdzie technologie UGCS Circlegrammetry i DJI Pilot 2 Smart Oblique wykazały swoje unikalne zalety i ograniczenia, jednocześnie wskazując na potencjalne zastosowania tych metod w praktyce.
Notka:
Materiały tu zawarte są w niskiej rozdzielczości. W celu obejrzenia plików JPG i GeoTIFF w pełnych rozdzielczościach – udostępniamy je na Dysku Google do którego link znajdziecie poniżej. Znajdziecie tam również zdjęcia testowe oraz raporty z przetwarzania projektów.
Parametry nalotu:
UGCS Miasto
Circlegrammetry:
Flight Height: 75m AGL
Flight Speed: 15 m/s
Radius: 35m
Shots per circle: Automatic
Camera Angle: 70.00°
Circle Overlap 40%
DJI Pilot 2 Miasto:
Smart Oblique:
Ortho GSD: 2.00
Oblique GSD: 2.31
Gimbal Angle 30°
Route Altitude: 74.5m AGL
Course Angle: 0°
Side Overlap: 70%
Frontal Overlap: 80%
UGCS Wioska:
Circlegrammetry:
Flight Height: 75m
Flight Speed: 15m/s
Radius: 35m
Shots per circle: Automatic
Camera Angle: 60°
Circle Overlap 5%
DJI Pilot 2 Wioska:
Ortho Collection (Nadir):
Ortho GSD: 2.00
Flight Height: 74.5m AGL
Flight Speed: 15m/s
Course Angle: 36°
Side Overlap: 70%
Frontal Overlap: 80%
Notatka: Zdajemy sobie sprawę, że podczas nalotu Smart Oblique w mieście w DJI Pilot 2 powinniśmy byli ustawić Gimbal Angle na 20° dla lepszego porównania. Mea culpa.
Ułożenie zdjęć w przestrzeni powietrznej:
Statystyki misji (Miasto):
UGCS Circlegrammetry Miasto:
START: 2 Dec 2024, 10:58:59 CET END: 2 Dec 2024, 11:49:58 CET.
Ilość zdjęć: 726
Czas misji (wraz z zmianami baterii): 0h 50m 59s
Średnia prędkość lotu 11.07 m/s. Maksymalna prędkość lotu 12 m/s.
Real-Time Kinematic (RTK)
Średni RMSE wysokości: 2,03 cm
Średni RMSE długości geograficznej: 0,88 cm
Średni RMSE szerokości geograficznej: 1,06 cm
Użyto następujących czasów otwarcia migawki: 1/725, 1/640, 1/1250, 1/1500, 1/500, 1/1000, 1/800
Znaleziono 8 użytych wartości ISO: 100-170 ISO
DJI Pilot 2 Smart Oblique Miasto:
START: 2 Dec 2024, 11:55:59 CET END: 2 Dec 2024, 12:25:56 CET.
Ilość zdjęć: 2051
Czas misji (wraz z zmianami baterii): 0h 29m 57s
Średnia prędkość lotu 11.1 m/s. Maksymalna prędkość lotu 15.3 m/s.
Real-Time Kinematic (RTK)
Średni RMSE wysokości: 2,09 cm
Średni RMSE długości geograficznej: 0,81 cm
Średni RMSE szerokości geograficznej: 1,21 cm
Użyto następujących czasów otwarcia migawki: 1/1250, 1/725, 1/640, 1/1600, 1/1000, 1/1500, 1/800, 1/500
Znaleziono 10 użytych wartości ISO: 100-190 ISO
Porównanie DEM i ORTHO (Miasto):
W ramach analizy nalotów nad miastem przetworzyliśmy dane w Agisoft Metashape i wygenerowaliśmy ortofotomapy i modele wysokościowe (DEM) przy użyciu danych z obu technik – Smart Oblique oraz Circlegrammetry. Wyniki obu podejść okazały się bardzo zbliżone, choć różnice w liczbie zdjęć i czasie nalotu są warte uwagi.
Z nalotu wykonanego w Smart Oblique uzyskaliśmy ortofotomapę o rozdzielczości 2,24 cm/pix oraz DEM o rozdzielczości 4,48 cm/pix. Natomiast Circlegrammetry dało nam ortofotomapę o rozdzielczości 2,07 cm/pix oraz DEM o rozdzielczości 4,14 cm/pix. Mimo niewielkiej przewagi rozdzielczości w przypadku Circlegrammetry, technika ta wymagała użycia jedynie 726 zdjęć, w porównaniu do 2051 zdjęć wykorzystanych przez Smart Oblique.
Do przetworzenia obu materiałów użyliśmy domyślnych ustawień w Agisofcie wraz z Quality ustawionym na High, DEM stworzone z Chmury Punktów, Ortho z DEM.
Zauważalną różnicą okazuje się czas nalotu – Circlegrammetry zajęła o 21 minut więcej niż Smart Oblique na tym samym obszarze.
