Farklı insansız hava araçları ile elde edilen görüntülerin otomatik fotogrametrik yöntemlerle değerlendirilmesi ve doğruluk analizi

Fen Bilimleri Enstitüsü, Geomatik Mühendisliği Programı, İTÜ

Farklı insansız hava araçları ile elde edilen görüntülerin otomatik fotogrametrik yöntemlerle değerlendirilmesi ve doğruluk analizi

Deniz Bilge Kılınçoğlu; Elif Sertel, 2016

Özet: İnsansız Hava Araçları (İHA) kendi güç sistemi ile faydalı yük taşıyan, otomatik ya da uzaktan kumanda sistemi ile uçurulan pilotsuz hava araçlarıdır. İHA ‘ların ilk örnekleri I. Dünya savaşı ile ortaya çıksa da, dünya genelinde 1990’lı yılların sonuna doğru İHA teknolojisi büyük bir gelişim göstermiştir. Askeri alanlarda kullanılmak üzere geliştirilen İHA’lar, son yıllarda sivil kullanımda da yoğun ilgi görmektedir. Hızla gelişen bu sistem birçok İHA çeşitinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. İHA’lar havada kalış sürelerine, ağırlıklarına, irtifa yüksekliklerine ve kullanım alanlarına göre farklı sınıflara ayrılmıştır. Bu çalışma için genelleme yapılacak olunursa, mini İHA’ları kanat tiplerine göre iki temel sınıfa ayırabiliriz. Bunlardan ilki sabit kanatlı, ikincisi ise multikopter olan İHA’lardır. Sabit kanatlı İHA’lar uzun süreli uçuş yeteneği olan, faydalı yük kapasitesi fazla, dayanıklı ve geniş alanlar için uygun sistemlerdir. Multikopterler ise, manevra yeteneği yüksek, uçuş hakimiyeti sağlanabilen, güvenli iniş ve kalkış yeteneği ile küçük alanlarda kullanıma elverişli sistemlerdir. Farklı kabiliyetlere sahip bu İHA’lar günümüzde güvenlik, keşif, arama kurtarma alanların yanı sıra tarım, orman, enerji, maden, inşaat, arkeoloji, mimari vb. gibi mühendislik alanlarında da yaygın olarak kullanılmaktadır. Klasik ölçme tekniğinde Global Positioning System (GPS) teknolojisinin gelişimi, bütün ölçme yöntemlerinde olduğu gibi fotogrametri için de ölçümlerin daha hassas ve hızlı bir şekilde yapılmasını sağlamıştır. Yakın tarihte oluşumunu tamamlayan dijital (sayısal) fotogrametri hava fotogrametrisi ile entegre edilmiştir. Ancak hava fotogrametrisi geniş alanlarda büyük avantaj sağlarken; uçak, helikopter gibi taşıyıcı platformların pahalı sistemler olması ve ölçüm tekrarının zor olması gibi dezavantajları da beraberinde getirmiştir. Bu yüzden çok sık kullanılamayan hava fotogrametrisi yerine, ölçümlerde klasik yöntemler tercih edilmeye devam etmiştir. Gelişen teknoloji ile yeni bir taşıyıcı platform olan İHA sistemleri, birçok mühendislik çalışmasının temelini hazırlayan haritacılık sektörü için önemli bir yere sahip olmuştur. Özellikle fotogrametri bilimi için İHA’ların kullanımı devrim niteliğinde görülmektedir. Günümüzde ise İHA sistemleri ile yapılan fotogrametrik ölçümlerle birçok alan için ideal çözüm üretilmiştir. İHA ile yapılan fotogrametri çalışmalarının tercih edilmesinin temel sebepleri olarak bu yöntemin düşük maliyetli, hızlı, yüksek hassasiyette ve tekrarlı ölçme yeteneğine sahip olduğu söylenebilir. Bu nedenle gelecekte öngörülen hava fotogrametrisinin İHA’ lar ile yapılacağıdır. Bu çalışmada, İHA ile fotogrametri çalışması esas alınarak, farklı özelliklere sahip sabit kanatlı ve multikopter mini İHA sistemlerinin aynı uygulama alanı için kullanılabilirliğinin tespiti hedeflenmiştir. Bu sistemlerle elde edilen veriler fotogrametride sağlanan otomatik yöntemlerle değerlendirilmiş ve doğruluklarının araştırılması yapılmıştır. Bu amaç doğrulutusunda, Altoy Savunma Sanayi ve Havacılık A.