空載光達與空中攝影測量
-法國採石場的實際比較案例-
JoãoAntunes|2017/12/04


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YellowScan的工程師Pierre Chaponnière談到了直接地理定位(空載光達)與空中三角測量系統(空中攝影測量)相比的優勢,並以法國某處的採石場案例研究為例,進行了一些說明。這次的主題目的是想討論如何使用無人機進行攝影測量,而非爭論攝影測量與空載光達的優劣。

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首先,空中三角測量(Aerial Triangulation, AT)是透過識別地面控制點(GCP)或收集圖像上的連接點,利用圖像或是點雲來定位和定向,進而產製結果,如:正射影像。
另外,直接地理定位(Direct Georeferening, DG)使用的是高階的IMU(慣性測量單元),得到對於滾動、俯仰與航向的公分級準確度,這代表該技術能掌握UAV的位置與方位的所有準確度,並精準定位了光達或攝影像素中的每個點,讓您可以快速進行地理定位,並可以直接定位數據,如:YellowScan Surveyor無人機。

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實際測試
在介紹並比較了兩種方法後,Pierre談到了在法國南部佔地25公頃採石場的研究案例。該採石場深140公尺,並且高陡壁。該研究在同一天中,於相同的時段與天氣條件下,同時使用地面光達(Trimble TX5 )、DJI Inspire 無人機(掛載16MP畫素的相機)與YellowScan Surveyor無人機(掛載Applanix APX-15 IMU、Velodyne VLP-16 Puck光達與24MP像素相機)。

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開始資料收集
架設地面光達並不是一件簡單的事。首先,測站擺放的位置需要是網格狀的,並且要能掃描到地理坐標控制點,還需要一些拼接球幫助不同測站的資料能組合在一起,因此,地面光達的作業中會需要許多的測站與拼接球的擺放規劃。
然而,DJI Inspire與攝影測量的飛行計畫而言,操作上的限制相對簡單,在飛行前唯一需要做的就是布置地面控制點,以便無人機能拍攝到,這需要花費一些時間進行布置。
至於YellowScan Surveyor無人機的作業,您僅需要架設一個PPK模式的GNSS基站,而在這基站的5公里範圍內,飛機所獲得的資料都能有良好的校正結果,但由於掃描的測程有限,所以需要調整適合的飛行高度。

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時間與結果
在實測的6小時中,地面光達(Trimble TX5) 掃描了22站,共一公頃的面積,並收集了2Gb的數據。而DJI Inspire花費了相同的時間,10×10分鐘的飛行時間加上準備工作,覆蓋了25公頃的面積,並收集了6Gb的數據,但由於陽光的變化,DJI Inspire每天只有3小時的時段適合飛行,所以需兩天來完成作業。
最後,使用直接地理定位技術的YellowScan Surveyor無人機僅在2小時就完成收集25公頃數據的任務,花費4×10分鐘的飛行時間加上準備工作,收集了4.1Gb的光達數據與6.7Gb的影像資料。

除此之外,考慮到資料處理時間,包括手動處理與機器的自動處理時間,地面光達需多花費3小時來處理數據:2小時的點雲拼接與1小時的資料讀取時間。
DJI Inspire雖然資料處理全是自動化作業,但軟體處理需要花12小時來處理空中三角測量的數據,並且檢測地面控制點最後產製密集點雲資料。此外,掛載在YellowScan Surveyor的24MP像素相機收集的6.7Gb數據,處理也要40小時以上的時間。

最後,YellowScan Surveyor掛載的光達所收集的點雲資料,則需額外的0.5小時於PPK處理及5小時的拼接和分類過程。
 
 地面光達(TLS)攝影測量(AT)空載光達/攝影系統(DG)
作業時間6小時
包含22個測站,覆蓋1公頃
6小時
10×10分鐘的作業時間,覆蓋25公頃
2小時
4×10分鐘的作業時間,覆蓋25公頃
資料大小2 Gb掃描資料6 Gb (900張 .tif影像)4.1 Gb 掃描資料
6.7Gb (669張 .tif影像)
手動後處理+2小時點雲拼接+0小時自動處理+0.5小時PPK定位處理
+3小時正射影像處理與分類
自動後處理+1小時資料輸出-16 Mp像素相機(DJI )
+12小時影像處理、點雲
-24 Mp像素相機(YellowScan)
+40小時影像處理、點雲
+2小時資料處理與分類
成果品質0.1公頃/小時、GSD 1公分-YellowScan (24 Mp):
0.5公頃/小時,GSD 2公分
-DJI (16 MP):
1.4公頃/小時、GSD 10公分
3.3公頃/小時、GSD 5公分

覆蓋率
地面光達的生產率為0.1公頃/小時、地面解析度(GSD) 1公分;DJI Inspire為1.4公頃/小時、GSD 10公分;YellowScan Surveyor掛載的相機為0.5公頃/小時、GSD 2公分。然而,YellowScan Surveyor光達其生產率則為3.3公頃/小時、GSD 5公分。
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點對點的準確性評估

為了驗證產品收集數據成果與現實世界相比的準確性,Pierre使用了均方根誤差(RMSE)來做計算。

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在點對點的測量中, YellowScan Surveyor與攝影測量的結果並沒有太大差別,但是如果是比較坡度變化較大的地面時,DJI Inspire就會產生許多錯誤,而YellowScan Surveyor則一樣沒有顯示什麼錯誤。

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ierre還提到了YellowScan Surveyor相較於DJI Inspire能對植披及建物等,顯示出更好的外觀與細節,清楚的看到樹葉或結構的詳細程度。

結論

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 地面光達YellowScan AT 24MpDJI AT 16MpYellowScan DG
生產率0.1公頃/小時0.5公頃/小時1.4公頃/小時3.3公頃/小時
GSD10 mm20 mm100 mm50 mm
準確度(GCP)無使用61mm62 mm45 mm
準確度(範圍)參考標準47 mm148 mm41 mm
重點
  • 設站麻煩
  • 需要控制點
  • 覆蓋率低
  • 受遮蔽影響大
  • 佈署快速
  • 適應地表起伏
  • 重疊率較低
  • 需要地面控制點
  • 較長的計算時間
  • 受遮蔽影響
  • 佈署快速
  • 航線規劃容易
  • 重疊率較高
  • 需要地面控制點
  • 較長的計算時間
  • 受遮蔽影響
  • 佈署快速
  • 適應地表起伏
  • 僅需GNSS地面基站一個
  • 不受光線影響
  • 可收集植被下資料
  • 精準
  • 可靠

首先,光達/相機的直接地理定位解決方案提供了最快速的資料收集與處理時間,地面控制點的需求並不如空中三角測量那樣必要,唯一需要的是地面GNSS基站的準確坐標,其他的控制點都可以用作資料品質與報告的查核用。
就單一飛行路徑而言,空載光達相較於攝影測量提供了更寬廣的資料收集範圍,並且不受陽光與影像拼接的問題所影響,此外,也對地表建物表面的細節與物體(如:電纜線)有更好表現。

最後,總的來說,遙感探測提供了更安全的工作方式,並提供更快速與更廣泛的資料收集。空載光達與攝影測量哪一個比較好,答案完全取自於您想要做什麼,但YellowScan提供了這兩種技術結合的解決方案,使用直接地理定位的方式並且得到了更優異的成果。

原文連結:
https://www.commercialuavnews.com/mining/direct-georeferencing-vs-traditional-aerial-triangulation-systems

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