Periodická zpráva řešení programového projektu č. DF13P01OVV02 programu aplikovaného výzkumu a vývoje národní a kulturní identity (NAKI) za rok 2015

Periodická zpráva řešení programového projektu č. DF13P01OVV02 programu aplikovaného výzkumu a vývoje národní a kulturní identity (NAKI) za rok 2015 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, 166 36 Praha 6 IČ: 68407700 Zastoupený statutárním orgánem prof. Ing. Petrem Konvalinkou, CSc., rektorem Osoba odpovědná příjemci: Prof. Dr. Ing. Karel Pavelka Web stránky projektu: http://lfgm.fsv.cvut.cz/ http://lfgm.fsv.cvut.cz/naki/index.html A) Konstatační část (rešerše, současný stav, vstupní data atd.). Projekt pokračoval třetím rokem a dostal se do druhé poloviny doby řešení. Cílem projektu je ověření a zavedení nových technologií bezpilotních letounů (RPAS remotely piloted aircraft system), technologie dokumentace image based modelling (blízká fotogrammetrie i RPAS) 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), 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; rozvíjeno bylo 1

též spojení s dalšími technologiemi, např s geofyzikálními magnetometrickými či georadarovými technikami bezkontaktního podpovrchového průzkumu. Spolu s tím se řeší také využití běžných kvalitních digitálních fotoaparátů a samozřejmě i jejich kalibrace (přijatý patent v r. 2014). 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 až tisíce 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 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, RPAS), je možné je použít také pro letecké snímkování. To je umožněno nízkou váhu přístroje a také jeho relativně malou velikostí. Obr.1: Hyperspec - multifunkční hyperspektrální senzor 2

2.2 Problematika využití Výhody Flexibilní, univerzální Vhodný i pro měření v laboratoři i 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 musí být senzor zakoupen uživatelem Vysoká cena Malé, lokální pokrytí, pokud je senzor umístěn v letadle, může pokrytí být i regionální Data nelze jednoduše objednat, již objevují nové možnosti (jedná se o drahé a nepříliš rozšířené zařízení, rozvoj až v posledních několika letech) Data musí být obyčejně zpracována uživatelem 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. Prvotní využití 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 3

zemědělství je jedním z mnoha průmyslových odvětví, které představují prostor pro významnou ekonomickou aktivitu RPAS. Další evropské změny se očekávají na jaře 2016, prvotní otázkou je nyní identifikace RPAS a bezpečné používání. 2.1 Legislativní rámec a současný stav v ČR Legislativa je ve vývoji o rozhodně ji nelze považovat za konečnou či ustálenou; vývoj je velmi rychlý, na ÚCL (Úřad pro civilní letectví) přibývá žádostí o registraci geometrickou řadou. Regulační a osvětovou aktivitu včetně legislativy RPAS provádí 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. 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 1.3.2012 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 vrtulníky či multikoptéry) s kamerou a dalším vybavením Dalším problémem se tak stává ochrana osobních údajů, ale s ohledem na současnou situaci ve světě zejména bezpečnost provozu a možné zneužití. 4

2.2 Úvod do problematiky RPAS 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 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 10 000 do několika miliónů korun mohou být u horní hranice srovnávány s cenou klasického malého letadla. 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). 2.3 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 5

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. 2.4 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. 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 2015 (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 a tvorba spektrálních knihoven Výzkum v oblasti RPAS (práce s RPAS, plán nákupu nového RPAS mimo zdroje NAKI), testy přesnosti, legislativa, prodloužení povolení k létání, zpracování obrazových dat a kalibrace kamer, nové možnosti přístrojové techniky a přesnost dat Technologie blízké fotogrammetrie image based modelling pro nízkonákladovou 3D dokumentaci objektů 3. Výzkum v oblasti využití hyperspektrálního snímání v pozemních aplikacích 3.1 Dokumentace památkových objektů Během prvního a druhého roku projektu byla provedena rešerše na téma hyperspektrální snímkování, počínaje základními pojmy spektroskopie, jako jsou elektromagnetické 6

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 2013-14. 3.2. Proč nestačí VNIR Z předchozích zkušeností a studia literatury bylo zjištěno, že matematické postupy a analýzy ve spektrálním rozsahu 400 1000nm nemohou plně nahradit infračervenou reflektografii využívající vlnové délky mezi 1500 a 1800nm, ale mohou pomoci k určování a analýze některých prvků. Data v VNIR pásmu (400-1000nm) 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 (1400-3000 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 (400 1000 nm) lze použít klasické CCD detektory. 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 (1000 3000 nm) jsou vhodné InGaAs (Indium, Galium, Arsen) detektory. 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 (1000 12000 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 400 1000 nm, bylo žádoucí tento rozsah rozšířit do SWIR. 7

4. Rozšíření spektrálního rozsahu o SWIR pořízení nového zařízení 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 900 1700 nm se jedná o cca 50 60 tis EUR, pro sensory s větším spektrálním rozsahem (900 2500 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. 5. Hardware použitý pro potřeby analýzu a dokumentaci památkových objektů 5.1 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 bitová 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. 2: Hyperspektrální senzor Hyperspec VNIR A-series od firmy Headwall Photonics umístěn na motorizované jednotce Pan&Tilt. 5.2 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. 5.3 Osvětlení Zkoumané objekty byly nejprve osvětlovány dvěma 150W halogenovýma lampami, které se jinak v laboratoři využívají při fotografování. Toto osvětlení se brzy ukázalo jako 8

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) 5.4 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. Množství jednotek (fotonů) detekovaných přístrojem ukazuje osa y. Na grafech je evidentní, že hodnoty v řádech desítek jednotek ukazují větší množství šumu než hodnoty v řádech stovek. Úroveň 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 400 3000 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 400-700nm, protože tyto zdroje neposkytují dostatečné množství světla v celé spektrální šíři (400-1000nm). Obr. 3: Ukázka grafu spektrální odrazivosti tmavého pixelu Obr. 4: 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. 9

