Punkty kontrolne na ziemi a RTK

Pixpro Team Lukas Zmejevskis
maj 12, 2024

W fotogrametrii lotniczej stosuje się dwa najczęściej używane typy odniesienia – metadane GPS na zdjęciach i punkty kontrolne na ziemi. Metadane GPS mogą posiadać poziom precyzji RTK, podczas gdy punkty kontrolne na ziemi (dalej GCP) są zawsze tworzone za pomocą sprzętu geodezyjnego. W tym artykule dowiemy się, jaka jest fundamentalna różnica między metadanymi na poziomie RTK a GCP w odniesieniu do projektów fotogrametrycznych. Które z nich jest najlepsze dla ciebie i czy istnieją różnice w niedokładnościach? Czytaj dalej, aby się dowiedzieć.

Czym są punkty kontrolne na ziemi?

Punkty kontrolne na ziemi to punkty na zeskanowanym obiekcie lub powierzchni. GCP może być czymkolwiek, zarówno znanym czarno-białym znacznikiem, kropką namalowaną farbą, jak i dowolnym stałym punktem. Punkt kontrolny na ziemi musi mieć zmierzone swoje dokładne współrzędne za pomocą sprzętu geodezyjnego. Współrzędne są zapisywane, a GCP są gotowe do użycia.

Możesz przeczytać więcej o punktach kontrolnych na ziemi w tym artykule.

Ground-Control-Point-Targets-3Czym są metadane w czasie rzeczywistym kinematycznym?

RTK to poziom dokładności danych GNSS znacznie lepszy niż dane dostępne dla konsumentów, dla osób korzystających z urządzeń GPS/GNSS nie wyposażonych w RTK. Każdy smartfon i dron na rynku ma prostą jednostkę GPS/GNSS. Te jednostki są wystarczająco dobre, aby prowadzić cię przez miasto lub oznaczać przybliżoną lokalizację, gdzie zdjęcie zostało zrobione. Jednak, gdy chodzi o fotogrametrię, aby uzyskać rozsądny poziom absolutnej dokładności, potrzebujemy danych RTK. W dronach wyposażonych w RTK, takie dane są osadzone w każdym zdjęciu, które dron robi, gdy sygnał RTK jest dostępny. Oprogramowanie fotogrametryczne używa później tych danych do korzystania z dokładnych pozycji kamery.

Możesz przeczytać więcej o dronach RTK w tym artykule.

Punkty kontrolne na ziemi vs. różnice w czasie rzeczywistym kinematycznym

Jednostki w urządzeniach RTK działają w ten sam sposób. Obiekt (może to być dowolne urządzenie, które się porusza, włącznie z dronem) łączy się ze stacją bazową. Zarówno obiekt, jak i stacja bazowa są połączone z satelitami GNSS.    Obiekt otrzymuje korekty od stacji bazowej, a jego dane lokalizacyjne stają się dokładne.

Stacja bazowa może być urządzeniem, które przychodzi w zestawie z obiektem i nie jest przemieszczane przez cały czas trwania badania lub stałą stacją, z którą obiekt może się połączyć, mając taką możliwość. Wiele krajów ma krajowych i komercyjnych dostawców stacji bazowych. W naszym przypadku będziemy korzystać z krajowego dostawcy RTK na Litwie – LITPOS. Połączenie ze stałą stacją bazową wymaga możliwości zrobienia tego przez internet.

Fundamentalna różnica między GCP a RTK

Docieramy do sedna różnicy w używaniu zasadniczo tej samej technologii na różne sposoby. W przypadku GCP dokładne dane lokalizacyjne znajdują się w scenie. Dane pozycji kamery drona RTK znajdują się w metadanych każdego zdjęcia, które jest za sceną, oznaczając pozycję centrum kamery. To robi ogromną różnicę w sposobie używania dokładnych danych lokalizacyjnych podczas procesu fotogrametrycznego. Korzystając tylko z metadanych RTK, nadal polegamy na wewnętrznych wartościach kamery i procesie kalibracji kamery dla wielu aspektów, które określają dokładność scen 3D. Posiadając GCP, mamy dokładne punkty w samej scenie, które pomagają w kalibracji kamery. Przy użyciu GCP w projekcie fotogrametrycznym, możemy potrzebować uruchomić inne procesy. W Pixpro, nazywamy taki proces „Reoptymalizacją”.

