Modern methods of data acquisition with UAV

Mgr. Radim Stuchlík, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V poslední době se prostředky RPAS (Remotely Piloted Aircraft System) staly velmi dostupnými nástroji. Důsledkem toho je, že si tyto systémy našly pevnou pozici rovněž ve výzkumu. Proto se tato disertační práce zabývá využitím systému RPAS v různých vědeckých oborech. Hlavním cílem je zjistit, zda lze RPAS úspěšně využít v náročných podmínkách, a zda lze data z RPAS kombinovat s daty získanými z odlišných systémů. Práce také popisuje všechny kroky spojené s úspěšným dokončením výzkumného projektu zaměřeného na RPAS. Zahrnuje získání všech potřebných dat, zpracování dat, analýzu, syntézu a prezentaci. V této práci jsou rovněž hledány odpovědi na následující výzkumné otázky. 1) Je možné použít RPAS v drsných povětrnostních podmínkách (polární klima, větrné počasí) pro výzkum a monitorování ledovců, periglaciálních oblastí nebo hloubky sněhové pokrývky? 2) Existuje významný rozdíl v relativní přesnosti výsledných modelů vytvořených konvenční metodou oproti modelům z dat získaných pomocí dálkového průzkumu s využitím RPAS (krizový management – místo dopravní nehody)? 3) Může kombinace dat RPAS s daty pozemního laserového skeneru vylepšit nebo zpřesnit finální model? Ve vědě je klíčová interoperabilita a mezioborová spolupráce mezi vědci. Proto je tato práce, složená ze čtyř vědeckých článků a jedné nepublikované studie, zaměřena (kromě hlavních cílů) na spolupráci s vědci z různých oborů. První článek se zaměřuje na použití RPAS během letní sezóny na Svalbardu. Ledovec a přilehlý periglaciální tok byly monitorovány optickou kamerou (snímky byly pořízeny ve viditelném spektru elektromagnetického záření) a termokamerou. Na této studii se podílel odborník z oblasti meteorologie. Druhý článek zkoumá možnost použití RPAS v zimní sezóně v extrémních podmínkách na Svalbardu. Byla testována schopnost vytvořit model výšky sněhové pokrývky ze sekvence snímků. Na tomto výzkumu se mimo jiné podílel odborník na lavinovou dynamiku. Třetí článek zkoumá využití RPAS v nepříznivých povětrnostních podmínkách na Islandu. Bylo snímáno čelo ledovce a proglaciální jezero. Na výzkumu se podíleli rovněž glaciologové, spolu s geology a fluviálními geomorfology. Čtvrtý článek dokazuje možnost využití systému RPAS v krizovém řízení zdokumentováním místa zinscenované dopravní nehody. Potvrdilo se, že je možné využít finální model pro účely policejní dokumentace (včetně měření vzdáleností na modelu). Na tomto výzkumu se podílel specialista na dokumentace dopravních nehod. Pátý (nepublikovaný) článek popisuje použití dat dálkového průzkumu pořízených pomocí RPAS v kombinaci s daty získanými z pozemního laserového skeneru. Spojení těchto různých typů dat je prezentováno na příkladu československého opevnění, především pak samotného objektu pěchotního srubu a okolí, které zahrnuje mnoho rozličných vojenských defenzivních objektů. Do této studie byl zapojen odborník na získávání a zpracování dat z pozemního laserového skeneru. Tato disertační práce popisuje možnosti využití RPAS v náročných podmínkách. Bylo experimentálně potvrzeno, že je možné tyto prostředky využít s velkou výhodou, a to nejen pro vědeckou práci (základní a aplikovaný výzkum), ale i pro praktické každodenní činnosti a výstupy. Využití RPAS má tedy do budoucna značný potenciál. Vezmeme-li v potaz možnosti pokračujícího technologického vývoje, je zde velký předpoklad, že se tyto prostředky budou ve výzkumu používat stále více a stále efektivněji. V důsledku toho by mohly být překonány i limity RPAS, které jsou také diskutovány v této práci.

Abstract:

Remotely Piloted Aircraft System (RPAS) has recently become a very affordable tool. Consequently, these systems have found their place in scientific research. As a result, this dissertation thesis deals with RPAS utilization in various fields of study. The main objective is to test the use of RPAS in harsh conditions and to find out whether RPAS remote sensing data could be combined with data from different sources. The thesis also describes all steps connected with the successful accomplishment of the RPAS research project. It involves acquiring all necessary data, data processing, analysis, synthesis, and presentation. Answers to the following research questions are searched for in this thesis, too. 1) Is it possible to use RPAS in harsh weather conditions (polar climate, windy weather conditions) for research and monitoring glaciers, periglacial areas, or snow cover depth? 2) Is there a significant difference in the relative accuracy of the final models created from the conventional method and models using data obtained with RPAS remote sensing in case of crisis management – traffic accident site documentation? 3) Can the combination of RPAS remote sensing data with terrestrial laser scanner (TLS) data enhance the final model? Interoperability and collaboration between scientists are essential issues in science. Therefore, this thesis, which consists of four scientific papers and one unpublished study, is (besides main objectives) focused on cooperation with scientists from various fields of study. The first paper aims to RPAS use during summer in Svalbard. The glacier and its river were monitored with a photo (images captured in the visible electromagnetic spectrum) and thermal camera, with a meteorologist involved in this study. The second paper investigates the possibility of RPAS use in Svalbard’s extreme winter conditions. The ability to create a snow cover depth model from the sequence of images was tested while an avalanche scientist was involved in this research. The third paper examines RPAS utilization in windy weather conditions in Iceland. The snout of the glacier and proglacial lake was sensed. Glaciologists, together with geologists and fluvial geomorphologists, participated in this investigation. The fourth paper proves the ability of RPAS utilization in crisis management. The arranged traffic accident site was documented. The possibility of using a final model for police documentation (including measurement) purpose was confirmed. A specialist in traffic accident site documentation was involved in this research. The last unpublished study describes using RPAS remote sensing data in combination with TLS data. The fusion of these different types of data is presented in the case of the Czechoslovak fortification site, which includes many kinds of objects. An expert in obtaining and processing TLS data was involved in this study. This dissertation thesis describes the possibilities of using RPAS in harsh conditions. It was experimentally approved that it is possible to use these devices, not only for scientific purposes and basic research but also for daily activities and applied research, with many benefits. The utilization of RPAS has indeed great potential in the future. Regarding the possibilities of further technological development, there is a high probability of RPAS utilization in science more often and effectively. As a result, the limits of RPAS, which are also described in this work, could be exceeded.

Keywords

RPAS, polární oblasti, náročné podmínky, dokumentace dopravních nehod, TLS, polar regions, harsh conditions, traffic accident site documentation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 7. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 8. 9. 2023
• Supervisor: prof. RNDr. Petr Kubíček, CSc.
• Reader: doc. Mgr. Michal Gallay, PhD., doc. RNDr. Přemysl Štych, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Cartography, geoinformatics and remote sensing / Cartography, geoinformatics and remote sensing