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#Tendenze
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Una soluzione commerciale di mappatura dei droni di Phantom 4 PPK
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Di Seven Zhao & Richard Pan,
Hi-Target International Group Limited
1 Contesto della ricerca
In precedenza, la gente doveva investire più di 30.000 dollari per acquistare droni cartografici professionali e posizionare un gran numero di punti di controllo a terra per ottenere mappe accurate e di livello topografico. Questa situazione è rimasta invariata fino a quando il DJI non ha rilasciato la serie di droni commerciali Phantom 4 con antenna GNSS integrata e telecamere cardaniche ad alta definizione. Questo documento propone una soluzione di mappatura dei droni commerciali di Phantom PPK per ridurre significativamente i punti di controllo, spiega il flusso di lavoro, i metodi di test e come i risultati supportino questo livello di accuratezza della mappatura dei droni.
2 Introduzione
Il Phantom 4 RTK(P4R) è un drone di livello consumer-grade tecnologicamente maturo ed economico, molto popolare sul mercato. È flessibile, semplice da usare e supporta la navigazione a livello di cm RTK, così come la sincronizzazione a microsecondi della fotocamera e privo di calibrazione da parte dell'utente, è particolarmente adatto per l'uso in aree urbane densamente edificate e in aree con topografia complessa.
Nonostante l'antenna GNSS RTK integrata a bordo, che consente al sistema autopilota di taggare direttamente le coordinate di posizionamento e i fattori di precisione negli attributi delle immagini (EXIF) dopo l'accesso alle sorgenti differenziali della rete NTRIP, il PPK (Post-processed kinematic, non è richiesta alcuna connessione in tempo reale tra la stazione base e il drone) è un metodo più affidabile per evitare le interruzioni di correzione che spesso si verificano nelle aree urbane e nelle aree senza copertura del segnale 4G. Inoltre, l'errore GNSS corretto è proporzionale alla distanza dalla stazione base al drone(linea di base), quindi un set di base PPK a poche centinaia di metri dal drone fornisce correzioni di posizione di qualità significativamente più elevata rispetto ad una stazione base di rete (NTRIP CORS) potenzialmente a pochi chilometri di distanza.
La soluzione di mappatura Phantom 4 PPK è composta dai seguenti tre componenti principali.
1) Piattaforma di droni
Comprende il drone Phantom 4 RTK, la telecamera cardanica, il telecomando, la batteria e gli accessori, che viene utilizzato per la raccolta dei dati sul campo e la registrazione dei dati di osservazione statica grezza.
2) PPK Base a terra
Hi-Target inno1 Portable RTK è utilizzato per fornire dati di base stabili e affidabili di osservazione statica grezza per l'elaborazione PPK. Potrebbe anche funzionare come un rover RTK per misurare i punti di controllo in loco.
3) Software di post-elaborazione PPK
PPK Go è un software chiavi in mano che consente ai droni Phantom 4 di ottenere i dati di posizionamento delle telecamere più precisi e affidabili in qualsiasi sistema di coordinate senza obiettivi di misura o GCP. Con un'accuratezza di 2cm sulle dimensioni X, Y, Z, il file di testo in uscita con informazioni di posizione o immagini geotaggate può essere utilizzato direttamente nei principali software di mappatura fotogrammetrica o di modellazione 3D.
3 Convalida della precisione
Il nostro team ha selezionato un parco industriale in un tipico ambiente urbano come sede del test per convalidare l'accuratezza dei risultati finali. Il processo di prova specifico è diviso nelle seguenti tre parti, che sono dettagliate qui di seguito.
3.1 Missione sul campo
1) Acquisizione dei checkpoint e pianificazione delle missioni
I punti di controllo sono utilizzati per migliorare la precisione dei modelli aerei. La densità e la distribuzione influenzano la regolazione della triangolazione aerea e quindi la precisione dei risultati finali. Per questa prova, come mostrato in Figura 4, otto punti sono stati posizionati uniformemente all'interno e all'esterno dell'area. P1, P3, P7 sono stati pianificati come punti di controllo, e il resto erano punti di controllo.
