Tersus TS21: test RTK, IMU i pomiaru z obrazu.

Co sprawdzaliśmy

Tersus TS21 przetestowaliśmy w kilku scenariuszach: klasyczny pomiar RTK, kompensacja wychylenia, pomiar w trudniejszych warunkach, wychylenie poza normalnym zakresem pracy oraz pomiar punktów z obrazu.

Do kontroli wykorzystaliśmy wcześniejszy pomiar Leica GS16 oraz lokalną kontrolę tachimetrem Trimble S7. Najważniejsze pytanie nie brzmiało: czy katalog deklaruje centymetry? Pytanie brzmiało: gdzie ląduje punkt, kiedy używamy sprzętu w prawdziwej pracy terenowej?

Najkrótsza odpowiedź: w normalnym RTK różnice utrzymywały się najczęściej na poziomie około 2-3 cm w poziomie. Kompensacja wychylenia działała sensownie również przy dużych kątach do około 60°, ale nie każdy pojedynczy pięcioepokowy pomiar mieścił się w 2 cm. Przy wychyleniach powyżej 70° dokładność wyraźnie spadała. Bardzo dobrze wypadł natomiast pomiar punktów z obrazu.

Wyniki w skrócie

Próba	Wynik	Wniosek
TS21 vs Leica GS16	22 mm RMSE 2D	Powtarzalność dwóch niezależnych sesji RTK na poziomie około 2 cm.
TS21 vs Trimble S7, typowy pomiar	24 mm RMSE 2D	W praktyce około 2-3 cm w poziomie.
Punkt pod zadaszeniem: 0,3° vs 35,3°	12,5 mm różnicy 2D	W tym miejscu wychylenie nie pogorszyło istotnie wyniku.
Kontrolowane wychylenia do około 60°	od kilku mm do kilku cm	Brak prostego schematu: większy kąt nie zawsze oznacza większy błąd.
Stress test 72-92°	59 mm RMSE 2D	Poza typowym zakresem dokładność wyraźnie spada.
Pomiar z obrazu	24 mm RMSE 2D	Bardzo ciekawa alternatywa dla trudno dostępnych punktów.

Producent podaje dla odbiorników Tersus dokładność kompensacji wychylenia do 2 cm w zakresie do 60°, natomiast dla pozycjonowania wizyjnego TS21 deklarowana jest dokładność około 2-4 cm. Ten test pokazuje, jak te funkcje zachowywały się w opisanych warunkach, a nie zastępuje badania laboratoryjnego.

Najpierw klasyczny RTK: TS21 kontra Leica GS16

Pierwszym punktem odniesienia był wcześniejszy pomiar wykonany odbiornikiem Leica GS16. To ważne: nie był to pomiar wykonany kilka minut wcześniej w tej samej sesji. Leica mierzyła punkty wcześniej, innym odbiornikiem i w innych warunkach.

Nie traktujemy GS16 jako bezbłędnego wzorca, bo to również pomiar RTK. Jest to jednak dobra kontrola powtarzalności pomiaru w czasie. W TS21 punkty osnowy były mierzone po 90 epok, wszystkie w rozwiązaniu Fixed, przy PDOP około 0,8-1,0.

Punkt	ΔX TS21-GS16	ΔY TS21-GS16	Różnica 2D	Δh elipsoidalna
os-1	-2 mm	-32 mm	32 mm	+7 mm
os-2	-18 mm	+3 mm	18 mm	+33 mm
os-3	+20 mm	+10 mm	22 mm	-11 mm
os-4	+21 mm	0 mm	21 mm	-7 mm
os-11	0 mm	+14 mm	14 mm	+27 mm

Dla tej serii średnia różnica pozioma wyniosła około 21 mm, RMSE 2D około 22 mm, a maksymalna różnica około 32 mm. Wysokości elipsoidalne różniły się z RMSE około 20 mm.

Nie widać wyraźnego stałego przesunięcia TS21 względem Leica. Średnia różnica wynosiła około +4 mm w X i -1 mm w Y. To bardziej przypomina normalną zmienność dwóch niezależnych sesji RTK niż jeden stały błąd odbiornika.