Menší projektové studie využití se zařízením Hyperspec VNIR A-series byly provedeny v letech 2013-14 a nejsou zde opakovány; budou souhrnně uvedeny v publikaci příští rok. V roce 2015 jsme se zaměřili na oblast SWIR i když jsme nezajistili potřebné finance z jiných zdrojů v potřebné výši několik milionů Kč, podařilo se zakoupit spektrometr NIRQuest512-2,5 v hodnotě těsně pod milion Kč. Tyto investiční zdroje mimo NAKI výrazně pomáhají projektu a doplňují možnosti poskytnutých financí o další potřebné investice. 5.5 Odrazová Spektrometrie (Reflectance spectrometry) Spektroskopie je fyzikální obor zabývající se vznikem a vlastnostmi elektromagnetického záření při interakci se vzorkem. Jednou z jejích částí je i spektrometrie odrazová (reflectance spectrometry), která je základem hyperspektrálního snímkování. Jedná se o metodu měření odrazivosti zkoumaného objektu v různých vlnových délkách. Důležitá je malá šířka spektrálního pásma (nanometry), množství (stovky), ale hlavně jejich vzájemná spojitost. Na katedře Geomatiky, FSv, ČVUT v Praze byl v roce 2015 na základě výběrového řízení pořízen spektrometr NIRQuest512-2,5 od americké firmy Ocean Optics, který pracuje ve spektrálním rozsahu 900 2500 nm. V tomto rozsahu je k dispozici 512 spektrálních pásem. Toto zařízení navazuje na spektrální rozsah hyperspektrálního senzoru Headwall Photonics Hyperspec VNIR, které pracuje mezi 400 a 1000nm. Spektrometr je vybaven InGaAs (Indium, Galium, Arsen) detektorem, který patří mezi standartní pro použití v infračerveném spektru. Výsledkem měření je vždy hodnota intenzity záře (intensity count) pro danou vlnovou délku ve formě textového souboru ve formátu ASCII. Systém je určen k měření pouze jednotlivých bodů. Obr. 5 - Spektrometr NIRQuest 5.5.1 Schéma spektrometru Schéma spektrometru je zobrazeno na Obr. 6. Světlo (záře) odražené od zkoumaného objektu vchází do zařízení vstupním optickým kabelem (1), prochází štěrbinou, která reguluje množství světla (záření) přicházející do přístroje a také určuje spektrální rozlišení (v našem případě má štěrbina 200um a spektrální rozlišení je tedy 38nm). Záření dále prochází filtrem (3), který omezuje nežádoucí vlnové délky (méně než 900 a více než 2500nm). Následně světlo dopadne na kolimační zrcadlo (4), které usměrňuje světelný tok směrem k difrakční mřížce (5). Ta rozdělí záření podle délky jeho vlny a nasměruje ho do dalšího zrcadla (6), které zaostří světelný tok k vlastnímu detektoru (7). Kompletní spektrum je následně pomocí elektroniky převedeno do počítače. 10

Obr. 6: Spektrometr Ocean Optics NIRQuest, převzato z [2] Osvětlení Jak bylo zmíněno dříve, jedním z hlavním problémem odrazové spektrometrie je vhodné osvětlení zájmového objektu. To musí být dostatečně intenzivní ve zkoumaném spektrálním rozsahu, ale zároveň nesmí objekt nijak poškodit. V tomto případě se velmi osvědčil externí světelný zdroj (viz obr 7) a optický kabel, který propojuje světelný zdroj se spektrometrem i sondou. Světelný zdroj Cool Red byl vytvořen pro infračervenou spektrometrii v rozsahu 1000 5000nm a jeho rozměry jsou 13 x 13 x 12 cm. Zdroj je po zapnutí třeba nechat několik minut zahřát, aby bylo záření maximálně homogenní. Obr. 7: Světelný zdroj Cool Red Obr. 8: Intenzita světelné zdroje Cool Red v závislosti na vlnové délce, převzato z [3] Měřící zařízení Celkové měřící zařízení (obr. 9) se skládá ze spektrometru, světelného zdroje, notebooku s ovládacím softwarem, optických kabelů a vlastní sondy. Sonda je složená z optického 11

kabelu přenášejícího záření do spektrometru a dalších kabelů, které přivádějí světlo od zdroje. Zakončení sondy je vidět na Obr. 10. K relevantnímu spektroskopickému měření je nutné mít kvalitní referenční bílou. Po počátečním testování bylo zjištěno, že dříve používaná technická bílá neplní v delších vlnových délkách svou funkci a pohlcuje příliš mnoho záření. Použit byl proto Spectralon od amerického výrobce LabSphere, obr. 11. Obr. 9: Měřící zařízení pro odrazovou spektrometrii Obr. 10 : Sonda na konci optického kabelu 12

Obr. 11: Kalibrace pomocí referenční bílé (Spectralon) Měření K ovládání systému byl použit standartní notebook s nainstalovaným softwarem OceanView vyvinutý výrobcem pro kontrolu a řízení jeho produktů. Před vlastním měřením je nutné vhodně systém nastavit. Jedná se zejména o nastavení množství počátečního šumu přístroje způsobené různými optickými vlivy (obr 12) a také určení integračního času. Ten je nutné nastavit v závislosti na použité referenční bílé (určuje maximální hodnotu odrazivosti) a také na skenovaném materiálu. V případě nevhodného nastavení je možné, že bude spektrometr saturován (obr 13) či naopak - intenzita záření nebude dostačující. Správné nastavení ukazuje obr.14.. Obr. 12: Počáteční nastavení - software OceanView 13

Obr. 13: Špatné počáteční nastavení - spektrometr je saturován Obr.14: Správné počáteční nastavení Vlastní měření probíhá přikládáním sondy na jednotlivé zkoumané materiály (obr. 15) Obr. 15: Měření spektrální odrazivosti pomocí sondy 14

5.5.2 Testování a předběžné výsledky Testování zařízení probíhalo na vzorcích stavebních materiálů získaných z Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR (Ing.Slížková). V rámci testování zařízení byly zkoumány vzorky tří druhů pískovce (Božanov (1), Hořice (2), Mšeno (3) Obr. 12) a čtyř druhů malty (se vzdušným vápnem (9), s pojivem vápno + cement (10), s hydraulickým vápnem (11) a s pojivem vápno + metakaolin (12); (Obr. 16,17). Obr. 16: Testované vzorky pískovce Obr. 17: Testované vzorky malty Výsledné křivky spektrální odrazivosti ukazují velmi výrazné rozdíly mezi spektrálními příznaky (tvar a poloha křivky) jednotlivými druhy pískovce (obr. 16) zatímco spektrální odrazivosti malty (obr. 18) se mezi sebou liší hlavně v hodnotě odrazivosti (poloha křivky). 15

Obr. 18: Spektrální odrazivosti různých druhů pískovce, modrá - Božanov, zelená - Hořice, šedá - Mšeno Obr. 19: Spektrální odrazivost různých druhů malty; modrá - se vzdušným vápnem, zelená s pojivem vápno+cement, šedá s hydraulickým vápnem, fialová vápno+metakaolin Knihovna stavebních materiálů Výsledkem projektu bude knihovna stavebních materiálů, která bude obsahovat jejich křivky spektrální odrazivosti (spektrální příznaky) a která bude sloužit jako referenční pro následné určování materiálů v terénu. Pro dosažení optimální křivky spektrální odrazivosti bude použito průměrování několika měření. Při opakovaném měření jednoho materiálu na různých místech vzorku se jednotlivé hodnoty liší (obr. 18) a použití pouze jednoho měření by neobsahovalo celkovou variabilitu zkoumaných materiálů. Optimální počet měření, z kterých bude výsledná křivka vypočítána, bude předmětem dalšího výzkumu. 16

