Farklı insansız hava araçları ile elde edilen görüntülerin otomatik fotogrametrik yöntemlerle değerlendirilmesi ve doğruluk analizi
Examination of images obtained from different unmanned air vehicles via automatic photogrammetric methods and accuracy analysis
Yazar: DENİZ BİLGE KILINÇOĞLU
Danışman: PROF. DR. ELİF SERTEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

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.

Abstract:
Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are the vehicles without pilots that carries payload with its own power system and is flown with automatic or remote control system. Even though the first examples of UAVs were arised with the 1st World War, UAV technology has made a big progress all around the world towards the end of 1990s. The UAVs, that are developed for the military areas mainly, are in great demand in civil use recently. This fast developing system has caused many different UAVs to arise. UAVs were classified according to their  flight time, weight, elevation height and application areas. In order to generalize for this study, we can classify mini UAVs to two main sections according to their wing types. First one is with fixed wing UAV and the other one is multirotor UAV. Fixed wing UAVs are capable of flying long time, durable, have high payload capacity and suitable for vast areas. Multirotor UAVs have high maneuver capability and flight control and they are more likely suitable for use in small areas with their landing and take-off capabilities. These UAVs with different capabilities are commonly used in agriculture, forest, energy, mine, construction, archeology, architectural etc. areas as well as security, exploration, search and rescue areas. 
UAV systems, that became a new transporter platform with the developing technology, possessed an important place in cartography which prepares the basis of most of the engineering studies. Use of UAVs are seen revolutionary especially for photogrammetry. 
In classical measurement methods, the improvement of GPS (Global Positioning System) technology, provided measurements to be done more accurate and faster for photogrammetry just like in all other measurement methods. The integration of digital photogrammetry -which completed its formation recently- with air photogrammetry has provided a big advantage in vast areas. However the expensiveness of carrier platforms such as planes, helicopters and the difficulty of measurement repeat have showed up as the disadvantages of it. Therefore, it is continued to choose classical methods for measurements instead of air photgrammetry which is not frequently used. 
Today, ideal solutions were found with photogrammetric measurements done via UAVs  for many areas. The main reasons for selection of this method are its low cost, speed, high accurency and capability of repetitive measurement. Thus, it is predicted that UAV photogrammetry will substitute for air photogrammetry.
In this study, it is aimed to detect the usability of fixed wing UAV systems and multirotor UAV systems, which have different characteristics, for the same application area. The accuracy of the data obtained via these systems were analyzed by evaluating with automatic photogrammetric methods. 
In accordance with this purpose, `Silo Management" section of the project "Harvest Optimization in Beet Terrains in Boğazlıyan Region and Silo Management Pilot Project" which was conducted by Altoy Savunma Sanayi ve Havacılık A.Ş. and Kayseri Şeker Fabrikası A.Ş. in 2015 was benefited. For recording the volumetric change of beets that are waiting for processing, the data from 13th October 2015 which was obtained daily via Fixed Wing UAV and Multirotor UAV was used.   The obtained images were processed with photogrammetric software support and examined with automatic photogrammetric methods. Under favour of predicted accuracy by literature research, 2 different UAVs were compared. 
First fixed wing UAV and multirotor UAV of advantages and disadvantages have been observed. Used in fixed wing Puma AV UAV most prominent feature of material resistant to difficult conditions due to the difference. Contains the secondary on the GPS and IMU's sensitivity is very high. 3.5-hour battery that causes the biggest trouble in time issue UAV this UAV is not included in. Large areas of flight, enabling data collection with ease PUMA UAV is a result of larger projects with efficiency.
With Multirotor DJI phantom advanced UAV was found to be more appropriate to conduct studies in very small areas. It is a simple design are particularly easily bad weather UAV to be affected is the biggest disadvantage. However, multirotor will also be rare outside makes it from different angles. Digital elevation model, such as 3D modeling work in the production of multirotor advantage.
In the studies done, fixed wing PUMA unmanned aerial vehicle and multicopter DJI phantom advanced unmanned aerial vehicle were used. While images were taken from 100 m with 24 MP camera of PUMA, DJI with 12 MP took images of the same area from 80 m and 300 m. In addition to creating the base surface to be used in volume calculations on October 10, 2015 at DJI with 80 m from the images. According to this, different UAVs were evaluated as well as the factors which the accuracy of data are dependent to were analyzed.
Automatically it evaluated according to the fundamentals of photogrammetry images obtained with these UAVs. Among the most advantageous program for UAV photogrammetric software is Pix4d. Many studies in the literature have been performed with this software and the accuracy of the program has been proven.
The images obtained with the two different type of UAV was evaluated by the same process steps. Firstly, ground control points and without ground control points, including the same processing steps were applied. Because adequate parameters found in the projects carried out as without ground control points, digital surface model and ortomosaic map was produced. Roughly calculated for positional accuracy of +/-3 m for DJI, +/-1.5m for Puma was found.
Then the effect of ground control points to the final product was also investigated. During operation for the project with precision GPS ground control points received despite the preferred point of measurement (power pole, a sidewalk corner, etc.) has been seen but not healthy spots are marked as points apply. As a result, root mean square error of the calculated ground control points ; 1.81 cm YÖA with PUMA (100 m altitude) UAV's 0.079 m, 3.27 cm have YÖA DJI (80 m altitude) UAV 0.096 of m and have 12.95 cm YÖA DJI (300 m altitude) UAV's were 0.503 m. These results are evaluated considering the volume. Upon the choice of reliable and measurable points half a pixel or a pixel value is considered in error can be imported.
Sample applications are provided silo pile in order to test the process steps to be followed in the volume calculation. EnsoMosaic & EspaCity software pile area to volume with sample is the calculated value exists, the Pix4d software downloaded data has been processed. The relative error in the use of volume measurements made by the base surface was found to be 2.60%. Automatically calculated with the volume of the base surface using triangulation is created through this method is approximately 13% has been a relative error.
According to this assessment, ground control points used for volume projects account, primarily from the base surface data set October 10, 2015. Then, Digital Surface Models (DSM) with different methods of automatically generated point clouds was aimed at producing.In this context, the Delaunay Triangulation and Kriging interpolation methods are preferred. Produced DSM's vertical accuracy was tested by analysis.
For vertical accuracy between the two methods of analysis, with 100 points, including a reference method KOH 's calculated and DJI-300 m in data is the highest standard deviation value of 0.045 m reached. Delaunay triangulation method of DSMs produced by PUMA reference data DJI 80m and DJI 300m silo pile of KOH 's position with 0.1828 m and 0.2366 m, respectively. Kriging interpolation method with reference to the data of PUMA DSMs produced by DJI80 and DJ 300m silo pile of KOH 's order is calculated by 0.1949 m and 0.2354 m.
After the statistical comparison silo pile Pix4d, ground control point and without ground control point where images are processed as a result of the calculated volume value is automatically generated from the DSM and Puma produced with the lowest relative error of 3% GCP was reached volume.
The result of the arithmetic mean is calculated as the volume of 1308.781 m³ silos pile. According to the absolute and relative error among other methods, the best volume 0.05% as a result of relative error of Kriging and Delaunay methods and data of Puma by calculating. Automatically produced with Pix4d DSM with a 1% relative volume made account in error.
According to this study, if the program is automatically generated Pix4d making measurements required by DSM, Puma UAV SYM constituted features available depend on the minimum relative error can be provided with the data.
Using the results of volume calculations using data from UAVs of different technical specifications, the most suitable method for agricultural studies has been analyzed. In the field of precision engineering volume accounts for what parameters is highlighted to be effective.