Dokumentacja zdarzeń drogowych, lotniczych czy kolejowych obejmujących swym zasięgiem duży, zróżnicowany obszar, na którym znajduje się mnóstwo istotnych śladów wymaga zastosowania odpowiedniej techniki pomiarowej, która zagwarantuje możliwie szybkie, precyzyjne i pełne cyfrowe zabezpieczenie miejsca zdarzenia z dbałością o najmniejsze detale. Niekiedy jedna technika pomiarowa jest niewystarczająca do kompleksowego odtworzenia takiej katastrofy ze względu na swoje ograniczenia lub sposób rejestracji danych i ich dalszego opracowywania. W tej sytuacji stosowana jest integracja danych z różnych urządzeń w taki sposób aby stanowiły one wspólną bazę wyjściową do dalszych prac i analiz wyjaśniających okoliczności i przyczyny zdarzenia.
Odpowiadając na pytanie jaka technologia dokumentacyjna będzie odpowiednia dla zdarzenia o dużym zasięgu zrealizowaliśmy test adaptacyjny uwzględniający różne urządzenia miernicze bazujące na odmiennych sposobach realizacji pomiaru w ramach projektu „System oznaczania, ewidencji oraz śledzenia obiegu materiału dowodowego z wykorzystaniem nowoczesnych technologii geoinformacyjnych”. Test odbył się na terenie Centrum Szkoleniowego Policji w Legionowie, na którym zostało przygotowane symulowane miejsce zdarzenia lotniczego upadku śmigłowca Mi-2 na terenie zalesionym, co zwiększa poziom trudności w podejściu do tego zagadnienia.
Na miejscu zaaranżowano takie ślady i obiekty jak śmigłowiec leżący na lewym boku, trzy manekiny (denaci), elementy odzieży, silnik GTD oraz śmigła. Po etapie obejmującym sprawdzenie i przygotowanie sprzętu rozpoczęliśmy oględziny miejsca zdarzenia z lokalizacją śladów oraz dokonaniem wstępnego planu przebiegu dokumentacji i przygotowaniem terenu do pomiaru.
Kluczowym zagadnieniem było przyjęcie wspólnego układu odniesienia SLO1/SLO2/SPO dla wszystkich danych, które zebrano podczas testowania różnych technik mierniczych. Biorąc pod uwagę fakt, że był to teren zadrzewiony pozbawiony obiektów infrastruktury drogowej przyjęcie układu nie było zadaniem prostym. Uwzględniając wszelkie obiekty stałe w terenie, zdecydowaliśmy się oprzeć osie układu o ściany budynku, który znajdował się w odległości ok. 60 m od śmigłowca Mi-2. Wyznaczenie układu opierało się na zmierzeniu trzech punktów definiujących naroże tego budynku.
Następnym zadaniem było przygotowanie obszaru pod realizację fotogrametrii jednoobrazowej, która wykorzystywana jest w programie CYBID Photorect do wykonania przekształcenia perspektywicznego obrazu cyfrowego do podkładu metrycznego. Nowa funkcjonalność oprogramowania Photorect umożliwia automatyczne rozpoznawanie znaczników w postaci pierścieni kodowych, które umieszczane są w otoczeniu obszaru podlegającemu przekształceniu na zdjęciu cyfrowym.
Program rozpoznaje identyfikator markerów i wraz z dołączonym plikiem eSURV zawierającym pomierzone współrzędne 3D tych punktów, wstawia długości referencyjne dla sieci punktów, dokonując tym samym przekształcenia zdjęcia do rzutu ortometrycznego czyli zdjęcie zostaje wygenerowane w taki sposób jakby oś aparatu była skierowana prostopadle do obszaru fotografowanego. Dodatkowo program został rozbudowany o narzędzia do korekcji jakości zdjęć wraz z filtracją niewyraźnych obszarów na obrazie. Aby poprawnie dokonać transformacji zdjęć, dla każdego obiektu rozłożyliśmy minimum 4 punkty, przy czym każdy marker musi mieć połączenie z co najmniej trzema innymi znacznikami. W ten sposób zabezpieczyliśmy dwa rodzaje śladów: na powierzchni śmigłowca oraz denata znajdującego się kilka metrów od śmigłowca.