Obr. 20: Několikanásobné měření Božanovského pískovce, výsledná křivka spektrální odrazivosti bude průměrem několika měření 6. Zobrazující spektrometr Hyperspec VNIR A-series 6.1 Řešení problematiky kalibrace a osvětlení Před měřením materiálů i objektů je nutno provést přesnou kalibraci systému a zvolit správníé osvětlení, což je netriviální záležitost, kterou jsme se zabývali poměrně delší čas. 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 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.21-23. 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). Obr. 21-22: 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). 17

Obr. 23: Spectralon TM křivka spektrální odrazivosti (zdroj výrobce) 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 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%. Pro umístění skeneru byl užit 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. Nutná úprava byla provedena v dílnách FSv. 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. Nakonec bylo vybráno osvětlení od americké firmy ASD, která je již několik let špičkou v oblasti spektrometrie (www.asdi.com). 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. 18

Obr. 24: Odražená záře ASD Illuminator při použití testovacího panelu Spectralon, převzato z webu výrobce Obr. 25: ASD Illuminator Reflectance Lamp 7. Analýza a dokumentace obrazů Část projektu se zabývá analýzou obrazů z hlediska spektroskopického průzkumu. Historické obrazy zapůjčil akademický malíř pan Martin Martan. 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. Byly provedeny různé pokusy s přístroji, které byly k dispozici. Jednalo se o fotografování ve složkách RGB, kamerou s infračerveným filtrem (NIR), kamerou SWIR a kamerou Hyperspec VNIR A-series. 19

Výsledky byly již částečně ve zprávě za rok 2014. Nejlepší výsledky byly dosaženy s kamerou SWIR; na základě toho byl zakoupen také SWIR spektrometr v r. 2015 z dodatečných zdrojů projektu. 20

7.1 Kamera SWIR VGA Analýza obrazu byla provedena ve spolupráci s Laboratoří diagnostiky fotovoltaických systémů na Katedře elektrotechnologie, Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. Zde je k dispozici infračervená kamera SWIR VGA standard od anglické firmy Photonic Science. Kamera je vybavena InGaAs detektory (rozlišení 640 x 512 pixelů) a pracuje ve spektrálním rozsahu 900 1700 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, výsledný snímek je zobrazen na obr. 26, jsou zvýrazněné prvky neviditelné ve viditelném spektru. Tento nález byl konzultován s restaurátorem akademický malířem panem Martinem Martanem a dále zkoumán. Obr. 27: IR snímek pořízený kamerou snímající v rozsahu 900 1700 nm se zvýrazněnými prvky neviditelnými ve viditelném spektru 7.2 Hyperspec VNIR A-series Stejný obraz byl vícekrát analyzován se zařízením Hyperspec VNIR A-series. Obraz byl umístěn na stojan a osvětlen dvěma světly ASD Illiminator Reflectance Lamp na vlastních stativech. 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 (funkční vzorek). Snímaná data byla zpracována v programu ENVI. Po nutných předzpracováních byla provedena metoda hlavních komponent (PCA Principal Component Analysis), jejíž barevnou syntézu ukazuje obr. 28. Je zajímavé, že ve třetí hlavní komponentě je možné zachytit některé prvky viditelné i SWIR VGA kamerou, viz obr. 27. 21

Obr. 28: Třetí hlavní komponenta (PCA3) s výrazněnými prvky viditelnými SWIR VGA kamerou 8. Literatura a odkazy Odkazy z webu: http://oceanoptics.com/ 2015 [cit. 2015-11-11] http://oceanoptics.com//wp-content/uploads/nirquest.pdf 2015 [cit. 2015-11-11] http://oceanoptics.com///wp-content/uploads/cool-red-installation-and-operation- Instructions.pdf 2015 [cit. 2015-11-11] https://www.labsphere.com/products/reflectance-reference-standards-targets/reflectancetargets/calibrated-diffuse-reflectance-targets/ 2015 [cit. 2015-11-11] http://oceanoptics.com/product/oceanview/ 2015 [cit. 2015-11-11] Charge coupled device. Wikipedia]. 2014 [cit. 2014-11-16]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/charge-coupled_device Indium Gallium Arsenide. Wikipedia 2014 [cit. 2014-11-16]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/indium_gallium_arsenide [5] Mercury Cadminum Telluride. Wikipedia. 2014 [cit. 2014-11-16]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/mercury_cadmium_telluride Reflectance targets: Spectralon targets. Labsphere, Inc.. 2014 [cit. 2014-11-16]. Dostupné z: http://www.labsphere.com/products/reflectance-standards-and-targets/reflectancetargets/spectralon-targets.aspx Illuminator Reflectance Lamp. ASD Inc.. 2014 [cit. 2014-11-16]. Dostupné z: http://www.asdi.com/products/accessories/illuminator-reflectance-lamp ČVUT V PRAZE, Fakulta elektrotechnická. Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů. 2014 [cit. 2014-11-16]. Dostupné z: http://pasan.feld.cvut.cz/ 22

Photonic Science Ltd.: High Resolution InGaAs / SWIR camera. PHOTONIC SCIENCE LTD. Photonic Science Ltd. 2014 [cit. 2014-11-16]. Dostupné z: http://www.photonic-science.com/products/swir-ingaas-cameras.html Odkazy na literaturu: 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. 2013, vol. 2013, no. XL-5/W2, ISSN 2194-9034. http://www.int-arch-photogramm-remote-sens-spatial-inf-sci.net/xl-5-w2/ Meer, der V., Dirk, F. Jing. S. Imaging Spectrometry: Basic principles and prospective applications. 2001. vyd. The Nederlands: Kluwer Academic Publishers, 2001. ISBN 1-4020- 0194-0. 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. 199-206. ISSN 1314-2704. ISBN 978-619- 7105-12-4. 23

