Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/15527
Título: O potencial dos UAV para atualização de cartografia municipal
Autor: Serra, Luís António de Oliveira
Orientador: Redweik, Paula Maria, 1961-
Palavras-chave: Engenharia Geográfica
Teses de mestrado - 2014
Data de Defesa: 2014
Resumo: A grande maioria dos municípios portugueses possui cartografia à escala 1:10 000 para todo o seu território, excluindo as áreas urbanas, em que predomina a escala 1:2000. A cartografia das pequenas áreas é tradicionalmente atualizada com recurso a estações totais ou GPS de elevada precisão, enquanto que a cartografia de grandes áreas requer a utilização de meios aéreos pesados, clássicos. De entre as muitas tarefas de um município a atualização de cartografia não é, certamente, uma das suas principais tarefas e perante cortes orçamentais a resposta normal é adiá-la ou, numa lógica de economias de escala, esperar que um número suficiente de municípios vizinhos se associe. Neste contexto, a utilização de UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) e especialmente a classe dos micro e mini-UAVs com menos de 5Kg de peso, constitui uma oportunidade excitante para desempenhar esta tarefa. As principais vantagens dos UAVs comparativamente aos meios aéreos clássicos pesados são: custos de operação mais reduzidos, maior rapidez de utilização, possibilidade de atuação com nuvens e grande facilidade de manuseamento. A autoridade nacional de cartografia, a Direção Geral do Território (DGT), publicou normas de qualidade a que a cartografia produzida por instituições públicas deve obedecer. Neste contexto, a cartografia a ser produzida por UAVs não constitui exceção. O objetivo do nosso estudo é avaliar a qualidade (especialmente a qualidade posicional) de uma solução comercial de UAVs, tendo em atenção as normas de qualidade impostas pela DGT. Tanto quanto é do nosso conhecimento, este é o primeiro estudo do género em Portugal. A solução comercial de UAV adotada foi o modelo swinglet CAM da Sensefly. Analisámos e caracterizámos o aparelho, o plano e execução do voo, bem como os produtos que foram automaticamente gerados. Ficámos impressionados com a facilidade de planificação e realização do voo. Confirmámos a grande dependência do aparelho em relação às condições atmosféricas, especialmente o vento. Durante a realização do voo e por breves instantes, registámos uma perda de comunicação entre a estação de controlo e o aparelho, o que conduziu ao não registo de dados, incluindo a posição e orientação do aparelho. A seguir ao voo, realizou-se uma aerotriangu lação automática (ATA) pelo software de pós-processamento da Sensefly, durante o qual foram extraídos uma média de um ponto de ligação por metro quadrado, sendo este valor mais do que aquilo que seria de esperar comparativamente a um software clássico. Uma enorme quantidade de informação detalhada resultou deste pós-processamento, sendo de particular interesse a orientação interna da câmara fotográfica, a orientação externa (OE) das imagens, o modelo digital de superfície (MDS) e a ortofoto. Para a orientação absoluta do bloco e para medir a respetiva qualidade posicional, um total de 161 pontos fotogramétricos (PFs) e pontos de controlo (PCs) foram medidos em dois dias e meio. Usou-se um GPS Leica 1200 em modo RTK e estático com recurso à rede RENEP, tendo-se obtido uma precisão de 1.8 cm (sigma 3D). Os pontos foram medidos maioritariamente ao nível do solo, mas também em terraços, coberturas planas e uma torre. O aparelho está equipado com uma sistema de navegação inercial (INS) integrado com um recetor GPS. Enquanto que o GPS fornece a posição absoluta do sensor, o INS fornece a atitude. Deste modo, é possível determinar a OE por meio de georreferenciação direta. Como não encontrámos unanimidade na definição deste conceito, definimos georreferenciação direta como o processo independente de recuperação da geometria existente entre os objetos do mundo real (representado por um qualquer sistema de referência) e a imagem desses mesmos objetos (representados por um plano imagem) resultante da integração do sensor remoto e dos sistemas de navegação associados. A georreferenciação direta foi realizada em software MatLab. Deste cálculo resultou um EMQ de 3.378 metros para a posição planimétrica absoluta do avião e um EMQ para a atitude de 3.1685 _ para omega, 1.8127 _ para phi e 8.6723 _ para kappa, confirmando a baixa exatidão do sistema GPS/INS. O MDS tem diversas aplicações em fotogrametria, como por exemplo a produção de ortofotos reais e modelação 3D. Quisémos estabelecer qual