Po zakończeniu rozmieszczania znaczników pierścieniowych przystąpiliśmy do planowania sieci fotogrametrycznej dla realizacji lotu dronem nad obszarem miejsca zdarzenia. Jako fotopunkt przyjęty został wzór szachownicy o wymiarze 15×15 cm, który zastabilizowany na powierzchni terenu jest łatwo rozpoznawalny na obrazie cyfrowym, tym samym wpływając na większą precyzję pomiaru tych punktów podczas przetwarzania danych w programie Agisoft MetaShape Professional. Fotopunkty pomierzone tachimetrem w przyjętym układzie odniesienia pozwalają na wygenerowanie chmury punktów lub ortofotomapy w układzie SLO1/SLO2/SPO. Czyli gdy już przyjęliśmy układ odniesienia, znając współrzędne markerów fotogrametrycznych w tym układzie nie ma konieczności realizacji dodatkowych operacji takich jak skalowanie, obrót czy zmiana położenia ortofotomapy w programie obsługującym wszystkie dane pomiarowe. Ortofotomapa jest tworzona wraz z plikiem tekstowym, który zawiera wszelkie informacje o lokalizacji oraz rozmiarze obrazu aby zachować jego metryczność i proporcje po imporcie do programu. Markery również zwiększają dokładność wspomnianych danych, ponieważ szachownice mierzone są z dokładnością kilku mm w układzie 3D. A to w znacznym stopniu optymalizuje wynik końcowy redukując błędy przypadkowe i poprawiając jakość chmury punktów z uwagi na duży błąd wyznaczania pozycji zdjęć z samego modułu GPS w dronie. Łącznie rozmieściliśmy dziewięć punktów na obszarze o powierzchni 1400 m2. Dla ułatwienia identyfikacji markerów użyliśmy różowego spraya oznaczając bezpośrednią okolicę markerów przez wrysowanie linii wokół znacznika.
Ostatnim etapem przygotowania dokumentacji miejsca zdarzenia było umiejscowienie dodatkowych markerów do skanowania ręcznego oraz skanowania laserowego 3D. W pierwszym przypadku markery w postaci AprilTag mają za zadanie zwiększenie wydajności optymalizacji chmury punktów oraz ułatwienie ponownego skanowania w miejscu, w którym pomiar został zakończony. Natomiast skaning laserowy wykorzystuje markery szachownicowe do rejestracji skanów z różnych stanowisk do jednego wspólnego układu odniesienia oraz umożliwia wykonanie transformacji chmury z układu urządzenia do układu przyjętego przez operatora na miejscu zdarzenia. Znaczniki zostały umieszczone bezpośrednio w miejscu, w którym realizowano pomiar z zastosowaniem wspomnianych instrumentów do rejestracji danych w 3D.
Cały proces przygotowawczy oraz dokumentacyjny rejestrowaliśmy dwiema kamerami na statywach SONY RX0 oraz GoPro HERO4, która była montowana na uchwycie założonym na głowach operatorów urządzeń. Materiał wideo został złożony w całość i opublikowany w tym artykule.
Doszliśmy w końcu do momentu, gdzie możemy pozostawić etap przygotowawczy i przejść do czynności dokumentacyjnych na symulowanym miejscu zdarzenia lotniczego. A to stanowi główny punkt naszego badania, które ma zobrazować współczesne podejście do dokumentacji w zastosowaniu nowych technologii dostępnych na rynku.
Posiadając rozmieszczone kodowe znaczniki pierścieniowe, szachownice zarówno do fotogrametrii realizowanej z drona jak i do rejestracji i transformacji skanów oraz markery AprilTag do optymalizacji danych ze skanera ręcznego mogliśmy rozpocząć pomiar współrzędnych tych znaczników oraz dostępnych śladów przy wykorzystaniu systemu eSURV.
Na poligonie przyjęto dwa stanowiska instrumentu. Pierwsze położenie tachimetru znajdowało się w bezpośrednim sąsiedztwie samolotu Mi-2 oraz towarzyszących śladów, które były oznaczone przy pomocy znaczników kodowych. Z dostępnych wielu modeli systemu eSURV zdecydowaliśmy, że pomiar tachimetryczny będzie reprezentowany przez urządzenie Trimble C5. Jest to najnowsze urządzenie, które zostało wdrożone we wszystkich Komendach Miejskich i Powiatowych łącznie z Komendą Wojewódzką na Śląsku. Dokumentację wykonaliśmy w trybie pomiaru bezpośredniego celując przy pomocy kolimatora i systemu precyzyjnego nastawiania osi celowej na punkt oraz w opcji pomiaru na pryzmat, przy współpracy w zespole dwuosobowym.
