Geri Dön

Comparison of satellite positioning techniques on unmanned aerial vehicle based photogrammetry

İnsansız hava aracı ile fotogrametride uydu konumlama tekniklerinin karşılaştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 613291
  2. Yazar: ERSİN TURAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BİHTER EROL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Jeodezi ve Fotogrametri, Geodesy and Photogrammetry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

İlk örneklerinin 20. yüzyılın başlarında görülmesine rağmen, İnsansız Hava Aracları'nın (İHA) askeri amaçlar dışında gündelik hayatın her alanında yaygın olarak kullanılmaya başlanması yüzüyılın sonunu bulmuştur. Üretim maliyetlerinin düşmesi, farklı amaçlara uygun seçeneklerin artması bu süreci hızlandırmıştır. Ayrıca farklı ekipmanların kolaylıkla sisteme dahil edilmesi sayesinde oldukça geniş bir kullanıcı kitlesine kavuşmuştur. Askeri ve sivil amaçlı olarak İHA, pilotsuz olarak, kullanıcılar tarafından belirlenmiş görevleri yerine getiren ve yük taşıma kapasitesine sahip olan, uzaktan kumandalı veya otonom olarak uçabilen bir araçtır. Günümüzde kullanılan, insan ve yüksek hacimli yük taşıyabilen hava araçları (Uçak, zeplin vb.) ile İHA karşılaştırıldığında, maliyetlerin düşürülmesi, özel olarak inşa edilmiş kalkış pistlerine ihtiyacı olmaması ve boyutları sebebiyle özel görevlerde kullanılmak için İHA daha fazla tercih edilmektedir. Bu nedenle, tarım, ormancılık, maden, inşaat, arkeoloji, mimari gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Öte yandan, kamera taşıma kabiliyeti, görüntüleme ve fotogrametrik tekniklerde kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Geniş, uzak kırsal ve dağlık bölgeleri haritalamak ve modellemek için yaygın olarak kullanılan yüksek hacimli hava araçları, işçilik ve yer hizmetleri maliyetlerini artıran faktörlerdir. Bu nedenle belirli görevlerde, klasik fotogrametride kullanılan büyük boyutlu araçlar yerine İHA tercih etmek maliyetleri düşürmektedir. Fotogrametrinin ana problemi, fotoğraflardan elde edilen iki boyutlu konum verisi ile gerçek küresel koordinatlar arasındaki ilişkiyi gösteren matematiksel modeli olusturan eşdoğrultu ve eş düzlemlilik denklemlerinin bilinmeyen parametrelerini tanımlamaktır. Bu bilinmeyenler iç ve dış yöneltme parametreleri olarak tanımlanmaktadır. İç yöneltme elemanları odak uzaklığı, distorsiyon parametreleri ve fotoğraf izdüşüm koordinatlarıdır. Dış yöneltme elemanları ise fotoğraf çekme anındaki iz düşüm merkezinin küresel konumu ve resmin üç eksende dönüklük parametreleridir. Fotogrametrik kameraların iç parametreleri genellikle bilinmektedir. Klasik hava fotogrametrisinde, dış yönlendirme parametreleri, yeryüzünde tesis edilen ve hassas olarak ölçülen, yer kontrol noktalarının (YKN) yardımıyla hava triangülasyonu ile hesaplanır. YKN'lerin geniş alanlarda tesis edilmesi zaman alıcı ve maliyetlidir. Bu nedenle, hava triangülasyonunda ışın demetleri blok dengelemesi kullanılması sayesinde YKN'nın sayıları düşürülebilir. Sensör sistemlerinin geliştirilmesi ve entegrasyonu ile İHA'lar, Küresel Uydu Konumlama Sistemleri (GNSS - Global Navigation Satellite Systems) ve İç Ölçme Birimi (IMU - Inertial Measurement Unit) 'den oluşan navigasyon sistemi sayesinde yönlendirilebilmektedir. GNSS ve IMU'nun İHA ile entegrasyonu hava fotogrametrisinde yeni yaklaşımlar ortaya çıkarmıştır. Görüntülerin yöneltilmesinde kullanılan konum verilerinin ve dönüklük parametrelerinin eş zamanlı