Periodická zpráva řešení programového projektu č. DF13P01OVV02 programu aplikovaného výzkumu a vývoje národní a kulturní identity (NAKI) za rok 2014

Transkript

1 Periodická zpráva řešení programového projektu č. DF13P01OVV02 programu aplikovaného výzkumu a vývoje národní a kulturní identity (NAKI) za rok 2014 Název projektu: Nové moderní metody neinvazního průzkumu památkových objektů Tématická priorita programu: AF Dokumentace, knihovnictví, práce s informacemi naplňující tematické priority č. TP 3.4 Diagnostika poškozování a životnost kulturního dědictví a TP 3.1 Moderní dokumentační, evidenční a prezentační technologie Programu aplikovaného výzkumu a vývoje národní a kulturní identity (NAKI). Příjemce: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební Právní forma: veřejná vysoká škola Adresa: Zikova 4, Praha 6 IČ: Zastoupený statutárním orgánem prof. Ing. Petrem Konvalinkou, CSc., rektorem Osoba odpovědná příjemci: Prof. Dr. Ing. Karel Pavelka Web stránky projektu: A) Konstatační část (rešerše, současný stav, vstupní data atd.). Projekt pokračoval druhým rokem a dostal se do poloviny doby řešení. Cílem projektu je zavedení nových technologií bezpilotních letounů a vytvoření souboru metodik pro definování materiálového i chemického složení, diagnostiku poškození a popisu skutečného stavu maleb, obrazů, stavebních prvků i celých konstrukcí objektů kulturního dědictví pomocí nových neinvazivních diagnostických metod. Jádrem je hyperspektrální snímání, založené na unikátní spektrální odrazivosti elektromagnetického záření jednotlivých sloučenin i materiálů (nové zařízení je k dispozici na pracovišti navrhovatele). Využití bezpilotních prostředků (UAV, UAS či nově RPAS remotely piloted aircraft systems), vybavených celou řadou snímačů, jako např. pokročilou termovizí či snímáním objektů ve viditelném a blízkém infračerveném záření, je v posledních letech moderní a velmi často diskutovanou otázkou. V této souvislosti je rozvíjeno velmi žádané nízkonákladové prostorové skenování metodou obrazové korelace (image based modelling), které se uplatňuje jako standardní zpracovatelský systém u RPAS, testovány jsou nové metody vizualizace a zpracování dat z oblasti fotogrammetrie a panoramatického snímání. Při fotogrammetrických metodách dokumentace je kladen důraz na vývoj nízkonákladových dostupných systémů pro plnou prostorovou automatickou či poloautomatickou dokumentaci zejména historických objektů. Spolu s tím se řeší také využití běžných kvalitních digitálních fotoaparátů a samozřejmě i jejich kalibrace.

2 1. Hyperspektrální snímkování (jinak také obrazová spektroskopie či spektrometrie) je relativně novou metodou využívanou v posledních letech v mnoha různých odvětvích. Tento proces byl velmi urychlen rozvojem technologií, které otevřely novou cestu k analýzám a výzkumu. Spektroskopie byla po mnoho let používaná jako kvantitativní nástroj v laboratořích a pro takto získaná data bylo vyvinuto mnoho postupů a analýz. Je to vědní disciplína studující světlo jako funkci vlnové délky, které je emitováno, odraženo a rozptýleno určitou látkou. Slovo hyper znamenající mnoho zde poukazuje na velké množství zkoumaných spektrálních pásem. Na rozdíl od multispektrálního snímkování, které je dobře známé z družicových dat zkoumajících zemský povrch, je princip využití hyperspektrálních dat jiný. Multispektrální data poskytují relativně malé množství (4-10) širokých, často na sebe nenavazujících spektrálních pásem. Hyperspektrální snímkování jde v počtu spektrálních pásem o řád výše. Snímány jsou desítky až stovky spojitých, na sebe navazujících úzkých spektrálních pásem, které následně umožňují zobrazit celou spektrální informaci zkoumaného objektu či materiálu. Použití těchto dat umožňuje extrahování spektrální odrazivosti na úrovni pixelu a je následně možné porovnat data s údaji měřenými v laboratoři a určit tak vlastnosti a typ zkoumaného materiálu. Přestože pomocí hyperspektrálních senzorů je možné změřit i několik stovek ažtisíce spektrálních pásem, není to jejich množství, co dělá data hyperspektrálními. Je to ona spojitost a relativní úzkost pásem, která je pro obrazovou spektrometrii velmi důležitá. 1.1 Základní pojmy Elektromagnetické spektrum Elektromagnetické spektrum zahrnuje záření všech vlnových délek (Obr.1). Elektromagnetické záření o vlnové délce λ má frekvenci f a jemu připisovaný foton má energii E. Vztah mezi nimi určuje následující rovnice a E = h*f, kde c je rychlost světla (3*10 8 m/s) a h je Planckova konstanta (6,6261*10-34 J*s) Obr.1: Elektromagnetické spektrum, převzato z [2]

3 Části spektra, používané pro hyperspektrální snímkování: Ultrafialové spektrum (UltraViolet) 0,001-0,4 μm Viditelné spektrum (VISible) 0,4-0,74μm Blízké infračervené spektrum (NearInfraRed) 0,74 1,4μm Krátkovlnné infračervené spektrum (ShortWaveInfraRed) 1,4-3μm Zobrazující spektrometr Zobrazující spektrometr je přístroj, získávající obecně obrazové informace o spektrálních vlastnostech objektů. Jedná se o zařízení, měřící množství záření odraženého od zkoumaného objektu v daných vlnových délkách. Analyzovaný objekt musí být dostatečně osvětlen. V případě družicových spektrometrů, zkoumajících zemský povrch a při práci ve volném terénu, je objekt osvětlen slunečním světlem. Pokud pracujeme v laboratoři, je třeba vytvořit vhodné světelné podmínky uměle. To se děje nejčastěji silnými halogenovými reflektory. V přístroji se nachází optický disperzní element (štěrbina či mřížka), který rozděluje světlo na požadovaný počet úzkých spektrálních pásem a energie z každého pásma je měřena speciálním detektorem v kompaktním senzoru. Speciální konstrukce detektorů nám umožňuje zaznamenat velmi úzká spektrální pásma (až setina mikrometru). Měřená data jsou následně zpracována do forem tzv. 3D data cube (obr.2). Obr. 2: 3D data cube a graf spektrální odrazivosti, převzato z [3] Rozdíl spektrometru a zobrazujícího spektrometru spočívá ve velikosti skenované plochy. V případě zobrazujícího spektrometru (technologie push broom) se jedná o pohybující se přístroj, který snímá pruh území odpovídající jeho zornému poli. S jeho pomocí získáme 2D obraz povrchu s hodnotou spektrální odrazivosti pro každý zkoumavý pixel. V případě klasického spektrometru získáme spektrální charakteristiky pouze jednoho pixelu (1D), není vybaven linií detektorů jako spektrometr zobrazující. Jeho výroba je tudíž jednodušší a levnější Spektrální odrazivost Spektrální odrazivost je poměr (v procentech) světla, dopadajícího na materiál a světla, které je materiálem odraženo. Odrazivost je závislá na vlnové délce a druhu materiálu, protože dochází k rozdílnému rozptylu a absorpci světla. Tyto rozdíly jsou zobrazovány

4 v grafech, které se nazývají křivky spektrální odrazivosti. Na ose x je zobrazována vlnová délka a na ose y jí odpovídající spektrální odrazivost (obr. 2). Odraz a absorpce jednotlivých materiálů se v různých vlnových délkách liší. Toto schéma odrazivosti a absorpce je rozdílné u různých vlnových délek a s jeho pomocí lze jednoznačně specifikovat daný materiál Spektrální knihovny Konkrétní materiály mají své specifické křivky spektrální odrazivosti, které jsou předem definovány v laboratoři a uloženy v tzv. spektrálních knihovnách. Pomocí rozdílů v jednotlivých křivkách spektrální odrazivosti je možné na základě porovnání s laboratorními měřeními určit o jaký materiál či jeho stav se jedná. Křivky spekter pocházející ze spektrálních knihoven mohou být klíčem ke klasifikaci materiálů nebo k určení informací pro další spektrální analýzu obrazu. Existuje několik celosvětových veřejných spektrálních knihoven pro přírodní a člověkem vytvořené materiály. Spektrální charakteristiky jsou měřeny ve specializovaných laboratořích a jsou používané pro porovnání se zkoumanou měřenou spektrální křivkou. Mezi často používané volně dostupné knihovny patří: Spektrální knihovna ASTER pro detekci materiálů pro stejně nazvaný senzor. Knihovna obsahuje cca 2000 spekter včetně minerálů, půd, člověkem vytvořených materiálů, typů vod a sněhu. Knihovna je k dispozici na stránkách Spektrální knihovna Americké geologické služby (USGS) obsahuje 500 křivek spektrální odrazivosti včetně různých druhů minerálů a typů vegetace. Je možné jí nalézt na V projektu je použit program ENVI, který obsahuje celkem 27 různých spektrálních knihoven, týkajících se jak živé tak i neživé přírody. 1.2 Použití hyperspektrálních dat Existují dva základní typy hyperspektrálních senzorů. Prvním typem je tzv whish broom. Senzor funguje na principu rotačního zrcadla, které snímá kolmo ke směru měřické dráhy. Odražené záření je zaznamenáváno jediným detektorem, který snímá v daný okamžik vždy jeden pixel. Pohyblivé části činí tento systém velmi nákladný a také náchylný k brzkému opotřebení. Jako případ tohoto druhu senzoru můžeme uvést letecký skener HyMap [4] a družicový AVIRIS [5]. Druhou a častější senzorovou konfigurací je tzv. push broom. Data jsou získávána snímkováním ve směru měřické dráhy a senzor je složen z linie jednotlivých detektorů, které jsou umístěny kolmo ke směru snímání. Jak se senzor pohybuje tak jsou postupně snímány jednotlivé části dokumentovaného objektu. Tento typ senzorů je z pravidla lehčí, levnější a ve srovnání s konfigurací whish broom je možné zachytit více světla (fotonů), jelikož každá jednotlivá část objektu je měřena delší dobu. Světlo dopadající do objektivu je rozděleno pomocí optického disperzního elementu, jako jsou štěrbina či mřížka na úzké pásy a výsledná energie je pak měřena detektorem. Jako příklad může sloužit družicové skenery jako americký Hyperion [6] nebo evropský CHRIS [7]. Z hlediska použití lze senzory rozdělit na letecké, družicové a pozemní Družicové senzory Níže zmíněné družicové senzory používají konfiguraci push broom a jsou jedinými hyperpektrálními přístroji dostupné širší veřejnosti. Data senzoru Hyperion lze po registraci bezplatně získat z internetových databází americké geologické služby USGS pomocí aplikace

5 GloVis [8]. Stejně tak data senzoru CHRIS umístěného na evropské družici Proba jsou po registraci a zadání projektu dostupné na stránkách ESA [9]. Družicová hyperspektrální data jsou vzhledem k nízkému rozlišení a velké snímané ploše použitelná hlavně pro globální analýzy a analýzy velkého území, existují i aplikace v oblasti dokumentace a analýzy historických objektů, ale jedná se o velká území (např. planina Nazca v Peru) či obecně chráněná území z historického i přírodního pohledu. Výhody Relativně nízká cena snímku pokud je družice již na oběžné dráze Možnost snímání konkrétního území opakovaně a pravidelně Globální pokrytí Dlouhodobé trvání mise až let Velké snímané území Nevýhody Vysoké náklady na vývoj a vyslání satelitu na orbit Nižší rozlišení Problém s odstraněním vlivu atmosféry Možná potřeba sítě pozemních stanic pro řízení a přenos dat Nižší spektrální a prostorové rozlišení Name and Satellite Manufacturer In operation since Number of Spectral Bands Spectral Range Spectral Resolution Spatial Resolution Web site Hyperion on EO-1 NASA Goddard Space Flight Center 2000 Total 242, 198 calibrated μm around 10nm 30m Eo1.usgs.gov/sensors/hyperion CHRIS on Proba - 1 ESA /32/ μm nm 18 or 36 m Letecké senzory Tab.1: Porovnání družicových hyperspektrálních senzorů Letecké senzory jsou široce používané v geologických, a zemědělských aplikací, pro analýzu stavu vod, detekce využití území a mnoho dalších. Jejich využití je zejména na regionální či místní úrovni jelikož je možné měnit prostorové rozlišení změnou výšky letu. Senzory mohou být umístěny jak na letadle/vzducholodi řízených pilotem, tak i na RPAS.