Współrzędne fotopunktów pomierzone tachimetrem są importowane w formacie tekstowym do programu Agisoft MetaShape Pro w celu przeprowadzenia ich pomiaru na obrazach cyfrowych w układzie obrazowym, natomiast współrzędne znaczników kodowych w pliku eSURV odczutyje program Photorect, który na podstawie danego rodzaju pierścienia odczutyje jego identyfikator, który jest kojarzony bezpośrednio z danymi zawartymi w pliku eSURV. W ten sposób działając nie ma konieczności wykonywania pomiaru długości pomiędzy punktami referencyjnymi w celu przeprowadzenia transformacji zdjęcia cyfrowego do obrazu metrycznego. Jest to również sposób o wiele dokładniejszy niż to ma miejsce przy pomiarze klasycznym używając taśmy mierniczej lub innego przymiaru. A przecież precyzja to jedna z kluczowych kwestii dokumentacji zdarzeń.
Pomiar systemem eSURV stanowił podstawowy, wyjściowy pokład pod integrację wszystkich danych zebranych innymi technikami pomiarowymi. Zaimportowany plik do programu CrimeSIM zawierał informacje o lokalizacji wszelkich markerów fotogrametrycznych oraz określał położenie śmigłowca wraz z śladami znajdującymi się na symulowanym miejscu zdarzenia. Mimo, że pomiar tachimetryczny realizowany jest z dokładnością nawet do 1 mm to ze względu na pomiar pojedynczych punktów jest to reprezentacja danych w dużym stopniu zgeneralizowana tj. pojedynczy obiekt opisany jest przez kilka lub kilkanaście punktów a nie jak to ma miejsce w skaningu laserowy przez tysiące lub nawet miliony punktów. Jednakże jest to nadal niezawodna technika dokumentacji zdarzeń ze względu na szybkość pomiaru oraz pełną kontrolę nad rejestracją danych czyli operator w pełni decyduje o tym w jaki sposób i co w danej chwili jest mierzone. Takie podejście w ogromnym stopniu upraszcza cały proces dokumentacji zdarzenia od pomiaru do opracowania finalnego planu/szkicu sytuacyjnego. Nie występuje tutaj kwestia nadmiarowości danych, które są powszechnie spotykane w skanach, co często wiąże się z większym nakładem pracy. Warto również w tym miejscu zaznaczyć, że podczas dokumentacji zdarzenia systemem eSURV już na miejscu otrzymujemy wstępny szkic sytuacyjne dzięki wbudowanej bazie obiektów i śladów w aplikacji urządzenia, a co za tym idzie, często opracowanie finalne wiąże się wyłącznie z uzupełniniem brakujących elementów na planie bez konieczności tworzenia dokumentacji od samego początku. Poza tym operator urządzenia ma możliwość reagować natychmiast w momencie, gdy pomiar został wykonany niewłaściwie lub domierzyć brakujące dane przez nieustanną analizę szkicu wyświetlanego na ekranie urządzenia. Model Trimble C5 posiada zredukowaną ilość przycisków funkcyjnych do niezbędnego minimum aby obsługa instrumentu nie stanowiła problemu nawet dla osób, które na co dzień są na bakier z technologią. Rozdział przycisków odpowiedzialnych za pomiar w trybie bezpośrednim lub lustrowym oraz system autofocus upraszczają realizację pomiaru bez konieczności odrywania wzroku od okularu instrumentu rejestrując dane w trybie ciągłym. Nowością jest również system precyzyjnego celowania przy pomocy leniwek, który po ich uruchomieniu przez zacisk umożliwia obrót tachimetru w płaszczyźnie pionowej i poziomej bez ograniczeń! Wszelkie dane rejestrowane są bezpośrednio na pamięci zewnętrznej, dzięki czemu posiadając dostęp do komputera przenośnego można analizować i finalizować dokumentację będąc na miejscu zdarzenia.
Równolegle podczas pracy na systemie eSURV, nasz ekspert od programu Photorect prowadził dokumentację fotograficzną śladów do wykonania testu zaimplementowanych nowych rozwiązań, które w najbliższym czasie zostaną oficjalnie wdrożone do sprzedaży. Po zaimportowaniu zdjęcia do programu oraz danych z tachimetru rozpoczęliśmy automatyczną identyfikację punktów przypisując im współrzędne, na bazie których algorytm wyznacza precyzyjnie długości referencyjne uwzględniane podczas procesu przekształcenia zdjęcia. W efekcie zostały one oznaczone kolorem zielonym i wyznaczone dla każdej kombinacji par markerów kodowych znajdujących się w zasięgu zdjęcia:
Wprowadziliśmy parametry rozdzielczości wyjściowej nowego obrazu i w wyniku transformacji otrzymaliśmy pokład metryczny jako uzupełnienie planu otrzymanego na etapie pomiaru systemem eSURV:
Po zakończeniu tych czynności przyszedł czas na drona …
Tak samo jak przy każdej technice pomiarowej również i tutaj operator musi wykonać analizę terenu pod względem występowania przeszkód w postaci obiektów pionowych, określenie miejsce startu i lądowiska dla wielowirnikowca oraz dostępność przestrzeni powietrznej do wykonania rejestracji zdjęć miejsca zdarzenia.
