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Negli ultimi anni, i Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR), comunemente noti come droni, sono diventati sempre più uno strumento popolare per la raccolta di dati aerei. Vengono utilizzati nei campi più disparati, dall’edilizia al rilevamento, dall’estrazione mineraria alle assicurazioni.
Utilizzando la fotogrammetria, numerose aziende acquisiscono immagini aeree e generano preziose informazioni a partire una cospicua mole di dati. Ciò consente di vedere e misurare i cambiamenti che si verificano nel tempo su un cantiere, una cava o una proprietà.
Non si tratta di una nuova scienza. La mappatura topografica, l’architettura e l’ingegneria utilizzavano già questa disciplina molto tempo prima dell’avvento dei droni. La semplicità e l’automazione delle soluzioni odierne consentono ai professionisti di integrare questi robot volanti nei flussi di lavoro esistenti. La mappatura di enormi vastità di territorio e la generazione di modelli 3D ad alta risoluzione non sono più una chimera. Il mondo che ci circonda diventa rappresentabile in modo più preciso e rapido rispetto ai metodi tradizionali, come i rilievi sul terreno e le misurazioni manuali.
Ad oggi è dimostrato che i droni, associati all’utilizzo di GCP, possono fornire precisione entro l’1% delle misurazioni del mondo reale. A proposito di Ground Control Points, ne abbiamo parlato in un articolo precedente di cui vi lasciamo il link. Sottoponiamo questo studio realizzato a San Francisco da DroneDeplay alla vostra attenzione.
Quando il GPS è stato utilizzato per la prima volta per il rilevamento negli anni ’80, l’unico modo per ottenere una precisione al centimetro con il GPS era tramite la post-elaborazione con GCP, che poteva richiedere interi giorni per essere processata. All’inizio degli anni ’90 l’introduzione della tecnologia Real Time Kinematic (RTK) permise ai topografi di ottenere posizionamenti con errori inferiori al cm in tempo reale.
In questo studio, andremo ad indagare i modi per convalidare e migliorare la precisione delle mappe fotogrammetriche con Phantom 4 RTK (P4 RTK) di DJI, un drone che applica la tecnologia RTK alle immagini aeree. Per testare l’accuratezza di Phantom 4 RTK, analizzeremo un sistema di punti di controllo per un’indagine sui tetti di alcuni edifici.
Sono stati registrati 32 voli, ognuno dei quali esplora un effetto diverso di altitudine di volo, sovrapposizione dei fotogrammi e numero di immagini. L’insieme di dati prodotto è stato quindi utilizzato per calcolare la precisione orizzontale e verticale dei punti misurati, nonché l’esattezza delle misurazioni lineari.
Quando si analizzano i dati dei droni, la velocità e l’accuratezza sono fondamentali per la gestione delle operazioni in un cantiere, il monitoraggio dei rendimenti in una azienda agricola o l’ispezione di un tetto per danni.
L’obiettivo principale di questo studio è dimostrare l’accuratezza della misurazione lineare del P4 RTK rispetto ai tradizionali metodi di acquisizione basati su GPS, cioè usando un ricevitore GNSS a terra.
In questo studio, esploreremo anche le migliori pratiche per l’acquisizione di dati altamente precisi con P4 RTK. Ciò includerà la determinazione del tipo di missione che produrrà i migliori risultati, sia la fotogrammetria 2D che le modalità di volo della fotogrammetria 3D.
Il modello di drone principale utilizzato in questo studio è il DJI Phantom 4 RTK, che DJI ha rilasciato nell’ottobre 2018. Il drone è stato progettato per utilizzare l’elaborazione cinematica in tempo reale per produrre mappe aeree di alta precisione. Oltre all’unità RTK, P4 RTK utilizza anche un modulo GNSS ridondante che fornisce ulteriore stabilità di volo quando vola in regioni dense con un segnale RTK scarso. DJI afferma una precisione di posizionamento orizzontale RTK di 1 centimetro e una precisione di posizionamento verticale RTK di 1,5 centimetri. In termini di misurazioni assolute su modelli fotogrammetrici, DJI è in grado di ottenere una precisione di 5 centimetri quando vola a 100 metri con GSD da 2,7 centimetri.