o melhor método de interpolação determinístico para medir a sua exatidão altimétrica. Para este efeito, testámos cinco métodos de interpolação: Vizinho mais próximo, método linear, vizinhos naturais, IDW e melhor triângulo. Tradicionalmente os métodos de interpolação determinísticos geram primeiro a rede irregular de triângulos (TIN) e depois escolhem o triângulo que envolve o PC. Contudo, os métodos IDW e melhor triângulo que utilizámos, geram apenas e só o polígono que melhor envolve o PC em avaliação, tendo-se mostrado como os métodos mais eficientes. O método do melhor triângulo, com um EMQ de 0.6894 metros, mostrou ser o melhor método para este tipo de terreno, maioritariamente composto por uma densa zona urbana. De qualquer modo, este valor deve ser interpretado com cuidado porque foram proposi tadamente medidos PCs próximos de linhas de quebra. Verificámos também que o MDS não modelou corretamente alguns terraços e uma torre, provavelmente devido aos seguintes motivos: baixa altura de voo, elevada inclinação das fotos, poucas imagens sobrepostas e complexidade dos telhados e terraços. Avaliámos também a qualidade posicional e temática da ortofoto real automaticamente produzida. O orto-mosaico true-color registou uma resolução espacial de 3.0 cm. Notámos também uma boa qualidade radiométrica em termos de balanceamento de cor. Aumentando a escala de visualização notámos um conjunto de situações temáticas menos favoráveis: ondulação de beirados e cumeeiras, efeito-fantasma e visualização indesejada de fachadas. O artefacto dominante foi a ocorrência de beirados e cumeeiras onduladas. Muitas destas situações indesejáveis atribuem-se ao facto de o MDS ser apenas constituído pela amostra primária de pontos cotados. A qualidade da ortofoto pode ser melhorada caso se aumente o número de imagens sobrepostas mas, a completa eliminação dos artefactos apenas deverá ser possível caso o MDS aceite a introdução de elementos vetoriais, como beirados e cumeeiras, por exemplo. A exatidão posicional da ortofoto foi testada com diferentes amostras de PFs: 5, 10, 20 e 33 PFs. Destes testes obtivémos os seguintes EMQs em planimetria: 0.21 metros para 5 PFs; 0.11 metros para 10 PFs; 0.09 metros para 20 PFs e 0.09 metros para 33 PFs. Como se pode verificar, a utilização de mais do que 20 PFs não conferiu nenhum benefício adicional. Por último, comprovámos que uma boa distribuição dos PFs é mais importante do que a sua quantidade. A exatidão posicional foi testada num ambiente de fotogrametria interativa porque a restituição de cartografia se processa neste tipo de ambiente. As plataformas escolhidas foram as estações de trabalho Photomod da Racurs e a ImageStation Automatic Triangulation da Intergraph. Em ambas as plataformas usámos os resultados de pós-processamento do software da Sensefly. Usando diretamente os parâmetros de OE da Sensefly, não conseguimos formar quaisquer modelos estereoscópicos em ambiente Photomod. Para ultrapassar este problema realizou-se uma ATA em ambiente Photomod, com diferentes parâmetros de configuração. Na ATA realizada com os melhores parâmetros de configuração obtivémos um EMQ planimétrico de 1.158 metros e um EMQ altimétrico de 0.139 metros para os resíduos dos PFs, bem como um ajustamento global (sigma_0) de 1.424. O resultado planimétrico alcançado é superior à exatidão exigida pela DGT (EMQ <= 0.3 metros, para a escala 1:2000 de cartografia). Foi avaliada a exatidão posicional dos mesmos PCs em idênticos modelos estereoscópicos nas duas plataformas em estudo. A média observada dos resíduos em planimetria foi de 0.0436 metros para a Intergraph e de 1.3309 metros para o Photomod. A média observada dos resíduos em altimetria foi de 0.0587 metros para a Intergraph e de 0.0780 metros para o Photomod. A exatidão planimétrica observada nos modelos em Photomod, está para além daquilo que seria esperado. As imagens UAV diferem das imagens aéreas clássicas no respeitante à inclinação e percentagem de sobreposição e talvez esse facto explique que o software da Intergraph tenha rejeitado 10 das 38 imagens do bloco, aquando do respetivo processamento. Foram apenas utilizados dois PCs medidos em quatro modelos, para o trabalho de controlo posicional. Tal facto limita a realização de conclusões mais robustas. Apesar de tudo, os resultados alcançados em ambiente Intergraph merecem ser aprofundados. Por último, foi realizado um questionário online a todos os produtores de cartografia registados na DGT. O objetivo do questionário foi avaliar o grau de conhecimento dos produtores e o estado de preparação do mercado quanto a esta tecnologia. O questionário foi enviado a 139 empresas. Apenas 17 respostas foram obtidas. Todas as empresas que responderam mostraram estar a par desta nova tecnologia. 41% das empresas já realizou testes com UAVs. Em 24% das empresas os UAVs fazem já parte do seu modelo de negócio. O produto UAV mais comercializado são as ortofotos. A falta de legislação que regule o setor é apontada pela generalidade das empresas como o maior obstáculo para a plena adoção desta tecnologia.
