Précision de la mesure du DJI Phantom 4 RTK et photogrammétrie

Résumé

Ces dernières années, les aéronefs sans pilote (UAV), communément appelés drones, sont devenus de plus en plus un outil populaire pour la collecte de données aériennes dans la construction, les relevés topographiques, les activités minières et les assurances. En utilisant la photogrammétrie, ces industries acquièrent des images aériennes et génèrent des informations précieuses à partir d'ensembles de données volumineux, rendant possible de voir et de mesurer les modifications qui se produisent au fil du temps sur les chantiers, dans les mines et sur les propriétés.

La photogrammétrie n'est pas une science nouvelle et a été utilisée pour la cartographie topographique, l'architecture et l'ingénierie bien avant l'avènement des drones. Mais l'essor de la photogrammétrie basée sur la vision par ordinateur ces dernières années a été parallèle au développement de matériel et de logiciels de drones commerciaux accessibles. La simplicité et l'automatisation des solutions d'aujourd'hui permettent aux professionnels d'intégrer ces robots volants dans des flux de travail existants pour cartographier de vastes zones et générer des modèles 3D haute résolution. Ces données permettent d'analyser le monde qui nous entoure de manière plus précise et rapide par rapport aux méthodes de mesure traditionnelles, telles que les enquêtes sur le terrain et les mesures manuelles. Nous avons déjà montré comment les drones peuvent fournir une précision de 1 % dans les mesures du monde réel en utilisant les Points de Contrôle au Sol (GCP).

Les GCP sont des points définis sur la surface de la terre qui ont une position géoréférencée connue. En utilisant les GCP en combinaison avec les données photogrammétriques aériennes, il est possible d'obtenir une précision au centimètre en "fixant" ces points sur notre carte aérienne. Bien qu'exacts, les GCP tendent à être un processus qui demande beaucoup de temps et nécessitent souvent un positionnement pendant toute la durée d'un projet. Lorsque le GPS a été utilisé pour la première fois dans les années 80, le seul moyen d'obtenir un positionnement sub-centimétrique avec le GPS était par post-traitement avec les GCP, ce qui pouvait prendre des jours entiers pour capturer les données avec précision. Au début des années 90, la technologie RTK (Real Time Kinematic) a été introduite et les inspecteurs ont obtenu un positionnement centimétrique en temps réel, sans nécessité de post-traitement.

Dans cette étude, DroneDeploy examine comment valider et améliorer l'exactitude des cartes photogrammétriques avec Phantom 4 RTK (P4 RTK) de DJI, un drone qui applique la technologie RTK aux images aériennes. Pour vérifier la précision de P4 RTK, DroneDeploy a créé un système de points de contrôle pour une enquête sur les toits des bâtiments.

32 vols ont été enregistrés, chacun examinant l'effet de la hauteur de vol, de la superposition et du nombre d'images, sur la précision de la carte résultante une fois que ces images ont été traitées via le Map Engine de DroneDeploy. Ces ensembles de données ont ensuite été utilisés pour calculer à la fois la précision horizontale et verticale des points mesurés, ainsi que l'exactitude des mesures linéaires.

DroneDeploy a constaté que les distances de contrôle du P4 RTK étaient comprises dans 0,27 % des mesures de l'unité GPS, les distances de contrôle du P4 RTK étaient comprises dans 0,1 % du P4 Pro avec les mesures GCP, le P4 RTK a produit une précision verticale relative de 2 cm et une précision horizontale relative de 1,2 cm et que les vols 2D et les vols 3D n'ont pas significativement affecté la précision de la mesure.

01 Introduction

Objectifs de cette étude

L'objectif principal de cette étude est de démontrer la précision et la précision de mesure linéaire du PK RTK par rapport aux méthodes d'acquisition traditionnelles basées sur le GPS, en utilisant un récepteur GNSS au sol. Les résultats donnent une idée de la précision que l'on peut attendre de chaque méthode. L'ensemble de données résultant peut également être utilisé pour déterminer si une mission de cartographie avec les drones P4 RTK et DroneDeploy peut atteindre les exigences de précision du projet.

