Zpracování dat RPAS a jejich využitelnost ve stavebnictví

Úvod

Článek navazuje volně na základní informace o RPAS z článku „Drony všude nad námi“ (Pavelka, 2016). V současné době existuje pro tzv. „drony“ několik užívaných zkratek. Starší UAV (unmanned aerial vehicle, tj. vlastní letecký prostředek) či UAS (unmanned aerial system, tj. vlastní letecký prostředek včetně dalších zařízení jako řídícího segmentu, plánování trasy apod.) se poměrně vžily, novější a přesnější výraz RPAS (remotly piloted aircraft system) je sice složitější, ale lépe vystihuje vlastní zařízení, tj. jedná se o dálkově pilotovaný prostředek, za jehož provoz existuje zodpovědná osoba.

Využití RPAS („dronů“)

Využití RPAS je závislé na jeho typu, charakteru snímaného objektu či plochy a právních předpisech. Okřídlené systémy jsou vhodnější pro kolmé snímkování či tvorbu videa, hodí se na větší oblasti a jejich uplatnění je zejména při mapovacích technologiích a monitorování větších oblastí. Multirotorové systémy mohou pomalu oblétat objekty, „viset“ ve vzduchu nad určitým bodem a vzhledem k letové výdrži se hodí na menší oblasti a stavební objekty. Legislativa platí pro oba typy stejná. Levné typy RPAS jsou nejčastěji využívány pro tvorbu videa nad daným územím.

Programování letu a zpracování dat

Významnou součástí celého procesu využití RPAS je samozřejmě zpracovatelský a řídící software. Toho je dnes mnoho druhů, logicky různé kvality, ceny, výkonnosti a přesnosti výsledků. Zde je nutno dělit software na ovládání RPAS a provedení samotného snímkového letu a software pro zpracování obrazových dat.

Pro plánování letu je vhodné využít firemní software, dodávaný s profesionálním systémem, kupř. eMotion od SenseFly k RPAS EBee. Ten vyniká jednoduchým použitím a skutečně profesionálním přístupem k mapovacím pracím s RPAS. Plánuje snímkový let a asistuje při jeho provedení; na externím notebooku ukazuje všechny nutné informace i meteorologické parametry během letu. Existují samozřejmě ale i jiné řídící programové produkty, např. Pixhawk autopilot, PX4 Flight Stack či APM Flight Stack.

Obr. 1: Letový panel software eMotion (SenseFly) ukazuje všechny parametry letu, trajektorii, stav baterií, směr větru, kvalitu přenosového signálu na podkladě družicového nebo leteckého ortofota.

Obr. 2: Letový panel software eMotion (SenseFly) používá také volný digitální model terénu, pokud je k dispozici.

Pro zpracování dat existuje skutečně dnes již velký výběr software. Naše zkušenosti jsou pouze s vybraným softwarem, obecně a nejčastěji je dnes využíván software AgiSoft PhotoScan (ten je určen obecně pro tvorbu prostorových modelů ze souboru fotografií technologií IBMR – Image Based Modelling and Rendering na základě obrazové korelace). Z profesionálního software lze jmenovat Pix4D, 3DF Zephyr, Ikaros, Aerogis, Dronemapper aj., které lze doporučit z fotogrammetrického hlediska, existuje i volný (free) software v podobě software Insight 3D či kupř. Bundler. Porovnání software se zabývala a stále zabývá řada autorů (Řehák, 2012).

Zkušenosti laboratoře fotogrammetrie, FSv ČVUT v Praze

Obr. 3: EBee od firmy SenseFly

RPAS s názvem EBee od firmy SenseFly je klasické letadlo s odnímatelnými křídly a tlačnou vrtulí. Umožňuje automatický snímkový let s dobou letu až 40 minut. K dispozici jsou různé kamery pro viditelné a blízké infračervené záření, vyráběna je multispektrální a termální kamery (před letem je nutno vybrat ovšem jen jednu vzhledem k nosnosti prostředku). Využití je široké – od klasického mapování, tvorby ortofota s vysokým rozlišením (velikost pixelu až 3 cm), tvorby velmi přesného digitálního modelu povrchu až po monitorování stavu vegetace (např. pomocí vegetačního indexu NDVI). Obecně lze ale říci, že se jedná o mapovací a monitorovací systém pro plošný sběr dat, který může s úspěchem konkurovat letecké či družicové fotogrammetrii v malých územích (nutno poznamenat, že geometrické rozlišení družicových dat je dnes již v extrémním případě 31 cm (!), běžně 50 cm a u leteckých dat je běžná velikost pixelu 10–25 cm).