Aby dokładniej przyjrzeć się różnicom pomiędzy wynikami obu technik, udostępniliśmy porównanie plików DEM i ortofotomap. Zainteresowani mogą pobrać pliki GeoTIFF z linku Dysku Google zamieszczonego powyżej. Analiza danych w pełnej rozdzielczości pozwoli dostrzec więcej różnic i pomóc w wyborze odpowiedniej metody w zależności od potrzeb projektu.
Porównanie Chmury Punktów:
Circlegrammetry
Smart Oblique
Circlegrammetry, mimo wykorzystania znacznie mniejszej liczby zdjęć oraz dłuższego czasu nalotu, zapewnia bardzo satysfakcjonujące rezultaty, porównywalne z efektami osiągniętymi Smart Oblique przy podobnych parametrach. W wszystkich przypadkach przetwarzaliśmy dane na Wysokich ustawieniach, a potem oczyszczaliśmy Chmurę Punktów funkcją Filter by Confidence i usuwając pływające punkty.
W przypadku tej techniki można zauważyć nieco więcej luk w chmurze punktów, jednak różnice te są zrozumiałe z powodu mniejszego wzajemnego pokrycia zdjęć. Dla obu metod, po wygenerowaniu ortofotomap, uzyskaliśmy zbliżone wartości błędów szacunkowych – 1,57 cm dla Smart Oblique oraz 2,03 cm dla Circlegrammetry. Wynik ten jest szczególnie imponujący, biorąc pod uwagę różnicę w ilości przetworzonych danych.
Należy podkreślić, że była to nasza pierwsza próba wykorzystania techniki Circlegrammetry. Można przypuszczać, że dalsze optymalizacje parametrów nalotu mogłyby jeszcze bardziej poprawić jakość uzyskanych wyników.
Jedynym istotnym mankamentem Circlegrammetry pozostaje jednak wydłużony czas nalotu, który może stanowić wyzwanie w przypadku bardziej czasochłonnych lub rozległych projektów. Nasze testy zostały przeprowadzone na relatywnie płaskim terenie, więc nie wiemy jak ta technika zachowałaby się w sytuacji częstych i znacznych zmian elewacji gruntu.
Circlegrammetry (left) vs Smart Oblique (right)
Circlegrammetry (left) vs Smart Oblique (right)
Zebranie danych nad terenem wiejskim (Wioska):
Przeprowadzenie misji na terenie wiejskim w aktualnych warunkach pogodowych okazało się wyzwaniem. O tej porze roku (Grudzień) w Polsce temperatura jest bliska zeru co nie sprzyja długiemu staniu na dworze, a pogoda w ciągu kilku godzin potrafi się drastycznie zmienić, a jak wiemy nasz nalot dronem powinien być możliwie jak najkrótszy by utrzymać stałą jednakową jakość danych.
W ramach planowanej testowej misji na dużym obszarze wykonaliśmy dwa naloty: Nadir oraz Circlegrammetry.
Nalot Nadir został zrealizowany w całości, pokrywając obszar 100 hektarów w ciągu 1 godziny i 5 minut. Również wykorzystaliśmy drona DJI Mavic 3 Multispectral, który z prędkością 15 m/s zebrał 2616 zdjęć obejmujących cały zaplanowany teren.
W przypadku nalotu Circlegrammetry napotkaliśmy jednak trudności. Po upływie 1 godziny i 5 minut zdecydowaliśmy o przerwaniu misji. Zdecydowały o tym dwa czynniki: kończące się światło dzienne oraz brak wyraźnych korzyści z dalszego kontynuowania nalotu w takich warunkach. Mimo znacznie zaniżonych parametrów lotu Circlegrammetry w porównaniu do naszej misji testowej w Mieście (kąt kamery, overlap, itp.) w tym samym czasie udało nam się oblecieć dronem tylko obszar około 40 hektarów i zebrać 740 zdjęć.
Aby porównać efekty obu metod, dostosowaliśmy obszar objęty zdjęciami z nalotu Nadir do zakresu danych uzyskanych podczas lotu z Circlegrammetry. Taki zabieg pozwoli chociaż na częściową analizę zebranych materiałów i ocenę efektywności obu technik, jednocześnie rysując konkluzję na temat czy ta technika nadaje się do nalotów wielkoobszarowych.
Statystyki misji (Wioska):
UGCS Circlegrammetry Wioska:
Obszar: ~40Ha !!
START 2 Dec 2024, 13:07:41 CET END 2 Dec 2024, 14:12:58 CET.
Ilość zdjęć: 740
Czas misji (wraz z zmianami baterii): 1h 5m 17s
Średnia prędkość lotu 11.05 m/s. Maksymalna prędkość lotu 11.93 m/s.
Real-Time Kinematic (RTK)
Średni RMSE wysokości: 2.68 cm
Średni RMSE długości geograficznej: 1.02 cm
Średni RMSE szerokości geograficznej: 1.41 cm
Użyto następujących czasów otwarcia migawki: 1/1250, 1/640, 1/320, 1/250, 1/800, 1/350, 1/1000, 1/725, 1/500
Znaleziono 13 użytych wartości ISO: 100-220 ISO
DJI Pilot 2 Smart Oblique Wioska:
Obszar: ~100Ha !!