Meilleure méthode pour la collecte de données précises

Dans cette étude, nous explorerons également les meilleures pratiques pour acquérir des données extrêmement précises avec le PK RTK. Cela inclura la détermination du type de mission qui produira les meilleurs résultats, tant en mode photogrammétrie 2D qu'en mode photogrammétrie 3D.

Modèles de drones utilisés dans cette étude

Le modèle de drone principal utilisé dans cette étude est le DJI Phantom 4 RTK, qui a été lancé par DJI en octobre 2018. Le drone a été conçu pour utiliser le traitement cinématique en temps réel afin de produire des cartes aériennes hautement précises. En plus de l'unité RTK, le P4 RTK utilise également un module GNSS redondant qui fournit une stabilité de vol supplémentaire lorsqu'il vole dans des régions denses avec un signal RTK dégradé. DJI affirme une précision de positionnement horizontal RTK de 1 cm et une précision de positionnement vertical de 1,5 centimètres RTK. En termes de mesures absolues sur des modèles photogrammétriques, DJI affirme 5 centimètres de précision lorsqu'il vole à 100 mètres avec 2,7 centimètres de GSD.

Le module RTK est intégré directement dans le Phantom 4 pour fournir une précision centimétrique pour un vol stable et des images avec précision géoréférencées. Un nouveau système TimeSync a été ajouté pour aligner en continu le contrôleur de vol, la caméra et le module RTK, garantissant que chaque photo utilise les métadonnées les plus précises et fixe les données de positionnement au centre du capteur CMOS. Ce récepteur RTK peut être vu dans la figure ci-dessous.

Le P4 RTK a également la possibilité de se connecter à la Station Mobile D-RTK 2, NTRIP (Network Transport of RTCM via Internet Protocol), ou de stocker les données d'observation satellite à utiliser pour la cinématique post-traitée (PPK). La station mobile D-RTK 2 n'a pas été mesurée dans cette étude, à la place, les méthodes NTRIP décrites en détail dans ce rapport ont été utilisées.

Le DJI Phantom 4 Pro sera également utilisé avec les GCP pour servir de données de contrôle. Cette étude utilise les modèles DJI car ils sont le plus grand fournisseur de matériel pour drones commerciaux au monde et sont utilisés par des professionnels du secteur dans la construction, l'industrie minière, l'enquête et les assurances. Le Phantom 4 Pro a été démontré comme produisant les cartes photogrammétriques les plus précises au moment de la rédaction, par rapport à d'autres modèles DJI. C'est le drone le plus populaire utilisé par les clients de DroneDeploy, avec plus de 23 000 vols par mois.

02 Scénario

Précision de la mesure linéaire du Phantom 4 Pro

Notre étude précédente a examiné la précision de la mesure linéaire utilisant le DJI Phantom 4 Pro en combinaison avec les GCP. Le drone Phantom 4 RTK fait partie de la série de drones Phantom 4 et utilise la même caméra que le Phantom 4 Pro. Dans cette étude, nous avons démontré que les mesures linéaires relatives étaient précises jusqu'à 1,1 % des mesures manuelles effectuées au sol. Les erreurs de mesure moyennes ont montré que la marge d'erreur augmenterait proportionnellement à l'altitude de vol avec un coefficient de corrélation moyen de 0,42. Il y a eu une amélioration de 0,35 % de la précision de mesure pour les cartes survolées à une hauteur de 66 pieds par rapport à celles survolées à 100, 200 ou 400 pieds d'élévation. Une grande partie de cela peut être attribuée à la qualité des images et permet à un opérateur humain d'identifier le centre de tels GCP, ce qui peut être difficile avec des cartes à basse résolution.