6 Existují již miniaturizované hyperspektrální systémy a další speciálně pro RPAS jsou ve vývoji (informace z akce INTERGEO 2014 v Berlíně a z workshopu RPAS v Telči v listopadu 2014). Cena těchto dat je silně závislá na typu přístroje, provozovateli a zkoumaném území, ale vzhledem k tomu, že se jedná o použití letadla, tak výsledné náklady z důvodu vysoké ceny zařízení mohou být velmi vysoké. V ČR se těmito aplikacemi zabývá komerčně např. CzechGlobe, který vlastní vysoce moderní techniku. Výhody Místní až regionální rozsah Levnější než družicové přístroje Vyšší spektrální rozlišení Vyšší prostorové rozlišení (závislé na výšce letu) Flexibilní Nevýhody Vysoké náklady na jednotlivý let pro letecké systémy Potřeba GNSS/IMU jednotky Name Manufacturer Configuration type Number of Spectral Bands Spectral Range Spectral Resolution Spatial Resolution Web site HyMap AisaDUAL (Airborne Imaging Spectrometer) AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer) Integrated Spectronics Spectral Imaging NASA Jet Propulsion Lab Whisk broom Up to 128 Push broom Up to 500 Whisk broom μm μm μm nm 3.3 nm for VNIR and 12nm for SWIR Appx. 10 nm 3-10m typical operation range 320 pixels on 24 degrees FOV 677 pixels on 34 degrees FOV aviris.jpl.nasa.gov CASI 1500 (Compact Airborne Spectographic Imager) ITRES Research Limited Push broom Up to μm <3.5 nm 1500 pixels on 40 degrees FOV Tab.2: Letecké hyperspektrální senzory Pozemní / multifunkční senzory a senzory pro RPAS Multifunkční senzory jsou vhodné pro široké spektrum aplikací. Jejich hlavní výhodou je možnost využití pro měření v terénu, a pokud je k dispozici vhodné vybavení (GNSS/IMU jednotka, letadlo / RPAS), je možné je použít také pro letecké snímkování. To je umožněno

7 nízkou váhu přístroje a také jeho relativně malou velikostí. Tyto senzory jsou nejlepším řešením pro specifické měření v lokálních podmínkách [11] Obr.3: Hyperspec - multifunkční hyperspektrální senzor [12] Výhody Flexibilní Univerzální Vhodný i pro měření v terénu Volitelné spektrální a prostorové rozlišení Senzor může být umístěn na letadlo, nutný kvalitní letový plán a koordinace s GNSS/IMU jednotkou nebo RPAS Malá velikost a nízká váha Nevýhody Obyčejně je senzor zakoupen uživatelem Lokální pokrytí, pokud je senzor umístěn v letadle, může pokrytí být i regionální Data nelze jednoduše objednat od dodavatele, i když se již objevují nové možnosti Data bývají zpracována uživatelem Name Hyperspec VNIR A-series Manufacturer Headwall Photonics Configuration type Number of Spectral Bands Push broom 810 SOC730VS Surface Optics Push Broom 250 Spectral Range Spectral Resolution μm Min 2 nm μm Spatial Resolution Web site 2 3 nm 1004 pixels 512or 1024 pixels Tab.3: Pozemní hyperspektrální senzory

8 1.3 Hardware použitý pro potřeby analýzu a dokumentaci památkových objektů Hyperspec VNIR A-series Pro dokumentaci památkových objektů hyperspektrálním snímkováním byl použit pozemní/multifunkční senzor pracující mezi 400 a 1000nm (A-series Hyperspec VNIR). Výrobcem je americká firma Headwall Photonics, Inc. Která patří mezi dlouhodobé výrobce hyperspektrálních senzorů a začínala před mnoha lety zakázkami pro armádu USA. Senzor je vybaven 35mm C-mount objektivem a 18mm dlouhou a 25 μm širokou štěrbinou, kterou lze případně vyměnit či nahradit jinou. Dokumentovaný objekt je snímán 1004 detektory a je možné získat až 810 spektrálních pásem v daném spektrálním rozsahu. Rychlost snímání je až 50 snímků za minutu. Získaná data jsou 12-ti bytová a maximální spektrální rozlišení je 2 μm. Přístroj není vybaven chlazením, a proto je třeba s ním velmi pozorně pracovat, aby nedošlo k přehřátí, které způsobuje zvýšené množství šumu v obraze. Systém je vybaven i tzv. binning, v našem případě 2x2, které se využívá pro zmenšení množství dat na úkor jejich přesnosti (ze 4 pixelů se po matematickém výpočtu stane jeden). Tato možnost nebyla prozatím využita. Kalibrace zařízení byla provedena výrobcem. Obr.4: Hyperspektrální senzor Hyperspec VNIR A-series od firmy Headwall Photonics umístěn na motorizované jednotce Pan&Tilt Pan&Tilt jednotka Hyperspektrální senzor je umístěn na střední motorizované pohyblivé hlavě (tzv. Pan&Tilt jednotka) vytvořené také firmou Headwall Photonics, Inc., která je ovládána počítačem a zajišťuje pohyb nutný ke snímání objektu. Pan&Tilt jednotka je přímo ovládána uživatelem v PC a může být umístěna na stativu. Na tomto nastavení se pracuje Osvětlení Zkoumané objekty byly nejprve osvětlovány dvěma 150W halogenovýma lampami, které se jinak v laboratoři využívají při fotografování. Toto osvětlení se brzy ukázalo jako nedostatečné a proto byly zakoupeny dvě 500W halogenové lampy, které výkonem dostačují. Opět se ale po experimentech ukázalo, že vzhledem k silnému vyzařování tepla tento typ světelného zdroje není vhodný po průzkumu trhu bylo zjištěno, že pro hyperspektrální snímání se vyrábí velmi úzký sortiment osvětlení a jeho cena je velmi vysoká, až o několik řádů než u běžných typů i profesionálního osvětlení (!). Prozatím využíváme speciální osvětlení s chlazením od německého dodavatele (pořízeno mimo zdroje NAKI) Problémy Šum v obraze Množství fotonů dopadající na detektory při maximálním expozičním čase nedosahuje úrovně saturace přístroje, a proto se v datech vyskytuje šum, který je nejvíce patrný při zobrazení křivky spektrální odrazivosti tmavého pixelu (Obr. 5,6). Množství jednotek (fotonů) detekovaných přístrojem ukazuje osa y. Na grafech je evidentní, že hodnoty v řádech desítek jednotek (Obr.5) ukazují větší množství šumu než hodnoty v řádech stovek (Obr. 6). Úroveň

9 saturace u námi používaného přístroje se pohybuje kolem 4 tisíc jednotek a předpokládá se, že právě zde je úroveň šumu nejmenší. Teplo Bylo zjištěno, že halogenové zářivky jsou pro naše účely nejvhodnější variantou. Je to proto, že poskytují přiměřeně konstantní osvětlení ve velkém spektrálním rozsahu (cca nm). Problémem je ovšem vyzařované teplo, které může poškodit zkoumaný objekt. V našem případě nelze přistoupit k použití např. LED zářivek, které vydávají tzv. bílé světlo v rozsahu cca nm, protože tyto zdroje neposkytují dostatečné množství světla v celé spektrální šíři ( nm). Obr.5: Ukázka grafu spektrální odrazivosti tmavého pixelu Obr.6: Ukázka grafu spektrální odrazivosti světlého pixelu Při analýze obrazů hrozí poškození malby, pokud je na ní přítomen včelí vosk. Ten je na historických malbách často použit a může se začít rozpouštět již při 35 C. Jeho postupným rozpouštěním může být ohrožen a v krajním případě i znehodnocen celý objekt. Je třeba se proto vyvarovat nadměrnému ozařování zkoumaných objektů. Při analýzách byl vždy použit teploměr a teplota obrazů nikdy nepřesáhla 30 C. Pro tento účel byly zpočátku používány větráky. Ty se ukázaly jako nešťastné řešení, jelikož vířící vzduch způsobuje silné zašumění zejména v delších vlnových délkách. Po této zkušenosti bylo přistoupeno k osvětlování objektů pouze po dobu skenování (cca 30s až 1 min) a také častému větrání. 2. RPAS RPAS (remotely piloted aircraft systems) je současný oficiální název pro bezpilotní letecké prostředky (UAV, UAS, drone). Název sám říká, že se nejedná o nepilotované, ale dálkově řízené prostředky, což je výrazný právní a pojmový rozdíl. Legislativa v současné době v mnoha případech teprve vzniká a upravuje se, rozvoj RPAS je v posledních několika letech neuvěřitelně rychlý. Z tohoto důvodu je důležitou součástí v projektu i legislativní rámec, o kterém se živě diskutuje nejen v ČR, ale na celém světě. Bezpilotní letecké prostředky jsou známé zejména z televize jako vojenské, vysoce sofistikované a vyzbrojené systémy, schopné dny kroužit v dostatečné výšce, aby nebyly viditelné a účinně zabíjet na dálku. Známé jsou především americké prostředky (např. typu Predator) z války v Afghánistánu a bojem se světovým terorizmem. Ve výzbroji je má ale mnoho armád na světě a logicky k tomu existuje také obrana různého stupně, od samonaváděcích raket až po laserové zbraně.