START 28 Nov 2024, 11:07:29 CET END 28 Nov 2024, 12:12:26 CET.
Ilość zdjęć: 2616 (użyto potem do testu 1117)
Czas misji (wraz z zmianami baterii): 1h 4m 57s
Średnia prędkość lotu 12.66 m/s. Maksymalna prędkość lotu 15.62 m/s.
Real-Time Kinematic (RTK)
Średni RMSE wysokości: 2.39 cm
Średni RMSE długości geograficznej: 1.08 cm
Średni RMSE szerokości geograficznej: 1.45 cm
Użyto następujących czasów otwarcia migawki: 1/400, 1/250, 1/320, 1/640, 1/800, 1/350, 1/725, 1/500
Znaleziono 41 użytych wartości ISO: 100-500 ISO
Podczas tego nalotu porównanie wyników technik Smart Oblique i Circlegrammetry wymaga uwzględnienia różnic w warunkach pogodowych oraz realizacji misji w inne dni, co zapewne wpłynęło na uzyskane efekty. Nie jest naszym celem przedstawienie żadnej z metod w negatywnym świetle, lecz rzetelna ocena ich potencjału i ograniczeń.
DJI Pilot 2 oszacował, że pokrycie naszego 100-hektarowego obszaru w trybie Smart Oblique z kątem nachylenia gimbala 20° zajęłoby około 2 godziny i 15 minut. Z doświadczenia wiemy, że czas ten jest realistyczny, a czasem nawet wyliczony z nawiązką. W przypadku Circlegrammetry, ze względu na błędne wyliczania czasu lotu w UGCS w aktualnej wersji programu, musieliśmy polegać na własnych obserwacjach. W ciągu 1 godziny i 5 minut udało się pokryć około 40% obszaru, co pozwala szacować, że pełny nalot zająłby około 2 godziny i 45 minut. Warto zaznaczyć, że nasze ustawienia kąta kamery i pokrycia kręgów wymagałyby znacznego „podkręcenia” i nie były zbytnio nastawione na dużą dokładność zebranych danych, co nie świadczy o zbyt dobrym wyniku w takim czasie.
Realizacja misji nad wioską wymagała kilku prób planowania jej, aby dopasować czas lotu Circlegrammetry do misji w DJI Pilot 2 co i tak koniec końców nie wyszło nam tak jak chcieliśmy. Mimo wyzwań rezultaty obu technik okazały się zbliżone. Circlegrammetry zapewniło model wysokościowy (DEM) o GSD 4.99 cm/pix oraz ortofotomapę o GSD 2.49 cm/pix. W przypadku techniki Nadir uzyskaliśmy DEM o GSD 3.95 cm/pix oraz ortofotomapę o GSD 1.97 cm/pix. Różnice w chmurach punktów są ciężkie do porównania, dlatego zachęcamy do pobrania pełnych danych z udostępnionego linku Dysku Google, aby samodzielnie przeanalizować wyniki.
Problemy:
Na szczęście obyło się bez znacznych problemów. Staraliśmy się zastosować do zaleceń Andrew z SPH Engineering i użyliśmy aplikacji UGCS Companion do testów. Próbowaliśmy zaimportować nasze plany lotu do DJI Pilot 2, ale niestety aplikacja się zawieszała i zamykała gdy próbowaliśmy coś zrobić. Po wykonaniu wszystkich nalotów jednak spróbowaliśmy ponownie i udało się je zaimportować, ale wymagało to trochę cierpliwości, aż aplikacja się odwiesi.
Podczas nalotu nad wioską mieliśmy dwa razy sytuacje, że dron się zatrzymał w miejscu bez żadnego komunikatu ze strony programu na laptopie czy w aplikacji na kontrolerze. Wymagało to kliknięcia „Continue” w programie UGCS, ale dron po kilkunastu metrach znów zatrzymywał się bez objaw jakichkolwiek błędów. Zdecydowaliśmy się wtedy na RTH i ponowne wystartowanie misji od miejsca jej przerwania. Dalej już działało bez problemów.
Podsumowanie:
tŻadną z technik nie uzyskamy jakości True Ortho, generowanej z połączenia chmur punktów z sensora LiDAR i zdjęć, jak w Zenmuse L2.
Myślimy, że Circlegrammetry może być atrakcyjną alternatywą dla projektów, gdzie dopuszczalny jest dłuższy czas nalotu, oferując wcale nie gorsze dane przy mniejszej liczbie zdjęć do przetwarzania. Technika ta wymaga trochę przyzwyczajenia się do dopasowania parametrów lotu i jeszcze kilku misji testowych, ale uważam, że pokazuje potencjał i mamy nadzieję, że będziemy mogli wykonać więcej eksperymentów, a w przyszłości wykorzystać ją w komercyjnej misji.