Evaluation of measurement uncertainty in height for UAS with LiDAR

Digitala terrängmodeller (DTM:er) är ett vanligt förekommande verktyg i planering av olika samhällsutvecklande projekt inom stat, kommun och den privata sektorn. Inom planering för byggnationer av väg och järnväg används ofta SIS-TS 21144:2016 som ett dokument för styrning av produktionsprocessen vid framtagning av DTM:er, eller markmodeller. Med anledning av att ny teknik öppnar för möjligheter till snabbare, effektivare och klimatsmartare insamling av data, har denna studie till syfte att utvärdera Unmanned Aerial System (UAS) med Light Detection and Ranging (LiDAR) från YellowScan och dess mätosäkerhet i höjd. I denna undersökning jämförs resultatet från studien med klass 2 i SIS-TS 21144:2016 för flyghöjderna 50 m och 80 m samt för skanningsvinklarna 0 (lod), 10, 20 och 40 grader. Platsen för studien är belägen strax sydväst om Gävle i en nedlagd grustäkt med både hårt packat och något lösare underlag. Storleken för studieområdet begränsades till 200 x 300 m, vilket ger en 6 ha stor yta. Med utrustning för mätning med GNSS (Global Navigation Satellite System) mättes två stompunkter in med Nätverks-RTK (Real Time Kinematic). Därefter skapades ett stomnät med åtta punkter. Totalt mättes 26 kontrollytor in för jämförelser mot insamlade LiDAR-data. Datainsamlingen utfördes med obemannad flygfarkost (Unmanned Aerial Vehicle, UAV), GeoDrone X4L, utrustad med LiDAR-skannern YellowScan Surveyor meden integrerad IMU (Inertial Measurement Unit) från Applanix. Tillsammans bildade dessa enheter ett obemannat flygsystem (UAS) som kunde fjärrstyras och kommunicera sin position. All bearbetning utfördes i programvara från Terrasolid, baserat på data från flygrutten som först bearbetats i YellowScan CloudStation. Punkterna klassificerades för att urskilja marklassade punkter som användes vid generering av DTM:er. En justering av punktmolnet gjordes med avsikt att höja marklassade punkter för att motverka det brus som förekommer i data. Kontrollytorna kunde nu jämföras mot DTM:en och analyseras. Resultaten i studien visar att YellowScan Surveyor uppnår ett Root Mean Square (RMS) i höjd på 0,024 m vid 50 meters flyghöjd, vilket innebär 0,047 m utvidgad mätosäkerhet (2-sigma, 95 %). Även vid 80 meter uppnås relativt låg mätosäkerhet i höjd med ett RMS på 0,040 m. Resultaten i studien visar också att påverkan av mätning i en större skanningsvinkel inte är den enda faktor som försämrar resultatet. Digital terrain models (DTMs) are a commonly used tool in planning various development projects within the state, municipalities, and the private sector. In planning for road and rail construction, the Swedish technical specification SIS-TS21144:2016 is often used as a document for controlling the production process of DTMs. Given that new technology opens the possibilities for faster, more efficient, and climate-smart data collection, this study aims to evaluate Unmanned Aerial System (UAS) with Light Detection and Ranging (LiDAR) from YellowScan and to evaluate the measurement uncertainty in height. In this study, the results of the study are compared with class 2 SIS-TS 21144:2016 for the flight heights 50 m and 80 m and the scanning angles 0 (in nadir), 10, 20 and 40 degrees. The site of the study is located just southwest of Gävle in a closed gravel pit with both hard packed and slightly looser substrates. The size of the study area was limited to 200 x 300 m, equivalent to 6 hectares. With Global Navigation Satellite System (GNSS) equipment, two control points were measured with Network-RTK (Real Time Kinematic). Subsequently, a control network of eight points was created. A total of 26 control grids were measured for comparisons of collected LiDAR data. The data collection was carried out with the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) GeoDrone X4L equipped with LiDAR Scanner YellowScan Surveyor with an integrated Inertial Measurement Unit (IMU) from Applanix. Together, these units formed an UAS that could be remotely controlled and communicate its position. All processing was performed in software from Terrasolid, based on data from the flight route that was first processed in YellowScan CloudStation. The points were classified to distinguish ground points used in the generation of the DTM. An adjustment of the point cloud was made with the intention of raising ground level points to reduce the noise present in the data. The control grids could then be compared to the DTM and analysed. The results of the study show that YellowScan Surveyor achieves a Root Mean Square (RMS) in height of 0,024 m at 50 meters flight altitude, which equals 0,047m expanded measurement uncertainty (2 sigma level, 95 %). Even at 80 meters, relatively low uncertainty is achieved with an RMS of 0,040 m. The results of the study indicate that the influence of measurements at a wider scanning angle is not the only factor that deteriorates the results.