Le coordinate dei punti da P1 a P8 sono state acquisite utilizzando l'inno1 Portable RTK quando l'errore della soluzione fissa convergeva a livello millimetrico. Ogni punto è stato osservato indipendentemente trenta volte, e ha preso il valore medio come risultato della misurazione. La distribuzione dettagliata dei punti e le loro coordinate misurate sono mostrate nella Figura 3-1 e nella Tabella 1, rispettivamente.
Si noti che i punti di controllo P2, P4 e P6 sono al di fuori della zona di volo. Volevamo testare situazioni di rilevamento non ottimali.
2) Acquisizione dati
Innanzitutto, impostare la stazione base sul punto noto, misurare l'altezza dello strumento e poi avviare la registrazione statica a 1Hz prima del volo.
L'area di mappatura è stata selezionata nell'App installata sul telecomando e la missione pianificata secondo i parametri della Tabella 2. Abbiamo attivato contemporaneamente la funzione di geotagging RTK (NTRIP) per confrontare la differenza nella precisione delle modalità RTK e PPK.
La missione di volo è durata circa 18 minuti e sono state raccolte un totale di 267 immagini, tutte con coordinate fisse RTK geolocalizzate.
3.2 Elaborazione PPK
Eseguire il software di post-elaborazione PPK Go, creare nuovi progetti e importare separatamente i dati della stazione base e dei progetti di volo. Il software ha controllato automaticamente l'integrità del set di dati e ha confrontato le immagini, le osservazioni grezze e il file con il timestamp nella cartella.
Dopo aver configurato l'ellissoide e la proiezione e aver inserito le coordinate note della stazione base, ha fatto clic sul pulsante di processo per avviare l'elaborazione. Il waypoint con la soluzione fissa è stato contrassegnato in verde sul grafico dell'interfaccia.
Infine, cliccando su "Esporta", le coordinate di alta precisione elaborate sono state geotagate nelle immagini e salvate come nuovo set di dati.
3.3 Elaborazione delle immagini e generazione DOM/DSM
Attualmente sono disponibili molti tipi di software per l'elaborazione dei dati delle immagini dei droni, come Pix4Dmapper, MetaShape, Inpho, Context Capture, Dronedeploy, ecc. Le funzioni del software sono simili. A causa delle differenze nei loro algoritmi, ognuno ha i suoi vantaggi. Questo progetto di validazione ha utilizzato il Pix4Dmapper per l'elaborazione delle immagini, che è ampiamente utilizzato e completamente automatizzato per l'elaborazione di dati drone e software per l'elaborazione di immagini aeree. Si compone di tre fasi:
1) Elaborazione iniziale
Crea nuovi progetti, importa file di immagini, modifica le coordinate e fornisce un sistema di proiezione. Le informazioni di geolocalizzazione di ogni immagine vengono automaticamente lette e visualizzate dal campo della proprietà EXIF. Dopo aver confermato ed eseguito una rapida inizializzazione, il software completerà automaticamente i seguenti passi.
①Key punti di estrazione: Identificare le caratteristiche specifiche come punti chiave nelle immagini.
②Key punti corrispondenti: trovare quali immagini hanno gli stessi punti chiave e farle corrispondere.
③Camera ottimizzazione del modello: Calibrare i parametri interni (lunghezza focale...) ed esterni (orientamento...) della telecamera.
④Geolocation GPS/GCP: Individuare il modello se vengono fornite informazioni sulla geolocalizzazione.
⑤Automatic I Tie Point vengono creati durante questa fase. Questi sono la base per le fasi successive dell'elaborazione.
2) Nuvola di punti e maglia
Questo passo si baserà sui punti di legatura automatica con Point Densification e 3D Textured Mesh.
3) DSM, generazione DOM
Al termine dell'elaborazione, abbiamo cliccato sull'editor del mosaico per mettere a punto l'immagine e completare la generazione del modello digitale di superficie (DSM) e della carta ortofoto digitale (DOM).
