Doświadczenia spółki Fotoraporty w wykorzystaniu BSP

Wzdłuż dróg i kolei

Geodezyjna obsługa inwestycji liniowych stawia przed geodetami liczne wyzwania. Jest poligonem doświadczalnym dla technologii optymalizujących wiele zadań pomiarowych, w tym dla fotogrametrii.

W nalotach fotogrametrycznych nad obiektami liniowymi świetnie sprawdzają się bezzałogowe statki powietrzne (BSP). Są przydatne zarówno w cyklicznych pomiarach niewielkich fragmentów placu budowy, jak i inwentaryzacjach wielkoobszarowych inwestycji w bardzo krótkim czasie. BSP w dużo mniejszym stopniu niż samoloty załogowe są ograniczane przez warunki meteo­rologiczne i trudną do przewidzenia aktywność w różnych strefach przestrzeni powietrznej. Misje bezzałogowe daje się łatwo dostosować do tych warunków m.in. poprzez dobór odpowiedniej platformy, zwiększenie liczby dronów wykonujących nalot czy start w optymalnym momencie.

W spółce Fotoraporty przygodę z technologią bezzałogową rozpoczęliśmy w 2014 roku, a przez kolejne lata rozwijaliśmy działalność w obszarze geoinformatyki. Obecnie świadczymy usługi z zakresu pozyskiwania, przetwarzania i udostępniania danych przestrzennych. Fotogrametria niskopułapowa pozostała jednak ważną częś­cią naszej działalności.

W niniejszym artykule podzielimy się naszymi doświadczeniami z wykorzys­tania BSP w zakresie wsparcia geodezyjnej obsługi budowy na przykładzie dwóch inwestycji. Pierwszą jest modernizacja linii kolejowej nr 7 Warszawa – Lublin na odcinku Dęblin – Lublin, dla której w 2018 roku pozys­kiwaliśmy cyklicznie dane fotogrametryczne. Druga analizowana inwestycja to budowa drogi ekspresowej S8 od węzła Marki do węzła Kobyłka (fot. powyżej); tutaj nadal realizujemy obsługę fotogrametryczną.

Oba przedsięwzięcia łączy to, że ich wykonawcy w pewnym momencie odstąpili od dalszej realizacji prac, pozostawiając inwestora z pustym placem budowy. W przypadku linii kolejowej naszym zleceniodawcą był inwestor, czyli PKP PLK, a głównym zadaniem – inwentaryzacja placu budowy na potrzeby rozliczeń z podwykonawcami i przygotowania nowego przetargu. Na budowie drogi ekspresowej we współpracy z zaprzyjaźnioną firmą geodezyjną Geozet z Siedlec świadczymy usługi dla nowego wykonawcy – spółki Strabag.

Rys. 1. Pole testowe wykorzystywane do kalibracji kamer cyfrowych

Zanim przystąpimy do nalotów

BSP nie jest narzędziem pomiarowym samym w sobie – to wyłącznie nośnik sensora, w naszym przypadku kamery. Wobec tego parametry jakościowe i dokładnościowe opracowań fotogrametrycznych uzyskanych na podstawie zdjęć z drona i platform załogowych zależą od tych samych czynników. Nie wolno o tym zapominać zarówno na etapie przygotowania prac terenowych i fotolotniczych, jak i podczas przetwarzania danych obrazowych.

Planując naloty fotogrametryczne, zawsze dobieramy parametry zdjęć do konkretnych potrzeb i charakterystyki danego zadania (rozmiaru i kształtu obszaru do obfotografowania czy struktury przestrzeni powietrznej). Jeżeli chodzi o rozdzielczość terenową (Ground Sampling Distance, GSD), to nasze opracowania prawie zawsze mieszczą się w przedziale od 1 do 5 cm. Oczywiście im mniejszy piksel, tym większe możliwości interpretacyjne zobrazowań lotniczych.