10 Prvotní informace o RPAS je tedy zabíjet a špehovat. Proto patřičné úřady v moderních státech světa postupují velmi opatrně, ale nejednotně a značně pesimisticky ohledně většího nasazení v běžném životě. V roce 2014 Evropská komise představila projekt "Nová éra v oblasti letectví - otevřený letecký trh pro civilní využití RPAS bezpečným a udržitelným způsobem." Tato proklamace stanovuje názory patřičné komise, jak uchopit problematiku civilních dronů či dálkově pilotovaných prostředků (RPAS). V evropském politickém rámci se snaží nastolit úroveň, která umožní postupný rozvoj trhu komerčních bezpilotních letounů při zachování veřejného zájmu o bezpečnosti. Federal Aviation Administration USA (FAA), přišel tento rok s návrhem nového pravidla pro malé bezpilotní letecké systémy. Dále FAA v dubnu oznámila, že první ze šesti testovacích míst, vybraných pro výzkum RPAS, byla uvedena do provozu (jak bylo požadováno Kongresem USA). Hlavním cílem této aktivity je ukázat, že RPAS může levně a rychle kontrolovat kvalitu půdy, stav plodin a zjišťovat další zemědělské informace (tzv. precizní zemědělství je jedním z mnoha průmyslových odvětví, které představují prostor pro významnou ekonomickou aktivitu RPAS (McGovern, 2014). 2.1 Legislativní rámec a současný stav v ČR Základní pravidla vychází z předpisu L2-Pravidla létání, který definuje mezinárodní standardy o létání. Zde jsou však definována pouze obecná pravidla létání, bez hlubšího zaměření na problematiku RPAS. V roce 2005 byl vydán Řízením letového provozu ČR oběžník s označením AIC C 13/08. Ten byl reakcí na připravované doplnění předpisu L2, tzv. doplňku X, který nabyl platnosti a kterým se do předpisu L2 zapracovávají zásady pro létání s bezpilotními prostředky. Podle oběžníku AIC se za bezpilotní prostředek považuje letadlo, které je konstruováno pro provoz bez pilota - člověka na palubě. Nesmí však dojít k omylu, že bezpilotní prostředek nemá pilota. Pilot je ten, kdo je za bezpilotní prostředek odpovědný a nepohybuje se vůči zemi, tzn., že není na palubě jiného létajícího objektu, ze kterého bezpilotní prostředek řídí. Za bezpilotní systém se považuje systém skládající se z bezpilotního prostředku, řídicí stanice a jakéhokoliv dalšího prvku nezbytného k umožnění letu, jako například komunikačního spojení nebo prvku pro vypuštění a návrat. Bezpilotních prostředků, řídících stanic nebo prvků pro vypuštění a návrat může být v rámci bezpilotního systému více. Podle ustanovení doplňku předpisu L2, Pravidla létání, který právě prochází veřejným připomínkovým řízením, je za bezpilotní systém považován i model letadla, včetně vybavení nezbytného pro jeho provoz. Tato specifikace byla zavedena na základě nutnosti zabezpečit jednotnost regulace všech RPAS, ať jsou používány pro profesionální (komerční) účely anebo rekreační a sportovní účely a rovněž bere v úvahu mezinárodní vývoj regulačních požadavků. Vzhledem k nutnosti zajistit bezpečnost civilního letectví, osob a majetku na zemi jako celku byla přijata základní forma regulace všech bezpilotních prostředků bez ohledu na jejich hmotnost a využití. Model jakékoliv hmotnosti, který je využíván k vědeckým a komerčním účelům, podléhá registraci a nutnosti získat oprávnění. Modely pro sportovní účely a volný čas (hobby) regulaci a registraci nepodléhají, ale vztahují se na ně určitá pravidla předpisu L2 (kupř. použití v bezpečné vzdálenosti od letišť a využití bez speciálních senzorů kupř. i běžných kamer se záznamem a dále let podle předem připravené trasy s vlastní navigací). Legislativa je jedna věc, praxe jiná. Na Internetu i v prodejnách se běžně prodávají RPAS (většinou

11 vrtulníky či multikoptéry) s kamerou a dalším vybavením Dalším problémem se tak stává ochrana osobních údajů. V rámci výzkumu tak byla zaměřena pozornost na legislativu, bezpečnost a legální možnosti užití. Účastnili jsme se semináře na téma Bezpilotní letadla v České republice, pořádaný Ústavem státu a práva (AV ČR a Masarykova universita) a dále jsme v rámci projektu pořádali Workshop RPAS s účastí 75 osob v Telči ( ). Obě akce se těšily značnému zájmu odborné veřejnosti. Regulační a osvětovou aktivitu včetně legislativy RPAS provádí Úřad pro civilní letectví (ÚCL). Podle znění příslušných předpisů je tedy RPAS (bezpilotní letadlo) definováno jako Letadlo určené pro provoz bez pilota na palubě. Bezpilotní systém je definován jako Systém skládající se z bezpilotního letadla, řídící stanice a jakéhokoliv dalšího prvku nezbytného k umožnění letu, jako například datového spoje pro řízení a kontrolu a prvku pro vypuštění a návrat. 2.2 Úvod do problematiky RPAS Tato část má za cíl představit, testovat a navrhnout vhodné využití na základě reálných aplikací bezpilotních prostředků a jejich potenciál ve fotogrammetrii pro oblast dokumentace kulturního dědictví. Bezpilotní nosiče jsou klasifikovány podle známých a zaběhlých atributů. Část je obsažena i legislativě bezpilotních prostředků. Vužitelnost a problematika je poukázána na řadě případových studií, popsány jsou v oddíle B. Projekt si také klade za cíl ukázat možnosti využití levných kompaktních fotoaparátů při podrobném a přesném mapování. Proto jsou v projektu představeny metody kalibrace fotoaparátu, jejíž výstupy byly pro zpracování dat použity. Na ukázkách tvorby ortofoto je ukázána problematika snímkování a plánování mise. Prezentovány jsou přední zpracovatelské programy pro tvorbu ortofoto snímků a digitálních modelů. Část je věnována zjišťování přesnosti a monitoringu s možným výstupem do geografických informačních systémů, ve kterých budou také provedeny analýzy. Významná část se věnuje využití RPAS z hlediska dokumentace historických objektů a pro archeologii. Mimo starší systém Mikrokopter hexakopter je představen nový systém autonomního dronu (RPAS) ebee (pořízen mimo prostředky projektu NAKI v listopadu loňského roku - 11/2013). RPAS není pouze samotný létající model. Pod tímto pojmem jsou zahrnuty následující komponenty: model letadla, vrtulníku kontrolní stanice s pilotem software komunikační přenosová soustava nesené vybavení potřebné vybavení pro obsluhu a údržbu Využití RPAS ve fotogrammetrii pro tvorbu: fotomozaiky a ortofota 3D modelů a určování kubatur šikmých snímků fotoplánů

12 Využití RPAS ve fotogrammetrii může být chápáno jako další nástroj, který otevírá nové možnosti pořizování dat pro řadu oblastí výzkumu. Kombinace letecké a blízké fotogrammetrie přináší zcela nové aplikace. Současná RPAS mohou být využívány pro velká i malá území. Cena jednotlivých systémů se odvíjí především od funkcionality, kterou nabízejí. S cenami od do několika miliónů korun mohou být u horní hranice srovnávány s cenou klasického malého letadla.. Tab. 4 : Porovnání letecké, blízké a RPAS (UAV) fotogrammetrie Hlavní výhodou bezpilotních prostředků je bezpečnost při práci v prostředí pro lidskou posádku nebezpečném či nepřístupném. Jako jsou např. území zasažená živelnou pohromou, horské či vulkanické oblasti, území zamořená radioaktivitou nebo území, kde není možné létat z bezpečnostních důvodů rafinerie atd. Je možné snímat v místech, kde by let se skutečným letadlem nebyl možný např. kvůli překážkám, povolení, dostupnosti, počasí, neboť RPAS mohou létat i velice nízko, pod mraky, tedy tam, kde skutečná letadla z bezpečnostních důvodů létat nemohou. Výhodou nízké výšky je velký detail snímaného území. Pokud je potřeba nasnímat jen malé archeologické naleziště, je mnohonásobně levnější využít RPAS, než speciální letadlo či vrtulník. Mezi přednosti patří také menší náklady na pořízení a provoz stroje, ovšem to neplatí pro všechny RPAS, kde některé speciální stroje svojí cenou opravdu mohou i převýšit cenu klasického letadla(obyčejně se ale jedná o vysoce specializované RPAS či vojenské technologie). Pokud je potřeba snímkovat malé území, pro které by se nevyplatilo využít klasických metod, je bezpilotní prostředek ideální volbou. Avšak pozor, je zde legislativní rámec, který si mnoho uživatelů neuvědomuje či nepřipouští a dopouští se tak přestupku či dokonce trestného činu (např. obecné ohrožení či problémy s ochranou osobních údajů).

13 2.3 Vrtulníky Vrtulník nebo též helikoptéra je letadlo těžší než vzduch s poháněnými horizontálně rotujícími nosnými plochami. Díky své schopnosti kolmého startu a přistání jsou vrtulníky velice často používanými bezpilotními prostředky. Nutnost pouze malého prostoru pro operování je vhodná pro práce menšího rozsahu s velkými terénními složitostmi. Svoje uplatnění tak nacházejí v zastavěných či horských oblastech. Bezpilotní vrtulníky byly pro fotogrammetrické účely použity např. na univerzitě ETH v Curychu, kde sloužil jako nosič laserového skeneru Riegl. Vrtulník s označením Copter 1B je výrobkem francouzské firmy Survey Copter. Svou velikostí a nosností 5kg je tak ideálním leteckým nosičem pro fotogrammetrickou dokumentaci. Pro základní seznámení byl v projektu pořízen malý vrtulník s mikrokamerou a SD kartou pro záznam. Obr. 7 : Survey Copter 2.4 Mutikoptéry Pojmem multikopter je označen vícerotorový vrtulník, který má více než dva nosné rotory. Nejčastěji je jejich počet 4, 6 a 8. Hlavním rozdílem oproti klasickým vrtulníkům je samotná podstata řízení. Let vrtulníku je řízen změnou úhlu natočení listů, jak u hlavního, tak i vyrovnávacího rotoru. U multikoptér, jak jsou někdy vícerotorové vrtulníky označovány, se tak děje změnou otáček jednotlivých motorů a s tím souvisejícím vztlakem, který vrtule vytvoří. Vrtule jsou většinou pevné, s předem definovaným stoupáním. Tato odlišnost je výhodou tohoto typu konstrukce, neboť ve srovnání s klasickým vrtulníkem je kromě samotné konstrukce také jednoduchá výroba a údržba mechaniky stroje. Reakční moment nosného rotoru, který je u vrtulníku kompenzován ocasní vrtulí, je u multikoptér vyrovnáván automaticky, použitím levo- i pravotočivých vrtulí. Reakční momenty od jednotlivých rotorů se tak vzájemně vyruší a model při stejné rychlosti všech rotorů zůstává v klidovém stavu. Obr. 8 : Hexakopter