I seguenti tre set di dati sono stati elaborati separatamente e, infine, sono stati generati tre set di mappe DOM/DSM:
a. Dati NTRIP RTK georeferenziati, senza GCP.
b. Dati PPK, nessuna GCP.
c. I dati NTRIP RTK georeferenziati, P1, P3, P7 hanno funzionato come GCP.
4 Convalida della precisione
Una volta elaborati i dati, abbiamo interrogato le coordinate di ogni punto di controllo sulla mappa e poi le abbiamo confrontate con le corrispondenti coordinate RTK misurate per calcolare le varianze dX, dY, dZ
dS è l'errore quadratico medio puntiforme calcolato in base alle dimensioni dX e dY. La formula di calcolo si riferisce alla formula 4-1, in cui dS è l'errore quadratico medio del punto di controllo, Δi è la deviazione della componente coordinata, n è il numero di punti per l'accuratezza della valutazione e le unità sono metri.
La precisione orizzontale di NTRIP RTK e PPK sono entrambe entro 5 cm senza correzione del punto di controllo, che è la precisione ideale per il rilievo topografico. Nella dimensione dell'elevazione, la precisione RTK deve essere corretta con un piccolo numero di punti di controllo per raggiungere lo stesso livello del PPK. La precisione altimetrica è più suscettibile alla correzione dei punti di controllo rispetto a quella orizzontale. Quando si tiene conto di NTRIP RTK che può essere influenzato dalla qualità della comunicazione e dall'ambiente di lavoro, PPK fornisce un'ottimizzazione della precisione più affidabile e stabile e dipende meno dai punti di controllo.
La precisione dei punti P4 e P6 è peggiore rispetto alle altre, sia in modalità RTK che PPK. E quando viene corretta dal punto di controllo, la sua precisione è notevolmente migliorata. Per i punti al di fuori della zona di copertura del percorso, la loro precisione è relativamente scarsa in condizioni di zero GCP, è necessario ottimizzarla espandendo opportunamente l'area del percorso o posizionando un piccolo numero di punti di controllo.
5 Conclusione
La soluzione Phantom PPK fornisce costantemente una precisione fino a 5 cm o inferiore (a seconda di GSD) per l'intera indagine. Rispetto al metodo tradizionale di mappatura dei droni, riduce notevolmente la dipendenza dai punti di controllo, alleggerisce il carico di lavoro del lavoro sul campo, migliora sia l'efficienza che la sicurezza e fornisce una soluzione commerciale affidabile ed economica per la mappatura dei droni.
Riferimenti
[1] Liu Jianguo. Ricerca sul metodo di produzione dei prodotti per il rilevamento e la mappatura dei prodotti basati sui droni DJI [J]. Smart City, 2019(18).
[2] Guo, S.M. Studio di mappatura su larga scala e modellazione tridimensionale basato sulla fotografia aerea con droni [D]. 2017.
Zhang Wei, Fu Ling, Chen Xiaosong. Applicazione della cartografia topografica in scala 1:500 basata sulla fotografia drone[J]. Mappatura di Pechino, 2017(S1):132-135.
[4] Jiang Lili, Gao Tianghong, Bai Min. Applicazione della tecnologia di elaborazione delle immagini di droni nella mappatura di base su larga scala e nell'ingegneria del rilievo [J]. Mappatura e informazioni geografiche territoriali, 2013(07):184-186.
[5] Amministrazione generale della supervisione della qualità, ispezione e la quarantena della Repubblica popolare cinese, China National Standardization Administration Committee. GB/T 7930-2008 1:500 1:1000 1:2000 Standard interno per la fotogrammetria aerea di topografia [S]. Pechino: China Standards Press, 2008.
[6] Zhu S. F., Yang L., Peng A. Phantom 4 RTK analisi di precisione in 1:500 mappe topografiche [J]. Materiali edili Jiangxi, 2019(8).
