Využití RPAS pro mapování a monitoring

Úvod

Článek navazuje volně na základní informace o RPAS z článku „Drony všude nad námi“ a „Zpracování dat RPAS a jejich využitelnost ve stavebnictví“ (Pavelka, 2016). Následující text je věnován obecně mapování a pracím spojeným s dokumentací či monitorováním plošných oblastí. Využití je zejména pro geodézii, katastru, archeologii, zemědělství a lesnictví. Pro plošné větší celky lze úspěšně aplikovat RPAS ve formě okřídlených systémů, také jejich legislativní využití zejména v extravilánu je mnohem snazší. Okřídlené systémy potřebují větší prostor pro start i přistání, jsou obecně bezpečnější, neboť u nich z principu letu nehrozí kolmý pád, jako u multirotorových systémů či přímo vrtulníků a řada využívá též bezpečné tlačné vrtule.

Velkoměřítkové a tematické mapování

Významnou částí současné profesionální fotogrammetrie je tvorba přesného digitálního modelu terénu či povrchu a tvorba bezešvé ortofotomozaiky. RPAS provádí stejnou službu obdobnou technikou, avšak pro tyto účely se využívají obyčejné kompaktní fotoaparáty, které jsou přímo řízené patřičným letovým software a měření se provádí z nízkého náletu pro relativně malá území. Jak již bylo řečeno, kvalita obrazu není běžně příliš vysoká, pořizují se stovky snímků s velkým překrytem a pro finální výstup v podobě ortofota se využívají z tohoto důvodu obyčejně jen centrální části snímků, které bývají ostré a relativně málo zkreslené. Geometrické rozlišení (velikost pixelu) je oproti profesionálním fotogrammetrickým leteckým zařízením vyšší, může u multikoptér dosáhnout až velikosti pixelu kolem 1 cm. Pro okřídlené systémy je limitující pro geometrické rozlišení rychlost letu a rychlost ukládání snímků – oproti multikoptérám, které se pohybují pomalu či dokonce mohou „viset“ nad územím, při nízkém náletu ve výškách pod 100 m je nutno pro udržení požadovaného překrytu provádět snímkování velmi rychle, což ne vždy je technicky možné; dále jsou často snímky při nízkých náletech díky rychlému relativnímu pohybu nad objektem neostré. Proto je geometrické rozlišení pro okřídlené systémy obyčejně limitováno cca 3 cm a běžně se užívá 4–5 cm. Nutno upozornit, že geometrická rozlišovací schopnost nehovoří o polohové přesnosti vytvořeného ortofota. Širší veřejnost obyčejně zaměňuje geometrickou rozlišovací schopnost (velikost pixelu) s „přesností“, tj. s umístěním pixelu v geodetickém či zeměpisném referenčním rámci (souřadnicové soustavě), která bývá vyjadřována střední polohovou chybou středu pixelu. Dobře referencovaná obrazová data mají chybu pod 2/3 velikosti pixelu. Tato hodnota je dána kvalitou snímků, překryty snímků, přesnou znalostí prvků vnitřní orientace komory, znalostí průběhu distorzí objektivu, použitým zpracovatelským software a zejména kvalitou vytvořeného či použitého digitálního modelu povrchu. Z tohoto důvodu může být často výsledek z obyčejně levnějších typů RPAS zklamáním. Kvalita obrazu i polohová přesnost mnohdy zaostávají za předpoklady.

Katastr nemovitostí a RPAS

Obr. 1: Ortofoto z RPAS s velikostí pixelu 4 cm sloučené s katastrální mapou, zimní pohled na zahrádkářskou kolonii (J. Šedina, E.Hausarová, 2015)