Obr. 4: Hexakopter

RPAS Hexakopter je produkt německé firmy Mikrokopter. Šeštivrtulová verze je schopna nést i klasickou digitální zrcadlovku, typický let je kolem 15–20 minut podle vybavení. Do zavěšené otočné přístrojové plošiny lze umístit digitální kameru, pořizovat šikmé i svislé snímky, pořizovat video. Využít lze ale i multispektrální komoru (R,G,B,NIR – Tetracam) či miniaturní termokameru (např. Optris ThermoImager TIM) a další. Multikoptéry jsou vhodné pro menší plošné oblasti, např. archeologické vykopávky menšího rozsahu, stavební objekty, revize objektů, památková péče, monitorování elektrického vedení, přehrad, věží aj. (pozor, téměř vše je ale v rozporu s Doplňkem X pro využití RPAS v ČR). Nicméně, tyto možnosti využití jsou standardně nabízeny a ukazovány na všech světových odborných akcích.

Následující příkladové studie jsou z oblasti stavebnictví, památkové péče, dokumentace a monitorování staveb. Popisují využití multikoptér na starších projektech; v současnosti je jejich využití pro tyto práce v některých případech problematické z důvodu platnosti předpisů pro využití RPAS v ČR (od 1. 3. 2012 platí Doplněk X), pokud se jedná o veřejný prostor.

Průzkum a dokumentace stavebního objektu

Tento typ projektů či prací je typický pro multirotorové systémy. Startovat lze z velmi malé oblasti, let může být pomalý a svislý, což je ideální předpoklad pro monitorování stavu stavebních a technologických objektů. Jak ale vyplývá z „Doplňku X“, plošně mapovat či monitorovat hustě zastavěná území nelze. Přesto je při zajištění relativně malého okolí letové oblasti let bezpečný a monitorovací práce jsou ekonomické a rychlé. Je tedy alespoň nutno zajistit blízké okolí a dohodnout se na podmínkách se správcem či vlastníkem objektu.

Jako příklad lze uvést monitorování špatně přístupných částí historického objektu. Při dokumentaci stavu fasády byla provedeno fotogrammetrické zaměření jednotlivých fasád, které předpokládá určitý odstup od objetu pro vhodné snímkování. V případě, že fasáda je těsně přimknuta k jiné stavbě, v okolí je množství vzrostlé vegetace či vrchní část je (např. z důvody přečnívající římsy) neviditelná, je využití RPAS přínosné. Stavba lešení a či příjezd plošiny jsou buď příliš drahé a pomalé nebo i technicky neproveditelné.

Obr. 5: Hexakopter při monitorování nepřístupné části fasády, zámek Litomyšl, foto K. Pavelka, 2011.

Obr. 6 : Ukázka snímku z dokumentačního letu; snímkování zdola špatně viditelných oblastí bylo provedeno v několika minutách, nebylo potřeba lešení a příjezd plošiny do parkové části areálu. Zámek Litomyšl, foto K. Pavelka, M. Řehák, 2011.

Častou úlohou je tvorba videa pro účely PR, reklamy či jednoduchou vizuální kontrolu vrchní části budovy.

Obr. 7: UCEEB, ČVUT v Praze, snímky, pořízené za účelem PR do dokončení objektu; hexakopter, foto a video B. Michalík a K. Pavelka, 2014.

Mapování skládek

Skládky jsou různé povahy, některé jeví významnou termální aktivitu díky typu materiálu a procesům uvnitř skládky, jiné jsou termálně neaktivní, ale mohou ohrozit životní prostředí. Sledování kubatury, charakteru skládky, vlivu na okolní objekty a území jsou klasické úkoly právě pro RPAS – jedná se o relativně malé lokality, často špatně přístupné či nebezpečné. Několikaminutový let nad takovýmto objektem zajistí velmi jednoduše kontrolu území.

Na následujících obrázcích je ukázka jednoduché dokumentace skládky pomocí kamery s nízkým grafickým rozlišením (běžné video). Video bylo upraveno do jednotlivých snímků s intervalem jedné vteřiny, oblast skládky byla zpracována pomocí software AgiSoft PhotoScan do podoby texturovaného modelu a ortofota. V detailu je ale vidět, že kvalita výstupu z videa není dostatečná pro profesionální využití. Další obrazové výstupy skládky u Žacléře byly pořízeny profesionálním systémem, který garantuje výrazně lepší výsledky zejména díky kvalitní kameře.

Obr. 8: Skládka modelovaná pomocí snímků z videokamery (H. Straková, K. Pavelka, 2013)

Obr. 9: Ortofoto skládky z snímků, odvozených z videa (H. Straková, K. Pavelka, 2013)

Obr. 10: Detail horního pravého rohu předešlého obrázku jasně ukazuje chyby v ortofotu (zvlnění budov, šikmý komín aj.), které jsou způsobeny nekvalitními snímky (běžné video) a z nich odvozeným nepřesným digitálním modelem povrchu (H. Straková, K. Pavelka, 2013)