Nous avons constaté que le traitement avec des points de contrôle au sol réduisait l'erreur de mesure moyenne à 0,5 pouce, une amélioration d'environ 10 fois, pour toutes les longueurs de contrôle. Les erreurs de mesure pour les cartes GCP ont également montré une réduction similaire de 10 fois dans l'écart type de l'erreur, ce qui signifie que non seulement les données GCP sont plus précises, mais elles sont aussi plus cohérentes et donc fiables pour les applications nécessitant un niveau de précision plus élevé.

Procédures cinématiques en temps réel (RTK) et cinématiques post-traitement (PPK)

Cinématique est un terme courant utilisé dans les méthodes traditionnelles de relevé GPS où les récepteurs sont en mouvement. Pour traiter les données RTK, vous aurez besoin à la fois d'une station de base RTK et d'un rover RTK, dans ce cas, le Phantom 4 RTK. Pour le positionnement relatif, la méthode courante utilisée dans le relevé est la technique "Stop and Go". Le traitement RTK, en revanche, ne nécessite pas de post-traitement pour obtenir un positionnement précis. Une radio au récepteur de référence, une station de base locale ou une station de base de réseau, transmet sa position au rover en temps réel. Cela permet le relevé sur le terrain et élimine la nécessité de vérifier la qualité de la mesure pendant le post-traitement. Un diagramme du flux de travail RTK peut être vu dans la figure.

Les relevés PPK sont similaires aux relevés RTK, mais les positions ne sont pas corrigées en temps réel. Cela consiste généralement à placer une station de base fixe sur un point de contrôle connu ou un monument pour permettre la géolocalisation. Les données GPS sont ensuite collectées simultanément par la station de base et le drone pendant qu'il vole. Les données sont ensuite téléchargées depuis la station de base, le rover (drone) et post-traitées à l'aide d'un logiciel GPS. Ces images peuvent ensuite être chargées sur le Map Engine de DroneDeploy pour le traitement.

03 Méthodologie

Établir une méthode de validation des données utilisant GCP et points de contrôle

Pour tester la précision du Phantom 4 RTK, DroneDeploy a installé un système de points de contrôle sur le même site de test utilisé dans l'étude précédente. Les points de contrôle, les GCP, les distances de contrôle et le layout respectif sont montrés dans la figure ci-dessous.

Le système était constitué de 7 GCP différents de 1′ x 1′ positionnés sur notre site de test. Ces points ont été placés à différentes hauteurs, latitudes et longitudes sur la surface pour capturer au mieux divers scénarios. De plus, 4 points de contrôle ont été placés sur le toit et les distances entre chacun ont été mesurées avec un mètre à ruban pour établir la longueur entre les points. Ils ont ensuite été marqués et mesurés à l'aide d'une unité GPS Trimble RTX pour identifier la latitude, la longitude et l'élévation de chacun des points. Ces distances de contrôle démontrent la variation de latitude, de longitude et d'élévation entre les vols Phantom 4 Pro et P4 RTK.

Capture de données aériennes

Pour acquérir les données aériennes, DroneDeploy a effectué plus de 30 vols individuels en utilisant l'application DJI Phantom 4 RTK et DJI GS RTK pour les vols RTK et l'application Phantom 4 Pro V2.0 et DJI GS Pro pour P4 Pro avec des vols GCP. SmartNet, un service de correction tiers, a été utilisé pour le contrôleur RTK en combinaison avec un point d'accès mobile. SmartNet permet des corrections RTK de réseau à haute précision et haute disponibilité pour toute application, utilisant n'importe quelle constellation, tout en étant ouvert à tous. SmartNet permet des précisions de niveau centimétrique liées à une donnée commune.

Un total de 20 vols ont été effectués avec la P4 RTK à 100 pieds au-dessus de la surface du toit, dans les modes de photogrammétrie 2D et 3D, puis traités avec le Map Engine de DroneDeploy. De même, 12 vols ont été effectués avec le Phantom 4 Pro et traités avec GCP avec le Map Engine de DroneDeploy pour servir de contrôle afin de comparer les résultats. Une des cartes aériennes traitées avec des points de contrôle et GCP peut être vue dans la Figure 5 ci-dessus. De légères variations ont été introduites dans la planification du vol, l'éclairage et l'altitude pour simuler un environnement réel lors de la collecte de ces données.

