New Methodology for Precise UAV Surveys with a Single Ground Control Point
DOI:
https://doi.org/10.11137/1982-3908_2022_45_44874Palavras-chave:
Cartographic accuracy standard, PPK, MappingResumo
The advances in aerial mapping using unmanned aerial vehicles (UAVs) are increasingly allowing for the surveying of areas that are difficult or unsafe to access. Considering that the cameras boarded on UAVs are non-photogrammetric sensors, positional accuracy and precision are paramount to ensuring that the final product is geometrically consistent and that its coordinates are precise enough within an acceptable range (which depends on the purpose of each application). With this in mind, this work evaluates the positional accuracy of aerial surveys with UAVs supported by the post- processed kinematic (PPK) technique for the generation of cartographic products in compliance with the Brazilian cartographic accuracy standard PEC-PCD. Furthermore, this study proposes a methodology for inserting virtual control points using coordinates adjusted and inserted into the main point of selected images, using the package of solutions for GNSS RTKLIB processing, to forgo Ground Control Points (GCPs) without loss of quality of the cartographic product. This research used a UAV from DJI (model Mavic 2 Pro), equipped with a dual frequency GNSS receiver, where positional records were synchronized with the camera’s shooting times. To validate the technique, 20 checkpoints with known coordinates were selected, and these points were used in statistical tests to assess the accuracy and precision of the survey. The orthomosaic and the digital elevation model were used as the reference for positional coordinates to be compared against the PEC-PCD standards. The results show that the discrepancy is, on average, 0.126 m for planimetric coordinates and 0.066 m for altimetry. No outliers were found, suggesting a Gaussian sampling distribution. The application of Student’s t- test indicated the existence of a small bias, suggesting the displacement of coordinates along the three axes. The chi-square test showed results below the tabulated limits, attesting to the high precision of the survey. Finally, the root mean squared error (RMSE) was lower than the standard error limit for PEC-PCD class A planialtimetric cartographic products on a 1:1,000 scale. The viability of this technique is thus confirmed.Referências
Alves Jr., L.R., Côrtes, J.B.R., Ferreira, M.E. & Silva, J.R. 2015, ‘Validação de ortomosaicos e modelos digitais de terreno utilizando fotografias obtidas com câmera digital não métrica acoplada a um VANT’, Revista Brasileira de Cartografia, vol. 67, no. 7, pp. 1453-66.
Bolkas, D. 2019, ‘Assessment of GCP Number and Separation Distance for Small UAS Surveys with and without GNSS-PPK Positioning’, Journal of Surveying Engineering, vol. 145, no. 3, pp. 1-17, DOI:10.1061/(ASCE)SU.1943-5428.0000283.
Brasil. 1984. Decreto n. 89.817, de 20 junho de 1984. Normas Técnicas da Cartografia Nacional. Brasília, DF.
Bruch, A.F., Cirolini, A., Thum, A.B. & Carneiro, M. 2019, ‘Avaliação da Acurácia das Cubagens de Volumes de Mineração através de Levantamentos Convencionais e Fotogramétricos’, Revista Brasileira de Geografia Física, vol. 12, no. 1, p. 283-98, 2019, DOI:10.26848/rbgf.v12.1.p283-298.
Collischonn, C. & Matsuoka, M.T. 2016, ‘Proposta de método de rede GNSS por PPP e análise de confiabilidade’, Boletim de Ciências Geodésicas, vol. 22, no. 3, pp. 453-71. DOI:10.1590/S1982-21702016000300026.
CONCAR - Comissão Nacional de Cartografia. 2011. Especificação Técnica para a Aquisição de Dados Geoespaciais Vetoriais. Infraestrutura Nacional de Dados Espaciais, 2nd edn, Exército Brasileiro – CONCAR-EB, Brasil.
Côrtes, J.B.R. 2010, ‘Análise da estabilidade geométrica de câmaras digitais de baixo custo com diferentes métodos de calibração’, Tese de Doutorado, Universidade Federal do Paraná.