Ş.’nin Kayseri Şeker Fabrikası A.Ş. ile 2015 yılında yürütmüş oldukları “Boğazlıyan Bölgesindeki Pancar Arazilerinde Hasat Optimizasyonu ve Silo Yönetimi Pilot Projesi”nin bir bölümü olan “Silo Yönetimi” kısmından yararlanılmıştır. Boğazlıyan fabrika sınırları içinde işleme için bekleyen pancarların hacimsel değişiminin kaydedilmesi için günlük olarak Sabit Kanatlı İHA ve Multikopter ile sağlanan sadece 13 Ekim 2015 ve 10 Ekim 2015 tarihindeki veri setleri kullanılmıştır. Elde edilen görüntüler fotogrametrik yazılım desteği ile işlenmiş ve otomatik yöntemlerle değerlendirilmiştir. Literatür araştırmalarının ön gördüğü doğruluklar sayesinde iki farklı İHA’nın kıyaslanması yapılmıştır. Öncelikle sabit kanatlı İHA ve multikopter İHA’ının avantaj ve dezavantajları gözlemlenmiştir. Projede kullanılan sabit kanatlı Puma AV İHA’nın en dikkat çeken özelliği malzemesinin farkından dolayı zor koşullara dayanıklı oluşudur. Üzerinde bulundurduğu ikincil GPS ve IMU’un hassasiyeti oldukça yüksektir. 3.5 saatlik bataryası ile İHA’larda en büyük sıkıntıya sebep olan zaman sorunu bu İHA’da bulunmamaktadır. Geniş alanlarda uçuş yapabilen, kolaylıkla veri toplamayı sağlayan PUMA İHA’sı ile büyük projelerde verimli sonuç alınmaktadır. Multikopter olan DJI phantom advanced İHA ile daha çok küçük alanlarda çalışma yapılmasının uygun olduğu görülmüştür. Basit tasarımlı bir İHA olduğu için özellikle kötü hava koşullarından kolaylıkla etkilenmesi en büyük dezavantajıdır. Ancak multikopter olması nadir dışında farklı açılardan da görüntü alınabilmesine imkan sağlamaktadır. Sayısal yükseklik modeli gibi 3 boyutlu modelleme üretim çalışmalarında multikopterin avantajı fazladır. Yapılan çalışmada sabit kanatlı olarak Puma- AV insansız hava aracı ve DJI phantom advanced multikopter insansız hava aracı kullanılmıştır. PUMA’nın sahip olduğu 24 megapiksellik kamera ile 100 m’den görüntü alımı yapılırken, 12 MP’e sahip DJI 80 m ve 300 m den aynı bölgeye ait görüntüler toplamıştır. Ayrıca hacim hesabında kullanılacak taban yüzeyi oluşturmak için 10 Ekim 2015 tarihinde DJI ile 80 m’ den alınan görüntüler alınmıştır. Buna göre hem farklı İHA’lar değerlendirilmiş, hem de verilerin hassasiyetinin bağlı olduğu faktörler analiz edilmiştir. Bu İHA’ lar ile elde edilen görüntüler fotogrametrinin temelleri doğrultusunda otomatik olarak değerlendirilmiştir. Fotogrametrik yazılımlar arasında İHA’lar için en avantajlı programın Pix4d’ dir. Literatürdeki bir çok çalışma bu yazılım ile gerçekleştirilmiş ve programın doğruluğu kanıtlanmıştır. İki farklı İHA tipi ile elde edilen görüntüler aynı işlem adımları ile değerlendirilmiştir. Öncelikle yer kontrol noktalı ve yer kontrol noktasız olmak üzere aynı işlem adımları uygulanmıştır. Yeterli parametre bulunduğu için yer kontrol noktasız olarak yapılan projelerde de sayısal yüzey modeli ve ortomozaik harita üretilmiştir. Kabaca hesaplanan konumsal doğruluk DJI için +/- 3m, Puma için +/-1.5m olarak bulunmuştur. Ardından yer kontrol noktalarının sonuç ürünlere etkisi de araştırılmıştır. Çalışma esnasında proje için alınan yer kontrol noktaları hassas GPS ile ölçülmesine rağmen tercih edilen noktaların(elektrik