The vast majority of Portuguese municipalities have digital cartography 1:10 000 scale outside the urban areas and 1:2000 scale in urban areas. The cartography of small areas has traditionally been updated using total stations or high precision GPS whilst that of large areas requires classical manned aerial photogrammetry. Amongst the activities of a municipality, updating of cartography is not a high priority therefore, when faced with budget cuts, common responses were to delay or reduce costs by partnering with neighbouring municipalities. In this context, the UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) and especially the micro and mini-UAVs class weighing less than 5 Kg, present an exciting opportunity for accomplish this task. Compared to classical manned aerial photogrammetry, the main advantages are; lower-cost, immediacy of use, even with cloudy weather conditions and ease of operation. The national cartographic authority, the Directorate-General of Territory (DGT) published quality standards against any public cartography must be evaluated in order to be used. The UAV cartography is no exception. The aim of our study is to evaluate the quality (especially the positional quality) of an UAV commercial solution, with respect to the standards imposed by DGT. To the best of our knowledge, this is the first study in Portugal, performing such an evaluation. We used the swinglet CAM model of the Swiss enterprise Sensefly. We analysed and characterized the device technology, the flight planning, the flight execution and the products automatically obtained. We were impressed with the ease of planning and executing the flight. We confirmed the strong weather dependency of this system, even in light wind conditions and noted an intermittent loss of radio contact between the plane and the control station, which stopped the recording of GPS positions and orientations. After the flight, an automatic aerial triangulation was performed in the Sensefly post-processing software. During which, approximately one tiepoint per square meter were extracted, being more than what is expected from conventional automatic aerial triangulations. A vast amount of detailed information was produced. Of particular interest to us were: the internal orientation of camera device, the external orientation (EO) of images, the digital surface model (DSM) and the orthophoto. To perform bundle block adjustment and to measure positional quality, a total of 161 ground control points (GCPs) and checkpoints were measured in 2.5 days using a real-time GNSS measurement system GPS 1200 from Leica-Geosystems, with a measurement precision of 1.8 cm (3D standard deviation). The points measured were mainly located at the ground level but also in terraces, towers and flat roofs, largely using the Portuguese GNSS continuously operating reference station network RENEP. The plane device is equipped with an inertial navigation system (INS) linked to its GPS receiver. While the GPS provides absolute position information, the INS is responsible for determining the image sensor attitude therefore it is possible to achieve the EO parameters by means of direct georreferencing without using GCPs. In view of the lack of consensus regarding the definition, we defined direct georreferencing as the process of independently reconstructing the geometry between real world objects (represented by some reference frame) and the image of that objects (represented by some image plane) integrating remote sensing and navigation systems. Direct georreferencing was executed in MatLab software. We calculated a RMSE of 3.378 meters for absolute planimetric position of the projection centers and a RMSE of 3.1685 _ for omega, 1.8127 _ for phi and 8.6723 _ for kappa for the plane attitude, thus confirming the low accuracy of the GPS/INS equipment. DSM has several possible applications, including true-orthophoto production and 3D modelling. We wanted to establish which interpolation method was the best to measure the DSM’s height accuracy. We tested five deterministic interpolation methods: Nearest