A nagy tömegű automatizált terepi adatgyűjtés jelenleg egyik legelterjedtebb eszközei a pilóta nélküli légi járművek. Erre a viszonylag alacsony költségük és könnyen elsajátítható kezelésük adhat magyarázatot. Kezdetben a legtöbb technológiához hasonlóan a pilóta nélküli légi járművek (UAV-k) is katonai célokat szolgáltak.

 

Lehoczky Máté, Légi Térképészeti és Távérzékelési Egyesület elnök

Dr. Siki Zoltán, Geodéziai és Geoinformatikai Tagozat elnök

 

A legkorábbi ismert írásos feljegyzés az osztrák-velencei háborúban született a XIX. században, ahol korabeli gyújtóbombákkal felvértezett ballonokat vetettek be, ám ez a technológia még teljesen ki volt szolgáltatva az időjárás szeszélyeinek. A századforduló utáni években a rádiótechnológia fejlődésének hála, elindult a rádióvezérlésű, giroszkóppal és barométerrel felszerelt torpedós rendszerek tesztelése. Ezen technológia az első világháború során kezdte kiforrni magát. A következő nagy lépcsőt a célrepülőgépek megépítése jelentette. A Royal Air Force úttörő kísérleti fejlesztése a Queen Bee (méhkirálynő), amely feladata végeztével vissza tudott térni kiindulási helyére, nem pusztult el, ezzel olcsóbbá téve a repüléseket. Ennek mintájára fejleszt napjainkban a Space-X autonóm módon visszatérő űrrakétákat. A méhkirálynő gyermekei pedig a jövő fejlesztései, a herék, angolul drónok. Innen származik ma elterjedt kifejezésünk. A hidegháború során kezdtek elterjedni a felderítési célból alkalmazott pilóta nélküli légi járművek (UAV-ok), melyek csak a XXI. század hajnalán szivárogtak át polgári alkalmazási területekre. Ennek köszönhetően ma már számos, a mindennapi mérnöki feladatok megkönnyítését támogató alkalmazási területen vethetjük be költséghatékonyan ezeket az eszközöket.

Elnevezésük sokféle lehet:

  • drón: felderítő/hadászati célú pilóta nélküli légi járművek
  • UAV: pilóta nélküli légi járművek (Unmanned Aerial Vehicle)
  • UAS: pilóta nélküli légi rendszerek (Unmanned Aerial System)
  • RPAS: pilóta nélküli légi jármű rendszerek (Remotely Piloted Aircraft System)

A „köznyelvben” a drón elnevezés terjedt el, de helyesebb az UAV, vagy UAS elnevezés. A pilóta nélküli eszközöket csoportosíthatjuk a felhasználásuk (katonai, polgári), a felépítésük (merevszárnyúak, kopterek, csapkodó szárnyúak, ballonok, HTOL, VTOL), az irányítási rendszerük (földi, GNSS, kombinált), a hatótávolságuk (közel, kis, közepes, nagy), a repülést jellemző paramétereik (magasság, idő, sebesség), a meghajtó rendszerük (elektromos, belső égésű motorok, gázturbinás) és a szállított szenzorok (fényképező kamerák, multispektrális kamerák, videokamerák, hőkamerák, lézerszkennerek, radareszközök, szagérzékelők stb.) szerint. (https://acrsa.org/hu/index.php/fogalomtar)

A platform fő előnye, hogy kis méretű, könnyen üzembe helyezhető és nehezen megközelíthető helyek bejárása, felmérése is egyszerűen, biztonságosan elvégezhető vele. Akár katasztrófa sújtotta övezetek (pl. fukushimai atombaleset) területén emberi élet és egészség kockáztatása nélkül elvégezhetők a szükséges feladatok. Nem beszélve arról, hogy a pilóta nélküli légi járművek ökológiai lábnyoma messze alulmúlja bármely egyéb felmérési módszerét, ezáltal elnyerhetné a legkörnyezetbarátabb módszer címét is.

A drónokról készített képek megfelelő szoftverrel történő feldolgozása után egy pontfelhőt kapunk. Ebből tudunk domborzatmodellt vagy felszínmodellt levezetni. A képek és a domborzatmodell segítségével lehet előállítani az ortofotót, amelyen már mérni tudunk a GIS vagy CAD szoftverünkbe beillesztve azt. A felszínmodell és a képek együttes feldolgozásából ún. true ortofotót is levezethetünk, melyen az épületek már nem dőlnek. A nadír irányú felvételeket kiegészíthetjük ferde tengellyel (oblique) készült felvételekkel. Így sűrűbb pontfelhőt kaphatunk az épületek oldaláról, fentről az ereszek által takart részekről. Ezeket az alap termékeket az egyes szakterületek tovább hasznosíthatják. Csak néhányat megemlítve a felhasználási területek közül: 3D objektum modell (mesh), energetikai vizsgálatok, lefolyásvizsgálat stb.