Na miejscu symulowanego zdarzenia lotniczego użyliśmy drona z rodziny DJI Phantom 4 Professional, który obecnie jest już niedostępny w sprzedaży. Jego konkurent DJI Mavic 2 obecnie przejął główną rolę jako niskobudżetowe rozwiązanie dla fotogrametrii z pokładu bezzałogowców. Planowanie misji fotogrametycznej jest w pełni uzależnione od warunków terenowych panujących na miejscu realizacji zadania oraz wymagań w stosunku do wynikowej ortofotomapy a tym samym jej rozdzielczości terenowej. Ważne jest aby podczas planowania misji uwzględnić pokrycie między szeregami zdjęć min. 40% a pomiędzy obrazami w linii nie mniej niż 70%. To zagwarantuje nam pełne odtworzenie 3D obszaru objętego zasięgiem nalotu. Oczywiście bardzo istotna jest wysokość lotu względem punktu startowego, ponieważ im większa jest wysokość lotu tym mniejsza rozdzielczość zdjęcia tj. małe obiekty znajdujące się na obrazie są mniej czytelne. Najczęściej minimalny pułap nalotu fotogrametrycznego definiuje nam największy obiekt pionowy znajdujący się w bezpośrednim otoczeniu przestrzeni drona. Jednakże ważne jest aby przed przystąpienie do startu podjąć właściwą decyzję odnośnie wymagań jakościowych i zawartości wynikowej ortofotomapy, ponieważ wpływa to na ilość zdjęć oraz czas pracy jaką należy wykonać aby wszystkie te zdjęcia przetworzyć w programie do generowania ortofotomap.
W przypadku naszego testu zdecydowaliśmy się na przyjęcie 85% pokrycia pomiędzy obrazami zarówno w szeregu jak i w linii nalotu. Wybór ten był oparty o decyzję realizacji misji 3D czyli podwójny lot zdefiniowany przez siatkę, ponieważ testom poddano również analizę jakości chmury punktów uzyskanej ze zdjęć cyfrowych jako podkład do wykonania analizy miejsca zdarzenia lotniczego. Dron realizował zadanie z wysokości 30 metrów względem powierzchni ziemi, a ukończył je w ciągu 12 minut.
W efekcie przetwarzania danych w programie Agisoft MetaShape Standard otrzymaliśmy gęstą chmurę punktów, która jest etapem przejściowym generowania ortofotomapy:
Chmura jest w pełni metryczna, z naturalnym nasyceniem barw RGB, dzięki czemu obiekty 3D są bardzo zbliżone kolorystycznie do ich odpowiedników w rzeczywistości. Jednak zauważalny jest problem zaszumienia zbioru danych przez punkty będące efektem odtworzenia położenia liści i drzew w 3D, co zakłóca czytelność informacji na chmurze. Mimo tego, wiele danych można uzyskać poprzez interpretację i pomiar elementów, które są dostępne na modelu trójwymiarowym.
Chmura punktów jest przekształcana do postaci wektorowej jako siatka mesh, która jest w pewnym stopniu generalizacją gęstego zbioru danych. W dużym uproszczeniu taki podkład służy pod rzutowanie treści zdjęcia na siatkę 3D a w efekcie wygenerowania rzutu 2D jako ortofotomapy miejsca zdarzenia:
Zebraliśmy już dane w postaci szkicu wykonanego w aplikacji eSURV, chmury punktów i ortofotomapy z nalotu dronem oraz ortoobrazów uzyskanych w programie Photorect. Teraz nastąpił czas weryfikacji możliwości techniki skanowania stacjonarnego przy użyciu wiązki lasera oraz skanowania ręcznego opartego na działaniu światła strukturalnego we współpracy z podczerwienią.
Skanowanie laserowe 3D to technologia rejestracji milionów punktów w krótkim czasie. Podczas przygotowywania obszaru do wykonania dokumentacji 3D należy uwzględnić położenie stanowisk skanera tak aby po procesie łączenia skanów otrzymać kompletny model 3D miejsca zdarzenia. Skaner, który podołał temu zadaniu to Leica RTC360, która wyróżnia się spośród innych dostępnych urządzeń na rynku szybkością pomiaru nawet w trybie HDR jednocześnie rejestrując potężne zbiory punktów, gdzie najwyższa dokładność sięga 1 mm!