Katastr nemovitostí – tedy jeho mapová část – se u našich podmínkách vede velmi přesně na základě přesných geodetických metod. V sedmdesátých letech minulého století probíhal intenzivní výzkum využití fotogrammetrie právě pro katastrální mapování. I když se nakonec podařilo s tehdejšími technologiemi splnit částečně přesnostní požadavky, vzhledem k vysoké pracnosti (nutná předsignalizace podrobných bodů) a brzkému nástupu výkonnější terénní geodetické techniky nebyla letecká fotogrammetrie pro katastr nasazena. Po roce 2000 se začala velmi rychle rozvíjet digitální letecká fotogrammetrická technologie, k dispozici byly přesné inerciální systémy, které díky GNSS a IMU (inertial measurement unit) umožňují přímo za letu poměrně přesně měřit prvky vnější orientace letecké fotogrammetrické komory. Fotogrammetrie se až na výjimky stereoskopického vektorového vyhodnocení prakticky plně zautomatizovala. To opět navodilo otázky využití pro katastrální mapování; v současné době s novými technologiemi jsme opět v oblasti výzkumu z hlediska přesnosti a ekonomičnosti leteckých metod pro katastr. Vzhledem k tomu, že kompletní nové celostátní katastrální mapování prozatím není v dohledu z důvodu finančních i společensko-ekonomických, uvažuje se o nasazení leteckých metod jen pro menší oblasti nebo projekty pozemkových úprav. A zde se nabízí otázka, jestli nevyužít právě RPAS. Využitelnost RPAS v oblastech tematického mapování má jistě svoje výhody a svoji budoucnost; nasazení pro katastr nemovitostí je otázkou efektivity a záleží zejména na typu území. Pro tvorbu podrobného ortofota a jako podklad velkoměřítkových mapových děl jsou výstupy RPAS použitelné, pro potřeby katastru nemovitostí mají určité nedostatky a prozatím nedokáží plně nahradit metody klasické geodézie, zejména přesností a unifikací výsledků (téměř každý RPAS je jiný a má jiné kvalitativní parametry) a samozřejmě také díky limitům pro použití, danými zápojem a zastíněním vegetací, překrytem střech a běžně neviditelnými hranicemi pozemků. Přesto lze předpokládat, že RPAS budu pro katastr alespoň doplňkově využívány; je možné, že najdou více využití při pozemkových úpravách díky možnostem zjišťovat kvalitativní informace o území (na základě měření termálních, infračervených, multispektrálních či hyperspektrálních snímačů). Zde se jistě dočkáme významného výzkumu v nejbližších letech.

Obr.2: Archeologická lokalita Březno u Loun, infračervené ortofoto, RPAS EBee, K. Pavelka, 2014

Archeologie

Využití RPAS pro dokumentaci a průzkum archeologických lokalit je moderní archeologickou praxí. Zde je jen nutno předem definovat lokalitu – v případě malých archeologických lokalit, které se fyzicky zkoumají, bývá průběžná dokumentace pomocí malých RPAS velmi ekonomická a rychlá – obyčejně se jedná o odkryvy v ploše maximálně arů. I když by k těmto činnostem asi stačily i hobby modely, charakter prací je jasně v rámci Doplňku X a měl by být proto použit certifikovaný RPAS. Jinou možností je neinvazivní průzkum potenciálních či známých archeologických lokalit za účelem výzkumu či průzkumu. Zde se využívají profesionální systémy, vybavené širokou škálou specializovaných měřicích zařízení, jako jsou infračervené kamery, multispektrální či hyperspektrální kamery. Pomocí metod dálkového průzkumu Země, vegetačních, půdní ch či terénních příznaků lze vyhledávat nové možné archeologické lokality.

Obr. 3: Obrys archeologického objektu, snímek v infračervené a viditelné oblasti spektra, RPAS EBee, K. Pavelka, 2014

Obr. 4: Detekce zaniklého polního opevnění předsunutého Labského předmostí u Litoměřic; digitální model povrchu (DMP), rozdílový DMP v barevné škále (zvýrazňující terénní rozdíly) a jeden z originálních snímků, pořízený v blízké infračervené oblasti

Monitoring stavu vegetace

Monitorování vegetace je častým využitím profesionálních systémů RPAS, jedná se o typickou úlohu dálkového průzkumu Země. Pro kvalitní monitorování vegetace je třeba využít adekvátní přístrojovou techniku, obyčejně nestačí jen využití klasické digitální kamery, předpokládá se minimálně sledování v blízkém infračerveném pásmu pro tvorbu vegetačních indexů, existují i multispektrální či hyperspektrální systémy.