Monitorování termální aktivity

Monitorování termální aktivity objektů či areálů patří již delší dobu k běžným technologiím. Termální kamery ale mají poměrně malé rozlišení a byly v nedávné době značně hmotné a velmi drahé. Poslední léta přinesla výrazné snížení cen tepelných detektorů, které vedly ke snížení ceny, zmenšily se též kompletní kamery, které dnes mohou být velikosti krabičky od zápalek. I když jsou cenově dostupnější, stále stojí přes sto tisíc Kč; běžně ale pracují jako klasické video-kamery. Pořizují tedy videozáběr, který je nutno dále zpracovat. Pokud se požaduje jen přehlídky a monitorovaného objektu či dokumentační obrázky, není obyčejně se zpracováním problém. Pokud má být ale výsledkem kupř. termální tematická mapa, zpracování není jednoduché. Videozáběry je nutno zpracovat do souboru snímků, které se ve fotogrammetrickém programu dají zpracovat do formy ortofota. Bohužel, většina programových produktů, pracujících na bázi obrazové korelace, potřebuje pro kvalitní zpracování značný překryt snímků a vysoké rozlišení, což u termálních snímků není běžné. Dále nastává problém s georeferencováním dat; vlícovací body se špatně vytváří jako umělé cíle, vyhledání přirozených vlícovacích bodů není jednoduché kvůli nízkému rozlišení a odlišnému pohledu. Pokud RPAS není vybaven RTK GNSS systémem a možností přihrávání polohových a orientačních dat k videodatům, je jistou možností buď přidat do systému menší RGB kameru, nebo provést další let s klasickým digitálním fotoaparátem.

Obr. 11: Detailní pohled na šikmo umístěnou termální minikameru Optris TIM 160 (160×120 pixelů) a malou RGB kameru pro lokalizaci a videonáhled trasy, oktokopter. Foto M. Řehák, 2012.

V roce 2012 se podařilo pomocí kombinace RGB dat z rekognoskační kamery a termální kamery vytvořit i termální orotofoto tepelně aktivní skládky v Žacléři. Zde se ukázaly výhody bezkontaktního monitorování nepřístupné či špatně přístupné lokality. Jinou možno stí je klasická přehlídka tepelných úniků staveb, která ale legislativně naráží na nemožnost létat nad hustě zastavěnou oblastí. Další, v současné době velmi žádaná aplikace, je monitorování slunečních panelů a jejich celků pomocí termální kamery (detekuje vadné části panelů či celé vadné panely), monitorování výrobních hal z hlediska úniků tepla apod.

V současné době jsou dostupné malé termovizní kamery Optris s dvojnásobným rozlišením a třetinovou cenou oproti roku 2010; ve verzi pro RPAS jsou vybaveny i miniaturním počítačem. Celková váha systému činí asi 450 g. V roce 2015 se podařilo pořídit kvalitní odlehčenou termální kameru Thermoimager i pro okřídlený systém EBee s rozlišením 640×512 v 12bitové podobě dat. Technický pokrok jde velmi rychle kupředu, otázkou je, kde na to vše shánět finance…

Obr. 12: Výsledky monitorování termální aktivity skládky Žacléř. Výsledkem bylo ortofoto, digitální model reliéfu a první zveřejněné termální ortofoto. M. Řehák, H. Straková a K. Pavelka, 2012.

Obr. 13: Sloučení termálních dat s klasickým snímkem, pořízeným ve viditelném oboru spektra (skládka Žacléř, M.Řehák, 2012)

Obr. 14: Ukázka 3D modelování stavebních objektů z termovizní kamery Optris TIM 160 s nízkým rozlišením (H. Straková, K. Pavelka, 2013)

Obr. 15: Termální snímek, ukazující tepelné úniky ze staveb (hexakopter, Optris TIM 160), Řehák, 2013

Obr. 16: Skládka Žacléř. Ortofotomozaika, RPAS hexakopter, použita středně kvalitní kompaktní kamera Canon. M. Řehák, H. Straková a K. Pavelka, 2012.

Obr. 17: Skládka Žacléř. Přesný digitální model povrchu. M.Řehák, H.Straková a K.Pavelka, 2012.

Obr. 18: Digitální prostorový model texturovaný termálním ortofotem, zobrazený v software 3D Builder, který umožňuje prohlížení prostorového modelu a jeho vizualizaci a slouží i pro možný 3D tisk objektu (M. Řehák, K. Pavelka, 2013)

Zde je vhodné uvést odkaz na velmi užitečnou pomůcku – speciální program MAIA, který v prostředí mobilů (Android), tabletů a dalších prostředků podává v každém okamžiku přehled o všech omezeních, vyhlášených řízením leteckého provozu o aktivovaných prostorech a dává přehled o pohybu a pracích dalších RPAS v blízkém i vzdáleném okolí a podporuje tak bezpečnost použití RPAS v leteckém provozu ČR; aplikace také slouží zároveň jako deník letů (funkční od konce dubna 2016).
https://play.google.com/store/apps/details?id=cz.togle.droners&hl=cs

V dalším díle seriálu se budeme věnovat tématu využití RPAS pro mapování a monitoring. Závěr a literaturu najdete na konci třetího dílu.

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