9. Výzkum v oblasti RPAS V této kapitole se jedná o výzkum využití RPAS pro aplikace v památkové péči, archeologii, obecné dokumentaci, fotogrammetrii i DPZ. 9.1 Popis systému Pro účely výzkumu RPAS byly zakoupen profesionální model šestirotorového vrtulníku (obr. 29) a okřídlený RPAS EBee (obr. 30). Haxakopter Jedná se o vícerotorový RPAS, jehož základem je německá elektronika Mikrokopter, již detailně popsaná v minulé zprávě, doplněná o 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 (vlastní konstrukce). 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 a dalšími doplňky. V roce 2015 byly zpracovány jen doplňující výsledky z monitorování objektu termovizí a dále používán nebyl. Obr. 29 : Hexakopter s dálkovým ovládáním 9.2 Požadované výstupy a programové vybavení Významný rozvoj bezpilotních prostředků v posledních letech vyvolal nutnost přesného vyhodnocení pořízených dat. Data, pořízená UAV, jsou svým charakterem blíže pozemní fotogrammetrii. Díky použití levných neměřických kamer a méně přesných inerciálních jednotek je nutné ke zpracování přistupovat odlišně, než u klasických leteckých snímků s přesnou znalostí všech požadovaných prvků. Profesionální fotogrammetrické softwarové produkty na tvorbu ortofota, které jsou vhodné pro rozsáhlé územní projekty, nejsou pro tato data určená a ani vhodná. Při zpracování obrazových dat z UAV se setkáváme s těmito problémy: určování prvků vnější orientace - absence kvalitní GNSS/IMU 24

určování prvků vnitřní orientace - použití neměřických komor nestandardní data - snímky často upravené již v sw fotoaparátu snímky se často odklánějí od ideální svislice, zařazeny jsou i šikmé snímky, azimutální natočení je proměnlivé Pro zpracování leteckých snímků z RPAS existuje v současné době na trhu několik specializovaných programů. Všechny jsou komerční: Pix4D Terra 3D -SenseFly Aerogis Icaros Dronemapper PhotoScan Agisoft 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 snímkování, překryty snímků aj. 9.3 RPAS ebee 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 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 RPAS ebee švýcarské firmy SenseFly (cena přes půl milionu Kč) Obr. 30: RPAS ebee firmy SenseFly (laboratoř fotogrammetrie, FSv ČVUT) 25

RPAS ebee je 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 odnímatelná a jejich část je pohyblivá pomocí servomotorů z důvodu pilotáže. Pro ovládání se využívá software emotion (obr. 31). Ten je kompatibilní s ebee a slouží k plánování letu, ovládání za letu a komunikace s letounem i pro přenos dat v reálném čase (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. 31: software emotion a jeho pracovní plocha Vybavení ebee se skládá z volitelné kamery, dále se prodává i multispektrální kamera, termální kamera a připravuje se hyperspektrální kamera. V naší verzi vlastníme dvě 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). 26

Obr. 32: spektrální citlivost IR kamery ELPH (dle SenseFly) Výsledkem mise jsou sady snímků 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. 9.4 Případové studie testování a nasazení ebee Testovací lety byly provedeny již v minulých letech. Loni a letos jsme se soustředili na ověřování přesnosti a možnosti kvalitnějšího zpracování a dále na různé případové studie, řešené právě pomocí RPAS. Pomocí GNSS s cm přesností 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. V minulých letech byly provedeny projekty s RPAS EBee u Litoměřic a Lipan, výsledkem byly tematické mapy s odborným obsahem, odevzdané 15.9.2015 k posouzení na MKČR. Dále byl proveden průzkum archeologické lokality Březno u Loun, kde výzkumy pokračovaly i v r. 2015. Dva roky provádíme monitoring oblasti Božídarského rašeliniště jedná se o dlouhodobé testování přesnosti vzhledem k různé fázi vegetace, možnosti monitorování změn vegetace, které jsou důležité z hlediska vegetačních archeologických příznaků; dále se jedná o lokalitu s historickou hornickou činností. Výzkum za použití RPAS probíhal i v zahraničí, což je vzhledem ke složité bezpečnostní situaci velmi významné. Provedeny byly lety s EBee v Grónsku při mezinárodní německo české expedici v srpnu a září 2015 (archeologická lokalita Sermermiut u města Ilulissat) a dále v říjnu 2015 při české archeologické expedici 27

v Iráku (Makhmour) pouhých několik km od frontové linie. Výsledky pro archeology jsou velmi cenné a detailní. 9.4.1 Louny - Březno Lounsko je bohaté na archeologické objekty stejně jako celá česká kotlina, obývaná od pradávna. Nedaleko Loun u obce Březno je archeologický skanzen, umístěný poblíž výrazného meandru řeky Ohře, což dává předpoklad prehistorického osídlení (otázkou zůstává, jak ovšem řeka meandrovala před tisíci léty). Cílem projektu bylo pokusit se vyhledat libovolný neznámý objekt a dále ho verifikovat pomocí dalších pozemních metod. Pomocí ebee se podařilo jistý objekt nalézt, další postup byl verifikace v terénu (červen 2015). Obr.33: Infračervené ortofoto (vlevo) a ortofoto ve viditelné části spektra s nalezeným objektem Obr.34: Detail - infračervené ortofoto (vlevo) a ortofoto ve viditelné části spektra s nalezeným objektem 28

Nález je zřejmě zahloubený objekt chata, pozůstatek možná keltského či slovanského osídlení. Shodou okolností leží těsně vedle zničených pevnůstek (řapíků) z předválečného Československa (na obr. 34 zarostlá kruhová část snímku). Provedeno bylo několik náletů s kamerou VIS i NIR v různých vegetačních obdobích, avšak vzhledem k suchému roku letos nebyly obrysy významně detekovány (vegetační příznaky jsou viditelné jen občas, mnohdy jen několik dní po mnoha letech); pokračovat se bude i na jaře r. 2016. V červnu bylo provedeno geofyzikální měření pro verifikaci nálezu. Použit byl magnetometr / gradiometr a dále georadar GPR SIR 3000. Výsledky však nebyla nijak přesvědčivé. Magnetometr zjistil menší anomálie, ale vzhledem k přítomnosti zničené pevnůstky s železobetonem byly již kraje oblasti ovlivněné železnými zbytky. Georadarové měření jasně ukázalo podkladní vrstvu jedná o říční terasu. Významné objekty ale viditelné nejsou, pouze malé anomálie, z čehož lze usuzovat, že stavba opravdu byla kůlová. Obr. 35: Ukázka měření z magnetometru; oblast zahloubeného objektu 9.4.2 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. Božídarské rašeliniště se nalézá u města Boží Dar, nedaleko hranic s Německem. Svou rozlohou přibližně 1000ha se řadí k malým, ale významným krajinným 29

památkám, obsahuje mimo vzácnou vegetaci také stopy po historické těžbě cínu v okolí a samozřejmě rašeliny. Obr. 36: Pohled na centrální nepřístupnou část rašeliniště rašelinové jezírko s vlícovacím bodem (bod č. 8). 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. Bylo provedeno celkem 6 monitorovacích letů v různém období (květen, červen, říjen v letech 2014-15). Obr. 37: Přehledka pořízených snímků (VIS, software emotion) 30