Il modulo RTK è integrato direttamente con Phantom 4 per fornire una precisione a livello di centimetro per volo stabile e immagini georeferenziate con precisione. È stato aggiunto un nuovo sistema TimeSync per allineare continuamente il controllore di volo, la fotocamera e il modulo RTK, garantendo che ogni foto utilizzi i metadati più precisi e fissi i dati di posizionamento al centro del sensore CMOS. Phantom 4 RTK ha anche la possibilità di connettersi alla D-RTK 2 Mobile Station, NTRIP (Network Transport of RTCM via Internet Protocol) o di archiviare i dati di osservazione satellitare da utilizzare per Post Processed Kinematics (PPK). La D-RTK 2 Mobile Station non è stata misurata in questo studio, mentre sono stati utilizzati i metodi NTRIP ed è descritto in dettaglio in questo articolo.
DJI Phantom 4 Pro verrà utilizzato anche insieme ai GCP come dati di controllo. Questo studio utilizza i modelli DJI perché sono il più grande fornitore di hardware per droni commerciali al mondo e sono utilizzati da professionisti del settore nelle costruzioni, nell’industria mineraria, nel rilevamento e nell’assicurazione.
Il drone Phantom 4 RTK fa parte della serie di droni Phantom 4 e utilizza la stessa fotocamera trovata nel Phantom 4 Pro. In quello studio, abbiamo dimostrato che le misurazioni lineari relative erano accurate entro l’1,1% delle misurazioni manuali effettuate sul terreno. Gli errori di misurazione medi hanno mostrato che il margine di errore aumenterebbe proporzionalmente all’altitudine di volo con un coefficiente di correlazione medio di 0,42. C’è stato un miglioramento dello 0,35% nella precisione della misurazione per le mappe volate a circa 20 m di altitudine rispetto a quelle volate a 30, 60 o 120 metri di altezza.
Gran parte di ciò può essere attribuito alla qualità delle immagini e al fatto che l’individuazione sulle immagini dei GCP è un’operazione di tipo manuale, svolta dall’operatore, il che può essere difficile su mappe a bassa risoluzione. Abbiamo scoperto che l’elaborazione con punti di controllo a terra ha ridotto l’errore di misurazione medio a 0,15 metri, un miglioramento di quasi 10 volte, per tutte le lunghezze di controllo. Gli errori di misurazione per le mappe GCP hanno anche mostrato una riduzione 10 volte simile nella deviazione standard dell’errore, il che significa che non solo i dati GCP sono più accurati, ma che sono anche statisticamente più coerenti e quindi affidabili per le applicazioni in cui è necessario un livello più elevato di accuratezza.
Cinematica è un termine comune utilizzato nei tradizionali metodi di rilevamento GPS in cui i ricevitori sono in movimento. Per elaborare i dati RTK, avrai bisogno sia di una Stazione base RTK sia di una Rover RTK, in questo caso Phantom 4 RTK. Per il posizionamento relativo, il metodo comune utilizzato nel rilevamento è la tecnica “Stop and Go”. L’elaborazione RTK invece non richiede l’elaborazione post per ottenere un posizionamento accurato. Una radio sul ricevitore di riferimento – una stazione base locale o una stazione base di rete – trasmette la sua posizione al rover in tempo reale. Ciò consente il rilevamento sul campo ed elimina la necessità di verificare la qualità della misurazione durante la post-elaborazione.
I sondaggi PPK sono simili ai sondaggi RTK, ma non considerano la correzione delle posizioni in tempo reale. Generalmente ciò comporta il posizionamento di una stazione base fissa su un punto di controllo noto (un monumento, un campanile o un altro punto facilmente individuabile e non soggetto a facili modifiche nel tempo) per consentire la geolocalizzazione.
I dati GPS vengono quindi raccolti simultaneamente dalla stazione base e dal drone mentre vola. Si scaricano i dati dalla stazione base, dal rover (drone) e si inviano successivamente mediante un software GPS. Queste immagini possono quindi essere caricate sul computer per l’elaborazione.
Quando si sceglie tra i metodi RTK o PPK, è necessario scegliere tra produttività e accuratezza delle immagini risultanti. Il flusso di lavoro RTK può essere un modo molto rapido per ottenere immagini accurate ma si basa su una connessione in tempo reale per la produzione delle mappe. Una soluzione PPK richiede più tempo per la configurazione, ma si affida ai suoi dati di backup del segnale per garantire l’accuratezza della posizione del volo.