olarak elde edilmesi işlem yükünü azaltmaktadır. Dış yöneltme parametrelerinin sensörler sayesinde ölçülmesi yapılan çalışmaların çok daha az maliyetli yapılmasını sağlar. Ayrıca yaklaşık dış yöneltme elemanlarının Hava Triangülasyonunda kullanılması, hesaplanacak noktaların doğruluğunu arttırmaktadır. GNSS verileriyle fotoğraf konumlarının belirlenmesi“Doğrudan Konumlandırma”(Direct Georeferencing) olarak adlandırılır. Ancak, mutlak GNSS konumlama tekniğinin doğruluğu, güvenilir sonuçlar almak için yeterli değildir. Öte yandan, GNSS ve IMU tarafından sağlanan başlangıç dış yöneltme değerleri, ışın demeti blok dengelemesinin büyük ölçüde doğruluğunu artırır. GNSS-IMU sensörleri sayesinde, daha az yer noktası ile sistemin doğruluğu arttırılabilir. Her ne kadar tek bir uydu alıcısının gözlem yaptığı mutlak GNSS konumlama tekniği düşük doğrulukta olsa da, ölçme doğruluğunu etkileyen iyonosferik gecikmenin modellenmesi vede uydu yörünge ve saat verilerinin yüksek doğruluklu olarak Uluslararası GNSS Servis (IGS- International GNSS Service) tarafından belirlenmesi sayesinde, mutlak konumlamanın doğruluğu cm mertebesinde hesaplanabilmektedir. Bu yöntem Hassas Konum Belirleme (PPP- Precise Point Positionnig) olarak adlandırıllmaktadır. En az iki GNSS alıcısı ile eş zamanlı olarak yapılan gözlemlerle bağıl GNSS konumlama tekniğinin doğruluğu mm'ye kadar artar. Kullanılan GNSS alıcılarından en az biri konumu yüksek doğruluklu olarak bilinen ve ölçme süresince sürekli gözlem yapan referans istasyonu olarak seçilir; diğer GNSS alıcısı ise gezici olarak adlandırılır. Referans istasyonu ile diğer alıcılar arasındaki baz, GNSS ölçmelerinin dengelenmesi ile belirlenir. Bağıl Statik, Gerçek Zamanlı Kinematik (RTK- Real Time Kinematic) ve Post Process Kinematic (PPK) yöntemleri kullanılarak bağıl GNSS konumlandırma gerçekleştirilir. Eğer eş zamanlı olarak düzeltmeler ağ üzerinde gezici alıcıya aktarılıyor ise RTK (Real Time Kinematic) olarak, bazlar daha sonra epok epok çözülüyor ise PPK olarak adlandırılır. Eş zamanlı olarak düzeltme alarak konum belirlemek, ofisteki konum hesaplama yükünü ortadan kaldırmaktadır. Bu nedenle RTK ve PPK yöntemlerinin İHA'lara dayalı fotogrametri ile entegrasyonunun model doğruluğuna etkisi bu çalışmanın önemli bir çıktısı olacaktır. Bu çalışmada; N-RTK, PPK, PPP ve YKN verileri kullanılarak oluşturulan modellerden elde edilen noktaların doğruluğunu analiz etmek ve jeodezik uygulamalar için GNSS konumlama tekniklerinin güvenilirliğinin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda farklı yaklaşımlar uygulanarak, YKN'lerin fotogrametrik yöntemdeki bağımlılığı test edilmiştir. YKN bağımlılığının ortadan kaldırılması dağlık bölgelerin, afet bölgelerinin, tehlikeli maden sahalarının ve karmaşık sanayi bölgelerinin gözlemlenmesini kolaylaştıracaktır. Bu kapsamda İTÜ Ayazağa Yerleşkesi'nde, çalışma alanı yaklaşık 455.000 m2 olan bölgede 17 YKN, test ve kontrol noktası olarak kullanılmak üzere belirlenmiştir. Alanın genişliği göz önünde alınarak 17 noktanın yeterli olduğuna karar verilmiştir. Yatayda ve düşeyde 1 santimetrenin altında doğruluk elde etmek için, bütün YKN'nın konumu bağıl statik GNSS yöntemi ile belirlenmiştir. Değerlendirme sonucunda, yatay konum doğruluğunun ortalama 3 mm ve düşey konum doğruluğunun ortalama 6 mm olduğu tespit edilmiştir. ISTA (IGS) ve PALA (ISKI UKBS) istasyonları yakınlıkları ve güvenirlikleri sebebiyle baz çözümleri için referans olarak alınmıştır. Statik ölçmeler Trimble