Capture des données du point de contrôle au sol pour le contrôle

Pour acquérir les GCP pour le contrôle, DroneDeploy a étiqueté le centre géographique des cibles placées sur le toit avec un catalyseur Trimble. Les points ciblés avaient un écart type horizontal de 0,24 cm et un écart type vertical de 0,49 cm entre les 7 points de contrôle au sol et les points de contrôle marqués sur le site d'essai.

Ces points ont également été utilisés comme points de contrôle lors de la mesure de la précision du PK RTK par rapport aux mesures GCP. Le catalyseur Trimble, montré dans la figure ci-dessous, a été choisi en raison de sa simplicité, de son faible coût et de ses performances GNSS hautement précises. Dans une étude indépendante menée par Geo Job UAV au début de 2018, ils ont déduit : “Les coordonnées du catalyseur étaient comprises entre 0,25 pouces et moins de 1 pouce des résultats du géomètre”. Grâce à son intégration avec le logiciel Trimble UAV Ground Control, il a également fourni un moyen simple d'acquérir les données des points de contrôle à utiliser avec les solutions UAV.

Trimble Catalyst est un positionnement RTK GNSS 'as a service' et peut être utilisé avec n'importe quel smartphone Android moderne. La configuration matérielle consiste en n'importe quel appareil Android moderne, l'antenne DA1 de Trimble Catalyst et un mât de détection standard. Le smartphone est utilisé à la place d'un enregistreur de données traditionnel et est connecté à l'antenne via le câble USB fourni.

Au lieu d'utiliser une puce GPS "matériel", Catalyst utilise un récepteur GNSS entièrement défini par logiciel ; les positions sont calculées dans le logiciel, utilisant le processeur du smartphone, réduisant la taille, le poids et les demandes d'alimentation de la batterie de l'ensemble du système. Le catalyseur fonctionne à 2-3m sans frais de compte récurrents, mais des précisions allant jusqu'à 1-2 cm sont facilement obtenables avec un abonnement mensuel (qui débloque les modes haute précision du récepteur et accélère l'accès au VRS localisé de Trimble Now et aux services de correction Trimble RTX globaux sans frais supplémentaires). Pour contrôler le récepteur, il est nécessaire d'installer deux applications depuis le Google Play Store, Trimble Mobile Manager et l'une des applications créées spécifiquement, dans notre cas, le logiciel Trimble UAV Ground Control.

Grâce à sa simplicité, son haut niveau de précision et son acceptation par la base de clients de DroneDeploy, nous avons pu utiliser Trimble Catalyst pour garantir en toute confiance la précision de validation par rapport à P4 RTK. Nous recommandons l'utilisation d'un récepteur GNSS haute précision, comme Catalyst, lors du traitement des cartes avec DroneDeploy pour vérifier l'exactitude des cartes sur votre site de travail pour l'audit et la sécurité.

04 Résultats clés

P4 RTK a fourni une précision verticale relative de 2 cm et une précision horizontale relative de 1,2 cm

Chacun des 4 points de contrôle a été étiqueté et mesuré avec l'unité GPS Trimble. Le tableau 3 suivant montre la précision verticale des points de contrôle, tant dans la carte traitée RTK que dans la carte P4 Pro avec GCP. L'erreur de l'unité GPS est montrée pour comprendre l'erreur de mesure verticale du Trimble Catalyst. Environ 30 mesures ont été capturées et une moyenne a été calculée pour chaque GCP et point de contrôle.

À partir de ces mesures, nous obtenons une précision verticale relative d'environ 3,3 cm et une précision horizontale relative de 2,01 cm. La précision verticale relative de tous les points de contrôle dans la carte P4 RTK était de 2,00 cm. La précision verticale relative de P4 Pro avec GCPs, pour la comparaison, s'est révélée être de 1,95 cm.

