Programa: ECHAR20C - HA

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1 Página: 1 de 20 EMITIDO POR: XMOBOTS 09/11/2016 Programa: ECHAR20C - HA Setor: Engenharia Área: Pós-Processamento Título: Avaliação PRELIMINAR de Acurácia de Tecnologia HA As informações contidas neste documento incluem segredos tecnológico, industriais e comerciais da XMOBOTS, e é privilegiada e confidencial. Esta informação não pode ser copiada ou usada em qualquer forma, exceto como expressamente autorizado por escrito pela XMOBOTS.

2 Página: 2 de 20 FOLHA DE APROVAÇÃO Preparado por / Data: Eng. M. Sc. Roberto Ferraz de Campos Filho Diretor de engenharia Revisado por / Data: PostDoc Michelle Horta Processamento de Sinais Eng. Juliano Felix Abreu Engenheiro de Hardware Eng. Fabiano D`Accunti Engenheiro de Software Embarcado Rodrigo Salvador Lima Engenheiro de Software de Missao M.Sc. Francisco de Souza Jr. Engenheiro de Software de Voo Henrique Dantas Gerente de Operações Thatiana Miloso Diretora Comercial Aprovado por / Data: Eng. M. Sc. Giovani Amianti CEO

3 Página: 3 de 20 FOLHA DE REVISÃO Emissão Original. VERSÃO PRELIMINAR. REVISÃO: A DATA: 09/11/2016 DESCRIÇÃO Em edição. REVISÃO: B DESCRIÇÃO DATA: XXXX

4 Página: 4 de 20 SUMÁRIO FOLHA DE REVISÃO INTRODUÇÃO METODOLOGIA RESULTADOS DOS VOOS VOO VOO VOO CONCLUSÃO TESTES EM EXECUÇÃO PARA EMISSÃO VERSÃO FINAL...17 APÊNDICE...18

5 Página: 5 de 20 LISTA DE TABELAS TABELA 1. CARACTERÍSTICAS DE CÂMERA TABELA 2. ERRO AEROTRIANGULAÇÃO DE VOO 1. ESPECIFICAÇÃO PLANIMÉTRICA HA 1-3 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 3CM A 9CM DE ERRO RMS. ESPECIFICAÇÃO ALTIMÉTRICA HA 1-5 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 6CM A 15CM DE ERRO RMS TABELA 3. ERRO ORTOMOSAICO E MDT DE VOO 1. ESPECIFICAÇÃO PLANIMÉTRICA HA 1-3 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 3CM A 9CM DE ERRO RMS. ESPECIFICAÇÃO ALTIMÉTRICA HA 1-5 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 6CM A 15CM DE ERRO RMS TABELA 4. ERRO AEROTRIANGULAÇÃO DE VOO 2. ESPECIFICAÇÃO PLANIMÉTRICA HA 1-3 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 3CM A 9CM DE ERRO RMS. ESPECIFICAÇÃO ALTIMÉTRICA HA 1-5 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 6CM A 15CM DE ERRO RMS TABELA 5. ERRO ORTOMOSAICO E MDT DE VOO 2. ESPECIFICAÇÃO PLANIMÉTRICA HA 1-3 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 3CM A 9CM DE ERRO RMS. ESPECIFICAÇÃO ALTIMÉTRICA HA 1-5 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 6CM A 15CM DE ERRO RMS TABELA 6. ERRO AEROTRIANGULAÇÃO DE VOO 3. ESPECIFICAÇÃO PLANIMÉTRICA HA 1-3 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 3CM A 9CM DE ERRO RMS. ESPECIFICAÇÃO ALTIMÉTRICA HA 1-5 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 6CM A 15CM DE ERRO RMS TABELA 7. ERRO ORTOMOSAICO E MDT DE VOO 3. ESPECIFICAÇÃO PLANIMÉTRICA HA 1-3 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 3CM A 9CM DE ERRO RMS. ESPECIFICAÇÃO ALTIMÉTRICA HA 1-5 VEZES O GSD, ASSIM NESTE VOO DE 6CM A 15CM DE ERRO RMS TABELA 8. ERROS DE PONTOS DE CHECAGEM EXTRAÍDOS DA AEROTRIANGULAÇÃO DO VOO TABELA 9. ERROS DE PONTOS DE CHECAGEM EXTRAÍDOS DE ORTOMOSAICO E MDT DO VOO TABELA 10. ERROS DE PONTOS DE CHECAGEM EXTRAÍDOS DA AEROTRIANGULAÇÃO DO VOO TABELA 11. ERROS DE PONTOS DE CHECAGEM EXTRAÍDOS DE ORTOMOSAICO E MDT DO VOO TABELA 12. ERROS DE PONTOS DE CHECAGEM EXTRAÍDOS DA AEROTRIANGULAÇÃO DO VOO TABELA 13. ERROS DE PONTOS DE CHECAGEM EXTRAÍDOS DE ORTOMOSAICO E MDT DO VOO