Bussiness Center ticari yazılımında değerlendirilmiştir. Bu çalışmada fotogrametrik ölçme sürecinde multirotor DJI Phantom 4 RTK İHA kullanılmıştır. DJI Phantom 4 RTK çift frekanslı GNSS alıcısına, CMOS 1 adlı kamera ve IMU donanımlarına sahiptir. Multirotor IHA'lar, dikey kalkış yaptıkları için özel pistlere gereksinim duymamaları nedeniyle tercih edilmektedirler. Elde edilen görüntülerde 2 cm piksel çözünürlüğüne ulaşmak için, uçuş yüksekliği yerden yaklaşık 80 metre olacak şekilde ayarlanmıştır. Ayrıca önceden tesis edilen YKN'larının merkezleri 2 cm çapında boyanmıştır. Uçuşta yakalaşık 950 adet fotoğraf çekilmiştir. RTK methodu ile uçuş anında, resim çekme merkezi koordinatlarinın yüksek doğrulukla belirlenmesi için ölçme düzeltmeleri internet bağlantısı ile ISKI-UKBS ağından alınmıştır. ISKI-UKBS ağının yatayda ±2, düşeyde ise ±5 cm doğruluk sağladığı belirtilmektedir. N-RTK methoduyla alınan resim çekme merkezi koordinatları daha sonra ortofoto üertiminde kullanılmıştır. Uçuş anında N-RTK yöntemi ile konumlandırma yapılırken aynı zamanda 0.2 saniyelik zaman aralığıyla alıcı ham GNSS ölçüleri kayıt edilmiştir. Daha sonra sürekli gözlem yapan IGS-ISTA istasyonunun aynı zaman dilimine ait 1 saniye zaman aralıklı GNSS gözlemleri temin edilmiştir. Bu gözlemler sayesinde, PPK yöntemi ile iki alıcı arasındaki baz çözümleri yapılmış; önce İHA alıcı anteni ve daha sonra resim çekme merkezi koordinatları elde edilmiştir. Fotoğrafik değerlendirme için otomatik değerlendirme yapan ticari AgiSoft Metashape Professional yazılımı kullanılmıştır. Bu yazılım fotogrametrik değerlendirme sürecinde Structure from Motion (SfM) yaklaşımını uygulamaktadır. Bu yaklaşımda koordinatlı veya koordinatsız bütün fotoğraflarda eşleşmiş noktalar yardımıyla 3 boyutlu yüzey oluşturulmaktadır. Agisoft Metashape Professional yazılımı ile N-RTK, PPK, PPP ve YKN, konum verileri kullanılark 7 farklı ortofoto üretilmiştir. 17 YKN noktasından 12 nokta test noktası olarak seçilmiş, diğer noktalar ile hava triangulasyonu ile dijital ortamda ortofoto üretilmiştir. Aynı zamanda RTK, PPK ve PPP verileri ile 5 YKN noktasınn kullanılması ile aynı bölgeye ait ortofotolar üretilmiştir. Bağıl statik GNSS yöntemi ile elde edilen 17 YKN'nın konum verileri ile , ayrı ayrı RTK, PPK ve PPP verileri ile üretilen ortofoto üzerinden alınan YKN konum verileri karşılaştırılmış; yatay da yaklaşık benzer değerler yakalanırken düşeyde PPK ile PPP ile üretilen modellerin daha doğru olduğu görülmüştür. 5 YKN noktası ile üretilen ortofotolardan elde edilen 12 adet test noktasının konum verileri ile gerçek konumları arasıdaki yatay farklar 2 cm'nin altında düşey farklar ise ortalama 2.5 cm olarak hesaplanmıştır. Üretilen bütün modellerde yatayda aynı farklar gözlenirken, düşeyde en iyi sonuçlar PPP ile YKN birlikte kullanılarak üretilen ortofotodan elde edilmiştir. Bu sonuçlar sayesinde, istenilen konum doğruluğuna göre YKN tesis edilme gerekliliği, RTK, PPK veya PPP methodları kullanılarak ortadan kaldırılabilir. Aynı zamanda PPK ve PPP çıktılarından üretilen ortofoto verilerinin, RTK çıktılarından üretilen ortofoto verilerinden daha iyi olmasının sebebi olarak RTK ağının sağladığı konum doğruluğu olduğu düşünülmektedir. Bu durumdan kurtulmak için single-RTK tekniğinin kullanılması önerilir. Tüm koordinat karşılaştırılmaları ve istatiksel sonuçlar, tezin sonuç kısmında irdelenmiş, çıkarımlar ve öneriler verilmiştir. Tüm çalışmaya ait ayrıntılı çizimler ve tablolar Ekler kısmına eklenmiştir