Avec P4 RTK, nous avons obtenu une précision horizontale relative de 1,20 cm. Avec P4 Pro et GCPs, nous avons obtenu une précision horizontale relative de 0,90 cm. Dans cette étude, nous avons démontré que la P4 RTK peut atteindre une précision verticale relative de 2,00 cm et une précision horizontale relative de 1,20 cm lorsqu'elle est portée à 33 pieds (100 pieds). Il est également important de noter que les mesures d'exactitude pour P4 RTK ont été prises en utilisant les outils d'annotation et de mesure de DroneDeploy. Le GSD pour les cartes résultantes est en moyenne 0,4 in/px.

Pourquoi est-ce important ?

Déterminer des élévations précises est une partie essentielle de nombreux projets de construction civils tels que des routes, des ponts et des projets autoroutiers. Les lignes de drainage, les structures de drainage et d'autres caractéristiques d'autoroute sont conçues avec des plans de base connus et existants, des élévations finales ou des plans de conception. Les sections transversales préliminaires et finales déterminent également les quantités volumiques. De plus, des élévations précises sont fondamentales pour garantir la fiabilité de la cartographie photogrammétrique et des produits orthophoto au sein de DroneDeploy et d'autres logiciels photogrammétriques.

Étant donné son importance à toutes les autres étapes du développement du projet, les mesures verticales sont établies à un point de contrôle, connu sous le nom de GCP. En raison de l'effet en aval considérable des mesures verticales inexactes, cela constitue un élément critique de la pré-construction et la réduction de l'erreur résultante est d'une importance capitale.

P4 RTK Distances de contrôle à moins de 0,1 % de P4 Pro avec mesures GCP

Dans l'exactitude de la mesure linéaire des plateformes DJI Drone Platforms et Photogrammetry, nous avons démontré que l'utilisation d'un Phantom 4 Pro avec GCP produirait une marge d'erreur d'environ 0,64 %. En utilisant un RTK Phantom 4, nous avons pu produire une marge d'erreur d'environ 0,27 % par rapport aux mesures du « monde réel ». Dans le Tableau 2, nous comparons la précision du PK RTK avec le P4 Pro. En moyenne, les mesures P4 RTK sont à moins de 1,09 cm, ou 0,10 %, des mesures P4 Pro traitées avec GCP. Ces résultats montrent qu'en utilisant un drone Phantom 4 RTK, un utilisateur peut s'attendre à une précision moyenne de 1,09 cm sur les cartes traitées RTK dans DroneDeploy, par rapport à des cartes similaires utilisées avec Phantom 4 Pro et traitées avec GCP.

Pourquoi est-ce important ?

L’exactitude de la mesure linéaire est une métrique importante à considérer en raison de ses applications réelles. Bien qu'il puisse être important d'examiner l'exactitude horizontale et verticale d'un seul point, de nombreux projets de construction civile se concentrent sur les lignes de niveau, le drainage le long d'une route, la volumétrie des stocks ou la surface des matériaux, tous basés sur l'exactitude des mesures de point à point.

Ce processus implique la compréhension du changement de précision lors de la mesure de la variation entre les points. Par exemple, une précision horizontale ou verticale de ± 2 cm pourrait équivaloir à une précision de mesure linéaire de ± 4 cm entre 2 points. Cela fournit une compréhension plus tangible de la façon dont la précision pourrait influencer les mesures d'une route, d'un pont, d'une autoroute ou d'un autre projet de construction civile.

Distances de contrôle P4 RTK dans les 0,27 % des mesures du catalyseur Trimble

Une fois les cartes P4 RTK traitées dans DroneDeploy, les distances de contrôle ont été codées et mesurées sur toutes les cartes en utilisant les outils de mesure de DroneDeploy. La comparaison entre les mesures de la carte RTK P4 et les mesures du monde réel peut être vue dans le Tableau 1 ci-dessous. L'erreur moyenne pour les cartes P4 RTK était de 3,65 cm, soit environ 0,27 % des mesures dans le monde réel. Pour faire une comparaison, en utilisant GCP, un utilisateur peut s'attendre à une précision de 3 cm, et en utilisant une unité GPS, comme un catalyseur Trimble, un utilisateur peut s'attendre à une précision de 3 cm.