6 Página: 6 de 20 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. XPLANNER SELEÇÃO DE ESPECIFICAÇÕES DO PROJETO FIGURA 2. XPLANNER PERFIL DE VOO PROJETADO CONFORME A ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO FIGURA 3. REPRESENTAÇÃO DO SISTEMA HA FIGURA 4. COMPUTADOR DE BORDO DO ECHAR 20C... 9 FIGURA 5. INTERFACE DO XMAPPER E CURVAS DE NÍVEL FIGURA 6. XMAPPER DETALHE DOS PASSOS DE PROCESSAMENTO FIGURA 7. DISTRIBUIÇÃO DE PONTOS DE CHECAGEM FIGURA 8. TRAJETÓRIA DE VOO FIGURA 9. TRAJETÓRIA DE VOO FIGURA 10. TRAJETÓRIA DE VOO

7 Página: 7 de INTRODUÇÃO O objetivo deste trabalho é avaliar a acurácia de produtos gerados a partir de voos que utilizam a Tecnologia HA (High Accuracy), desenvolvido pela XMobots. Para isto, o RPAS Echar 20C foi equipado com a tecnologia HA abaixo descrita: O XPlanner, software de planejamento de vôo desenvolvido pela XMobots, a partir da área de interesse e a partir do objetivo de acurácia, gera o plano de vôo já com os parâmetros necessários para garantir a acurácia do produto final (ortofoto e MDS) definida no início do projeto. Figura 1. XPlanner Seleção de especificações do projeto. Figura 2. XPlanner Perfil de voo projetado conforme a especificação do projeto.

8 Página: 8 de 20 Para operação do sistema HA, é necessário que um receptor GNSS configurado como Base RTK (Real Time Kinematic) envie correções RTCM V3 para o RPA Echar 20C. Esta técnica realiza a correção em tempo real da coordenada do RPA Echar 20C atingindo acurácia de posicionamento do RPA de até 2cm sem a necessidade de realizar pós-processamento das coordenadas do RPA. Para atingir esta acurácia, a coordenada de instalação do receptor GNSS Base RTK deve ser conhecida e possuir erro inferior ao desejado nos produtos finais. Esta coordenada pode ser obtida utilizando tecnologias: - RTX/ATLAS; -transporte de base a partir de outro ponto conhecido; -pós-processamento do ponto preciso, -NTRIP RTK/GSM, entre outros métodos. O sistema HA é compatível com as principais bases do mercado. Bases testadas das marcas: Trimble, Topcom, Javad, Hemisphere, Spectra. O requisito é que a base tenha capacidade de envio de correções no protocolo RTCM V3 via porta serial. Basta configurar o GNSS base para envio de RTCM V3 na porta serial a bps e conectá-lo ao GCS-S10A do Echar 20C HA que em poucos minutos a solução do RPA converge para FIXA. Para maior robustez da solução, o GNSS do RPA opera em GPS e Glonass L1 e L2 a 20Hz. Figura 3. Representação do sistema HA. O Echar 20C, embarca uma câmera full frame de 36 Mpixels de excelente qualidade geométrica, o que garante a geração de nuvens de pontos e ortomosaicos superiores aos obtidos por câmeras de formato menor. Modelo de Câmera Lente Sony α7r 30mm Tamanho de Sensor 35.9 X 24 mm Tabela 1. Características de câmera.