GCP vs RTK w rzeczywistym świecie

Czas spojrzeć na niektóre różnice w rzeczywistym świecie. Zmierzyliśmy punkty kontrolne i GCP w scenie. Ta scena została zeskanowana za pomocą drona Phantom 4 RTK i drona konsumenckiego Phantom 4 Pro. Oba UAV mają tę samą kamerę, ale dron RTK zapewni dokładne dane kamery, jak sugeruje nazwa. Naszym zeskanowanym obiektem jest stosunkowo płaski stadion, co jest problematyczne, gdy istotna jest dobra rekonstrukcja 3D. Mamy pięć punktów kontrolnych w środkowej części stadionu i cztery kontrolne odległości między tymi punktami.

Porównanie lotów

Staraliśmy się utrzymać oba loty jak najbardziej porównywalne, aby wyeliminować jak najwięcej zmiennych, które mogłyby w inny sposób zniekształcić wyniki:

 

RTK lot

GPS lot

Dron

Phantom 4 RTK

Phantom 4 Pro

Planer lotu

DJI RTK planer

Drone Duty

Wysokość lotu

38 metrów

38 metrów

Czas trwania lotu

9 minut

9 minut

Prędkość wyznaczona

3 metry na sekundę

3 metry na sekundę

Zdobyte zdjęcia

179

172

Rozdzielczość zdjęcia i GSD

20 megapikseli, 0,7 cm/pix

20 megapikseli, 0,7 cm/pix

Prędkość migawki zdjęcia

1/1000

1/1000

Balans bieli, format zdjęcia

Słoneczny, JPG

Słoneczny, JPG

Wartości ISO i przysłony

100 ISO przy f2.8

100 ISO przy f2.8

Badanie punktu kontrolnego na ziemi

Za pomocą drona RTK połączonego z systemem stacji bazowej LITPOS, uzyskano 8 GCP. GCP są umieszczone w środkowo-peryferyjnej części wokół toru stadionu. Nie zmierzyliśmy dodatkowych GCP w środkowej części stadionu, aby przedstawić scenariusz, w którym GCP nie znajdują się w pobliżu obszaru pomiaru błędu. Idealnie, takie badanie skorzystałoby z posiadania dodatkowych 2-3 GCP w środkowych częściach stadionu. Badanie GCP zajęło około 15 minut na polu. Przepływ pracy GCP w postprocessingu dodaje dalsze 20 minut dodatkowej pracy (przy wyćwiczonych umiejętnościach) w Pixpro, w przeciwieństwie do braku potrzeby przy metadanych RTK.

Ground-Control-Points-Stadium-1600x900Absolutna dokładność i pomiary

Punkty kontrolne to 5 punktów, które mają zmierzoną dokładną lokalizację w ten sam sposób co punkty kontrolne na ziemi. Te punkty znajdują się w środkowej części stadionu i są oddalone od GCP używanych w projektach odniesienia. Aby zmierzyć błąd, projektujemy te punkty jako punkty kontrolne na ziemi w Pixpro, ale nie używamy ich jako punktów odniesienia. Obserwujemy błąd projekcji. Dzięki temu możemy zobaczyć, jak blisko obliczona pozycja tych punktów jest do zmierzonej pozycji: im mniejsza odległość – tym lepiej.

Measurements-Control-Points-1600x900Błędy pozycji punktów kontrolnych w milimetrach:

Project Point1 Point2 Point3 Point4 Point5
GPS only 108245 108212 108154 108189 108188
GPS + GCPs 237 259 266 260 322
RTK only 399 373 381 383 370
RTK + GCPs 16 39 42 31 59

Punkty kontrolne zostały rozmieszczone tak, aby odległości między nimi służyły jako kontrola pomiaru. Upewniliśmy się, aby dokładnie zmierzyć te odległości, a następnie zrobić to samo w oprogramowaniu Pixpro. Pixpro pozwala na pomiary oparte na projekcji, gdzie możemy wyświetlić każdą linię i punkt na zdjęciach, i nie ma błędu użytkownika przy wyborze punktów pomiaru.