Uwaga na wysokości: geoida potrafi zrobić kilka centymetrów różnicy

Początkowo porównanie wysokości wyglądało gorzej. Powód okazał się prosty: starszy projekt Leica pracował z innym modelem wysokościowym niż aktualny pomiar TS21. Nowy eksport TS21 wykorzystuje PL-geoid2021-PL-EVRF2007-NH.

Różnica między zastosowanymi modelami w rejonie testu wynosiła około 3,4 cm. Dobrym przykładem jest os-3: przy bezpośrednim porównaniu wysokości normalnych różnica wynosiła około 44 mm, a przy porównaniu wysokości elipsoidalnych zostawało około 11 mm.

To praktyczna lekcja: porównując dwa odbiorniki GNSS, trzeba upewnić się, że oba pracują z tym samym modelem wysokościowym albo porównywać bezpośrednio wysokości elipsoidalne.

Druga kontrola: Trimble S7

Kolejnym etapem była kontrola tachimetrem Trimble S7. Stanowisko wyznaczyliśmy przez wcięcie na cztery punkty. Uzyskaliśmy σX = 5 mm, σY = 5 mm i σH = 7 mm.

To dobry wynik do praktycznego porównania odbiornika RTK, ale nie jest to stanowisko laboratoryjne. Co więcej, punkty użyte do wcięcia były wcześniej wyznaczone TS21, dlatego S7 nie może być traktowany jako całkowicie niezależny absolutny wzorzec. Może natomiast bardzo dobrze odpowiedzieć na pytanie, czy kolejne punkty mierzone TS21 zachowują prawidłową lokalną geometrię.

Typowy pomiar RTK: około 2-3 cm

Do pierwszej kontroli wybraliśmy serię normalnych pomiarów: folia-6 do folia-10 oraz studnia-1. TS21 pracował w rozwiązaniu Fixed, przy PDOP około 1, a każdy punkt był mierzony przez 5 epok.

Punkt	Różnica 2D TS21-S7	Różnica H
folia-6	17 mm	-6 mm
folia-7	25 mm	-4 mm
folia-8	24 mm	-3 mm
folia-9	21 mm	0 mm
folia-10	31 mm	-2 mm
studnia-1	20 mm	-10 mm

Dla tej serii średnia różnica 2D wyniosła 23 mm, RMSE 2D 24 mm, a maksimum 31 mm. Wysokościowo wynik był bardzo spójny lokalnie: RMSE H wyniosło około 5 mm.

Nie oznacza to, że sam RTK ma 5 mm dokładności pionowej. Stanowisko S7 zostało oparte na tej samej lokalnej osnowie. Bardziej interesujący jest wynik XY oraz zachowanie lokalnej geometrii punktów.

Kompensacja wychylenia do około 60°

Po pierwszym teście TS21 brakowało nam jednego elementu: normalnego zakresu pośredniego. Mieliśmy pomiar prawie pionowy i mieliśmy skrajne wychylenia, ale brakowało serii przy typowych kątach roboczych do około 60°.

Dlatego wykonaliśmy dodatkową serię. Te same punkty były mierzone kolejno przy różnych kątach, od prawie pionowego ustawienia do około 60°. Każda obserwacja trwała 5 epok, rozwiązania były Fixed, a PDOP najczęściej wynosił około 0,8-1,0.

Wynik okazał się ciekawszy niż proste: im większy kąt, tym większy błąd. Takiego jednoznacznego trendu nie było.

OS-4, pierwsza seria	Różnica 2D względem pomiaru prawie pionowego
7,8°	2 mm
24,3°	17 mm
39,7°	15 mm
58,6°	11 mm

OS-4, drugi obrót tyczki	Różnica 2D względem pomiaru prawie pionowego
9,0°	22 mm
24,8°	33 mm
42,4°	38 mm
58,4°	35 mm

Wszystkie obserwacje pozostały Fixed. Przy praktycznie podobnym kącie, ale innym kierunku ustawienia tyczki, rezultat potrafił różnić się bardziej niż między 20° a 60°. Na wynik wpływa więc nie tylko sam kąt wychylenia, ale też warunki obserwacji i kierunek wychylenia względem przeszkód.