9 Página: 9 de 20 O avançado computador de bordo desenvolvido pela XMobots utiliza tecnologias aeronáuticas de MDD (Model Driven Development) e sistemas de tempo real crítico (QNX). Ele processa em tempo real todos os sinais do originados pela Camera Full Frame, pelo GNSS BASE e pelo GNSS ROVER do RPA, resultando em dados de alta precisão utilizadas pelo XPlanner e XMapper para gerar produtos finais de acordo com a acurácia especificada. Figura 4. Computador de bordo do Echar 20C. A geração dos produtos finais é obtida pelo XMapper, software de processamento de imagens desenvolvido pela XMobots em parceria com a italiana Menci. O XMapper recebe os dados do XPlanner e os processa facilmente e de forma mais rápida em relação aos outros softwares de mercado. Como resultado, modelos digitais de superfície, modelos digitais de terreno, curvas de nível, ortofotos e outros produtos de imageamento são gerados com acurácia planimétrica de 1 a 3 vezes o GSD (GroundSampleDistance) e altimétrica de 2 a 5 vezes o GSD. Figura 5. Interface do XMapper e Curvas de nível.

10 Página: 10 de 20 O XMapper foi desenvolvido pela MENCI com base nos requisitos da XMobots e da tecnologia HA. Os principais diferenciais são acurácia, desempenho e robustez e facilidade de uso: -Acurácia compatível com as especificações da tecnologia HA; -Desempenho superior pois processa até 2X mais rápido que os softwares de mercado 1 ; -Robustez, pois com a integração de Camera, RPA, XPlanner e XMapper garantem resultados que operam melhor no software de processamento do que dados não controlados, reduzindo a possibilidade de perda de processamento por travamento do software em processamento com número elevado de fotos Full Frame. -Facilidade no uso, pois o XMapper, pois assim como toda a linha de softwares X (XPlanner, XMapper, XFarming) basta seguir a sequência do menu lateral de forma intuitiva, podendo facilmente realizar operações mais complexas em outros softwares como filtragem MDT, curvas de nível e linhas de corte. Figura 6. XMapper Detalhe dos passos de processamento. Assim, a integração de todo o sistema garante a segurança da operação e a confiabilidade dos resultados de acurácia da tecnologia HA. 1 Conforme teste realizado em processador i7-3720qm 2.6GHz e memória de 8GB. Images 77 in jpg Images Overlap 70% Strip Sidelap 70% Sensor Sony Pixel 3.9 um Flying H. above the 200 m ground GSD 4 cm Point Cloud density high DSM density 20 cm DTM filtering 2.5 m Orthophoto GSD 20 cm Mosaic GSD 10 cm Contour lines step 2 m Operations APS CPU/GPU P.Scan CPU/GPU Data Preparation/Inputs 5 min min. Alignment - Optimize Incl min. CPU 100% GPU 6 % Feature Matching Incl. CPU 20% GPU 80% Incl. --- Bundle Adjustment 10 min. CPU 30% GPU 00% Incl. Measuring GCP 10 min. 10 min. PointCloud Coarse Incl min. AOI - Color Balancing 5 min Mix Operations / Mesh min. Point Cloud Dense 1.11 hs CPU 40 % CPU 100% 2.0 hs GPU 00 % GPU 95% DTM Filtering 1 min min Seamlines 5 min OrtoMosaic 2 min. --- Incl. Exporting data 2 min min. Processing Time 1.45 hs 3.20 hs

11 Página: 11 de METODOLOGIA A área selecionada para realizar a avaliação de acurácia possui algumas construções que foram utilizadas como marcadores naturais. Foram selecionados 10 pontos para checagem de erro dos produtos finais. A Figura 7 mostra a distribuição dos pontos em uma área de aproximadamente 45 ha selecionada para realizar os voos. Foram realizados 3 voos com 2 RPAS Echar 20C, sendo distribuídos da seguinte forma: Voo 1: RPAS Echar 20C 1 realizando linhas não perpendiculares. Voo 2: RPAS Echar 20C 1 realizando linhas perpendiculares. Voo 3: RPAS Echar 20C 2 realizando linhas perpendiculares. Todos os voos foram feitos com resolução de 3cm (GSD Ground Sample Distance), sobreposição lateral de 60% e frontal de 80%. Desta forma, foram feitas 2 comparações: Figura 7. Distribuição de Pontos de Checagem Voo 1 X Voo 2: Influência do padrão de voo. A utilização do mesmo RPAS Echar 20C nos dois voos tem o objetivo de garantir a avaliação somente do padrão de voo na acurácia dos produtos finais, ou seja, eliminar qualquer variação que poderia ser gerada por características construtivas de dois equipamentos diferentes. Voo 2 X Voo 3: RPAS Echar 20C diferentes realizando o mesmo padrão de voo. O objetivo é verificar a repetitividade de acurácia dos produtos finais em RPAS Echar 20C diferentes. A maior influência nesta comparação é o uso de câmeras e lentes de mesmo modelo, porém com parâmetros intrínsecos diferentes (distância focal, centro de câmera e distorção de lente).