Jedním z hlavních úkolů bylo definovat geometrickou přesnost. Lze konstatovat, že využití infračervené kamery dává lepší výsledky. Světově hojně využívaný software PhotoScan Agisoft za použití menšího počtu vlícovacích bodů dává deformované výsledky; ve větším území je digitální model reliéfu silně deformuje a vznikají až metrové chyby oproti cm. Nutno ale dodat, že Agisoft PhotoScan je univerzální sofzware pro tvorbu 3D modelů z fotografií a defaultně není určen pro RPAS a přesnou fotogrammetrii. Lepší výsledky dává software Terra 3D, který je zaměřen pro fotogrammetrii z RPAS. Přesto se Agisoft PhotoScan využívá velmi často pro svou snadnou obsluhu a univerzálnost. Dále lze na základě výzkumu v r. 2014 a 2015 říci, že střední chyby na kontrolních bodech pro oblasti s nízkou vegetací a vzrostlou vegetací se značně liší, při vzrostlé vegetaci je střední chyba asi dvojnásobná. 31

Obr. 37 a, b, c: Ukázka ortofota území (cca 1km 2 ), a detail historických odvodňovacích příkopů a NDVI index Božídarského rašeliniště Dále byla testována možnost využití vegetačního indexu k dokumentaci průběhu historických odvodňovacích kanálů. Pro georeferencováním modelu bylo v oblasti rozmístěno 5 vlícovacích bodů, které byly zaměřeny GNSS metodou. Vegetační příznaky jsou velmi dobře viditelné, což umožňuje definovat jejich polohu i aktivitu. Za současného stavu, kdy oblast není již využívány pro těžbu, jsou tyto kanály ekologicky nevhodné, jelikož jak ukazuje obrázek, mokřady nežádoucně odvodňují. V tomto ohledu správa rezervace podniká další aktivity, aby zabránila odvodňování oblasti. Data budou správě rezervace nabídnuta v dohledné době, po shromáždění všech dat ze dvou let. 9.4.3 Čertova brázda prospekce pomocí nedestruktivních metod V krajině mezi obcemi Lipany a Chotouní se nachází stopy po nezvyklém liniovém útvaru. Tento útvar bývá spojován s Čertovou brázdou, kterou dle pramene z konce 16. století vyoral z Chotouně do Sázavy s čertem zapřaženým do pluhu sv. Prokop. Přesto, že se útvar do dnešní doby téměř nezachoval, jeho otisk je dodnes v krajině patrný. Ačkoliv se o jeho interpretaci pokusilo mnoho badatelů, jeho původní podoba nebo účel dosud nebyly uspokojivě vysvětleny. V rámci posledního průzkumu byla využita kombinace nedestruktivních metod k dokumentaci současného stavu útvaru a rekonstrukci jeho možného původního stavu. Bernat a Štědra, po sto letech navazující na předchozí publikovaný průzkum, interpretovali brázdu jako relikt staré stezky, tato hypotéza však nebyla jednoznačně prokázána. Na ortofotu z roku 2003 se podařilo nalézt díky tehdy příznivé situaci vegetační příznaky a brázda byla viditelná. Zejména zviditelněný severní úsek mezi Lipany a Chotouní, pokračující ještě jižně od Lipanské mohyly přes přilehlé pole až do nedaleké rokle. Tento úsek v rámci celé trasy brázdy představuje cizorodé těleso odlišující se od zbytku trasy nejen 32

svým nepřirozeně přímým průběhem, ale i změnou směru z původního severního na severovýchodní. Směřování útvaru do rokle neodpovídalo teorii o staré stezce. Obr. 38: Ortofoto (Geodis, 2003 dostupné z: www.mapy.cz) Cílem dalšího průzkumu bylo odhalit původní stav útvaru a napomoci určení jeho původního účelu. Studiem historických mapových podkladů se podařilo nalézt zkoumaný útvar na císařském otisku mapy stabilního katastru z roku 1841. Toto mapování jako jediné zachycuje podobu objevené části útvaru, představovaného v této době vysokou a širokou mezí. Na ortofotu z 50. let 20. st. ještě koresponduje část hranice polí s tímto útvarem, stejně tak hranice parcel na katastrální mapě. Na ortofotu z roku 2003 se objekt zobrazoval ve formě dvou rovnoběžných linií ve vzdálenosti 9m. Existence pozůstatků liniového útvaru byla dále potvrzena i díky digitálním modelů terénu (DMT) vytvořenému na základě dat ČÚZK (DMR 5G). V DMT zobrazeném formou stínovaného reliéfu nebyl objekt příliš zřetelný. Proto jsme následujícím způsobem vytvořili tzv. rozdílový DMT: originální DMT jsme shladili pomocí funkce smooth v softwaru TerraScan, shlazený model jsme odečetli od originálního a takto vzniklý rozdílový DMT jsme zobrazili formou výškového obrazu. Tento postup umožní zvýraznit malé variace terénu, jako jsou právě nepříliš výrazné valy, úvozy, mohyly nebo jámy. DMT ukazuje, že původní útvar byl rozorán do velice nízkého valu o šířce až 40m, přičemž útvar je přerušen zhruba v polovině vzdálenosti mezi roklemi, které spojuje. 33

Obr. 39: Ortofotomapa (50. léta 20. st.) a katastrální mapa Existence pozůstatků liniového útvaru byla dále potvrzena i díky digitálním modelů terénu (DMT) vytvořenému na základě dat ČÚZK (DMR 5G). V DMT zobrazeném formou stínovaného reliéfu nebyl objekt příliš zřetelný. Proto jsme následujícím způsobem vytvořili tzv. rozdílový DMT (obr. 3): originální DMT jsme shladili pomocí funkce smooth v softwaru TerraScan, shlazený model jsme odečetli od originálního a takto vzniklý rozdílový DMT jsme zobrazili formou výškového obrazu. Tento postup umožní zvýraznit malé variace terénu, jako jsou právě nepříliš výrazné valy, úvozy, mohyly nebo jámy. DMT ukazuje, že původní útvar byl rozorán do velice nízkého valu o šířce až 40m, přičemž útvar je přerušen zhruba v polovině vzdálenosti mezi roklemi, které spojuje. Vlastní průzkum na lokalitě byl proveden pomocí dronu (RPAS, typ EBee, licence ÚCL). Bylo získáno velmi podrobné ortofoto části lokality (bohužel v nevhodné vegetační době po sklizni, kdy na poli bylo částečně strniště a částečně vzrostlá brukvovitá vegetace a situace neumožňovala získat vegetační ani půdní příznaky podpovrchového objektu). Přesto ve vygenerovaném digitálním modelu povrchu (DMP) je brázda viditelná díky mírnému terénnímu příznaku. Parametry snímkování jsou shrnuty v tab. 1, polohy vlícovacích bodů zaměřených GNSS jsou zřejmé z obrázku 4. Překryt snímků 75% Boční překryt 40% Výška 130m GSD (rozlišení 4cm obrazu) Množství snímků 70 Plocha 800x300m 34