Nie będziemy udawać, że wszystkie pomiary do 60° zmieściły się w 2 cm. W dodatkowych seriach zdarzały się obserwacje przy 40-60°, które od pionowego pomiaru różniły się o kilka centymetrów w poziomie. Jednocześnie były też pomiary przy prawie 60°, które zgadzały się z punktem odniesienia na poziomie około 1 cm.

Punkt pod metalowym zadaszeniem: 0,3° kontra 35,3°

Jeden z najciekawszych wyników dotyczył punktu pod metalowym zadaszeniem, w sąsiedztwie stalowej konstrukcji i zabudowy. Najpierw wykonaliśmy pomiar praktycznie pionowo, przy kącie 0,32°. Następnie ten sam punkt pomierzyliśmy przy 35,26° wychylenia.

Oba rozwiązania były Fixed, po 5 epok. Różnica między nimi wyniosła ΔX = 5 mm, ΔY = 11 mm, 2D = 12,5 mm oraz ΔH = 0,6 mm.

To jest dla nas bardziej interesujący przykład zastosowania kompensacji niż wychylanie tyczki tylko dla testu. W praktyce właśnie po to jest ta funkcja: żeby zmierzyć punkt, przy którym przeszkoda utrudnia normalne ustawienie tyczki.

Co się dzieje powyżej 70°?

Osobno wykonaliśmy stress test poza typowym zakresem pracy. Tyczka była wychylana do 72-75°, a potem ponad 90°. To już nie jest normalna procedura pomiarowa, tylko sprawdzenie granic zachowania algorytmu.

Punkt	Kąt wychylenia	Różnica 2D względem S7
folia-1	72,33°	37 mm
folia-2	74,55°	93 mm
folia-3	74,89°	46 mm
folia-4	72,46°	34 mm
folia-5	91,55°	65 mm

Dla tych pięciu punktów średnia różnica 2D wyniosła 55 mm, RMSE 2D 59 mm, a maksimum 93 mm. To już zdecydowanie nie jest 2 cm, ale trzeba powiedzieć jasno: ta seria znajduje się poza zakresem do 60°, dla którego producent podaje dokładność kompensacji.

Dodatkowo wykonaliśmy próbę przy zapisanym wychyleniu około 112,65°. W takim ustawieniu nie mówimy już o normalnej pracy geodezyjnej. Chodziło tylko o sprawdzenie, czy algorytm w ogóle nadal potrafi wyznaczyć punkt.

Największe zaskoczenie: pomiar z obrazu

TS21 różni się od klasycznego odbiornika GNSS tym, że oprócz GNSS i IMU ma kamery. Przednia kamera umożliwia pozycjonowanie wizualne, a obraz jest wykorzystywany także przy tyczeniu AR. W praktyce można wykonać zdjęcie miejsca i wskazać punkt, nad którym nie da się wygodnie ustawić końcówki tyczki.

W eksporcie znajdowały się punkty folie-z-foto-_V01 do _V09. Nie są to klasyczne obserwacje RTK, bo zostały wyznaczone na podstawie obrazu. Po porównaniu z kontrolą tachimetryczną uzyskaliśmy około 24 mm RMSE 2D, maksimum około 33 mm i około 33 mm RMSE w 3D. Wysokość była słabsza niż XY: RMSE H wyniosło około 23 mm.

Dlatego nie napisalibyśmy, że TS21 mierzy ze zdjęcia na 2 cm w 3D. Dane tego nie pokazują. Bardziej uczciwy wniosek brzmi: pozycja pozioma z obrazu wyszła na poziomie około 2-3 cm, natomiast wysokość była mniej stabilna.

Punkt	Tyczka 72-92°	Punkt z obrazu
folia-2	93 mm	18 mm
folia-3	46 mm	19 mm
folia-4	34 mm	19 mm
folia-5	65 mm	21 mm

I tu pojawia się praktyczny wniosek. Nie: kamera jest dokładniejsza od RTK. Tylko: jeżeli dotarcie grotem do punktu wymaga wychylenia tyczki o 70-90°, lepszym rozwiązaniem może być nie stawiać nad nim tyczki i wyznaczyć punkt z obrazu.