Il nostro studio precedente ha dimostrato, come previsto, che volare più in basso produce mappe di qualità più elevata e che la telecamera a risoluzione più elevata a bordo della serie di droni Phantom 4 fornisce mappe migliori rispetto ai suoi predecessori. Seguiremo le stesse linee guida per le mappe volanti usando P4 RTK per fornire coerenza tra le mappe RTK e le mappe P4 Pro.
Per testare l’accuratezza di Phantom 4 RTK, si è installato un sistema di punti di controllo all’interno del sito di test. I punti di controllo, i GCP, le distanze di controllo e il rispettivo layout sono mostrati di seguito.
Il sistema era composto da 7 diversi GCP di dimensione 1mx1m posizionati sul nostro sito di test. Questi punti sono stati posizionati a diverse altezze, latitudini e longitudini sulla superficie per essere in grado di catturare al meglio scenari diversi. Inoltre, sul tetto sono stati posizionati 4 punti di controllo e le distanze tra ciascuna sono state misurate con un metro per stabilire la distanza tra i punti. Sono stati quindi taggati e misurati utilizzando un’unità GPS Trimble RTX per identificare latitudine, longitudine ed elevazione di ciascuno dei punti. Queste distanze di controllo dimostrano la variazione di latitudine, longitudine ed elevazione tra i voli Phantom 4 Pro e P4 RTK .
Per acquisire i dati aerei, si sono effettuati oltre 30 voli individuali utilizzando l’app DJI Phantom 4 RTK e DJI GS RTK per i voli RTK e l’app Phantom 4 Pro V2.0 e DJI GS Pro per i voli P4 Pro con GCP. SmartNet, un servizio di correzione di terze parti è stato utilizzato per il controller RTK insieme a un hotspot mobile. Questo servizio consente correzioni RTK di rete ad alta precisione e disponibilità elevata per qualsiasi applicazione, utilizzando qualsiasi costellazione, ma allo stesso tempo aperte a chiunque. SmartNet consente precisioni a livello di centimetro legate a un dato comune.
Un totale di 20 voli sono stati volati con P4 RTK a circa 30 metri sopra la superficie del tetto, in modalità fotogrammetria 2D e 3D e quindi elaborati in post produzione. Allo stesso modo, 12 voli sono stati effettuati con Phantom 4 Pro ed elaborati con GCP per servire da controllo per confrontare i risultati. Una delle mappe aeree elaborate con checkpoint e GCP può essere vista nella sopra. Si sono introdotte lievi variazioni nella pianificazione del volo, nell’illuminazione e nell’altitudine per simulare un ambiente reale durante la raccolta di questi dati.
Per acquisire i GCP per il controllo, si è individuato il centro geografico degli obiettivi posizionati sul tetto con un Trimble Catalyst. I punti target avevano una deviazione standard orizzontale di 0,24 cm e una deviazione standard verticale di 0,49 cm attraverso i 7 punti di controllo a terra e i punti di controllo contrassegnati sul sito di prova. Questi punti sono stati utilizzati anche come punti di controllo per la misura dell’accuratezza del P4 RTK rispetto alle misurazioni GCP.
Abbiamo scelto il catalizzatore Trimble per la sua semplicità, il basso costo e le prestazioni GNSS altamente accurate. Con l’integrazione del software Trimble UAV Ground Control, si è ottenuto un modo semplice per acquisire i dati dei punti di controllo da utilizzare.
Trimble Catalyst è un posizionamento GNK RTK e può essere utilizzato con qualsiasi smartphone Android tradizionale. La configurazione dell’hardware è compatibile con qualsiasi dispositivo Android moderno, l’antenna DA1 Trimble Catalyst e un palo di rilevamento standard. Lo smartphone sostituisce un datalogger tradizionale, collegandolo all’antenna tramite il cavo USB in dotazione.
Anziché utilizzare un chip GPS “hardware”, Catalyst utilizza un ricevitore GNSS interamente “definito dal software”; il software stesso calcola le posizioni, utilizzando il processore del tuo smartphone, che consente di ridurre le dimensioni, il peso e la potenza della batteria richiesti dal sistema generale.