A pilóta nélküli légijárművek fedélzetéről végzett távérzékelés az elmúlt évtizedben kezdett kibontakozni. Főként kis területekre, kisebb városok, városrészek, beruházási területek, valamint nagy beépítettségű területek felméréséhez használható legjobban, bár számos külterületi, nehezen megközelíthető terület felméréshez is egyre gyakrabban alkalmazzák. Ezen eszközök betáplált repülési terv és paraméterek alapján akár automatikusan végre tudják hajtani küldetésüket.

 

Fotogrammetria

A fotogrammetria szó szerinti értelmezésben fényképmérést jelent (fotos = fény, gramma = kép, metron = mérés). Felhasználásával a tárgyak alakját és méreteit fényképekről lehet mérni, meghatározni. A fotogrammetria információ hordozója a fénykép. A fotogrammetria meghatározását tömören a Nemzetközi Fotogrammetriai és Távérzékelési Társaság fogalmazta meg: „A fotogrammetria a tárgyakról és környezetünkről származó hiteles információk beszerzésének tudománya és technológiája oly módon, hogy rögzítjük, mérjük és értelmezzük a fényképeket, valamint az elektromágneses spektrum egyéb jeleit.”

A repülés előtt meg kell tervezni a felmérendő területhez vagy objektumhoz leginkább illeszkedő felmérési útvonalat. A megfelelő képi átfedés biztosítása szoftveresen számítható és programozható. A fotogrammetriai szoftverek a feldolgozás első lépésében általában a Structure from Motion (SfM) eljárást alkalmazzák a ritka pontfelhő előállítására. Ez az algoritmus arra a feltételezésre épül, hogy egy mozgó fényképezőgéppel készítenek felvételeket egy mozdulatlan tárgyról. Az SfM algoritmust elsősorban a gépi látás céljára fejlesztették ki, de jól használható a fotogrammetriai feldolgozás automatizálására is. Ennek segítségével rendkívül látványos valós méretekkel rendelkező, háromdimenziós állományok készíthetők, melyek tervezési szempontból is kielégítő pontosságot biztosítanak.

 

LiDAR

A leggyakrabban használt aktív távérzékelési technológia a lézerszkennelés, amit az angol nyelvű szakirodalomban LiDAR (Light Detection and Ranging) névvel illetnek. Az 1970-es évek kísérleti fejlesztéseit követően, a 1990-es évek első felében jelentek meg a piacon. Hasonlóan a többi távérzékelési eljáráshoz itt is közvetlen fizikai kapcsolat létesítése nélkül gyűjtünk információt környezetünkről. A szkenner lézerfényt bocsát ki, amely a vizsgált tárgyról visszaverődik a műszer szenzorához. A lézer távméréshez szükséges nagyobb akkumulátorok nagyon megnövelik a drón által felemelendő tömeget. Manapság egyre több a LiDAR eszközzel felszerelhető UAV jelenik meg.

Leggyakrabban építőmérnöki feladatok során infrastruktúra felméréskor, városfelméréskor, bányaméréskor használják a technológiát. Ezek a nagy sebességű szkennerek akár néhány mm pontos, nagy részletességű felmérések során, több százezer pont/másodperc adatgyűjtési sebességgel képzik le valós környezetünket. Fontos megjegyezni, a fotogrammetriával ellentétben csak geometriai- és intenzitás adatokat tartalmazó eredményt kapunk. Valós színes ábrázoláshoz ki kell egészíteni a rendszert egy központosított kamerával, mely képinformációt is gyűjthet. A fotogrammetria és a LiDAR jól kiegészítik egymást, a LiDAR a homogén felületeken is képes nagy sűrűségű pontfelhőt előállítani, melyet a fénykép megfelelő pixeljeivel kiszínezhetünk. A technológia speciális alkalmazási területe a közeli szubméteres tartományban, mikron élességgel végzett orvosi célú alkalmazás.

 

Felhasználás

Ezek a mindennapi használatba betört technológiák számos korábban elképzelhetetlen lehetőséget nyitnak meg a felhasználók számára. A hagyományos földmérési, építőmérnöki, építészeti alkalmazásokon kívül a bűnügyi vagy baleseti helyszínelés, a terrorelhárítás területén virtuális valóság modellek létrehozását, szimulációkat, film- és játékipari megoldásokat támogat és hathatós, gyors, költséghatékony segítséget nyújt ezekhez. Az előállított pontfelhők felhasználásával virtuálisan bejárhatjuk a helyszínt, mintha ott lennénk, sőt mérhetünk, elemezhetünk benne, akár szubcentiméteres pontossággal. Számos olyan munkarész előállítását teszi lehetővé, melyek a korábban bevált hagyományos felmérési módszerekkel egyáltalán nem, vagy csak aránytalanul nagy költség- és időráfordítással állíthatók elő. A színes pontfelhő a látványosságon túl egyszerűvé teszi a későbbi feldolgozást, ugyanis nincs szükség jegyzetekre, virtuális valójában láthatjuk a teljes helyszínt.

Egy beruházás esetén az egész munkafolyamatot végig kísérheti a technológia. Hatékony alapot biztosít az épületinformációs modellezés (Building Information Modeling/Management – BIM) technológia modellezési és tervezési feladataihoz is. A tervezést megelőző szakaszban szükséges lehet a kiindulóállapot pontos rögzítése, majd a kivitelezés során az eltérések igazolása és kimutatása, végül a megvalósult állapot rögzítése, és üzemeltetési feladatokra alkalmas BIM modell előállítása.