Elias, E.N.N., Miranda, P.C.A., Cunha, A.A. & Fernandes, V.O. 2017, ‘Aplicação do Padrão de Exatidão Planimétrica para produtos cartográficos digitais (PEC-PCD)’, Simpósio Regional de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto, Salvador, pp. 248-52.
Fonseca Neto, F.D., Gripp Jr., J., Botelho, M.F., Santos, A.P., Nascimento, L.A. & Fonseca, A. L.B. 2017, ‘Avaliação da qualidade posicional de dados espaciais gerados por VANT utilizando feições pontuais e lineares para aplicações cadastrais’, Boletim de Ciências Geodésicas, vol. 23, no. 1, pp. 134-49, DOI:10.1590/S1982-21702017000100009.
Fonseca Neto, F.D. 2018, ‘Avaliação da Acurácia Posicional de Ortofotos Geradas por SISVANT’. Tese de Doutorado, Universidade Federal de Viçosa.
Galo, M. & Camargo, P.O. 1994, ‘Utilização do GPS no controle de qualidade de cartas’, 1° Congresso Brasileiro de Cadastro Técnico Multifinalitário, Santa Catarina, pp. 41-8.
Kurkov, V.M. & Kiseleva, A.S. 2020, ‘DEM Accuracy Research Based On Unmanned Aerial Survey Data’, The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XLIII-B3-2020, pp. 1347-52. DOI:10.5194/isprs-archives-XLIII-B3-2020-1347-2020.
Leal, E.M. 1998, ‘Análise da qualidade posicional em bases cartográficas geradas em cad’, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Paraná.
Lose, L.T., Chiabrando, F. & Tonolo, F.G. 2020, ‘Are Measured Ground Control Points Still Required in UAV Based Large Scale Mapping? Assessing the Positional Accuracy of an RTK Multi-Rotor Platform’, The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XLIII-B1-2020, pp. 507-14, DOI:10.5194/isprs-archives-XLIII-B1-2020-507-2020.
Menezes, R.R.V., Lisboa, M.H.M., Santos, A.P. & Dias, J.S. 2019, ‘Avaliação da acurácia planimétrica das imagens do Google Earth para produção de base cartográfica’, Revista Brasileira de Cartografia, vol. 71, no. 2, pp. 367-91, DOI:10.14393/rbcv71n2-46327.
Merchant, D.C. 1982, ‘Spatial Accuracy for Large Scale Line Maps’, Proceedings of the Technical Congress of Surveying and Mapping, pp. 222-31.
Monico, J.F.G. 2008, Posicionamento pelo GNSS: Descrição, Fundamentos e aplicações, 2nd edn, Editora UNESP, São Paulo.
Montgomery, D.C. & Runger, G.C. 2016, Estatística Aplicada e Probabilidade para Engenheiros, 6nd edn, Editora LTC, Rio de Janeiro.
Munaretto, L.A.C. 2017, VANT e aspectos operacionais de voo, 2nd edn, Editora DCA-BR, São José dos Campos.
Nazareno, N.R.X., Ferreira, N.C. & Macedo, F.C. 2009, ‘Avaliação da Exatidão Cartográfica da Ortoimagem Quickbird e da Ortofoto Digital do Município de Goiânia’, XIV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Natal, pp. 1771-8.
Oliveira, D.V. & Brito, J.L.S. 2019, ‘Avaliação da acurácia posicional de dados gerados por aeronave remotamente pilotada’, Revista Brasileira de Cartografia, vol. 71, no. 4, pp. 934-59, DOI: https://doi.org/10.14393/rbcv71n4-50086
Ribeiro Jr., S. 2011, ‘Determinação de volumes em atividades de mineração utilizando ferramentas do sensoriamento remoto’, Tese de Doutorado, Universidade Federal de Viçosa.