Jednocześnie pogoń za coraz niższym GSD może mieć negatywny wpływ na wyniki aerotriangulacji (szczególnie wysokościowej) lub niepotrzebnie zwiększać liczbę koniecznych do zamarkowania w terenie fotopunktów. Należy pamiętać, że większość opracowań fotogrametrycznych jest z góry obarczona kilkucentymetrowym błędem wynikającym z nawiązywania do fotopunktów lub uzyskania georeferencji przy użyciu metody GNSS RTN (za pomocą odbiornika zamontowanego na dronie). W opisywanych pracach pozyskaliśmy zdjęcia lotnicze o GSD = 3 cm,

co zazwyczaj jest kompromisem między szczegółowością i dokładnością opracowania a kosztem pozyskania danych foto­lotniczych.

Dla zapewnienia jak najwyższej jakości dostarczanych przez nas produktów wykonujemy kalibrację wszystkich wykorzystywanych kamer. W ubiegłym roku w siedzibie naszej firmy założyliś­my specjalistyczne pole testowe (rys. 1). Składa się ono z kilkudziesięciu znaczków fotogrametrycznych, których położenie wyznaczyliśmy w drodze ścisłego wyrównania przestrzennego wielokrotnych obserwacji tachimetrycznych z dokładnością do 0,2 mm.

Inwentaryzacja

Plac budowy linii kolejowej nr 7 o powierzchni około 20 km2 był przez nas cyklicznie monitorowany w ramach większego zlecenia. To właś­nie dzięki często aktualizowanym produktom fotogrametrycznym inwestor odpowiednio wcześ­nie odkrył brak postępów prac. Po przerwaniu inwestycji spółka PKP PLK oczekiwała odwzorowania stanu budowy na materiale fotograficznym, na bazie którego następnie przygotowaliśmy szczegółowy raport inwentaryzacyjny. Mimo że zrealizowaliśmy już wiele mniejszych opracowań w ramach tego przedsięwzięcia, to ten ostatni nalot był dla nas nie lada wyzwaniem. Decyzja o jego przeprowadzeniu zapadła niemal z dnia na dzień, a dane fotolotnicze musiały zostać pozyskane w jak najkrótszym czasie. Zaangażowaliśmy siedmiu niezależnych operatorów UAV, co pozwoliło na zebranie w ciągu zaledwie 2 godzin całości materiału dla linii o długości 70 km w 300-metrowym pasie.

Rys. 2. Zinwentaryzowane obiekty placu budowy linii kolejowej nr 7 na tle ortofotomapy

Wynik naszych prac, czyli raport inwentaryzacyjny (rys. 2), obejmował m.in.:

• 235 580 m³ materiałów sypkich składowanych na 363 hałdach zróżnicowanej wielkości,
• 6,798 mln sztuk betonowych prefabrykatów peronowych w ponad 100 lokalizacjach,
• 311 sztuk szpul kabli w 25 lokalizacjach,
• 503 m³ wyciętego drewna w 35 lokalizacjach,
• 1198 sztuk prefabrykowanych fundamentów słupów trakcyjnych w 200 lokalizacjach,
• 197 liniowych wykopów o łącznej długości prawie 18 km.

Poszczególne obiekty były inwentaryzowane na podstawie ortofotomapy, numerycznego modelu terenu, gęstej chmury punktów uzyskanej z dopasowania obrazów lub stereoskopowo. A ponieważ obiektów były tysiące, opracowaliśmy na potrzeby tego zlecenia wiele autorskich rozwiązań informatycznych auto­matyzujących pozyskiwanie danych geometrycznych i atrybutowych. Dzięki temu ograniczyliśmy liczbę błędów ludzkich do absolutnego minimum, oczywiście poddając ostateczne wyniki wnikliwej weryfikacji.