14 2.5 Letadla Letadla jsou nejčastěji využívanými bezpilotními prostředky. Jsou často používaná především díky svému dlouhému doletu a výdrži. V malých měřítkách má letecký nosič výhodu v bezpečnosti. Pokud dojde k poruše motoru, je letadlo schopné doletět do určité vzdálenosti. Také průběh letu je stabilnější a hladší než např. u vrtulníků. Letadla mohou být nejrůznějších konstrukcí, od těch klasických po dvouplošníky či delta-křídla, někdy také označována jako samokřídla. Každá z konstrukcí má své výhody a nevýhody. V dnešní době, kdy je cena modelářského vybavení na historickém minimu, a je tak dostupná široké veřejnosti, může využít model letadla jako nosič fotoaparátu téměř kdokoliv. Pokud model nebude řízen pouze manuálně, ale také pomocí autopilota, je možné vybírat z široké škály různých automatických systémů. Obr. 9: Swinglet CAM (vlevo) a Gatewing X100 firmy Trimble V rámci získávání informací jsme navštívili veletrh Intergeo 2014 v Berlíně. Lze konstatovat, že RPAS se těšily velkému zájmu - vše se letos na této prestižní akci točilo kolem bezpilotních prostředků (desítky vystavovatelů a stánků, cca 70 typů RPAS). Obr.10: RPAS z INTERGEO 2014 (multikoptéry některé již opravdu značně velké a hmotné)

15 Obr.11: RPAS z INTERGEO 2014 (multikoptéry malých rozměrů) Obr.12: RPAS z INTERGEO 2014 (křídla a letadla) Obr.13: RPAS z INTERGEO 2014 (vrtulníky klasické)

16 Obr.14: RPAS z INTERGEO 2014 (vrtulník firmy Leica již stojí několik milionů korun ) B) Analytická část (vlastní řešení, přínos řešitele, posun znalostí atd.). Řešení i ve svém druhém roce vycházelo ze schválené metodiky a etap projektu. Svým charakterem se jedná o aplikovaný výzkum, při němž jsou odvozovány potřebné matematické vztahy a algoritmy. Jednotlivé přínosy jsou patrné z příloh popisujících podrobně vlastní postupy řešení. Posun znalostí v oblasti výzkum byl realizován jednak studiem odborné literatury a dále účastí na odborných konferencích (CIPA, SGEM a ACRS). V roce 2014 (do zpracování periodické zprávy) byly řešeny úkoly: Průběžná rešerše a výzkum v oblasti využití hyperspektrálního snímání v pozemních aplikacích (analýza historických maleb), problematika umělého osvětlení Výzkum v oblasti RPAS (práce s RPAS, plán nákupu nového RPAS mimo zdroje NAKI), testy přesnosti, legislativa, získání povolení k létání, zpracování obrazových dat a kalibrace kamer 3. Výzkum v oblasti využití hyperspektrálního snímání v pozemních aplikacích 3.1 Dokumentace památkových objektů Během prvního roku projektu byla provedena rešerše na téma hyperspektrální snímkování, počínaje základními pojmy spektroskopie, jako jsou elektromagnetické

17 spektrum, spektrální odrazivost či spektrální knihovny až po přehled speciálních zařízení. Byly představeny jednotlivé typy zobrazujících spektrometrů (družicový, letecký, pozemní, multifunkční), vysvětlen princip jejich činnosti včetně výhod a nevýhod jednotlivých systémů. Dále byl popsán a testován zobrazující spektrometr, používaným v tomto projektu (Hyperspec VNIR A-series), jeho technické parametry a problémy při snímkování (osvětlení, šum v obraze, apod.). Byly představeny první výsledky dokumentace památkových objektů na dvou zapůjčených obrazech od vlámských mistrů (17. stol.) a poznatky z mezinárodních konferencí konaných v roce Proč nestačí VNIR Z předchozích zkušeností a studia literatury bylo zjištěno, že matematické postupy a analýzy ve spektrálním rozsahu nm nemohou plně nahradit infračervenou reflektografii využívající vlnové délky mezi 1500 a 1800nm, ale mohou pomoci k určování a analýze některých prvků [1]. Data v VNIR pásmu ( nm) neprocházejí tak hluboko do malby a lze pomocí nich lépe analyzovat barvy, zatímco delší vlnové délky umožňují zkoumání obrazů více do hloubky. Pro účel projektu je však nutné získat plnou VIS NIR SWIR křivku spektrální odrazivosti neboť většina materiálů používaných pro omítky má své jedinečné spektrální vlastnosti viditelné právě v SWIR. Z toho důvodu bylo nutné rozšířit náš spektrální rozsah do oblasti středního infračerveného záření ( nm). Výběru vhodného vybavení se zabývají následující kapitoly. 3.3 Rozdíl spektrometr/zobrazující spektrometr Spektrometr obecně je přístroj získávající hyperspektrální data. Jedná se o zařízení měřící množství záření odraženého od zkoumaného objektu v daných vlnových délkách. Analyzovaný objekt musí být dokonale osvětlen. V přístroji najdeme optický disperzní element (štěrbina či mřížka), který rozděluje světlo na mnoho úzkých přilehlých spektrálních pásem a energie z každého z nich je měřena speciálním detektorem. 3.4 Možnosti spektrometrie Spektrometry snímající záření v různých vlnových délkách jsou vybaveny různými druhy detektorů. Pro viditelné a blízké infračervené záření ( nm) lze použít klasické CCD detektory [3]. Ty jsou v dnešní době často požívané u klasických digitálních fotoaparátů a jejich cena není vysoká. Pokud chceme snímat delší vlnové délky, musíme použít jiné druhy detektorů. Pro oblast SWIR ( nm) jsou vhodné InGaAs (Indium, Galium, Arsen) detektory [4]. Ty se při používání více zahřívají, takže je nutné vybavit systém chlazením. Z tohoto důvodu jsou spektrometry využívající tyto detektory několikanásobně složitější a dražší. Dalším typem používaných detektorů jsou HgCdTe (Rtuť, Kadmium, Tellur) detektory. Ty mají největší spektrální rozsah ( nm) a je nutné je chladit [5]. Vzhledem k tomu, že katedra Geomatiky, Fakulta stavební, ČVUT v Praze již disponuje VNIR skenovací jednotkou ve spektrálním rozsahu nm, bylo žádoucí tento rozsah rozšířit do SWIR. Možnostmi na trhu se zabývají následující oddíly 3.5 a 3.6.

18 3.5 Zobrazující spektrometry Výrobce Model Spektrální rozsah [nm] Množství sp. Pásem Typ detektoru Typ snímkování Line scanner pixels link Itres SASI HgCdTe Letecké Itres SASI-1000A HgCdTe Letecké HySpex SWIR neuvedeno Letecké, pozemní, laboratorní HySpex ODIN neuvedeno Letecké Specim Specim Headwall Photonics AisaFenix SWIR HgCdTe Letecké 384 AisaFenix 1k SWIR HgCdTe Letecké 1024 Letecké, Hyperspec pozemní, SWIR HgCdTe laboratorní ne/aisafenix ne/aisafenix1k-hyperspectral-camera 999/docs/ds_hyperspec%20swir_2014.pdf Tab. 5 Dostupné SWIR zobrazující spektrometry 3.6 Spektrometry Výrobce Model Spektrální rozsah [nm] Typ detektoru Rozlišení (závisí na λ) Váha link Spectral Evolution SM ASD FieldSpec VNIR - Si array (512) SWIR InGaAs (256) 3,5-7 nm 3,3 kg VNIR - Si array (512) SWIR InGaAs (256) 3-30 nm 5,44 kg As_Spectrometers.pdf ASD TerraSpec VNIR - Si array (512) SWIR InGaAs (256) 3-6 nm 5,44 kg ASD Terraspec Halo VNIR - Si array (512) SWIR InGaAs (256) 3-9,8 nm 2,5 kg pec-halo-mineral-identifier Hamamatsu C11118GA InGaAs (256) 20nm max 1,7kg Ocean Optics NIRQuest 256-2, InGaAs (256) 25,47nm 1,18kg zdroje bez Ocean Optics NIRQuest InGaAs (512) 25,15nm 1,18kg zdroje bez Tab. 6 - Dostupné NIR a SWIR spektrometry

19 4. Rozšíření spektrálního rozsahu o SWIR pořízení nového zařízení Možnosti SWIR spektrometrů zobrazují Tab. 5 a Tab. 6. Pro účel projektu byla snaha o pořízení zobrazujícího SWIR spektrometru, který by poskytoval 2D data zkoumaného objektu (obrazu, malby na zdi, omítky). Bohužel i nejlevnější řešení tohoto typu jsou daleko nad finančními možnostmi katedry. V případě rozsahu nm se jedná o cca tis EUR, pro sensory s větším spektrálním rozsahem ( nm) je cena více než 80 tis EUR. Vzhledem k tomu, že výrobci těchto přístrojů pocházejí ze zahraničí (USA, Německo, Norsko, Finsko) jde o ceny bez DPH. Z finančních důvodů bylo rozhodnuto, že bude pořízen mobilní spektrometr s externí sondou a zdrojem. Obr.15: Nový spektrometr NIRQuest 515 Pro pořízení tohoto zařízení bylo vypsáno výběrové řízení. Z finančních důvodů jsme nemohli zakoupit hyperspektrální kameru stejného výrobce (Hyperspec SWIR pro oblast středního infračerveného záření). V projektu NAKI nebyly požadovány investice a cena za kamery Hyperspec SWIR je přes 2 miliony Kč. Zakoupen tedy bude (prosinec 2014) spektrometr NIRQuest od firmy Ocean Optics. Přístroj bude kalibrován výrobcem a bude k němu dodán i vhodný světelný zdroj, což zkrátí technickou přípravu před vlastním měřením. Přístroj je lehký a přenosný a umožní snazší měření v terénu i předpokládané měření vybraných spektrálních křivek historických objektů (malby, historické omítky aj.). 5. Zobrazující spektrometr na katedře Geomatiky Hyperspec VNIR A-series Katedra Geomatiky, Fakulta stavební, ČVUT v Praze disponuje multifunkčním senzorem pracující mezi 400 a 1000nm (A-series Hyperspec VNIR). Výrobcem je americká firma Headwall Photonics, Inc. Která patří mezi dlouhodobé výrobce hyperspektrálních senzorů a začínala před mnoha lety zakázkami pro armádu USA. Senzor je vybaven 35mm C-mount objektivem a 18mm dlouhou a 60 A 25 μm širokou štěrbinou, kterou lze měnit. Dokumentovaný objekt je snímán 1004 CCD detektory a je možné získat až 810 spektrálních pásem v daném spektrálním rozsahu. Obr.16: Nezpracovaná data ze senzoru Hyperspec VNIR A Rychlost snímání je až 50 snímků za minutu. Získaná data jsou 12-ti bytová a maximální spektrální rozlišení je 2 μm. Přístroj není vybaven chlazením, a proto je třeba s ním velmi pozorně pracovat, aby nedošlo k přehřátí, které způsobuje zvýšené množství šumu v obraze. Systém je vybaven i tzv. binning, v našem případě 2x2, které se využívá pro zmenšení množství dat na úkor jejich přesnosti (ze 4 pixelů se po matematickém výpočtu