neighbour, linear method, natural neighbour, inverse distance weighting (IDW) and best triangle. Traditionally deterministic interpolation methods generate the Delaunay triangular irregular network of all the test field area, followed by the triangle identification that embraces the checkpoint, however the IDW and best triangle methods we used, only generate the polygon that best embraces the checkpoint under evaluation. Our test field was mainly composed of dense urban areas. To measure height accuracy the IDW and best triangle methods were most efficient. The best triangle method, with a RMSE of 0.6894 meters appeared to be the most appropriate for this type of terrain. This value should be interpreted with caution since we deliberately measured checkpoints close to breaklines. The automatically generated DSM did not model some terraces and a tower. This was likely due to: low flying height, low overlapping images, oblique photos, the complexity of the urban roofs and terraces. We also evaluated the positional and thematic quality of the automatically produced true-orthophoto. The true-color ortho mosaic has a mean ground sample distance of 3.0 cm. A good radiometric quality in terms of color balancing was observed. Increasing the visualization scale we noticed the following thematic problems: non-linear rooftop edges, ghosting-effect and the occurrence of façades. The predominant problem was non-linear rooftop edges. Many of these situations were attributable to point cloud unique based DSM and could be improved with higher overlapping images. If the post-processing software allowed blending of DSM with object borders vectors, artefacts could be eliminated. The orthophoto positional accuracy was also tested using different samples of GCPs: 5, 10, 20 and 33 GCPs. We achieved a planimetric RMSE of 0.21 m for 5 GCPs; 0.11 m for 10 GCPs; 0.09 m for 20 GCPs; and 0.09 m for 33 GCPs. Using more than 20 GCPs did not confer additional benefit. The distribution of GCPs was more important than quantity. Positional accuracy was tested in interactive photogrammetric platforms, because cartography restitution and updating must be done in such environment. The chosen platforms were Photomod workstation from Racurs and ImageStation Automatic Triangulation from Intergraph. In both photogrammetric workstations we used the post-processing results from Sensefly software. No stereoscopic model formations were achieved in Photomod when directly using the EO parameters from Sensefly. In order to overcome this problem we tested automatic aerial triangulation, using different configuration parameters in Photomod platform. The most optimum configuration achieved a planimetric RMSE of 1.158 meters, an altimetric RMSE of 0.139 meters for GCPs residuals and a global adjustment accuracy (sigma_0) of 1.424. The planimetric result achieved doesn’t meet the standard of accuracy required by DGT (RMSE <= 0.30 meters, for 1:200 scale cartography). The positional accuracy of the same checkpoints in identical stereoscopic models produced by Intergraph and Photomod working stations was performed. The observed planimetric average residuals were 0.0436 meters for Intergraph and 1.3309 meters for Photomod. The observed altimetric average residuals were 0.0587 meters for Intergraph and 0.0780 meters for Photomod. The planimetric accuracy in Photomod stereo models is in excess of expectation. UAV imagery differs from classical aerial imagery in terms of tilt and overlap. The Intergraph software does not appear well adapted to UAV imagery as 10 of 38 block photographs were rejected. We used 2 checkpoints measured in 4 models; the small sample limits the strength of conclusions drawn. Despite this, the results achieved in the Intergraph stereo models merit further exploration. An online questionnaire was sent to Portuguese cartography companies registered with DGT, to gauge the level of knowledge regarding UAV technology and market preparedness. The questionnaire was send to 139 enterprises. Only 17 responses were received. All respondents were aware of the technology. 41% had already experimented with UAVs. 24% reported that UAVs were included in their business model. The product in greatest demand was ortophoto. The lack of appropriate legislation was considered an obstacle in a further commercial adoption of UAV technology.
Descrição: Tese de mestrado em Engenharia Geográfica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014
URI: http://hdl.handle.net/10451/15527
Designação: Mestrado em Engenharia Geográfica
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