Velmi populární je dnes tzv. „precizní zemědělství“ (precision farming). K tomu je třeba využít multispektrální či hyperspektrální kameru nebo speciální kameru, pořizující data v oblasti tzv. „red edge“ či umožňující tvorbu NDVI. Tato oblast elektromagnetického spektra je citlivá na stav vegetace. Laboratoř fotogrammetrie FSv ČVUT v Praze je vybavena všemi uvedenými senzory pro okřídlený systém EBee.

Případová studie – monitorování Božídarského rašeliniště

Zcela jistě je významné využití RPAS v nepřístupných oblastech. To mohou být oblasti nebezpečné ekologicky, vojensky či technicky nebo oblasti nepřístupné z různých jiných důvodů, např. z důvodů ochrany cenného a citlivého území.

Božídarské rašeliniště bylo vyhlášeno v roce 1965 a znovu projednáno v roce 1987 na ploše cca 1000 ha. Leží v Karlovarském kraji nedaleko města Boží Dar na hranicích s Německem v Krušných horách. Jedná se o horskou oblast s nadmořskou výškou 945–1115 m n.m. s dominantním vrchem Špičákem. Cílem ochrany národní přírodní rezervace je unikátní fauna a flóra horského mokřadu. Oblast byla v minulosti hospodářsky využívána jednak pro intenzivní těžbu rašeliny, jednak již dříve pro činnosti související s důlní činností (vodohospodářské úpravy a těžba dřevní hmoty; v oblasti je kupř. veden historický Blatenský příkop, vystavěný kolem r. 1540 z důvodu zásobování hamrů vodou). Touto činností byla oblast značně poškozena, asi nejdůležitější byla snaha o odvodnění celého mokřadu. Současná snaha je zcela opačná, staré odvodňovací kanály byly dřevěnými konstrukcemi přehrazeny na mnoha místech s cílem zadržet v oblasti vodu a udržet místní mokřadní charakter. Celá oblast je nepřístupná technicky (jedná se o rašeliniště), v oblasti je kupř. vytvořena turistická zpevněná trasa.

Naše případová studie je zaměřena na možnosti monitorování stavu vegetace části rezervace v různých vegetačních obdobích a sledování stavu odvodnění / zavodnění oblasti. Prozatím existují podrobná ortofota z let 2014 a 2015 v oblasti viditelné části spektra i infračervené části spektra, vytvořen byl též vegetační index NDVI. Cílem je ukázat výhody nízkonákladového a velmi podrobného monitorování složek životního prostředí.

Obr. 5: Ortofotomozaika části Božídarského rašeliniště, blízké infračervené záření (J. Šedina, K. Pavelka, 2014)

Obr. 6: Ortofotomozaika části Božídarského rašeliniště, viditelná oblast spektra (J. Šedina, K. Pavelka, 2014)

Obr. 7: Tvorba vegetačního indexu NDVI, který popisuje kondici vegetace v určitém čase (změny 2014 květen, červen, srpen a 2015 srpen, J. Šedina, K. Pavelka, 2014)

Obr. 8: Ortofotomozaika části Božídarského rašeliniště, detail původního odvodňovacího systému (J. Šedina, K. Pavelka, 2014)

Sledování lesní těžby a postupu prací

Obr. 9: Snímek z RPAS, zachycující postup a rozsah těžby dřeva, jaro, zbytky sněhu (K. Pavelka, 2015)

Obr.10: Snímek z RPAS, zachycující postup a rozsah těžby dřeva; postupný úklid klestu (K. Pavelka, 2015)

Je logické, že sledování velkých zalesněných oblastí je výhodnější pomocí klasického leteckého snímkování (fotogrammetrie) nebo pomocí dálkového průzkumu Země, než pozemním měřením. Pro malé oblasti a lokální těžbu je ekonomicky výhodné využít právě RPAS. Sledování lokální těžby je velmi jednoduché a finančně nenáročné, lze prakticky i spočítat jednotlivé stromy a při známé průměrné výšce i odhadnout kubaturu. Zde je jistě možno najít mnoho budoucích aplikací. Nadhled na lokalitu z výšky nesporně přináší užitek z hlediska dokumentace postupu prací; může sloužit i pro kontrolu činností, vyhledávání odumřelých či napadených stromů, sledování výšky porostu aj.