Co z pomiarami z obrazu, które nie wyszły?

W pliku znajdowały się również punkty niedokladne-_V01 do _V04. Niektóre były bardzo daleko od prawidłowego położenia. Nie uwzględniamy ich w statystyce dokładności, ponieważ oprogramowanie samo zgłaszało, że rozwiązanie jest niewiarygodne. W eksporcie widoczny był brak normalnego rozwiązania, a raportowane RMS osiągało wartości około 100 m.

To ważne rozróżnienie. Znacznie bardziej niebezpieczna byłaby sytuacja, w której odbiornik pokazuje 2 cm, ale punkt jest 10 m dalej. Tutaj program jednoznacznie pokazywał, że wyniku nie należy używać.

Jak dokładnie wykonaliśmy test?

Najpierw odbiornikiem TS21 wyznaczyliśmy punkty kontrolne RTK. Punkty wykorzystywane później jako osnowa mierzyliśmy przez 90 epok, a typowe punkty szczegółowe przez 5 epok. Następnie wykonaliśmy kontrolę tachimetrem Trimble S7 i wykorzystaliśmy wcześniejszy pomiar Leica GS16.

W drugim dniu wykonaliśmy osobne serie wychyleń na kilku punktach, zmieniając kąt tyczki od niemal 0° do około 60° oraz obracając ją w różnych kierunkach. Wszystkie podstawowe obserwacje pozostały Fixed.

Na końcu sprawdziliśmy sytuacje nietypowe: punkt pod zadaszeniem, ekstremalne wychylenia ponad 70° oraz pomiar punktów z obrazu.

Ograniczenia testu

To nie jest badanie laboratoryjne i nie chcemy go tak przedstawiać. Największym ograniczeniem jest sposób założenia stanowiska S7. Tachimetr został wcięty na punkty wcześniej pomierzone odbiornikiem TS21. Oznacza to, że S7 jest bardzo dobrą kontrolą lokalnych różnic, ale nie całkowicie niezależną realizacją układu współrzędnych.

Dlatego do oceny absolutnej powtarzalności dodatkowo wykorzystaliśmy wcześniejszy pomiar Leica GS16. Leica również pracowała w RTK, więc także nie jest prawdą absolutną. Zestawienie TS21, wcześniejszy GS16, lokalna kontrola S7 i powtórzone pomiary następnego dnia daje jednak znacznie więcej informacji niż pojedyncza obserwacja jednym odbiornikiem.

Drugim ograniczeniem jest mała liczba powtórzeń przy dokładnie tych samych kątach i kierunkach tyczki. Typowo metrologiczny test IMU wymagałby stabilnego stanowiska pozwalającego powtarzać te same kąty i azymuty po kilkanaście lub kilkadziesiąt razy. Ten test miał odpowiedzieć na inne pytanie: jak TS21 zachowuje się w normalnej robocie terenowej?

Nasz werdykt

Po tym teście nie napiszemy, że TS21 zawsze mierzy z dokładnością 1 cm. Bo nie zawsze. Nie napiszemy też, że kompensacja przy dużym wychyleniu nie działa. Bo to również byłoby niezgodne z danymi.

Klasyczne RTK było powtarzalne na poziomie około 2-3 cm w poziomie. Niezależne porównanie TS21 z Leica GS16 dało około 22 mm RMSE 2D, a kontrola normalnej serii tachimetrem około 24 mm RMSE 2D.

Kompensacja wychylenia była użyteczna również w trudnych ustawieniach tyczki, ale nie każdy pięcioepokowy pomiar przy dużym kącie mieścił się w 2 cm. Powyżej około 70° dokładność wyraźnie się pogarszała. Pomiar z obrazu okazał się realnym narzędziem pomiarowym, osiągając w naszym teście około 24 mm RMSE w poziomie.

I właśnie ten ostatni element najbardziej odróżnia TS21 od zwykłego odbiornika GNSS. Nie chodzi tylko o to, jak dokładnie zmierzyć punkt, nad którym możemy stanąć. Chodzi również o to, jak zmierzyć punkt, nad którym stanąć się nie da.