Metody pozyskiwania danych do NMT

Z kolei inwentaryzacja placu budowy drogi ekspresowej, poza opracowaniem standardowej ortofotomapy (GSD = 3 cm), wymagała także przygotowania numerycznego modelu terenu. Był on następnie wykorzystywany przez projektantów generalnego wykonawcy jako rejestracja stanu zerowego, czyli zastanego w chwili przejęcia placu budowy.

Prace nad modelem terenu rozpoczęliśmy od analizy porównawczej pomiarów wykonanych różnymi metodami (patrz tabela poniżej). Zestawiliśmy wysokości uzyskane z klasycznych pomiarów naziemnych, archiwalnego lotniczego skanowania laserowego (ALS) oraz włas­nych opracowań fotogrametrycznych (z pomiaru stereoskopowego i gęstego dopasowania obrazów). W przypadku powierzchni utwardzonych i niskiej roślinności dokładność pomiarów stereoskopowych jest porównywalna z ALS. Zestawienie błędów średnich dla niskiej i wysokiej roś­linności pokazuje wyraźny spadek dokładności gęstego dopasowania obrazów względem pozostałych metod. Na terenach pokrytych wysoką roślinnoś­cią tylko dane ALS generują wyniki zbliżone do pomiarów naziemnych, natomiast próby modelowania rzeźby terenu wyłącznie na podstawie zdjęć (nawet stereoskopowo) nie przynoszą satysfakcjonujących rezultatów.

Model na podstawie fuzji danych

Przeprowadzona analiza pozwoliła nam na zbudowanie możliwie najdokładniejszego i najbardziej szczegółowego modelu terenu poprzez zaawansowaną fuzję danych z różnych źródeł.

Automatycznie wygenerowana z gęstego dopasowania zdjęć chmura punktów nie pozwala na uzyskanie poprawnego NMT dla terenu pokrytego roślinnością, ale sprawdzi się na otwartych przestrzeniach i utwardzonych powierzchniach. Dlatego w opracowaniu dla drogi ekspresowej chmurę ze zdjęć wykorzystaliśmy m.in. do weryfikacji aktualności danych ze skanowania laserowego na obszarach niepokrytych roś­linnością. Porównanie modeli z dopasowania obrazów i ALS wykazało np. występowanie niezabezpieczonych osuwisk i niedokończonych skarp.

Bardzo pracochłonne okazało się wykonanie pomiarów stereoskopowych. Z wykorzystaniem fotogrametrycznej stacji 3D StereoCAD oraz wyrównanej sieci zdjęć pomierzyliśmy ponad 100 tys. pikiet (nie mylić z punktami wygenerowanymi automatycznie metodą gęstego dopasowania obrazów). Posłużyły one do narysowania wszystkich linii szkieletowych terenu oraz większości szczegółów I grupy dokładnościowej, zwłaszcza w bezpośrednim sąsiedztwie pasa drogowego. Dodatkowo obserwacje stereoskopowe wykorzystaliśmy do weryfikacji poprawności pozostałych źródeł danych wysokościowych.

Hybrydowy model terenu (rys. 3) wzbogacony liniami nieciągłości powstał w wyniku fuzji danych ALS, chmury punktów z gęstego dopasowania obrazów oraz obserwacji stereoskopowych. Dane ALS wykorzystaliśmy dla powierzchni jezdni oraz obszarów pokrytych niską i wysoką roślinnością. Dla takich obiektów jak zjazdy z wiaduktów, skarpy czy hałdy kruszywa, które częściowo zmieniły rzeźbę terenu, przyjęliśmy punkty z gęstego dopasowania obrazów. Dla większości obiektów I grupy dokładnoś­ciowej (krawężniki, umocnione dna cieków, ściany oporowe itp.) zastosowaliśmy pomiar stereoskopowy.