Measurements-Control-Points-Lines-1600x900

Wyniki pomiarów odległości kontrolnych w milimetrach:

Project Distance R Distance G Distance B Distance Y
Zmierzone 5000 5000 10000 2200
GPS only 4976 4977 9995 2161
GPS + GCPs 4995 4990 10019 2233
RTK only 4980 4997 10025 2194
RTK + GCPs 4984 4998 10031 2207

Wyniki pokazują, że odniesienie nie wpływa na liniowe pomiary w przypadku dobrych wyników rekonstrukcji 3D. Pamiętaj, utrzymywaliśmy wszystko tak spójnie i wysokiej jakości, jak to możliwe, aby wyeliminować wszystkie zmienne oprócz typu odniesienia. To doprowadziło do spójnych wyników pomiarów w granicach błędu poniżej 1 procenta.

Tymczasem wyniki pozycji punktów kontrolnych opowiadają inną historię. Jak można się było spodziewać, projekt tylko z GPS daje nam ogromne błędy absolutnego pozycjonowania. Projekt tylko z RTK znacząco się poprawia z błędami poniżej 400 milimetrów. Projekt GPS + GCP daje nam dalszą poprawę o 40 – 20 procent. W końcu, kiedy łączymy GCP z danymi RTK, otrzymujemy błędy o rząd wielkości mniejsze niż wcześniej.

Wniosek. Metadane RTK czy punkty kontrolne na ziemi?

Jeśli zastanawiasz się, które z nich użyć, odpowiedź jest jak zawsze – to zależy. Zamiast próbować omówić każdy przypadek użycia i odpowiedzieć na każdy z nich, podsumowujemy oba systemy jako następującą listę zalet i wad:

Dron zdolny do RTK:

Zalety:

  • Stabilny i precyzyjny lot.
  • Nie ma potrzeby przeprowadzania badania GCP, jeśli dokładność mieści się w akceptowalnych granicach;
  • Drony RTK są ogólnie zdolne do PPK, aby jeszcze bardziej zwiększyć dokładność;
  • Cały przepływ pracy jest znacznie szybszy, gdy GCP nie są używane; 
  • Może być używany wspólnie z GCP bez problemów.

Wady:

  • Wysoki początkowy koszt drona;
  • Może być konieczna stacja bazowa, co jeszcze bardziej zwiększa cenę;
  • Mniej dokładne niż używanie punktów kontrolnych na ziemi;
  • Drony RTK są zwykle trudniejsze do zakupu niż te konsumenckie.

Używanie GCP:

Zalety:

  • Lepsza dokładność niż przy użyciu tylko drona RTK;
  • GCP mogą być używane wspólnie z tańszym, łatwiej dostępnym dronem;
  • GCP mogą poprawić wyniki rekonstrukcji 3D, gdy są używane z kamerami niższej jakości.

Wady:

  • Profesjonalny sprzęt geodezyjny jest równie drogi jak dron RTK;
  • Zwiększa ilość pracy w terenie i w postprocessingu;
  • Nie można używać GCP w fizycznie nieosiągalnych lokalizacjach.
  • Brak rzeczywistych korzyści nad dronami RTK, chyba że wymagana jest absolutna dokładność pozycyjna.

Należy rozważyć zalety i wady w kontekście swojego konkretnego przypadku użycia. Mamy nadzieję, że teraz możesz podjąć bardziej świadomą decyzję, która z opcji jest najlepsza dla ciebie.

O autorze
Lukas Zmejevskis

Photographer - Drone Pilot - Photogrammetrist. Years of experience in gathering data for photogrammetry projects, client support and consultations, software testing, and working with development and marketing teams. Feel free to contact me via Pixpro Discord or email (l.zmejevskis@pix-pro.com) if you have any questions about our blog.

Gotowy, aby rozpocząć swój projekt?

Możesz wybrać spośród naszych trzech różnych planów lub poprosić o niestandardowe rozwiązanie, gdzie możesz przetwarzać tyle zdjęć, ile chcesz!

Bezpłatna 14-dniowa wersja próbna. Anuluj w dowolnym momencie.

Witaj w Pixpro

Zaloguj się

I uzyskać dostęp do swojego konta.

Nie masz konta? Zarejestruj się

Wystąpiły błędy przy przesyłaniu