Özet (Çeviri)

By the end of the 20th century, UAVs (Unmanned Aerial Vehicle) were started to widely used on daily life in consequence of decreased production cost and various options. UAV essentially is remotely controlled or autonomous aircraft that performs particular tasks and can carry payload without pilot onboard. While comparing with full size manned air vehicle, UAVs reduce costs and give more flexibility in terms of take-off area and size. Therefore, it is highly demanded in the market by the agriculture, forest, mine, construction, archeology, architectural areas. On the other hand, capability of carrying camera onboard enables to make use of it in photogrammetric technique. Conventional photogrammetric applications, which commonly used for mapping and modelling large and remote areas, is very costly in terms of carrier, labor and ground services. Hence, UAV is increasingly preferred instead of full size aerial vehicles in many applications depending on the purpose of applications. Main problem of photogrammetry is defining unknown parameters of collinearity equations these constitute mathematical model. These unknowns are interior and exterior orientation parameters. Photogrammetric cameras interior parameters are generally known. In conventional airborne photogrammetry, exterior orientation parameters are computed by ground control points (GCP), which are signaled and measured on the ground. Setting GCPs on the vast areas are time consuming and costly. So, it is prefered air triangulation method to reduce number of GCPs with bundle block adjustment. By development of sensor systems, UAVs are oriented by their own navigation system consists of GNSS (Global Navigation Satellite System) and IMU (Inertial Measurement Unit). Integration of GNSS-IMU with UAV brings up new approaches in photogrammetry. Obtaining instantaneous coordinates and rotation parameters can be utilized for orientation of images. Importing exterior orientation parameters from sensors makes process much less costly and labor intensive. It is enhancing accuracy of points to apply in Air triangulation. The process including orienting image and getting global geodetic coordinates of images by GNSS data, is called“Direct Georeferencing”. Moreover, hand, initial exterior orientation values provided by GNSS and IMU improves accuracy of bundle block adjustment. Depending on GNSS measurement technique, accuracy of the system can be increased employing less ground points. Although classical absolute GNSS measurement gives low accuracy, Real Time Kinematic (RTK), Post Process Kinematic (PPK) as relative and Precise Point Positioning (PPP) as absolute positioning approaches enhance positioning accuracy up to cm level. In RTK measurements, rover takes corrections via radio connection from at least one station that's position is known precisely and makes continuously observation. During the GNSS survey, receiving corrections data simultaneously reduces office works. That is why it is projected that integration of RTK with UAV photogrammetry can improve credibility of the measurements. In this study, it is intended to analyze point accuracy and assess dependability of survey for geodetic and surveying applications by using RTK, PPK, PPP and GCP outputs in UAV based photogrammetry. By performing different GNSS based positioning approaches, it is aimed to eliminate dependency of GCP's on the UAV based photogrammetric mapping. Elimination of GCP dependency benefits especially in studies that are carried out in disasters areas, hazardous mine and industrial areas. Within this scope, 17 ground control points were used in ITU-Ayazağa Campus, size of study area is 455,000 m2. Points were used as a GCP and test points. Every points were measured by relative static GNSS methods to obtain under 1 cm accuracy. As a result of evaluation, accuracy of horizontal position is found out under the 0.3 cm and vertical position accuracy around the 0.6 cm. ISTA (IGS) and PALA (ISKI UKBS) stations were reference stations in process. Around the 950 images were gathered by multirotor DJI Phantom 4 RTK UAV in situ. Multirotor UAVs are more appropriate in small areas in terms of take-off area. Flight altitude was 80 meters from ground. Therefore, it provides 2 cm pixel resolution on images. Center of signaled GCP is painted with 2 cm diameter. Each image coordinates correction is obtained from local GNSS network called ISKI UKBS with N-RTK technique. In order to evaluate RTK, PPK and PPP measurements on UAV based photogrammetry, Agisoft Metashape, commercial software, is executed. 7 different Orthophoto were evaluated with RTK, PPK, PPP and GCPs measurement and their combinations for comparison. Obtained comparisons and results are provided in the conclusions. Also, illustrations are added on Appendix.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    863838