20 stane jeden). Tato možnost nebyla prozatím využita. Kalibrace zařízení byla provedena výrobcem. Obr.17: Automaticky opravená data ze senzoru Hyperspec VNIR A Hyperspektrální senzor je umístěn na střední motorizované pohyblivé hlavě (tzv. Pan&Tilt jednotka) vytvořené také firmou Headwall Photonics, Inc., která je ovládána počítačem a zajišťuje pohyb nutný ke snímání objektu. Pan&Tilt jednotka je přímo ovládána uživatelem v PC a je od roku 2014 umístěna na stativu, viz obr.18. Obr.18: Hyperspektrální senzor na stativu Callidus Cine Kalibrace Pro správné určení odrazivosti objektů/materiálů je třeba před měřením provést kalibraci bílé a černé barvy. Při kalibraci je definována minimální odrazivost (0% - černá) a také odrazivost maximální (100% - bílá). Následně určené hodnoty odrazivosti jsou vždy v rozsahu 0-100, kde hranice jsou dány právě kalibrací. Při její absenci není jasné, co reprezentují jednotlivé hodnoty odrazivosti a jak je definováno jeho maximum. Referenční černá se kalibruje pomocí zavření objektivu přepravní čepičkou. Při jejím nasazení nepřichází k detektorům žádné záření a tím je definována odrazivost 0%. Obr. 19: Spectral Profile Office paper, illumination 2 x 500W, scanning distance 0.5m, white reference office paper, aperture 1,9, slit size 25um Obr. 20: Spectral Profile Technical white reference tile, illumination 2 x 500W, scanning distance 0.5m, technical white reference tile, aperture 1,9, slit size 25um Obr. 21: Spectral Profile Spectralon TM, illumination 2 x 500W, scanning distance 0.5m, white reference Spectralon TM, aperture 1,9, slit size 25um Referenční bílá je z pravidla objekt bílé barvy, který se před vlastním skenování umístí před sensor do celého jeho zorného pole a určuje maximální odrazivost (100%). Čím kvalitnější kalibrační prvek (čím větší je jeho odrazivost), tím přesnější absolutní hodnoty

21 odrazivosti daného materiálu. V našem případě byly testovány tři druhy referenční bílé: dvojitá vrstva kancelářského papíru, bílý průmyslový materiál a Spectralon TM. Výsledky na odrazivost jednotlivých kalibračních povrchu znázorňují obr Pro automatickou kalibraci přístroje je klíčové, aby byl kalibrační objekt osvětlen stejně jako zkoumaný objekt a aby kalibrační objekt zabíral celé FOV sensoru. Tohoto nastavení nelze docílit při větší vzdálenosti skenování (>50cm) a je třeba provést kalibraci matematickou. Ta se provádí následně v programu pro analýzu snímků (v našem případě v programu ENVI). Výsledky analýzy byly publikovány v rámci konference SGEM 2014 [6]. Obr.22: Průmyslový materiál požívaný pro kalibraci referenční bílé, velikost 25,4 cm x 5,8 cm a používaný Spectralon TM umístěný na stativu, (výrobek P/N 1004A-21396), Velikost 25,4 cm x 25,4 cm, Odrazivost 99% (závisí na vlnové délce). Obr.23: Spectralon TM křivka spektrální odrazivosti, převzato z [7] Bylo zjištěno, že pro hodnoty absolutní odrazivosti je nejlepším řešením Spectralon TM a to pro jeho výrobcem definovanou odrazivost ve všech spektrálních pásmech (Obr.23: ). Jeho vysoká odrazivost však může vést k překročení saturační úrovně přístroje. Tento problém je řešen snížením expozice sensoru, což může při zkoumání tmavých objektů vést k vysoké hodnotě šumu ve výsledných datech. Tuto situaci je třeba řešit vždy na místě v závislosti na zkoumaném objektu, a proto nelze definovat jednoznačné řešení. Pro tmavé

22 objekty v laboratoři se osvědčilo použití jiné referenční bílé, která lépe odpovídá zkoumanému objektu (tmavší objekt méně odrazivý kalibrační blok). Ovšem jak bylo zmíněno dříve, při zjišťování absolutních hodnot je třeba použít 100%. 5.2 Umístění na stativ V druhém roce projektu bylo skenovací zařízení (sensor a pan&tilt jednotka) umístěno na stativ, aby byla zaručena jeho mobilita. S touto sestavou je možné přemísťovat skenovací zařízení dle potřeby, což bylo nutné pro splnění požadavků projektu. Použit byl filmový stativ Callidus CINE 2000 se speciálně upravenou hlavou pro uchycení Pan&Tilt jednotky, který svou vyšší hmotností a robustním provedením zajišťuje stabilitu systému i při skenování. Úprava byla provedena v dílnách FSv (obr.18). 5.3 Světla Již v prvním roce projektu byl definován významný problém s osvětlením objektu. Bylo zjištěno, že pokud není objekt dostatečně a homogenně osvětlen, výsledky hyperspektrálních analýz vykazují výraznou variabilitu v různých částech objektu. Cílem druhého roku konání projektu bylo zajistit kvalitní zdroje osvětlení, které by tento problém eliminovaly. Byl vypracován koncept dvou liniových halogenových zdrojů osvětlení umístěných vedle sensoru na pan&tilt jednotce, které by osvětlovaly pouze a jen v daný okamžik skenovanou oblast a ostatní části skenovaného objektu by byly neosvětlené. Na základě předchozího zkoumání bylo rozhodnuto, že zdroj osvětlení musí být Tungsten halogen, protože pouze on poskytuje dostatečnou záři i v delších vlnových délkách (viz obr.26). Obr.24: Původní objednaná pokusná světla, nesplňující avšak požadavky pro hyperspektrální snímání. Později byla objednána zcela nová. Tím se ale experimenty opozdily o řadu měsíců. Nakonec bylo vybráno osvětlení od americké firmy ASD, která je již několik let špičkou v oblasti spektrometrie ( Produkt ASD Illiminator Reflectance Lamp (obr.25) splňuje většinu požadavků, ale není lineární. Je přímo určen pro hyperspektrální snímkování a jeho odražená záře v delších vlnových délkách je dostatečná. Produkt, který by přesně odpovídal našim požadavkům na trhu neexistuje. Problém s osvětlením bude i nadále řešen vlastními prostředky. Pořízené osvětlení bude umístěno přímo na pan&tilt jednotce v dostatečné vzdálenosti od sensoru. Je třeba vyrobit platformu, která bude osvětlení držet a bude možné natáčet světly dle potřeby. Na řešení se v současné době pracuje a bude dokončeno do konce roku 2015.

23 Obr.24 Odražená záře ASD Illuminator při použití testovacího panelu Spectralon, převzato z [8] Obr.25: ASD Illuminator Reflectance Lamp, převzato z [8] 7. Analýza a dokumentace obrazů 7.1 Zkoumavý objekt německá škola Zkoumaný objekt byl zapůjčen s laskavým svolením akademického malíře pana Martina Martana. Jedná se obraz pocházející z německé malířské školy devatenáctého století, jde o dílo neznámého autora. Obraz nebyl v minulosti dokumentován ani analyzován pomocí neinvazivních metod. 7.2 Typy dokumentace Obr. 26: Zkoumaný objekt Obraz německá škola Fotopaparát RGB Zkoumaný objekt byl snímán středoformátovým fotoaparátem Pentax 645D s 35mm objektivem umístěným na stativu. Obraz byl osvícen dvěma zábleskovými halogenovými světly o výkonu 1000W. Rozlišení snímku je 3000 x 2294 pixelů a pro vyvážení bílé byl použit Spectralon TM.

24 Obr.27: Pořizování snímků fotoaparátem Pentax 645D Obr.28: Snímek zkounavého objektu pořízený fotoaparátem Pentax 645D Fotoaparát IR Zkoumaný objekt byl dále snímán upraveným fotoaparátem Canon 350D s objektivem Canon mm. Úprava spočívá v odstranění blokačního IR filtru. Výsledný snímek je tedy kombinace viditelného a blízkého infračerveného spektra. Pro účely projektu byl použit pouze červený kanál, který je v tomto případě kombinací červeného a blízkého infračerveného spektra. Výsledný snímek je zobrazen na obr.29. Obr. 29: Snímek zkoumaného objektu pořízený upraveným fotoaparátem (červený plus kanál) Kamera SWIR VGA Ve spolupráci s Laboratoří diagnostiky fotovoltaických systémů na Katedře elektrotechnologie, Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze [9] byl zkoumaný objekt snímán infračervenou kamerou SWIR VGA standard ( Obr. ) od anglické firmy Photonic Science [10]. Kamera je vybavena InGaAs detektory (rozlišení 640 x 512 pixelů) a pracuje ve spektrálním rozsahu nm. Je ovládána počítačem a vybavena chlazením. Výsledkem je IR snímek v daném spektrálním rozsahu, tato technologie neumožňuje snímat ve více spektrálních pásmech. Při pořizování dat byl obraz osvětlen speciálními, spektrálně stabilními světly, viz Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Výsledný snímek je zobrazen na Obr.. Na Obr. jsou zvýrazněné prvky neviditelné ve viditelném spektru. Tento nález bude konzultován s restaurátorem akademický malířem panem Martinem Martanem a dále zkoumán. V budoucnu bude spolupráce s Laboratoří diagnostiky fotovoltaických systémů na Katedře elektrotechnologie, Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze pokračovat. V plánu je testování infračervených blokačních filtrů (např. 1400nm), které však zatím nejsou součástí vybavení laboratoře a musí být zapůjčeny nebo zakoupeny. Při zapůjčení je problém s kompatibilitou filtrů na použitý objektiv a jejich zakoupení není levnou záležitostí (až desítky tisíc korun)

25 Obr. 30: SWIR VGA kamera použitá k dokumentaci zkoumaného objektu, převzato z [5] Obr. 31: IR snímek pořízený kamerou snímající v rozsahu nm Obr. 32: IR snímek pořízený kamerou snímající v rozsahu nm se zvýrazněnými prvky neviditelnými ve viditelném spektru Hyperspec VNIR A-series Obraz byl umístěn na stojan a osvětlen dvěma světly ASD Illiminator Reflectance Lamp na vlastních stativech. Vzdálenost skenovacího zařízení byla 1,3m. S obrazem bylo manipulováno s maximální opatrností, aby nebyl poškozen. Doba osvětlování obrazu byla z bezpečnostních důvodů minimalizována, aby nedošlo k poškození teplem vyzařované lampami. Skenovací aparatura byla nastavena na nejdelší expoziční čas (40,23 μm) a rychlost skenování byla stanovena na minimum (10 snímků/μm). Na snímcích je patrné nerovnoměrné osvětlení obrazu způsobené statickými, bodovými zdroji světla. Tento problém je v současné době řešen umístěním světelných zdrojů na pan&tilt jednotku. Data byla zpracována v programu ENVI. Po nutných předzpracováních byla provedena metoda hlavních komponent (PCA Principal Component Analysis), jejíž barevnou syntézu ukazuje obr.33. Je zajímavé, že ve třetí hlavní komponentě je možné zachytit některé prvky viditelné i SWIR VGA kamerou, viz 34. Analýza těchto prvků bude konzultována s panem restaurátorem, akademickým malířem panem Martinem Martanem.