Obr. 11: Detail digitálního modelu povrchu v lesním porostu – definovat lze poměrně přesně výšky porostu (J. Šedina, K. Pavelka, 2015)

Zcela nové možnosti pro RPAS dávají nová profesionální zařízení z oblasti dálkového průzkumu Země. Jedná se o multispektrální či hyperspektrální kamery, termální kamery a různé infračervené kamery, zaměřené na monitorování zejména stavu vegetace. S úspěchem je ale můžeme využít i pro jiná odvětví, např. pro definování vegetačních příznaků v oblasti letecké archeologie.

Obr. 12: Ukázka dat z multispektrální čtyřkanálové komory Multispec 4C, SenseFly (green 550 nm, red 660 nm, red edge 735 nm, NIR 790 nm)

Obr. 13: Ukázka dat z termálního snímače Thermoimager (SenseFly), rozlišení 640×512 pixelů. 12 bit.

Poslední studie některých firem (Topcon, Trimble) posouvají metody RPAS dál a eliminují zmiňovaný nedostatek překrytů střech použitím objektivů se zorným úhlem nad 100 stupňů a snímkováním v předjarním období.

Výzkum a výsledky v tomto článku byly podpořeny grantem MKČR DF13P01OVV002.

Literatura

1. Aber, J., Marzolff, I., Ries, J. 2010, Small-Format Aerial Photography Principles, techniques and geoscience applications. 1^st ed. Amsterdam: Elsevier Science,. ISBN 0444532609, pp 268.
2. Eisenbeiss, H. UAV Photogrammetry. Curych,. DISS. ETH NO. 18515. ETH Curych, 2009.
   http://www.igp-data.ethz.ch/berichte/Blaue_Berichte_PDF/105.pdf
3. Pavelka, K. – Řezníček, J. – Faltýnová, M. – Matoušková, E.: RPAS as a tool for the monitoring of a natural reserve. 14^th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2014, Conference Proceedings vol. III. Sofia: STEF92 Technology Ltd., 2014, p. 291–298. ISSN 1314-2704. ISBN 978-619-7105-12-4.
4. Pavelka, K. – Řezníček, J. – Matoušková, E. – Faltýnová, M.: RPAS as a tool for the researcg, documentation and monitoring. Proceedings of the 35^th ACRS conference. Nay Pyi Taw: ACRS 2014, 2014, ISBN 978-99971-0-128-0.
5. Pavelka, K. – Šedina, J.: Creating of DSM based on RPAS measurement and accuracy testing. Surface Models for Geosciences. Cham: Springer International Publishing, 2015, p. 173–188. ISSN 1863-2351. ISBN 978-3-319-18406-7.
6. Pavelka, K. – Řehák, M.: Using of UAV for photogrammetry and thermal imaging. In Proceedings of ACRS 2012. Chang Wattana Road, Bangkok: Asian Association of Remote Sensing (AARS), 2012, vol. 1, p. 2344–2350. ISBN 978-1-62276-974-2.
7. Puschel, H. 2009, Set up of a photogrammetric test field for UAV-platforms. Zurich, ETH Zurich. Master thesis. http://www.igp.ethz.ch/photogrammetry/people/photogrammetry/people/dnovak/projects_david/UAV_Testfield_klein.pdf
8. Remondino, F. UAV Photogrammetry for mapping and 3D modelling: Current status and future perspectives. 2011. http://www.isprs.org/proceedings/XXXVIII/1-C22/papers/remondino.pdf
9. Rijsdik, M., Hinsbergh, W. H. M van, Witteveen, W., BuurenN, G. H. M., Schakellar, G. A., Persie, M. van, Ladiges, R., Unmanned aeriel systems in the process of juridical verification of cadastral border, International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-1/W2, 2013, UAV-g2013, 4–6 September, Rostock, Germany
10. Řehák, M.: 2012, Využití UAV. FSv ČVUT, diplomová práce
11. Řezníček, J. – Straková, H.: Documantation of dumps and heaps by use of UAV. Geoconference on informatics, geoinformatics and remote sensing, konference proceedings. VOL II. Sofia: STEF92 Technology Ltd., 2013, vol. 2, p. 151–158. ISSN 1314-2704. ISBN 978-619-7105-01-8.
12. Šafář, V., Dálkově pilotované letecké systémy a Návod pro obnovu katastrálního operátu a převod, Sborník Workshop RPAS a studentské vědecké konference, Telč 2014, ISBN 978-80-01-05647-9
13. Šedina, J. – Pavelka, K. – Housarová, E.: Examples of using RPAS. Interdisciplinarity in Theory and Practice. 2015, vol. 2015, no. 7, p. 237–242. ISSN 2344-2409.
14. Šedina, J. – Pavelka, K. – Housarová, E.: Using RPAS for different works. In International Conference on Engineering Sciences and Technologies. Košice: Technical University of Kosice, 2015, vol. 1, ISBN 978-80-553-2042-7.
 