    Orman içi açık maden sahalarında yüzey değişiminin izlenmesinde İHA-tabanlı yöntemlerin karşılaştırılması: Düzce-Tatlıdere örneği

    Comparison of UAV-based methods for monitoring surface change in open-pit mining sites in forests: Düzce-Tatlıdere case

    BERKAN BALABAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Ormancılık ve Orman MühendisliğiDüzce Üniversitesi

    Orman Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YILMAZ TÜRK

  2. Tez No

    513347

    Geoid modeling by the least squares modified hotine formula using voronoi cell structures

    Voronoi hücre yapıları aracılığıyla hotine integralinin en küçük kareler modifikasyonu ile geoit belirleme

    FATIMA FEYZA SAKİL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. SERDAR EROL

  3. Tez No

    517922

    GPS kullanıcısının pozisyon, hız ve yönünün hassas şekilde belirlenmesi

    High precision identification of GPS user's position, velocity and direction

    EGEMEN BELGE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMersin Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ YILDIZ

  4. Tez No

    510993

    GPS-TEC değerleri ile IRI-2012 ve IRI-PLAS modellerinin TEC kestirimlerinin karşılaştırılması

    Comparison of GPS-TEC measurements with IRI-2012 model and IRI-PLAS model based TEC prediction

    GÜRKAN ÖZTAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Jeodezi ve FotogrametriNecmettin Erbakan Üniversitesi

    Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SALİH ALÇAY

  5. Tez No

    472535

    GNSS hassas nokta konumlama tekniğinin düşey yönlü yapısal titreşimlerin ölçülmesinde kullanılabilirliğinin araştırılması

    The investigation of the use of GNSS precise point positining technique in measuring vertical structural vibrations

    ERALP GÜRLEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Jeodezi ve FotogrametriGebze Teknik Üniversitesi

    Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. CEMAL ÖZER YİĞİT

Geri Dön