En regardant uniquement la précision XY des points de contrôle, le P4 RTK offre une précision horizontale relative de 1,2 cm. Ces résultats montrent qu'en utilisant un drone Phantom 4 RTK, un utilisateur peut s'attendre, en moyenne, à une précision de mesure linéaire de 3,65 cm sur des cartes traitées RTK dans DroneDeploy. Remarque : les mesures du monde réel ont été prises en utilisant un mètre à ruban.

Les vols 2D et 3D n'ont pas eu d'impact significatif sur la précision des mesures

Un total de cinq vols 2D et cinq vols de photogrammétrie 3D ont été réalisés en utilisant l’application DJI GSR avec P4 RTK. Les résultats de cette étude peuvent être visualisés dans le Tableau 4 ci-dessous. L'erreur de mesure linéaire moyenne pour les vols 2D était d'environ 3,57 cm ou 0,26 %. L'erreur de mesure linéaire moyenne pour les vols 3D était d'environ 3,73 cm ou 0,28 %. L'erreur de mesure linéaire moyenne pour les vols P4 Pro était d'environ 3,53 cm ou 0,26 %. Avec une marge d'erreur de 0,16 cm entre les vols 2D et 3D, nous n'avons pas de variation statistiquement significative dans la précision de la mesure linéaire. Lorsqu'on vole avec P4 RTK pour des missions de haute précision, le choix entre 2D ou 3D dépendra des besoins de l'utilisateur, le 2D étant utilisé pour des terrains relativement plats et le vol 3D pour des structures, des bâtiments ou d'autres objets élevés.

05 Conclusion

La précision de mesure du Phantom 4 RTK est capable de répondre aux exigences de niveau topographique

Le degré de précision que l'on pourrait attendre de certains projets dépend de l'application finale et de l'utilisation prévue des données de l'enquête. La précision acceptable pourrait être de 30 cm ou plus loin de la position relevée. Dans certains projets, l'erreur maximale acceptable pourrait être de 5-7 cm ou moins. Selon le comité du système de navigation par satellite global USGS, il est de la responsabilité du géomètre de connaître les exigences de précision du relevé et de les faire correspondre à la précision de son récepteur en combinaison avec la précision des informations de correction reçues en fonction de la qualité et de la position de la correction.

Aujourd'hui, les entreprises peuvent obtenir une précision horizontale inférieure à 3 cm en utilisant des méthodes de relevé traditionnelles. Celles-ci leur permettent d'effectuer des sondages précis, des offres, des opérations de classification et la gestion de projets à grande échelle avec facilité. La plupart des cartes de degré de relevé fournissent traditionnellement une précision inférieure à 3 cm dans la direction XY et une précision d'environ 9 cm dans la direction Z. Dans cette étude, nous avons démontré que le RTK Phantom 4 peut fournir une précision verticale relative de 2 cm et une précision horizontale relative de 1,20 cm avec les cartes traitées sur DroneDeploy Map Engine (en moyenne).

Sur la base de ces résultats, DroneDeploy recommande d'utiliser le Phantom 4 RTK pour créer des cartes précises pour la mesure des distances point à point. Non seulement il est possible d'obtenir des résultats précis, mais dans la plupart des cas, l'utilisation du Phantom 4 RTK pour le relevé réduira les coûts associés aux méthodes traditionnelles, y compris ceux dépensés pour la main-d'œuvre, le matériel et les logiciels. Cela se traduit également par les avantages généraux que nos clients obtiennent, tels qu'une productivité accrue, des temps d'analyse plus rapides, une meilleure collaboration et une plus grande sécurité sur le lieu de travail. Cependant, l'utilisation de certains points de contrôle au sol (GCP 1-2) est toujours recommandée pour garantir l'exactitude et fournir la responsabilité pour toute mesure.