Članek Lightweight UAV digital elevation models and orthoimagery for environmental applications (International Journal of Remote Sensing, Feb 2017) predstavlja zanimive rezultate raziskave, kako število oslonilnih točk vpliva na izboljšanje položajne točnosti prostorskih podakov, pridobljenih iz aerofotografij. V raziskavi se avtor med drugim sprašuje:

• Kakšno točnost ortofoto načrtov in digitalnih modelov višin lahko dosežemo brez uporabe oslonilnih točk?
• Kakšno izboljšanje točnosti ortofoto načrtov in digitalnih modelov višin lahko dosežemo z večanjem števila oslonilnih točk?

Rezultati raziskave so bili sicer namenjeni za uporabo v okoljskih projektih, kot so poplavne študije in simulacije poplavnih tveganj, kjer je še posebej pomembna točnost digitalnega modela višin, vendar je študija zanimiva tudi za druga področja uporabe.

Za namen raziskave so za območje aerofotografiranja izbrali področje urbanih parkov v škotskem Glasgowu, v skupni velikosti 29 ha in z razgibanim terenom. Uporabili so brezpilotni letalnik senseFly Swinglet CAM in 61 kontrastnih oslonilnih točk v obliki črno-belih tarč, katerih koordinate so predhodno pridobili s tradicionalno GNSS-izmero.

Za izdelavo digitalnih modelov višin in ortofoto načrtov so uporabili več skupin oslonilnih točk, ki so se razlikovale po številu uporabljenih točk: po 5, 10, 15, 30, 45 in 61. Začetni skupini 5 oslonilnih točk so v naslednjih ponovitvah točke dodajali, in sicer tako da so bile vedno enakomerno razporejene po terenu in da sta na 1 ha prišli največ 2 oslonilni točki (slika 1).

Za vsako skupino oslonilnih točk (po 5, 10, 15, 30, 45 in 61) so izvedli aerofotografiranje po naslednjih parametrih:

• načrtovana ločljivost aerofotografij 3,5 cm/px,
• letenje na višini 90 m nad vzletno točko,
• pridobljenih 120 prekrivajočih se (80 %) aerofotografij

in zatem vsakič s fotogrametričnimi postopki izdelali tudi nov digitalni model višin in ortofoto načrt.

Analiza položajne točnosti pridobljenih prostorskih podatkov

Za določitev položajne točnosti prostorskih podatkov so uporabili novi standard ameriškega združenja ASPRS iz leta 2014. Ta standard kot osnovno mero horizontalne in vertikalne točnosti navaja koren srednjega kvadratnega pogreška RMSE (angl. Root Mean Square Error). Položajna točnost je bila ocenjena s statistiko RMSE v horizontalni ravnini, to je z RMSE X, RMSE Y in RMSE XY, slednji predstavlja skupni (totalni) pogrešek. Vertikalna točnost pa je ocenjena z RMSE Z.

Izračunane statistike za oceno točnosti povzema Tabela, podrobnejše podatke pa vsebuje članek.

Tabela: Točnost prostorskih podatkov za vseh sedem
ortofoto načrtov in digitalnih modelov višin

Točnost prostorskih podatkov, pridobljenih brez uporabe oslonilnih točk

Ortofoto načrt, pridobljen brez oslonilnih točk, so primerjali z nacionalnimi kartografskimi vektorskimi podatki (v merilu 1:10.000), ki so pokazali očitna odstopanja položajnih koordinat karakterističnih točk: maksimalno celo do 6 m, povprečno skoraj 3 m. Razred horizontalne točnosti RMSE XY je bil 3,265 m.

Digitalni model višin, pridobljen brez oslonilnih točk, pa so primerjali z izmerjenimi (GNSS izmera) koordinatami oslonilnih točk. Razred vertikalne točnosti RMSE Z je bil 2,2 m in predstavlja veliko odstopanje od točnih višin izmerjenih točk.

Točnost prostorskih podatkov, pridobljenih z uporabo manjšega števila oslonilnih točk

Že uporaba samo 5 oslonilnih točk pomembno izboljša točnost prostorskih podatkov. Povprečno odstopanje v horizontalni ravnini se znatno zmanjša, pri ortofotu na 0,28 m. Če število oslonilnih točk podvojimo (na 10) se povprečno odstopanje še zmanjša, pri ortofotu na 0,14 m. Tudi digitalni model višin kaže pri uporabi samo 5 oslonilnih točk boljše rezultate. Razred vertikalne točnosti RMSE Z je s 5 oslonilnimi točkami padel na 1,3 m, z 10 oslonilnimi točkami pa že na 0,34 m.

Signifikantno izboljšanje odstopanj se kaže še pri naslednjem povečanju uporabljenih oslonilnih točk, to je 15. Pri ortofotu je povprečno odstopanje v horizontalni ravnini padlo na 0,046 m. Razred horizontalne točnosti RMSE XY je bil 0,076 m. Pri digitalnem modelu višin pa je razred vertikalne točnosti padel na 0,08 m.

Točnost prostorskih podatkov, pridobljenih z uporabo večjega števila oslonilnih točk

Ortofoto načrti, generirani z uporabo 30, 45 in 61 oslonilnih točk, izkazujejo zelo podobno položajno točnost prostorskih podatkov kot pri uporabi le 15 oslonilnih točk. Maksimalna in povprečna odstopanja se le minimalno izboljšajo, razred horizontalne točnosti RMSE XY se ne popravi.

Podobne rezultate opazimo tudi pri digitalnem modelu višin, kjer je razred vertikalne točnosti RMSE Z ostal nespremenjen, četudi se je povečevalo število oslonilnih točk.

Povzetek: kakšno je optimalno število oslonilnih točk

Položajno točnost prostorskih podatkov, pridobljenih iz aerofotografij z uporabo malih brezpilotnih letalnikov, pomembno izboljšamo, če vpeljemo oslonilne točke. Z uporabo večjega števila oslonilnih točk, se točnost progresivno povečuje, a ne znatno v nedogled – veliko število oslonilnih točk namreč ne prispeva bistveno k večji točnosti, medtem ko se povečujejo stroški postopka zaradi uporabe velikega števila oslonilnih točk. Če uporabimo po 1 oslonilno točko na 2 ha terena, že dosežemo optimalno razmerje med točnostjo podatkov in številom oslonilnih točk, kar lahko uporabimo kot orientacijo pri vprašanju, koliko oslonilnih točk naj vključimo v naše meritve v praksi.

Vir: Lightweight UAV digital elevation models and orthoimagery for environmental applications (International Journal of Remote Sensing, Feb 2017)