Komentář recenzenta Ing. Václav Šafář, Výzkumný ústav geodetický, topografický a kartografický Zdiby

Třetí část seriálu směruje popisem případových studií do nejvýznamnější části využití RPAS v současné profesionální fotogrammetrii – tedy ve prospěch podrobného technického mapování a mapování v katastru. Stranou neponechává ani monitoring situací, stavů a kontinuální kontroly objektů ve výstavbě, nebo naopak jejich sledování v průběhu jejich životnosti, což například při skládkování sypkých matariálů, jako je popílek, výsypky a další prostory, do kterých je vstup poměrně problematický, se jeví jako jeden z nemnoha efektivních a bezpečných systémů pro určení stavu a kubatury materiálu v daném prostoru skládky.
Autor uvádí výhody a nevýhody letových systémů (s křídly a rotory). Upozorňuje na některé vžité představy neodborných uživatelů, kteří zaměňují geometrickou rozlišovací schopnost a polohovou přesnost vytvořeného ortofota. Upozorňuje i na to, že z důvodu nekvality primárních snímků mohou být výsledky z levnějších typů RPAS zklamáním.
Velmi podrobně je posuzována problemtaika využití prstředků RPAS v podmínkách katastru, včetně krátkého historického exkurzu do nedávné historie sedmdesátých a osmdesátých let. V další části se autor soustředí na hodnocení efektivity prací v katastru a možnosti využití RPAS prostředků a konstauje smutnou pravdu, že kompletní celostátní katastrální mapování je v nedohlednu a dává tak šanci v rámci komplexních pozemkových úprav (které jsou řízeny SPÚ) použít pro menší oblasti technologie RPAS. S konstatováním autora o nedostatcích RPAS pro použití v katastru však lze polemizovat. Posledni studie firem (Topcon, Trimble) posouvají metody RPAS dále a eliminují zmiňovaný nedostatek překrytů střech použitím objektivů s FOV nad 100 stupňů a snímkováním v předjarním období.
Použití odborné terminologie ve správném poměru s výrazy obecné češtiny, není v případě této série článků na závadu. Důsledné použití odborné terminologie by velmi pravděpodobně znamenalo, že relativně laická čtenářská obec stavbařů, by nedočetla ani první stránku textu. Série těchto tří článků je velmi dobrým krokem k informování stavbařské veřejnosti o reálném stavu RPAS v současné praxi s naznačením výhledů do budoucnosti. Domnívám se, že další články by měly následovat po listopadu tohoto roku – s vydáním kolem 03/2017, neboť legislativní evropský proces by měl mít za sebou další významný krok.

English Synopsis

The paper focuses on use of RPAS (Remotely Piloted Aircraft System) for mapping and monitoring in general, including cadastral surveying as well as agriculture and forestry applications. For this purpose winged aircraft systems with a longer flight endurance and precise flight planning are often used. Outputs are suitable for applications in the field of photogrammetry and remote sensing.