Przed rozpoczęciem skanowania dokonano ustawień parametrów rejestracji danych, które definiują jakość finalnej chmury punktów. W międzyczasie rozmieszczono kule referencyjne, które stosowane są do automatycznej identyfikacji w programie jako obiekty służące do precyzyjnego łączenia skanów do ostatecznej, kompletnej wersji modelu 3D. Podczas pomiaru sterowanie i analiza danych odbywała się zdalnie z przenośnego urządzenia typu tablet. Surowe skany opracowano w programie Leica Register360 oraz Leica Cyclone w efekcie otrzymując wysokorozdzielczą chmurę uwidaczniającą nawet najmniejsze detale na miejscu zdarzenia.
Przewaga chmury punktów pochodzącej ze skanowania laserowego nad chmurą wygenerowaną na etapie przetwarzania zdjęć cyfrowych jest większa rozdzielczość małych obiektów oraz dostęp do miejsc, które z pułapu drona są nieosiągalne do odtworzenia w 3D. Wiązka lasera odbija się od wszystkiego co znajduje się w zasięgu urządzenia stąd dane końcowe mają większe walory z punktu widzenia szczegółowości i kompletności danych. Tutaj również należy zaznaczyć, ze wraz z odległością od urządzenia zmniejsza się rozdzielczość chmury, natomiast dla modelu fotogrametrycznego ta rozdzielczość jest relatywnie stała (zmienia się wraz z deniwelacją terenu).
W technice skanowania ręcznego światłem strukturalnym sytuacja wygląda nieco inaczej. Operator urządzenia sam decyduje o przebiegu skanowania oraz o miejscach, które zostaną odtworzone w 3D. Przy pomocy specjalnego uchwytu w odległości między 30 cm a 2 m sensor skanuje otoczenie wyświetlając wynik w czasie rzeczywistym na ekranie tabletu. A to z kolei wspomaga prace pomiarowe ze względu na możliwość zmiany sposobu skanowania lub reorganizacji planu działania, jeśli obecne podejście jest niewystarczające aby uzyskać dobre efekty końcowe. Cały proces skanowania trwał do 15 minut co jest ograniczeniem urządzenia ze względu na maksymalny stopień kompresji danych w jednej sesji pomiarowej. Na symulowanym miejscu zdarzenia zabezpieczono ślady w postaci spodniej części śmigłowca oraz innych obiektów towarzyszących (denaci, ubrania, elementy konstrukcji śmigłowca). Po zakończeniu skanowania stosując rozłożone markery AprilTags wykonano optymalizację chmury punktów w celu zwiększenia dokładności danych eliminując tym samym nadmiarowość oraz zaszumienie modelu. Gotowy skan można bezpośrednio wczytać do programu obsługującego format zapisu *.dp i realizować pomiary geometrii oraz odczyt współrzędnych punktów.
Korzystając z okazji wykonaliśmy test systemu GPS RTK sprzętem SLC firmy Satlab do geolokalziacji śladów przy pomocy zachowania łączności odbiornika ruchomego z pojedynczą stacją referencyjną dostępną w sieci ASG-Eupos. Pomiar obsługiwany był przez aplikację QuickGNSS, która wizualizowała wyniki na podkładzie OpenStreetMap. Dane uzyskano w układzie globalnym WGS84 (B,L,H), które przetransformowano do układu SLO1/SLO2/SPO za pomocą nowego modułu w programie PLAN do przenoszenia danych pomiędzy układami bazując na punktach referencyjnych.
Cały zbiór danych zaimportowaliśmy do programu CrimeSim, którego podstawą funkcjonalnością jest tworzenie symulacji zdarzeń zarówno w wyniku katastrofy jak i o charakterze kryminalnym. Szkic utworzono z takich danych jak chmura punktów ze skanera laserowego 3D reprezentująca śmigłowiec, ortofotomapa z drona, dane wektorowe z eSURV oraz ortoobrazy uzyskane w programie Photorect.
Na koniec wykonaliśmy wysokorozdzielcze stanowiska panoramiczne zarówno z aparatu CANON z obiektywem typu rybie oko zamocowanego na głowicy panoramicznej oraz z pokładu drona dzięki aplikacji Litchi. Panoramy zostały utworzone w programie PTGui, natomiast uwzględniając wszelkie dane zebrane podczas prac dokumentacyjnych na symulowanym miejscu zdarzenia wykonano wirtualny spacer (oględziny) z możliwością analizy poszczególnych obiektów i śladów w formie materiałów wideo oraz dokumentów PDF i zdjęć cyfrowych.