Santos, L.F.B. 2016, ‘Avaliação de modelo digital de terreno gerado através de VANT em planícies pantaneiras’, Monografia, Universidade Federal do Mato Grosso, Cuiabá.
Santos, A.P., Rodrigues, D.D., Santos, N.T. & Gripp Jr., J. 2016a, ‘Avaliação da acurácia posicional em dados espaciais utilizando técnicas de estatística espacial: proposta de método e exemplo utilizando a norma brasileira’, Boletim de Ciências Geodésicas, vol. 22, no. 4, pp. 630-50, DOI:10.1590/S1982-21702016000400036.
Santos, A.P., Medeiros, N.G., Santos, G.R. & Rodrigues, D.D. 2016b, ‘Avaliação da acurácia posicional planimétrica em modelos digitais de superfície com o uso de feições lineares’, Boletim de Ciências Geodésicas, vol. 22, no. 1, pp. 157-74, DOI:10.1590/S1982-21702016000100009.
Silva, C.A. 2015, ‘Avaliação da acurácia dos ortomosaicos e modelos digitais do terreno gerados por vant e sua aplicação no cálculo de volume de pilhas de rejeito da pedra cariri’, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza.
Silva, C. A., Duarte, C.R., Souto, M.V.S., Santos, A.L.S., Venerando, E.A., Bicho, C.P. & Sabadia, J.A.B. 2016, ‘Avaliação da acurácia do cálculo de volume de pilhas de rejeito utilizando VANT, GNSS e LIDAR, Boletim de Ciências Geodésicas, vol. 22, no. 1, pp. 73-94, DOI:10.1590/S1982-21702016000100005.
Silva, L.A. & Nazareno, N.R.X. 2009, ‘Análise do padrão de exatidão cartográfica da imagem do Google Earth tendo como área de estudo a imagem da cidade de Goiânia’, Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Natal, pp. 1723-30.
Taddia, Y., Stecchi, F. & Pellegrinelli, A. 2020, ‘Coastal Mapping Using DJI Phantom 4 RTK in Post-Processing Kinematic Mode’, Drones, vol. 4, no. 2, pp. 1-19. DOI:10.3390/drones4020009.
Tomastík, J., Mokros, M., Surovy, P., Grznárová, A. & Merganic, J. 2019, ‘UAV RTK/PPK Method-An Optimal Solution for Mapping Inaccessible Forested Areas?’, Remote Sens, vol. 11, no. 6, e721, DOI:10.3390/rs11060721.
Yu, J.J., Kim, D.W., Lee, E.J. & Son, S.W. 2020, ‘Determining the Optimal Number of Ground Control Points for Varying Study Sites through Accuracy Evaluation of Unmanned Aerial System-Based 3D Point Clouds and Digital Surface Models’, Drones, vol. 4, no. 3, e49, DOI:10.3390/drones4030049.
Zhang, H., Aldana-Jague, E., Clapuyt, F., Wilken, F., Vanacker, V. & Van Oost, K. 2019, ‘Evaluating the Potential of Post-Processing Kinematic (PPK) Georeferencing for UAV-Based Structure-from-Motion (SfM) Photogrammetry and Surface Change Detection’, Earth Surface Dynamics, vol. 7, no. 3, pp. 807-27, DOI:10.5194/esurf-7-807-2019.
Zhou, Y., Daakir, M., Rupnik, E. & Pierrot-Deseilligny, M. 2020, ‘A Two-Step Approach for the Correction of Rolling Shutter Distortion in UAV Photogrammetry’, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, vol. 160, pp. 51-66, DOI:10.1016/j.isprsjprs.2019.11.020.
Zhou, Y., Rupnik, E., Meynard, C., Thom, C. & Pierrot-Deseilligny, M. 2019, ‘Simulation and analysis of photogrammetric UAV image blocks-influence of camera calibration error’, Remote Sensing, vol. 12, no. 1, e22, DOI:10.3390/rs12010022.
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