12 Página: 12 de 20 Para cada voo, foram extraídos 2 conjuntos de erros de pontos de checagem, sendo um obtido pela aerotriangulação, posicionando-se os pontos em cada imagem em que aparece, e o outro através de ortomosaicos e MDTs (Modelos Digitais de Terreno). Normalmente, o primeiro possui acurácia superior, pois é resultado de cálculos da aerotriangulação enquanto os produtos finais passam por processo de filtragem de MDS (Modelos Digitais de Superfície) e ortoretificação das imagens.

13 Página: 13 de RESULTADOS DOS VOOS 3.1. Voo 1 A Figura 8 mostra a trajetória do Voo 1 com a disposição dos pontos de checagens. Este voo foi executado com o RPAS Echar 20C 1 e sem a inserção de linhas perpendiculares. A Tabela 2 mostra os erros médios, desvios padrão e erro RMS extraídos do passo de aerotriangulação durante o processamento. A Tabela 3 mostra os mesmos erros, porém extraídos do ortomosaico e MDT. Figura 8. Trajetória de Voo 1. X (cm) Y (cm) Z (cm) Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 9.61 Tabela 2. Erro Aerotriangulação de Voo 1. Especificação planimétrica HA 1-3 vezes o GSD, assim neste voo de 3cm a 9cm de erro RMS. Especificação altimétrica HA 1-5 vezes o GSD, assim neste voo de 6cm a 15cm de erro RMS. X (cm) Y (cm) Z (cm) Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 8.80 Tabela 3. Erro Ortomosaico e MDT de Voo 1. Especificação planimétrica HA 1-3 vezes o GSD, assim neste voo de 3cm a 9cm de erro RMS. Especificação altimétrica HA 1-5 vezes o GSD, assim neste voo de 6cm a 15cm de erro RMS.

14 Página: 14 de Voo 2 O Voo 2 foi realizado com o RPAS Echar 20C 1 e com a adição de linhas perpendiculares. A Figura 9 mostra a trajetória executada. Os erros extraídos da aerotriangulação e de ortomosaico e MDT estão na Tabela 4 e Tabela 5, respectivamente. Figura 9. Trajetória de Voo 2. X (cm) Y (cm) Z (cm) Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 5.58 Tabela 4. Erro aerotriangulação de Voo 2. Especificação planimétrica HA 1-3 vezes o GSD, assim neste voo de 3cm a 9cm de erro RMS. Especificação altimétrica HA 1-5 vezes o GSD, assim neste voo de 6cm a 15cm de erro RMS. X (cm) Y (cm) Z (cm) Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 5.90 Tabela 5. Erro Ortomosaico e MDT de Voo 2. Especificação planimétrica HA 1-3 vezes o GSD, assim neste voo de 3cm a 9cm de erro RMS. Especificação altimétrica HA 1-5 vezes o GSD, assim neste voo de 6cm a 15cm de erro RMS.

15 Página: 15 de Voo 3 O Voo 3 foi realizado com o RPAS Echar 20C 2 e também foi executado com linhas perpendiculares. A Figura 10 mostra a trajetória com os pontos de checagem e a Tabela 6 e Tabela 7 mostram os erros. Figura 10. Trajetória de Voo 3. X (cm) Y (cm) Z (cm) Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 3.51 Tabela 6. Erro Aerotriangulação de Voo 3. Especificação planimétrica HA 1-3 vezes o GSD, assim neste voo de 3cm a 9cm de erro RMS. Especificação altimétrica HA 1-5 vezes o GSD, assim neste voo de 6cm a 15cm de erro RMS. X (cm) Y (cm) Z (cm) Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 4.19 Tabela 7. Erro Ortomosaico e MDT de Voo 3. Especificação planimétrica HA 1-3 vezes o GSD, assim neste voo de 3cm a 9cm de erro RMS. Especificação altimétrica HA 1-5 vezes o GSD, assim neste voo de 6cm a 15cm de erro RMS.