direği, kaldırım köşesi vb.) sağlıklı noktalar olmadığı görülmüş ancak uygulanabilindiği kadar noktalar işaretlenmiştir. Sonuç olarak hesaplanan yer kontrol noktalarının karesel ortalama hataları; 1,81 cm YÖA’na sahip PUMA(100 m irtifa) İHA’nın 0,079 m, 3,27 cm YÖA’na sahip DJI (80 m irtifa) İHA’nın 0,096 m ve 12,95 cm YÖA’na sahip DJI (300 m irtifa) İHA’nın 0,503 m olduğu görülmüştür. Bu sonuçlar göz önünde bulundurularak hacim değerlendirilmesi yapılmıştır. Güvenilir ve ölçülebilir noktalar tercih edilmesi halinde bir pikselin yarısı ya da bir piksel değerinde kabul edilir hata alınabilecektir. Silo yığını hacim hesabında izlenecek işlem adımların test edilebilmesi için örnek uygulama temin edilmiştir. EnsoMosaic&EspaCity yazılımları ile örnek yığın alanı hacim değeri mevcut olup, Pix4d yazılımı ile indirilmiş veriler işlenmiştir. Taban yüzey kullanımı ile yapılan hacim ölçümünde bağıl hatası %2.60 olarak bulunmuştur. Otomatik olarak üçgenleme yöntemle oluşturulan taban yüzey ile hesaplanan hacimde ise yaklaşık %13′ lük bir bağıl hata olmuştur. Bu değerlendirmeye göre yer kontrol noktaları kullanılan projelerde hacim hesabı için, öncelikle 10 Ekim 2015 tarihli veri setinden taban yüzey üretilmiştir. Ardından otomatik üretilen nokta bulutlarından farklı yöntemler ile Sayısal Yüzey Modelleri (SYM) üretimi hedeflenmiştir. Bu bağlamda Delaunay üçgenleme ve Kriging enterpolasyon yöntemleri tercih edilmiştir. Üretilen SYM’ ler düşey doğruluk analizi ile test edilmiştir. Bu iki yöntem arasında düşey doğruluk analizi için, biri referans olmak üzere 100 adet nokta ile KOH’ lar hesaplanmış ve DJI-300m verisinde 0,045 m’ lik en yüksek standart sapma değerine ulaşılmıştır. Delaunay üçgenleme yöntemi ile üretilen SYM’lerin PUMA verisi referans alınarak DJI 80m ve DJI 300m silo yığınlarının KOH’ ları sırası ile 0.1828 m ve 0.2366 m bulunmuştur. Kriging enterpolasyon yöntemi ile üretilen SYM’lerin PUMA verisi referans alınarak DJI 80m ve DJI 300m silo yığınlarının KOH’ ları sırası ile 0,1949 m ve 0,2354 m olarak hesaplanmıştır. İstatistiksel kıyaslamalardan sonra silo yığını Pix4d programında, yer kontrol noktalı ve yer kontrol noktasız olarak işlenen görüntüler sonucu otomatik olarak oluşturulan SYM üzerinden hesaplanmış ve %3 ile en düşük bağıl hata Puma ile üretilen YKN’ sız hacim değerinde ulaşılmıştır. Aritmetik ortalama sonucu silo yığını 1308,781 m³ olarak hesaplanmış ve diğer yöntemler arasında mutlak ve bağıl hataya göre, en iyi hacim sonucu Puma verisi ile elde edilmiştir. Bu çalışma doğrultusunda, Pix4d programında otomatik olarak oluşturulan SYM ile ölçüm yapılmak isteniyorsa, Puma İHA’ sının özellikleri doğrultusundaki veriler ile minimum bağıl hata sağlanabileceği görülmüştür. Farklı teknik özelliklere ait İHA’ lardan elde edilen veriler kullanılarak yapılan hacim hesaplarının sonucu kullanılarak; tarım çalışmaları için en uygun olabilecek yöntem analiz edilmiştir. Ayrıca, hacim hesabı sırasında farklı yönetmeler karşılatırmalı olarak incelenmiştir. Mühendislik alanında hassas hacim hesapları için hangi parametrelerin etkili olduğu vurgulanmıştır. Gelişen teknoloji sayesinde İHA’lar ile özellikle küçük alanlarda, yüksek doğrulukta güvenilir bilgilerin sunulabileceğini ve haritacılık sektöründe yeni bir dönem başlayacağını söylemek mümkündür.

Tez No: 451042