 

Mérnöki alapelvek, minőségi követelményrendszer

Fontos a különböző eszközökkel és feldolgozási módszerekkel gyűjtött téradatok minőségének ellenőrzéséről is beszélni. Az ellenőrzési eljárás meghatározza a felhasználói igények, követelmények és specifikációk szerinti minőségbiztosítási rendszert. A térképek és háromdimenziós modellek geometriai ellenőrzésére naprakész, egységes megoldásokra van szükség, amelyek a jelenleg forgalomban és használatban lévő eszközökhöz igazodnak. Olyan vizsgálandó értékeket kell keresni, ami alapján mind az adatot gyűjtő-feldolgozó, mind a megrendelő meg tudja ítélni, hogy az igényeiknek megfelelő minőségű végeredmény született-e. Olyan minimálisan közlendő adatokra kell javaslatot tenni a geometriai pontosság közléséhez, amelyek révén a szakcikkekben, dokumentációkban és tanulmányokban közölt eredmények könnyen összehasonlíthatók és a laikusok számára is értelmezhetőek lesznek. Ezek alapfeltételeit a Légi Térképészeti és Távérzékelési Egyesületben (ACRSA) végzett közhasznú munka során kezdtük el kidolgozni. Ennek kiinduló pontját a Federal Geographic Data Committee FGDC-STD-007.3-1998 Geospatial Positioning Accuracy Standards szabványa képezi, mivel ez egy egyszerűen alkalmazható szabvány, ami a téradatok megbízhatóságának egységes jellemzését teszi lehetővé. Alapgondolata, hogy a vizsgált téradat várható pontosságát egy ettől pontosabb módon meghatározott ellenőrző mérések alapján számítja ki. Tehát az adatgyűjtés különböző munkafolyamatai során összeadódó hibáktól terhelt végeredményt tudjuk így értékelni anélkül, hogy elvesznénk a különféle hibák kutatásában, mint a képalkotás, érzékelők, mérőberendezések és feldolgozás hibái.

2020. február 28-án egy a légi távérzékelési tevékenységhez nyújtott szakmai anyag összeállítása során merült fel számos további fontos kritérium. Ennek kidolgozását az ACRSA, a Magyar Mérnöki Kamara Geodéziai és Geoinformatikai és Környezetvédelmi Tagozatával, valamint a BME Építőmérnöki Kar Általános és Felsőgeodézia Tanszékével, az Óbudai Egyetem Neumann Informatikai Karral és az Alba Regia Műszaki Karral, továbbá 30 gazdasági szervezettel közösen készítettük el. (https://acrsa.org/hu/index.php/ortofotok-es-modellek)

Számos szakterület hasznosítja ezen technológiákat napjainkban, ezért az egyik legfontosabb és legösszetettebb feladatnak a különböző szakterületi igények összehangolását tartjuk. Nem szabad megfeledkezni az alapvető geometriai követelményekről, ezek megbízhatóságának garantálásáról, ugyanis egy tervező és kivitelező sem tud hatékonyan, garanciát vállalva munkát végezni, ha a kiinduló adatok megbízhatósága nem megfelelő. Ehhez szükséges a magas fokú geodéziai szaktudás, melyet a földmérő mérnök kollégák biztosítanak, ezzel biztonságot adva a mérnök kollégák munkájához. Ezért fontos geodéziai tervező (GD-T) bevonása az ilyen feladatokba.

A Geodéziai és Geoinformatikai Tagozat az idei Feladat Alapú Pályázat keretében a drónok megbízhatóságát és alkalmazhatóságát vizsgálva kívánja bizonyítani ennek a technológiának a létjogosultságát nemcsak az általános mérnöki, de kataszteri feladatok során is. Az ilyen költséghatékony, gyors, és kellően pontos technológiáké a jövő.

Mára nyilvánvalóvá vált, hogy a pilóta nélküli légi járművek térnyerése egy új forradalmat hoz el. A drónok alkalmazása, a műholdas helymeghatározáshoz (GNSS) hasonlóan, messze túl mutat már a kezdeti geodéziai alkalmazásokon. A tagozat és az ACRSA célja, hogy a drón iparágban rejlő kiemelkedő lehetőségeket közvetítse a hazai szakemberek számára, támogatva és elősegítve a drónok alkalmazását. A drón szegmens fejlesztése mára az innovációs folyamatok teljes spektrumát lefedi, így az alap- és alkalmazott kutatások, a kísérleti termékfejlesztés és a szolgáltatásfejlesztés is részét képezi. A modern geodézia a jövőben is igyekszik kiszolgálni a legkorszerűbb felhasználói igényeket. A mérnök szakmákban tapasztalható kihívásokra a folyamatos innováció a válasz, ennek hatékony megvalósításához pedig meg kell felelnünk a kor kihívásainak, javítanunk kell a szakágak közötti kommunikációt és együttműködést.