26 Obr. 33: RGB syntéza Prvních tří hlavních komponent (R-PCA1, G-PCA2, B-PCA3) Obr. 34: Třetí hlavní komponenta (PCA3) s výrazněnými prvky viditelnými SWIR VGA kamerou Dalším projektem byl průzkum infračervenou kamerou pro deskové ikony. Zde se podařilo identifikovat podmalbu čtvercovou síť. To dokazuje, že obraz je zvětšeninou původního originálu. Ikonu zapůjčil akad.malíř p.martin Martan. Obr.35: Ikona, fotografie ve viditelném světle, v infračerveném světle a podmalba čtverová síť (běžná pomůcka pro zvětšování malby)

27 8. Literatura a odkazy [1] Matoušková, E. - Pavelka, K. - Švadlenková, Z.: Non-invasive survey of old paintings using VNIR hyperspectral sensor. ISPRS - International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences [online]. 2013, vol. 2013, no. XL-5/W2, Internet: ISSN [2] VAN DER MEER, Freek Dirk. and Steven M. DE JING. Imaging Spectrometry: Basic principles and prospective applications vyd. The Nederlands: Kluwer Academic Publishers, ISBN [3] Charge coupled device. Wikipedia [online] [cit ]. Dostupné z: [4] Indium Gallium Arsenide. Wikipedia [online] [cit ]. Dostupné z: [5] Mercury Cadminum Telluride. Wikipedia [online] [cit ]. Dostupné z: [6] Matoušková, E. - Faltýnová, M. - Švec, Z.: Influence of illumination and white reference material for hyperspectral imaging of cultural heritage objects. In 14th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2014, Conference Proceedings vol. III. Sofia: STEF92 Technology Ltd., 2014, vol. III., p ISSN ISBN [7] Reflectance targets: Spectralon targets. Labsphere, Inc. [online] [cit ]. Dostupné z: [8] Illuminator Reflectance Lamp. ASD Inc. [online] [cit ]. Dostupné z: [9] ČVUT v Praze, Fakulta elektrotechnická: Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů. ČVUT V PRAZE, Fakulta elektrotechnická. Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů [online] [cit ]. Dostupné z: [10] Photonic Science Ltd.: High Resolution InGaAs / SWIR camera. PHOTONIC SCIENCE LTD. Photonic Science Ltd. [online] [cit ]. Dostupné z: 27

28 4. Výzkum v oblasti RPAS V této kapitole se jedná o výzkum využití RPAS pro aplikace v památkové péči, archeologii, obecné dokumentaci, fotogrammetrii i DPZ. 4.1 Popis systému Pro účely této práce byl zakoupen profesionální model šestirotorového vrtulníku (obr. 35). Základem je německá elektronika Mikrokopter, již detailně popsaná výše a rám z hliníku a sklolaminátu. Model je vybaven šesti motory s celkovou užitnou nosností cca 1.5 kg. Aby mohl model sloužit jako nosič fotoaparátu, bylo nutné ho vybavit držákem. Ten je vyroben ze sklolaminátu, uhlíku a duralu. O jeho stabilizaci se starají dva modelářské servo-motory, které jsou přímo napojeny na řídící elektroniku a v průběhu letu srovnávají fotoaparát do roviny. Váha držáku je cca 300 g, souprava pro bezdrátový přenos obrazu na zem společně s elektronickou či mechanickou spouští fotoaparátu váží dohromady dalších 150 g. Nesená zátěž je s 200 g fotoaparátem 650 g. Celková letová hmotnost modelu je kolem 3 kg. Jako každý bezpilotní systém, i tento tvoří kromě letecké části i část pozemní a programové vybavení. Model je bezdrátově ovládán osmikanálovou RC soupravou s označením MX-16 od německé firmy Graupner, na obr. č. 22. Ta je vybavena českým vysílacím modulem Duplex od firmy Jeti Model, který slouží pro přenos povelů směrem k modelu a zpětným přenosem telemetrie na zem, do externího displeje. Digitální obousměrná komunikace pracuje na frekvenci 2.4 GHz. Start i přistání je nutné provést manuálně, pomocí dálkového ovladače. Ten ovládá základní funkce modelu nutné pro kontrolovatelný let a těmi jsou klonění, klopení, přidání/ubrání otáček, otáčení kolem své osy. Protože je ovládací souprava osmipovelová, jsou dalším čtyřem kanálům přiřazeny funkce pro držení výšky, držení pozice, návrat domů, ovládání náklonu fotoaparátu a spouště. Při létání podle misí je místo ovládání fotoaparátu přiřazena funkce tzv. care free, po jejíž aktivaci přejde model do autonomního módu a let probíhá podle předem stanovené mise. Veškeré funkcionality modelu se nastavují přes program MK Tool. Jedná se o GUI pro správu nastavení a plánování misí. V programu jsou desítky parametrů pro individuální nastavení, jako citlivosti gyroskopů, nastavení ovládacích prvků, GPS, barometrického senzoru atp. Pro snadnější a cílené fotografování především v manuálním módu je fotoaparát doplněn o modul pro bezdrátový přenos náhledu hledáčku na zem. Modul pracuje na frekvenci 5.8Ghz a má dosah přibližně 500 m. Pro jeho zobrazení je na vysílači instalován LCD panel o velikosti 7''. Pro on-line nastavování a správu leteckých misí byl model doplněn o telemetrický přenos, který zajišťuje přídavný modem Xbee Pro, pracující na frekvenci 2.4 Ghz, s dosahem kolem 1.5km (v EU je dosah snížen na 750m.). Tento modul nahrazuje klasické kabelové připojení elektroniky k počítači, které je nutné pro systémové aktualizace, nastavení letových parametrů a plánování misí. Model je poháněn LiPol baterií o napětí 14.4 V a kapacitě 6600mAh. V následující tabulce je průměrný letový čas s nákladem, představující např. digitální fotoaparát s držákem a soupravou na videopřenos náhledu hledáčku, tedy vybavení o hmotnosti přibližně 1kg. Letový čas závisí kromě zátěže také na teplotě prostředí, ve kterém je model provozován a především na letovém stylu. S klesající teplotou klesá i využitelnost kapacity baterie, prudkou akcelerací a rychlým letem se zvyšuje odebíraný proud a tím i se zkracuje letový čas. Pokud vezmeme v úvahu tyto faktory, vychází průměrný letový čas podle tabulky č

29 Obr. 36 : Hexakopter s dálkovým ovládáním Tab. 5 : Letový čas v závislosti na velikosti zátěže 4.2 Požadované výstupy a programové vybavení S rozvojem bezpilotních prostředků v posledních letech vyvstala nutnost přesného vyhodnocení pořízených dat. Jak již bylo zmíněno, data pořízená UAV jsou svým charakterem blíže pozemní fotografii. Díky použití levných neměřických komor a méně přesných inerciálních jednotek je nutné ke zpracování přistupovat odlišně, než u klasických leteckých snímků s přesnou znalostí všech požadovaných prvků. Programy na tvorbu ortofota, které jsou vhodné pro rozsáhlé projekty na úrovni krajů či celých států, jakými jsou např. Geomatica 12, nejsou pro tato data určená. Při zpracování obrazových dat z UAV se setkáváme s těmito problémy: určování prvků vnější orientace - absence kvalitní GNSS/IMU určování prvků vnitřní orientace - použití neměřických komor nestandardní data - snímky často upravené již v sw fotoaparátu Pro zpracování leteckých snímků z bezpilotních prostředků existuje v současné době na trhu několik specializovaných programů. Všechny jsou komerční: Pix4D Aerogis Icaros Dronemapper Photoscan Agisoft 29

30 Tyto programové produkty jsou předmětem testování, v laboratoři vlastníme sw Photoscan Agisoft a dále Terra 3D. Práce vyhodnocení souboru snímků je poměrně jednoduchá, ale výsledky jsou různě kvalitní ať se již týká přesnosti, tak kvality tvorby ortofota. Kvalitní výsledky jsou podmíněny dobrými povětrnostními podmínkami (homogenní osvětlení, vítr do určité síly pro ebee až 15m/s, což je ale zcela krajní mez), kvalita kamery a její kalibrace, řízení snímování, překryty snímků aj. 4.3 Testování hexakopteru Hexakopter, který je v laboratoři fotogrammetrie, byl pokusně dovybaven nosičem pro fotografický aparát s natáčením a dálkovým spínáním expozice včetně video-nadhledu. Zvládnout pilotáž hexakopteru a zároveň i snímkovat není jednoduchá záležitost a je nutný zácvik. Lepší je pracovat ve dvou osobách, kdy jedna hlídá hexakopter (zejména poryvy větru poblíž staveb jsou nebezpečné) a druhý se věnuje snímkování. Dále byl vytvořen prototyp s nesenou termokamerou. Zde nastal problém se zásobováním kamery el.prodem. I když je miniaturní termokamera napájena přes USB port, jsou energetické požadavky poměrně vysoké a levný mikropočítač, který byl pro misi připraven, neměl dostatečně silný výstup. Nakonec byl použit motherboard z mini PC ve velmi provizorním úchytu. Do budoucnosti je nutno zakoupit výkonný mikropočítač. Hexakopter byl testován v několika modifikacích s různými fotoaparáty (Canon, Nikon, Sonny všechny cca 10-12MPix, kalibrované na kalibračním poli pomocí software Photomodeler a vlastním programem). I když by Hexakopter unesl po kratší dobu i levnější zrcadlovku, využity byly kompaktní přístroje s kvalitním velkým objektivem. Právě kvalita objektivu je dominantní pro výstupy. Byly provedeny následující experimenty (již v r. 2013): Snímání fasády historického objektu (zámek Litomyšl), tvorba fotoplánu Snímání výkopových prací při archeologickém průzkumu (Litomyšl), tvorba ortofota Snímání skládky (Žacléř), tvorba ortofota a digitálního modelu terénu Snímání skládky (Žacléř) pomocí termokamery a tvorba termálního ortofota Obr.37: Snímky z hexakopteru, zámek Litomyšl (renesanční fasáda) na snímku je sice vidět distorze objektivu použitého fotoaparátu, ale tato vada se dá eliminovat (existují profesionální 30