Rys. 3. Ortofotomapa i modele terenu dla fragmentu obszaru opracowania

Na podstawie opracowanych produktów fotogrametrycznych (ortofotomapy i NMT) jesteśmy w stanie wspierać zespół geodezyjny obsługujący budowę w codziennych obowiązkach, takich jak pomiary objętoś­ci mas ziemnych czy powierzchni umocnień skarp. Oczywiście wymienione produkty w razie konieczności podlegają lokalnej lub całoś­ciowej aktualizacji. Ortofotomapa, model terenu oraz obserwacje stereoskopowe są wystarczające do pozys­kiwania trójwymiarowych współrzędnych większości szczegółów terenowych placu budowy.

Udostępnianie danych

Realizując projekty na zlecenie różnych klientów (jednostek samorządu terytorialnego, firm projektowych, wykonawców prac budowlanych, geodetów), zdajemy sobie sprawę, jak ważny jest pozornie najłatwiejszy etap zlecenia – dostarczenie danych zamawiającemu. Szczególnie w przypadku dużych inwestycji, gdzie uczestnikami procesu budowlanego jest wiele podmiotów, często zatrudniających dziesiątki pracowników, tworzenie kopii danych dla każdego z nich byłoby niezwykle uciążliwe. Spełniając oczekiwania coraz większej liczby odbiorców danych przestrzennych, poza fizyczną kopią danych (rastrów, chmur punktów, modeli 3D), dostarczamy również usługi WMS, dedykowane geoportale, rozwiązania chmurowe oraz aplikacje na urządzenia mobilne.

W przypadku opisywanych projektów dane fotogrametryczne zostały udostępnione w aplikacji webGIS, która stanowi wygodną płaszczyznę komunikacji dla inwestora, wykonawcy, projektanta oraz specjalistów z różnych branż. Dodatkowym atutem programu jest jego wersja na urządzenia mobilne (rys. 4), dzięki której z udostępnionych danych mogą również korzystać pracownicy terenowi, w tym geodeci.

Niejednokrotnie opracowanie metody udostępniania danych w sposób satysfakcjonujący klientów pochłania więcej czasu niż sam proces generowania produktów fotogrametrycznych. Wymaga to poszerzenia umiejętności programistycznych i tworzenia autorskich rozwiązań geoinfor­matycznych.

Rys. 4. Aplikacja webGIS na urządzeniu mobilnym

Umiejętne wykorzystanie

W artykule przedstawiliś­my tylko część prac, które realizowaliśmy na zlecenie inwestora, wykonawcy prac budowlanych czy zespołu geodezyjnego odpowiedzialnego za obsługę inwestycji. Niewątpliwie zdjęcia fotogrametryczne pozyskane z wykorzystaniem BSP mają duży potencjał. Jako zespół doświadczonych inżynierów staramy się uświadamiać swoim klientom, że pomiary fotogrametryczne są metodą szybką, bezinwazyjną, a w wielu przypadkach równie dokładną jak pomiary klasyczne. Duża popularność „dronowej fotogrametrii” (napędzana dostępnością coraz prostszego w obsłudze oprogramowania) może jednak doprowadzić do zrażenia się klientów do tej technologii, jeś­li dostarczone produkty nie będą poparte rzetelną i profesjonalną analizą dokładności.

Jednocześnie walczymy z coraz częś­ciej wyrażanym przekonaniem, że pomiary z wykorzystaniem dronów wyprą te naziemne praktykowane od lat. Mając świadomość istniejących ograniczeń, sądzimy jednak, że umiejętne wykorzys­tanie BSP na placu budowy pozwoli realizować coraz więcej zadań pomiarowych związanych z geodezyjną obsługą inwestycji, a także wiele dodatkowych usług, dotychczas niedostępnych finansowo, jak np. zliczanie składowanych materiałów.

Adam Salach, Jan Sawicki, Michał Choromański, Karolina Woźniak
Fotoraporty Sp. z o.o. z Warszawy

Artykuł ukazał się w bezpłatnym niezbędniku sprzętowym DRONY DLA GEODETY 2020