16 Página: 16 de CONCLUSÃO Comparando-se os Voos 1 e 2 observa-se uma melhoria significativa de acurácia ao inserir as linhas perpendiculares (Cruzadas). A acurácia planimétrica foi de 8,8cm para 5,9cm e a altimétrica de 14,23cm para 5,7cm. Isto ocorre devido ao aumento da quantidade de imagens por área, resultando em sobreposição lateral efetiva de 60% para 80%, ou seja, as imagens ficam melhor amarradas através dos tie points reduzindo o erro de posicionamento na aerotriangulação de forma mais eficiente. Assim observa-se que pode ser utilizado perfis de voo simples com 80% longitudinal e 60% lateral desde que os requisitos de acurácia sejam de planimétrica de 2-3 vezes o GSD e altimetrica de 3 5 vezes o GSD. Por outro lado observa-se que deve ser utilizado perfis de voo cruzado com 80% longitudinal e 60% lateral desde que os requisitos de acurácia sejam de planimétrica de 1-2 vezes o GSD e altimetrica de 1 3 vezes o GSD Os Voos 2 e 3 utilizam dois RPAS Echar 20Cs diferentes e executam o mesmo padrão de voo de linhas perpendiculares. A acurácia planimétrica variou 1,71cm (5,9cm para 4,19cm), já a altimétrica variou de (5,7cm para 11,22cm). A acurácia esperada em processos de aerofotogrametria normalmente estão na ordem de 3 vezes o GSD na planimetria e 5 vezes o GSD na altimetria. Como todos estes voos foram feitos com um GSD de 3cm, os erros máximos esperados seriam de 9cm e 15cm na planimetria e na altimetria, respectivamente. Desta maneira, todos os voos atendem a especificação da tecnologia HÁ, mesmo o Voo 1 que foi feito sem a utilização de linhas perpendiculares e teve o maior erro, está dentro desta faixa de erros esperados de 2e 5 vezes o GSD altimetrico.

17 Página: 17 de TESTES EM EXECUÇÃO PARA EMISSÃO VERSÃO FINAL -Testes com mesmo equipamento nos horários de 7:00, 9:30, 12:00, 14:30 e 17:00, para avaliar os efeitos da direção de iluminação; -Testes com mesmo equipamento em dia ensolarado 12:00 e nublado 12:00 para avaliar os efeitos de iluminação direcional e iluminação difusa; -Testes com mesmo equipamento com vento inferior a 5m/s e outro com vento superior a 10m/s e inferior a 12m/s para avaliar o efeito do vento; -Testes avaliando a perda de sinal de correção da base para o rover no meio do voo, durante 1minuto, 5minutos, 10minutos e até o fim do voo, para avaliar a capacidade de manutenção da solução fixa e o efeito de solução flutuante e diferencial na acurácia final do produto; -Teste de stress da acurácia realizando voos cruzados em 1cm, 1.5cm, 2cm, 5cm e 10cm, para avaliar até que ponto justifica reduzir o GSD a até que ponto justifica aumentar o GSD. Aproveitando-se o mesmo voo, apagar as fotos de uma direção de cruzamento e realizar o mesmo teste de stress da acurácia em 1cm, 1.5cm, 2cm, 5cm e 10cm, para avaliar até que GSD justifica manter o voo cruzado para manter a especificação de acurácia.

18 Página: 18 de 20 APÊNDICE Ponto Erro X (cm) Erro Y (cm) Erro Z (cm) p p p p p p p p p p Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 9.61 Tabela 8. Erros de pontos de checagem extraídos da aerotriangulação do Voo 1. Ponto Erro X (cm) Erro Y (cm) Erro Z (cm) p p p p p p p p p p Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 8.80 Tabela 9. Erros de pontos de checagem extraídos de ortomosaico e MDT do Voo 1.

19 Página: 19 de 20 Ponto Erro X (cm) Erro Y (cm) Erro Z (cm) p p p p p p p p p p Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 5.58 Tabela 10. Erros de pontos de checagem extraídos da aerotriangulação do Voo 2. Ponto Erro X (cm) Erro Y (cm) Erro Z (cm) p p p p p p p p p p Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 5.90 Tabela 11. Erros de pontos de checagem extraídos de ortomosaico e MDT do Voo 2.

20 Página: 20 de 20 Ponto Erro X (cm) Erro Y (cm) Erro Z (cm) p p p p p p p p p p Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 3.51 Tabela 12. Erros de pontos de checagem extraídos da aerotriangulação do Voo 3. Ponto Erro X (cm) Erro Y (cm) Erro Z (cm) p p p p p p p p p p Erro médio Desvio padrão RMS RMS XY 4.19 Tabela 13. Erros de pontos de checagem extraídos de ortomosaico e MDT do Voo 3.