Per controllare il ricevitore, è necessario installare due app dal Google Play Store, Trimble Mobile Manager e una qualsiasi delle applicazioni appositamente costruite offerte, nel nostro caso, il software Trimble UAV Ground Control.
Grazie alla sua semplicità, all’alto grado di precisione e all’accettazione, siamo stati in grado di utilizzare Trimble Catalyst per garantire con sicurezza l’accuratezza della convalida rispetto a P4 RTK. Vi consigliamo di utilizzare un ricevitore GNSS ad alta precisione, come Catalyst, durante l’elaborazione delle mappe per verificare l’accuratezza delle mappe sul tuo cantiere per il controllo e l’assicurazione.
L’unità GPS Trimble permette di taggare e misurare ciascuno dei 4 punti di controllo. La tabella 3 in basso mostra l’accuratezza verticale dei punti di controllo, sia nella mappa elaborata RTK che nella mappa P4 Pro con GCP. Si visualizza l’errore dell’unità GPS per comprendere l’errore di misurazione verticale di Trimble Catalyst. Sono state acquisite e mediate circa 30 misurazioni per ciascun GCP e checkpoint.
Da queste misurazioni otteniamo una precisione verticale relativa di circa 3,3 cm e una precisione orizzontale relativa di 2,01 cm. La precisione verticale relativa media di tutti i punti di controllo nella mappa PK RTK era di 2,00 cm. La precisione verticale relativa media del P4 Pro con GCP, per il confronto, è risultata pari a 1,95 cm.
Con P4 RTK abbiamo raggiunto una precisione orizzontale relativa di 1,20 cm. Con P4 Pro e GCP abbiamo raggiunto una precisione orizzontale relativa di 0,90 cm. In questo studio, abbiamo dimostrato che la P4 RTK può raggiungere una precisione verticale relativa di 2,00 cm e una precisione orizzontale relativa di 1,20 cm quando viene pilotata a 33 m. Il GSD per le mappe risultanti è in media 0,4 pollici/px.
Determinare elevazioni precise è una parte essenziale di molti progetti di costruzione civile come progetti stradali, ponti e autostrade. Linee di pendenza, strutture di drenaggio e altre caratteristiche autostradali sono progettate con piani di base esistenti noti e prospetti finali o piani di progettazione. Le sezioni preliminari e finali determinano anche le quantità volumetriche. Inoltre, elevazioni accurate sono fondamentali per garantire l’affidabilità della mappatura fotogrammetrica e dei prodotti ortofoto di numerosi software fotogrammetrici.
Data la sua importanza in tutte le altre fasi dello sviluppo del progetto, si stabiliscono le misure verticali in un punto di controllo, noto come GCP. A causa del notevole effetto a valle di misurazioni verticali imprecise, questo è un componente critico della pre-costruzione tabe la riduzione dell’errore risultante è della massima importanza.
Nell’accuratezza della misurazione lineare delle piattaforme DJI Drone Platforms e della fotogrammetria, abbiamo dimostrato che l’uso di un Phantom 4 Pro con GCP produrrebbe un margine di errore di circa lo 0,64%. Utilizzando un phantom 4 RTK, siamo stati in grado di produrre un margine di errore di circa lo 0,27% rispetto alle misurazioni del “mondo reale”. Nella Tabella 2 sottostante, confrontiamo la precisione del P4 RTK con il P4 Pro.
Le misurazioni RTK sono entro 1,09 cm, o 0,10%, delle misurazioni P4 Pro elaborate con GCP. Questi risultati mostrano che usando un drone RTK Phantom 4, un utente può aspettarsi, in media, una precisione di 1,09 cm sulle mappe elaborate RTK con un software di fotogrammetria, rispetto a mappe simili pilotate con Phantom 4 Pro ed elaborate con GCP.
L’accuratezza della misurazione lineare è una metrica importante da considerare a causa delle sue applicazioni nel mondo reale. Esaminare l’accuratezza orizzontale e verticale di un singolo punto risulta immediato. Ma in molti progetti di edilizia civile che includono linee di pendenza, drenaggio lungo una strada, volumetria delle scorte o aree di materiale, dobbiamo considerare l’accuratezza della misura di una distanza.