31 prostředky či vlastní programové řešení z oblasti kalibrace, kterým se v laboratoři fotogrammetrie v rámci projektu i obecně zabýváme delší dobu). Výzkum a další měření proběhne až na jaře 2015, prozatím dostal přednost systém ebee, zakoupený v loňském roce. Důvodem je snazší řízení a delší výdrž ve vzduchu. 4.4 Výsledky z RPAS Důležitou součástí je přesná kalibrace použitého digitálního fotoaparátu, který může být kalibrován v laboratoři nebo i přímo za letu. Jelikož laboratoř fotogrammetrie se dlouhodobě zabývá kalibracemi digitálních komor, část výzkumu šla i touto cestou. Využity byly vlastní postupy tradiční i netradiční /s kalibračním polem, výpočtem z nadbytečných dat v obraze i naprosto novou metodou s dírkovým objektivem poslední jmenovaný postup byl r.2013 předán Patentovému úřadu a v r byl patent uznán (viz výsledky projektu) Pro klasické kalibrace byl využit software Photomodeler a kalibrační deska, dále vlastní postupy a software Agisoft Photoscan. Za letu se podařilo vytvořit kalibraci na základě rozmístěných a zaměřených cílů na terénu a svazkového vyrovnání, tzv. on the field calibration (výsledky kalibrace jsou v tab.6). Pro kompaktní fotoaparát Canon, nesený Hexakopterem, byly vypočítány parametry kalibrace (prvky vnitřní orientace) a dále byla odečteny parametry vnější orientace u GNSS/IMU. Jak je vidět, prvky vnější orientace jsou měřeny z hlediska fotogrammetrie velmi hrubě. Přesto tato přesnost stačí na poměrně přesnou autonomní činnost systému. Kamera laboratoř On field kalibrace Pix4D (16GCP) Konstanta kamery mm mm mm Senzor x5.5880mm x5.5880mm x5.5816mm Hlavní bod , mm , mm , mm Radiální distorze Tangenciální distorze K1:1.770e-003, K2: e-005, K3:0 P1: 3.514e-004, P2: e-004 K1:1.361e-003, K2: e-006, K3:0 P1: 3.358e-004, P2: e-004 Tab.6: Vnitřní orientace kamery K1:-5.04e-007, K2: 1.04e-007, K3:0 P1: -1.23e-004, P2: 1.22e-005 Image nr. Latitude [ ] Longitude [ ] H [m] κ[ ] φ[ ] ω[ ] zacler351.jpg zacler352.jpg zacler353.jpg zacler354.jpg zacler355.jpg zacler356.jpg zacler357.jpg zacler358.jpg Tab.7 : Přibližné parametry vnější orientace z letového záznamu INS 31

32 Obr.38: Poloha, výška a celková chyba na základě počtu vlícovacích bodů (sw Pix4D) Zásadním problémem levných, ale i nepoměrně dražších fotografických kamer, je nestabilita prvků vnitřní orientace. Přístroje jsou sériově vyráběny bez ohledu na fotogrammetrii. Mnoho typů je z důvodu ceny konstruováno z nepříliš kvalitních plastových dílů, objektivy jsou většinou typu zoom, ostření je automatické, čímž dochází k neustálých změnám prvků vnitřní orientace. Určitou cestou je fotogrammetrické hledisko standardizace podmínek (nepoužívat objektivy zoom, ale pevné ohnisko, nepřeostřovat, vypnout automatické ostření apod. Systémy image based modelling to řeší ale nefotogrammetricky pro každý snímek si spočtou prvky vnitřní orientace z extrémně nadbytečného počtu automaticky detekovaných orientačních bodů na snímcích. Tato cesta je ryze matematická a mohou nastat i některá úskalí v podobě deformace modelů, což se nám podařilo prokázat u některých software. Dalším problémem je počet a rozmístění vlícovacích bodů (zejména u použití software pro RPAS). U programu Agisoft se ukázaly významné problémy s přesností digitálního modelu reliéfu při malém množství geodeticky měřených vlícovacích bodů. 4.5 Termální průzkum Specialitou loňského roku bylo využití termokamery, která je plánována i pro průzkum pozemních objektů, omítek a maleb. Vzhledem k její mobilitě se podařilo ji umístit a zprovoznit pro RPAS Hexakopter. Měření tepelného vyzařování proběhlo při sledování skládky v Žacléři (cílem bylo ověřit technologii termálního snímání na některém vhodném tepelně vyzařujícím objektu). Termální snímání je vhodné i pro archeologické nálezy a výkopové práce, včetně průzkumu možných archeologických nálezů a lokalit. Použitá kamera Optris je skutečně miniauturní a vhodná k montáži do RPAS, její nevýhodou je ale malé rozlišení a video režim (jednotlivé snímky pro fotogrammetrické vyhodnocení se musí v příslušném software vygenerovat. Podařilo se vytvořit jedno z prvních termálních ortofot, výsledky byly publikovány a v r byly zařazeny též s dalšími příspěvky do citační databáze Scopus (viz výsledky projektu). 32

33 Obr.39: Detail uchycení termální kamery a mikrokamery pro náhled a dále výsledek termální ortofoto, klasické ortofoto ve viditelném světle a digitální model reliéfu 4.4 Testování dronu ebee Obr.40: Detail termální ortofoto budovy Pro RPAS se v poslední době též vžil název dron. Svůj původ má ve vojenské technice, kde drony jsou již delší dobu nasazovány při dálkově řízených misích klasickým případem je řízení dronů typu Predátor na vzdálenost 13000km z řídícího střediska v USA v dalekém Afghanistánu. Civilní drony mají ovšem zcela jinou oblast působnosti, dosah i výdrž 33

34 ve vzduchu, logicky také cenu, i když i ta se mlže vyšplhat na několik milionů korun zejména díky speciálnímu vybavení a programovému zabezpečení včetně řízení letu. Z institucionálních prostředků mimo projekt NAKI se nám podařilo pořídit dron ebee švýcarské firmy SenseFly (cena přes půl milionu Kč) Obr.41: dron ebee firmy SenseFly (laboratoř fotogrammetrie, FSv ČVUT) Letoun ebee je žluto-černý bezpilotní letoun, který se skládá ze dvou odnímatelných křídel, centrální části a elektrického motoru s tlačnou vrtulí. Vnější část letounu je vyrobena z polystyrenu a celý letoun je vyvážen přesně pro komponenty doporučené výrobcem. Je tedy nutné při letu používat všechny komponenty. V centrální části se nachází hlavní komunikační systém a volitelná kamera, vpředu je umístěna baterie, na horní části je LED dioda, ukazující stav připojení ebee. Dále je v letounu tzv. ground senzor a měřič rychlosti větru. Křídla jsou onímatelná a jejich část je pohyblivá pomocí servomotorů z důvodu pilotáže. 4.5 Případové studie testování a nasazení ebee V rámci projektu bylo vybráno několik rozdílných lokalit a byly testovány dva typy kamer VIS a IR. Pomocí GNSS s přesností na cm byly zaměřeny vlícovací uměle signalizované body (terče, značky) a byla zkoumána přesnost vytvořených digitálních modelů povrchu. Dále byly vytvořeny pohledy na stínovaný reliéfy, kdy terénní příznaky charakterizují a identifikují rozličné historické zaniklé objekty. Obdobně byly hledány i vegetační příznaky zde je ale problém s nepravidelným stavem vegetace a tak je nutno lety opakovat; vhodné termíny jsou brzo na jaře. Dále uvedené projekty se dále zpracovávají a výsledky budou na jaře příštího roku. Tab. 8: Technická data ebee. Pro ovládání se využívá software emotion ver.2. Ten je kompatibilní s ebee a slouží k plánování letu, ovládání za letu a komunikace s letounem i pro přenos dat v reálném čase 34

35 (poloha, rychlost, rychlost větru, výška, vzdálenost aj.). Program komunikuje s mapovými servery a dráha letu se promítá na letecké orotofoto, družicový snímek či mapu. Obr.42: software emotion a jeho pracovní plocha Vybavení ebee se skládá z volitelné kamery, na podzim letošního rolu se dále prodává i multispektrální kamera a připravuje se hyperspektrální kamera. V naší verzi vlastníme 2 kamery pro viditelné a blízké infračervené spektrum, což umožňuje provádět i vegetační aplikace (např. NDVI, interpretaci IR snímků). Jedná se o kompaktní fotoaparáty firmy Canon (IXUS a ELPH) Tab. 9: Technická data kamer pro ebee. 35

36 Obr.43: spektrální citlivost IR kamery ELPH (dle SenseFly) Výsledkem mise jsou tedy sady snímkůl ve viditelné či infračervené části spektra (vložit lze vždy jen jedna kamera). Typicky se získají stovky snímků s velkým překrytem (70-80% podélný překryt, 40-60% příčný překryt). Pro zpracování se používá software Agisoft Photoscan nebo originální software firmy SenseFly Terra 3D Litoměřice Poblíž města Litoměřice byla vybudována obranná postavení v době prusko-rakouské války; nikdy ale nedošlo k bojovým akcím a proto po válce polní opevnění zanikla. Pomocí dronu ebee se nám podařilo identifikovat zbytky opevnění nejen vegetačními příznaky, ale i terénními pomocí stínovaného reliéfu. Obr.44: výřez z ortofota (vlevo infračervené ortofoto, vpravo klasické ortofoto ve viditelném světle). Obrys opevnění je jasně viditelný pomocí vegetačních příznaků (druhotná vegetace po hlavní sklizni, srpen 2014). 36

37 Obr.45: Využití terénních příznaků: hypsometrický model opevnění (vlevo) a stínovaný reliéf (vpravo). Obr.46: Pohled na lokalitu ze země Obr.47: Při pozdějším průzkumu byla již vegetace vzrostlejší, stopy traktoru ukazují mírnou depresi, která koreluje s pozůstatky opevnění 37

38 4.5.2 Lipany Poblíž pro Čechy velmi známé lokality Lipany se nalézá tzv. Čertova brázda. Jedna její část je viditelná na ortofotu, které lze nalézt na webu (ovšem jen v určitých letech podle vývoje vegetace). Historicky není doložen vznik ani důvod této stavby. Možná se jedná o hraniční stavbu, val apod. Nejspíš se nejednalo ale o opevnění. Datování sahá až do 9.století. Pro neznámou a předpokládanou část valu jsme použili ebee, pro verifikaci nálezu pak georadar. Na polích je val již dávno rozorán a neviditelný, malý kus je zachován v zalesněné strži, kde končí. Měření georadarem na dochovaném zbytku nepřineslo nic zajímavého až na to, že val nemá znatelnou vnitřní konstrukci zřejmě se tedy jedná o násep. Obr.48: Digitální model reliéfu z ebee: val je i v poli viditelný Obr.49: Dochovaná část Čertovy brázdy nedaleko Lipanské mohyly. 38

39 Obr.50: Měření georadarem SIR 300 na poli ale výsledky ukázalo val je velmi dobře patrný. Obr.51: Radarogram val je viditelný v hloubce 0,5-1m. Dobře je vidět, že vznikl nasypáním odebraného materiálu z obou stran. 39

40 Obr.52: Příprav na let a poměrně komické vypouštění ebee z ruky (říjen 2014) Louny - Březno Nedaleko Loun u obce Březno je archeologický skanzen, umístěný poblíž výrazného meandru řeky Ohře, což dává předpoklad již dávného osídlení (otázkou zůstává, jak řeka meandrovala před tisíci léty ). Naší snahou bylo pokusit se vyhledat nějaký neznámý objekt a dále ho verifikovat pomocí dalších pozemních metod. Pomocí ebee se podařilo jistý objekt nalézt, další postup bude verifikace v terénu (jaro 2015). Obr.53: Mise Louny Březno Byly pořízeny VIS i IR snímky (255 a 288 snímků pro dva lety). Na lokalitě nebyly geodeticky měřeny vlícovací body, georeferencování bylo provedeno v systému WGS 84 a parametry orientace byly převzaty e ebee (z instalované inerciální jednotky). Tab.10: Výsledky georeferencování obrazových dat i bez vlícovacích bodů jsou výsledky solidní a pro běžné ne-geodetické aplikace stačí. 40