Počet vlícovacích 6 (zaměřených GNSS) bodů Kamera Canon PowerShot ELPH 110 HS Tab. 1: Parametry letu Obr. 40: Stínovaný reliéf (vlevo), rozdílový DMT (vpravo) Obr. 41: Ortofoto (NIR,G,B), podklad stínovaný reliéf 35

Obr. 42: Rozdíl mezi DMP z RPAS a DMT z LLS (v severní části zřejmý rozdíl daný vegetací v době snímkování RPAS) V další fázi jsme použili georadar GPR SIR 3000 k odhalení struktur skrytých pod zemským povrchem. Měření probíhalo v profilech kolmých ke zkoumanému liniovému útvaru. Polohy těchto profilů jsou zakresleny v obr. 44 (na každém místě byly měřeny tři profily ve vzdálenosti cca 1m, aby bylo možné vyloučit vliv lokálních odlišností). První profil A se nalézá v jediné v terénu dochované části valu v lese na okraji rokliny ohraničující zkoumaný útvar z jihu. Tento měřený profil neodhalil žádnou specifickou vnitřní strukturu objektu a lze tedy předpokládat, že val vznikl prostým navršením místního materiálu. Další tři profily zobrazují shodně strukturu valu se dvěma příkopy, přičemž vzdálenost den těchto příkopů je 9m, což je stejná hodnota jako vzdálenosti linií zviditelněných pomocí vegetačních příznaků na ortofotu. Obr. 43: Zachovaná část valu 36

Obr. 44: Zaměření georadarem, vlevo schéma měření, vpravo radarogram val je viditelný v hloubce 0,5-1m. Dobře je vidět, že vznikl nasypáním odebraného materiálu z obou stran Obr. 45: Profil valu určený georadarem Obr. 46: Rekonstruovaný řez valem 37

Obr. 47: Rekonstruovaná podoba lokality V projektu byla využita data leteckého laserového skenování a letecké fotogrammetrie, dále byl proveden průzkum georadarem. Kombinací všech těchto metod se podařilo vytvořit obraz současného a původního stavu objektu. Na základě zjištěných údajů lze vyloučit, že měl objekt sloužit jako cesta, ale šlo spíše o hraniční mez, využívající na svém severním konci částečně přírodní hrany u Lipanské hory. 9.4.4 Grónsko Sermermiut V rámci německo české expedice Spurensuche Grönland 2015 (Grónsko 2015) byl využit RPAS pro dokumentaci cenného archeologického naleziště Sermermiut nedaleko města Ilulissat na západním břehu Grónska. Lokalita, datovaná možná až do doby kolem 4000 let př.n.l. byla trvale osídlena až do r. 1860, kdy bylo osídlení přeneseno do nedalekého Ilulissatu (původně Jakobshaven), je zkoumána skoro 100 let, ale přesné ortofoto a digitální model terénu vytvořen nebyl. Provedeny byly 3 lety ve viditelné infračervené oblasti, samostatně bylo snímáno i nedaleké pohřebiště s nekropolí. Výsledky jsou prozatímní, jedná se o spolupráci s dánským archeologickým institutem a muzeem v Ilulissatu. Podmínky v Grónsku jsou odlišné od Střední Evropy, zejména zde působí vlhkost, častá mlha, chlad a silný vítr. Přesto se podařilo oblast úspěšně nasnímkovat. Oblast je v současnosti na seznamu památek UNESCO díky unikátnímu přírodnímu útvaru, blízkému ledovci. Obr. 48: Pozemní snímek lokality Sermermiut 38

Obr. 49: Nálezy v oblasti z historických archeologických průzkumů Obr. 50: Originální snímek RPAS EBee, Sermermiut, velikost pixelu 5cm, viditelné spektrum 39

Data z expedice budou detailně zpracována přes zimní období 2015-16 a budou součástí příští zprávy; významný je mezinárodní prvek projektu. Obr. 51: Perspektivní pohled na archeologické naleziště Sermermiut Obr. 52: Ortofoto oblasti Sermermiut, RPAS EBee, srpen 2015 40

Obr. 53: Perspektivní pohled na inuitské pohřebiště a nekropoli 9.4.5 Irák / Kurdistán Makhmour V rámci české archeologické expedice do Iráku byla zvolena technologie dokumentace pomocí RPAS jako jediná možná, dostatečně podrobná. Irák je bezletová zóna a lokální účelové lety nelze provádět dlouhou dobu, natož v oblasti kolem frontové linie. Lokalita Makhmour leží bohužel několik km od současné frontové linie s tzv. Islámským státem; přesto archeologická mise proběhla, jelikož výzkum je podpořen grantovými financemi GAČR. Bezpečná dostupná družicová data se ukázala jako kvalitní, ale problém byl vytvořit dostatečně přesný digitální model terénu či povrchu (DMT či DMP), na kterém jsou dobře patrné terénní příznaky jednotlivých objektů celé archeologické lokality. I když byl námi vytvořen speciálně z družicových dat DMP ze stereo-dat nové družice Pleiades, DMP nebyl příliš kvalitní a podrobný. Bylo tedy dohodnuto, že lokalita bude dokumentována pomocí RPAS; to ale přineslo celou řadu úředních problémů a samozřejmě také bezpečnostních. Naštěstí se vše podařilo, nikdo nepřišel k újmě a RPAS nebyl poškozen ani zabaven. Podařilo se tak získat opravdu unikátní data světového významu, celkem cca 1200 leteckých fotografií a asi stejné množství pozemních fotografií, které se budou teprve zpracovávat. Provedeno bylo celkem 5 letů ve dvou dnech za poměrně příznivého počasí a slabého větru. Porovnání družicového DMP a modelu z RPAS EBee je vidět na obrázcích (obr. 56 a 57). Dále byla vytvořena velmi podrobná ortofota ve viditelném i infračerveném světle s velikostí pixelu 3-4cm, dokumentováno bylo mnoho objektů pomocí pozemní fotogrammetrie (viz dále image based modelling). Mise byla úspěšná, data se ale budou vyhodnocovat dlouhé měsíce, výsledek bude v příští zprávě. 41

Obr. 54: Lokalita Makhmour, západní Kurdistán poblíž frontové linie Obr. 55: Družicová data, Pleiades, viditelné spektrum, rozlišení 50cm. 42

Obr. 56: DMP ze stereo-dat Pleiades Obr. 57: DMP z RPAS EBee, stejná oblast, jako na předchozím obrázku. Rozdílový model, kvalita a podrobnost je mnohonásobně vyšší. Šipkou označen stejný objekt. 43

Obr. 58: Pozemní snímek lokality, možné zbytky kostela z období Kalifátu (8. stol. n.l.) Obr. 59: Snímek oblasti domnělého kostela z předešlého obrázku z RPAS EBee, velikost pixelu 4cm. 44