Questo processo implica la comprensione del cambiamento di accuratezza quando si misura la variazione tra i punti. Ad esempio, una precisione orizzontale o verticale di ± 2 cm potrebbe equivalere a una precisione di misurazione lineare di ± 4 cm tra 2 punti. Ciò fornisce una comprensione più tangibile di come l’accuratezza possa influenzare le misurazioni di una strada, un ponte, un’autostrada o un altro progetto di costruzione civile.
Una volta elaborate le mappe attraverso l’apposito software, le distanze di controllo sono state taggate e misurate utilizzando gli strumenti di misurazione del software stesso. Il confronto tra le misurazioni della mappa P4 RTK e le misurazioni del mondo reale è riportato nella Tabella 1.
L’errore medio per le mappe RTK P4 è risultato di 3,65 cm, ovvero circa lo 0,27% delle misurazioni del mondo reale. Per fare un confronto, usando GCP un utente può aspettarsi una precisione di 3 cm. La stessa che si potrebbe aspettare utilizzando un’unità GPS, come ad esempio un Trimble Catalyst.
Osservando esclusivamente la precisione XY dei punti di controllo, P4 RTK offre una precisione orizzontale relativa di 1,2 cm. Questi risultati mostrano che usando un drone P4 RTK , un utente può aspettarsi, in media, una precisione di misurazione lineare di 3,65 cm su mappe elaborate RTK in DroneDeploy. NB: nel mondo reale le misurazioni si sono prese usando un metro a nastro.
In totale sono stati effettuati cinque voli di fotogrammetria 2D e cinque 3D utilizzando l’app DJI GSR con la P4 RTK. I risultati di questo studio sono riportati nella Tabella 4 che si trova di seguito. L’errore di misurazione lineare medio per i voli 2D era di circa 3,57 cm (o 0,26%). L’errore di misurazione lineare medio per i voli 3D invece di circa 3,73 cm (o 0,28%). Con un margine di errore di 0,16 cm tra i voli 2D e 3D, non abbiamo una variazione significativa nella precisione della misurazione lineare. Quando si vola con P4 RTK per missioni ad alta precisione, la scelta tra modalità 2D e 3D dipende esclusivamente dalle esigenze dell’utente. Per le superfici orizzontali in generale è più idoneo il volo in 2D, mentre il volo in 3D risulta più indicato per edifici o altri oggetti alti.
Abbiamo scoperto che:
Il grado di accuratezza che ci si aspetterebbe da alcuni progetti dipende dall’applicazione finale e dall’uso per la quale si deve effettuare l’indagine. L’accuratezza accettabile potrebbe essere di 30 cm o più dalla posizione rilevata. In alcuni progetti, l’errore massimo accettabile potrebbe essere di 5-7 cm o meno. Secondo noi, è responsabilità del tecnico in questione conoscere i requisiti di accuratezza del sondaggio. Ciò è fondamentale per poterli confrontare con l’accuratezza del proprio ricevitore e con l’accuratezza delle informazioni di correzione (in base alla qualità e alla posizione della correzione).
Oggi le aziende possono raggiungere una precisione orizzontale relativa inferiore a 3 cm utilizzando i metodi di rilevamento tradizionali. Ciò consente loro di eseguire sondaggi accurati, offerte, operazioni di classificazione e gestione di progetti su larga scala con facilità. La maggior parte delle mappe di rilevamento tradizionalmente forniscono una precisione inferiore a 3 cm nel piano e una precisione di circa 9 cm in elevazione. Abbiamo dimostrato che Phantom 4 RTK è in grado di fornire una precisione relativa verticale di 2 cm e una orizzontale di 1,20 cm una volta post-prodotte le immagini del rilievo.
Sulla base di questi risultati, si consiglia di utilizzare Phantom 4 RTK per creare mappe accurate per la misurazione delle distanze punto-punto. Non solo il professionista può ottenere risultati accurati, ma l’utilizzo di P4 RTK consentirà di ridurre i costi di manodopera, hardware e software. Ciò comporta anche vantaggi per i nostri clienti, che ottengono tempi di analisi più rapidi, una più efficace collaborazione e una maggiore sicurezza in cantiere. Si raccomanda comunque l’uso di alcuni punti di controllo di controllo a terra (1-2 GCP) per garantire l’accuratezza e la verificabilità di qualsiasi misurazione.