41 Obr.54: Infračervené ortofoto (vlevo) a ortofoto ve viditelné části spektra s nalezeným objektem Obr.54: Detail - infračervené ortofoto (vlevo) a ortofoto ve viditelné části spektra s nalezeným objektem Božídarské rašeliniště Nejpropracovanějším projektem bylo monitorování přírodní památky, Božídarského rašeliniště s pozůstatky důlní historické těžby na Jáchymovsku. Lokalita byla vícenásobně navštívena, bylo provedeno přesné geodetické měření a rozmístění vlícovacích bodů v nepřístupném terénu. Lokalita byla zvolena záměrně, odlišuje se od ostatních téměř plochých a holých lokalit. Testoval se vliv vegetace v různém ročním období a provedla se hluboká analýza přesnosti, která se dále dopracovává. Božídarské rašeliniště se nalézá u města Boží Dar, nedaleko hranic s Německem. Svou rozlohou přibližně 1000ha se řadí k malým, ale významným krajinným památkám, obsahuje mimo vzácnou vegetaci také stopy po historické těžbě cínu v okolí a samozřejmě rašeliny. 41

42 Obr.55: Pohled na centrální nepřístupnou část rašeliniště rašelinové jezírko s vlícovacím bodem (bod č.8). a dále výřez z vytvořeného ortofota. Vlícovací body (celkem 11 bodů, signalizovaných dřevěným křížem o velikosti 60cm a plastovými deskami o hraně 40cm) byly rozneseny po oblasti a zaměřeny přesnou GNSS Leica Viva. Byly provedeny celkem 3 monitorovací lety v různém období (květen, červen, říjen). Obr.56: Přehledka pořízených snímků (VIS, software emotion) 42

43 Obr.57: Ukázka změny NDVI z centrální části rašeliniště (normalizovaný vegetační index, vytvořený z červeného a infračerveného kanálu) Jedním z hlavních úkolů bylo definovat geometrickou přesnost. Stále ještě počítáme výsledky ze všech misí, kde byl dostatek měřených bodů (Lipany, Litoměřice i Božídarské rašeliniště), ale již nyní lze konstatovat, že využití infračervené kamery dává lepší výsledky a námi i světově hojně využívaná software Photoscan Agisoft za použití menšího počtu vlícovacích bodů ve větším území digitální model reliéfu silně deformuje a vznikají až metrové chyby oproti cm. Obr.58: Relativní deformace digitálního modelu reliéfu (rozdíl modelu bez lícovacích bodů a po celkové vyrovnání s vlícovacími body) 43

44 Projects with minimum of vegetation Projects with full-grown vegetation Boží Dar Litoměřice Lipany Boží Dar 2 Boží Dar 3 NIR VIS NIR VIS NIR NIR VIS NIR VIS Point dz dz dz dz dz dz dz dz dz 1-0,001 0,001 0,001 0,020 0,090 0,066-0,229 0,021-0, ,014 0,037-0,003-0,047 0,152-0,018 0,133 3/7-0,008-0,001 0,004 0,010-0,100-0,056 0,094-0,041 0,080 4/8 0,022-0,012 0,034-0,004 0,087 0,092 5/9-0,013 0,001 0,021-0,101 0,100-0,049-0,017-0,054-0, ,082 Z [m] 0,016 0,001 0,014 0,058 0,084 0,070 0,168 0,059 0,145 Z without vegetation [m] 0,051 Z with vegetation [m] 0,115 dx, dy coordinate difference calculated ground control point with GNSS Z standard height deviation Tab.11: Vypočtené střední chyby pro oblasti s nízkou vegetací a vzrostlou vegetací (s vegetací je chyba asi dvojnásobná) Litoměřice Lipany NIR VIS NIR Z [m] -0,067-0,165 0,000 Z [m] 0,028 0,083 0,095 Z ( Z = 0) [m] 0,073 0,186 0,095 Min [m] -0,142-0,308-0,173 Max [m] -0,003 0,100 0,120 Number of points Z - mean deviation in Z coordinate Z standard deviation in Z coordinate Tab.12: Měření podrobných bodů GNSS a porovnání s model z Agisoft Photoscan Rozbory přesnosti budou dále řešeny, neb se jedná o významnou a diskutovanou oblast RPAS. Prozatím máme dostatek měření, v zimním období je létání problematické a soustředíme se na teoretické záležitosti i následující technologii. 5. Využití technologie Image based modelling Jak u RPAS, tak také v pozemní fotogrammetrii se v posledním desetiletí udály velké změny zejména možnosti vyhodnocení a zpracování obrazových dat se dostaly díky výkonné výpočetní technice na výsluní a technologickou špičku. Vlastní fotogrammetrie poměrně později zareagovala a implementovala do fotogrammetrických produktů i metody obrazové analýzy a počítačového vidění. Zpočátku jednoduché aplikace ve formě volného software či služby se staly v posledních několika létech trendem zpracování digitálních fotografií. Výsledkem zpracování vhodně vytvořeného souboru fotografií je mračno bodů jako u laserových skenerů, digitální model reliéfu a ortofoto. Dnes již existují desítky specializovaných software právě pro tuto oblast. Jejich kvalita i využitelnost je ale různá a speciálně pro soubory snímků z RPAS bylo vytvořeno unikátní software. Některé produkty jsou již dobře známé i v ostatních oblastech vědy a výzkumu (archeologie, geografie aj.). Pozemní aplikace zdomácněly a v nejbližších 44

45 letech budou implementovány i do mobilních telefonů či tabletů. Obdobně jako tvorba panoramatických syntetických snímků. Jednoduchost a nízké náklady jsou výraznou předností všech výše jmenovaných systémů, velmi populární a propagovaný je produkt firmy Agisoft Photoscan. Postupy i možnosti se každým rokem zlepšují, což je dáno jednak výpočetní technikou, jednak i silným výzkumem v této oblasti. Na následujících obrázcích je na případových studiích ukázáno několik možností a výstupů právě ze software Photoscan, který využíváme v laboratoři fotogrammetrie pro pozemní projekty i pro RPAS. 5.1 Litomyšl a archeologické nálezy Jako příklad uvedeme jednoduché zaměření dokumentaci postupu archeologických prací v Litomyšli. Práce byly dokumentovány několika metodami geodeticky, laserovým skenování a pokusně i novou metodou image based modelling. Ta je zatím využívána jako doplňková pro určité menší lokality, má ale velkou budoucnost z důvodu jednoduchosti, 3D vzniklého modelu a nenáročností vybavení. Obr.59: Snímky archeologických vykopávek (soubor 13 snímků z výkopů). 45

46 Obr.60: Ortofoto z vykopávek, sestavené ze snímků z obr. 59. Základy středověkých budov a sklepů v těsné blízkosti muzea. Ve spodní části je i zachované ohniště pec. Zaměření proběhlo květen Obr.61:Současná podoba archeologické lokality po provedeném průzkumu a restaurování přilehlého objektu (část vykopávek byla ponechána v podzemí a jsou přístupná (viz trojúhelníkovité okno v dlažbě) listopad Dolní Chabry- románský kostel Při dokumentaci kostela v Dolních Chabrech byly opět využity sofistikované a tradiční metody, jako doplňková byla opět zkoušena technologie image based modelling pro dokumentaci podpovrchových objektů z archeologických prací a též při dokumentaci cenných 46

47 nástěnných maleb. Tentokrát bylo postupováno profesionálně, zajištěno bylo osvětlení, stativ a profesionální středoformátový aparát Pentax. Ze šikmých snímků bylo vytvořeno napřed tzv. řídké mračno bodů (pro výpočty orientací) a dále husté mračno (pro definování objektu). Výhodou technologie je skutečnost, že dochází k otexturování mračna z fotografií, čímž mají vzniklé 3D modely skutečné textury. Obr.62: Husté otexturované mračno bodů z archeologického naleziště pod podlahou kostela; výsledné ortofoto. Zde již nastal problém, jelikož byly pořízeny stovky snímků s vysokým rozlišením (50MB jeden snímek!). Výpočetní náročnost je zde již velmi vysoká a projekt spočítá jen skutečně velmi výkonný počítač. Běžné toho nejsou schopny. 5.3 Zlatý kopec Na Zlatém kopci v Krušných horách se od nepaměti těžil cín. Jako netradiční ukázku jsme zvolili pro dokumentaci historické těžby (existuje řada projektů i odborníků na tuto problematiku) středověký cínový důl. Mimo laserové skenování byla za velmi špatných světelných podmínek za vlhka využita opět technologie image based modelling. Výsledky z e souboru 57 fotografií jsou povzbudivé, jelikož se dlouhodobě jedná o zařazení celé lokality mezi památky UNESCIO, byla by dokumentace těchto a obdobných objektů velmi žádaná. 47

48 Obr.63: Pohled na první síň v cínovém dolu, Agisoft Photoscan, 57 snímků, velmi špatné osvětlení 6. Výsledky využití panoramatické fotografie v památkové péči Panoramatická fotografie doznala výrazného pokroku po digitalizaci obrazu. Dnešní i běžné digitální fotoaparáty jsou schopny udělat syntetický panoramatický snímek z několika snímků obyčejných. V laboratoři fotogrammetrie se zabýváme okrajově i touto problematikou, která je moderní a dnes často využívaná. Pro projekt jsme se soustředily na historické památkové objekty, zejména klenby v kostelech, které jsou do jisté míry unikátní, nezajímá nás interiér, jelikož s dokumentací interiéru mohou nastat potíže (ochrana předmětů před zcizením). Prozatím využíváme panoramatickou poloprofesionální hlavu s kvalitním kalibrovaným fotoaparátem, výsledky jsou ale velmi dobré a odborníci z památkové péče i architekti tuto možnost uvítali. Zde bude výzkum pokračovat využitelností geometrických informací. 48

49 Obr.64: Panoramatický pohled na object barokní kostel v Opařanech Obr.65: Panoramatický pohled na klenbu barokní kostel v Opařanech 7. Nové metody kalibrace V rámci projektu je řešena také velmi důležitá kalibrace digitálních komor (fotoaparátů) pro účely fotogrammetrie. Jelikož jsou často používány amatérské či poloprofesionální fotoaparáty, je kalibrace nestálá vlivem mnoha faktorů, Rušivá je pro běžné práce zejména distorze objektivu. Speciálními metodami kalibrace se zabýval Ing.Řezníček a výstupem je český patent na unikátní kalibraci pomocí dírkového objektivu (lze využít na komory s odnímatelným objektivem). Patent byl vydán v letošním roce, dokumentace je v příloze. 49