Obr. 60: Ortofoto oblasti v blízkém infračerveném světle Obr. 61: Perspektivní pohled na renderovaný 3D model, Makhmour, Kurdistán. 45

9.4.6 Labské předmostí Litoměřice Poblíž města Litoměřice byla vybudována obranná postavení v době těsně před prusko-rakouskou válkou. Toto obranné postavení se skládalo z několika fortů polopernamentního opevnění, vybavené dělostřelectvem a pěchotou, které byly spojeny obranným valem. Úkolem tohoto předmostí byla ochrana zásobovací pevnosti Terezín z protilehlé terasy přes řeku Labe a střežení řeky Labe, jakožto zásobovací tepny. Nikdy zde nedošlo k bojovým akcím, a proto byla po válce polní opevnění opuštěna. Na obrázku 3 vlevo je prakticky neporušené Nové Labské předmostí, je zachyceno na historickém ortofotu z roku 1954. Pomocí RPAS ebee se nám podařilo identifikovat zbytky opevnění nejen vegetačními příznaky, ale i terénními pomocí stínovaného reliéfu a rozdílového digitálního modelu reliéfu. Model byl doplněn o geofyzikální průzkum oblasti. V zájmové oblasti bylo použito magnetometrické měření k detekci magnetických anomálií, které mohou naznačovat podpovrchové struktury a zbytky objektu. Obr. 62: Fort č. IV, vlevo ortofoto z roku 1954, vpravo současné ortofoto ČÚZK Oblast byla nasnímána RPAS ebee, velikost pixelu odpovídala cca 4 cm, k snímkování oblasti byly použity obě kamery. V terénu byly rozmístěny vlícovací body (5), které byly zaměřeny metodou GNSS. Výsledkem průzkumu je model zachycující oblast ve viditelném a blízkém infračerveném spektru, digitální model povrchu a znázornění magnetometrického měření formou hypsometrie anomálií. Model byl předložen jako soubor tematických map k certifikaci MKČR. Data jsou volně dostupná na stránkách projektu: http://lfgm.fsv.cvut.cz/naki/vysledky.html. Obr. 63: Ortofoto zaniklého fortu, vlevo blízké infračervené spektrum, vpravo viditelné spektrum 46

Obr. 64: Vlevo stínovaný digitální model povrchu, vpravo hypsometrická vizualizace magnetometrického měření 9.4.7 Testování přesnosti ortofota Testování přesnosti proběhlo v oblasti zahrádkářské kolonie u Litoměřic, která je znázorněna na obrázku 7. Cílem bylo určit jaký je nutný počet vlícovacích bodů aby si model udržel svou vnitřní přesnost a nedocházelo k jeho deformacím. Dále byl testován optimální překryt snímků, možnost přidání příčného náletu a možnost náletu ve více výškách. V oblasti bylo rozmístěno 21 signalizovaných bodů, které byly zaměřeny GNSS metodou. Bod byl signalizován dřevěnou deskou s šachovnicovým vzorem o rozměrech cca 30x30cm. Obr. 65: Testovací oblast, tečky znázorňují signalizované body Byl testován vliv přidání příčného letu na přesnost modelu. Přesnost byla testována na vlícovacích bodech na kontrolních bodech. Z tabulky 1 je zřejmé, že lepších výsledků je dosaženo přidáním příčného letu při plánování letové mise, přičemž podélný překryt 60% nebo 80% nehraje významnější roli, příčný překryt byl pro obě varianty 60%. 47

Let Podélný Podélný a příčný Podélný 80% 0,04 0,08 0,03 0,04 překryt 60% 0,01 0,06 0,02 0,04 p průměrná polohová odchylka SD p průměrná směrodatná polohová odchylka Tab. 2: Výsledky testování přidání příčného letu Dále byl testován vliv pořízení snímků v různých letových výškách. Kde velikost pixelu snímku odpovídala 3, 6 a 12 cm. Tabulka 2 shrnuje dosažené odchylky na vlícovacích bodech a kontrolních bodech. Odchylky na vlícovacích a kontrolních bodech jsou prakticky totožné pro výšku letu odpovídající 3 cm a výšky letu 3 a 6 cm. Přidáním letu s velikostí pixelu 12 cm dojde k snížení přesnosti modelu. Velikost pixelu do 6 cm, což zhruba odpovídá přesnosti měření GNSS, zásadně neovlivní přesnost obdrženou na vlícovacích a kontrolních bodech. Letové 3 2 1 0,06 0,07 0,03 0,04 0,03 0,04 Tab.3: Vliv velikosti pixelu snímku na přesnost obdrženou na vlícovacích a kontrolních bodech 10. 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 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. V minulých letech byly řešeny projekty v Litomyšli a Dolních Chabrech, testováno bylo více dalších drobných předmětů z hlediska vhodnosti technologie image based modelling pro běžné užití v praxi, zejména pro archeologické účely a památkovou péči. Výsledkem je ověřená technologie, předložená ke zprávě. 48

10.1 Makhmour Irák V rámci expedice do iráckého Kurdistánu (viz kapitola 9.4.5) bylo pořízeno značné množství pozemních snímků i nalezených artefaktů. Jelikož pochopitelně nelze nálezy ze země vyvážel, nabízí se zde účinná, levná a rychlá technologie dokumentace nálezů pomocí image based modelling technologie, což je ve své podstatě průseková fotogrammetrie, avšak řešená obrazovou korelací do podoby mračna bodů, jako při laserovém či obecně 3D skenování. Výsledky nejsou ještě zpracované, ale modely lze barevně vytisknout na 3D tiskárně v měřítku 1: 1 pro menší zajímavé artefakty a ve zmenšeném měřítku pro větší objekty či předměty. Tiskárnu Z Printer 450 máme k dispozici v laboratoři fotogrammetrie FSv ČVUT v Praze při katedře Geomatiky. Obr. 66: Příklad archeologických nálezů z oblasti Makhmouru, které budou modelovány a následně vytištěny na 3D tiskárně v měřítku 1 : 1 10.2 Zlatý kopec a důl Mauritius V Krušných horách se od nepaměti těžil cín. Jako netradiční ukázku dokumentace jsme zvolili středověké cínové doly. Mimo laserové skenování byla za velmi špatných světelných podmínek a za vlhka využita též technologie image based modelling. Výsledky ze souboru prvních 57 fotografií jsou povzbudivé, lze vytvořit i solidní 3D model za špatných světelných podmínek, což ukazuje popsanou invarianci technologie právě na různé stupně osvětlení, což je z praktického důvodu vítané. Jelikož se jedná o zařazení celé lokality mezi památky UNESCO již v roce 2016, je dokumentace těchto a obdobných objektů velmi žádaná. Obr. 67: 3D model vyrubané části středověkého cínového dolu Zlatý kopec, technologie Image based modelling byla úspěšná i zde; Agisoft Photoscan, 57 snímků, velmi špatné osvětlení 49

Obr. 68: Pohled na první síň v cínovém dolu Zlatý kopec, laserové skenování lokality za účelem prostorové dokumentace a tvorby tematické mapy pro potřeby procesu schvalování památek UNESCO 10.3 Mauritius Skenování části dolu je naplánované na 17.11.2015 a další víkend, výsledky tedy budou až později, důvodem je technický stav dolu, jeho údržba a vhodná doba mimo návštěvnický provoz. Obr. 69 : Pohled na velkou síň v dolu Mauritius na Hřebečné 50

10.4 Laserové skenování sklepních prostor Litomyšl Archeologický průzkum lokality v Litomyšli probíhal dva roky; na lokalitě bytly testovány a prováděny také technologie laserového skenování s velkým detailem několika mm, což nebývá u výkopů běžné. Nálezy pak bylo možno dodatečně vyhodnotit do podoby tematických map. Celý soubor obsahuje přibližně desítku listů a bude přiložen k celkové nálezové zprávě archeologů. Naše činnost zde byla částečně experimentální, částečně aplikační. Uvedena je ukázka jedné z map dlažeb určených jako podklad pro zakreslení jednotlivých dlažebních prvků. Sklepní prostory byly dokumentovány terestrickým skenerem Surphaser 25HSX v rámci archeologického průzkumu průběžně v šesti etapách. Pro zpracování dat byl použit software Geomagis Studio, mračna byla očištěna, transformována do společného souřadnicového systému (nejprve přibližně manuálně, poté automaticky pro zpřesnění) a spojena do jednoho mračna. Mapu tvoří stínovaný reliéf zájmové části mračna vyexportovaný v požadovaném měřítku a doplněný o pravidelnou čtvercovou síť. Doposud jsou vytvořeny mapy pro tři dlažební úseky zaměřené v rámci první etapy. Obr. 70: Tematická mapa z laserových dat, Litomyšl, odkrytá historická dlažba 51

10.5 Skorkov Historická obec Skorkov leží u řeky Jizery mezi městy Brandýsem nad Labem-Starou Boleslaví a Benátkami nad Jizerou. Pod obcí se nachází historické sklepy z přesně neurčené doby (středověké), zjevně využívané a opravované (možná rozšířené) za třicetileté války, jelikož zde byl velký tábor švédských vojsk. Legendy vypráví o celém systému podzemních chodeb. Prozatím byla zkoumána a zaměřena přístupná část, kterou majitel využívá jako rozsáhlý sklep. Část je ovšem těžko přístupná a má zřícené klenby; prosakující voda lokalitu pomalu ničí. Přístupná sklepní část byla zaměřena geodeticky i georadarem, vznikla tak možnost sloučit data do jednoho celku. Problémem je, že sklepy se nacházejí pod vozovkou, která má štěrkový podklad. Štěrk a suť značně tříští radarový signál a data bývají postižena šumem, který vizualizaci objektů pod povrchem znesnadňuje či úplně znemožňuje. Použit byl opět GPR SIR 3000, zprvu s anténou 400MHz (dostup do 2,5m), později s anténou 200MHz (teoretický dostup až 5-6m). Měření s anténou 400MHz neukázalo žádné známky podzemní chodby, teprve experimentování s nastavením u 2100MHz antény ukázalo část klenby. Cílem bylo sloučení informací z geodetického měření s georadarem. Obr. 71: Obec Skorkov, poloha podzemních chodeb, zdroj: web, obec Skorkov 52

Obr. 72: 3D model pořízený laserovým fázovým skenerem Surphaser; tvar podzemních chodeb připomíná letadlo, typická křížová konstrukce. Boční chodby jsou běžně nepřístupné, mají částečně zřícené klenby a jsou zazděné. Je možné, že sloužily jako zásobovací sklad pro švédská vojska, čemuž by nasvědčovaly jednotlivé kóje v postranních chodbách. Chodby jsou vyraženy v měkké skále, vyzděny a zaklenuty cihlovým zdivem. Obr. 73: Podélný řez hlavní chodbou s vyznačenými geodetickým měřením a vazbou k povrchu 53

Obr. 74: Příčný řez postranními chodbami, zřícené prostory jsou viditelné v obou částech při uvolnění horniny se propadla i klenba. Obr. 75: Axonometrický pohled na systém chodeb, připomínající letadlo. 54

Obr. 76: Fotografie z ulice, měření laserovým skenerem Surphaser v podzemí Obr. 77: Detail směru podzemní chodby na ortofotu (Geodis, 2011) 11. 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). 55

Výsledky letošního měření budou zpracovány v publikaci v únoru až březnu 2016, jedná se o větší souborné dílo, zabývající se problematikou 3D skenování a dalších moderních dokumentačních metod. Obr. 78: Panoramatický pohled na klenbu barokní kostel v Opařanech 8. Uspořádání workshopu V plánu na poslední 3 roky je vždy uspořádání workshopu na téma spojené s hlavními cíli řešeného projektu NAKI. Letos proběhl workshop na téma RPAS s názvem Workshop RPAS ve školicím středisku FSv ČVUT v Telči (9.-11.11.2015). Výstupem bude sborník, který bude tiskem až na počátku příštího roku. Workshop měl opět po loňském vstupu velký úspěch, přihlášeno bylo 66 účastníků. Tématika RPAS je velmi populární, pozvání přijal i zástupce z Úřadu pro civilní letectví, Bc.Aleš Böhm; jako loni, kolem RPAS a legislativy i budoucího využití se rozběhla zajímavá diskuse, až do večera probíhaly presentace z oblasti využití RPAS. 56

Obr. 79: Workshop Telč 2015: RPAS; 66 přihlášených účastníků Literatura Božídarské rašeliniště National Nature Reserve, Czech Republic.2014 http://www.cittadella.cz/europarc/index.php?p=index&site=npr_bozidarske_raseliniste_en Dan McGovern: Busting UAS myths. 2014 http://www.sparpointgroup.com/blogs/disruptive-perspective/busting-uas-myths/ Eisenbeiss, H.: UAV Photogrammetry. Curych,. DISS. ETH NO. 18515. ETH Curych, 2009. http://www.igp-data.ethz.ch/berichte/blaue_berichte_pdf/105.pdf Eisenbeis, H.: The Potential of Unmanned Aerial Vehicles for Mapping. 2011 http://www.ifp.uni-stuttgart.de/publications/phowo11/140eisenbeiss.pdf Koska, B.: Bore-sights and Lever-arms Determination of Sensors Mounted on Autonomous Mapping Airship. In Proceedings of 13th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2013, vol. II.. Sofia: STEF92 Technology Ltd., 2013, vol. 2, p. 579-586. ISSN 1314-2704.ISBN 978-619-7105-01-8. 57