Создание цифровых близнецов с помощью дронов DJI Enterprise
Цифровая трансформация набирает обороты во всех отраслях, и частью этого процесса является создание цифровых двойников физических активов. Цифровой двойник – это цифровое представление физического объекта, которое может включать 3D-модель и данные других датчиков. Цифровой двойник используется для мониторинга, управления и обслуживания физических активов.
Создание цифровых двойников
Дроны играют важную роль в предоставлении данных для создания цифровых двойников. Размещение камеры над каждым местом актива дает преимущества в скорости, частоте и безопасности. Данные с дрона используются для создания 3D-модели с помощью фотограмметрии и осмотра объекта.
Получить качественные данные с помощью дрона для создания 3D-модели высокого разрешения может быть непросто, особенно для некоторых объектов, таких как два массивных здания в городской среде.
Получение профессиональных 3D-моделей требует от пилота особого подхода к захвату изображений, включая управление такими параметрами, как перекрытие изображений, углы наклона камеры, расстояние до образца и экспозиция изображения для каждого фасада здания. Пилот должен сбалансировать все эти факторы, не забывая при этом о своем окружении, соблюдая правила, обеспечивая безопасность и многое другое.
Как же безопасно получить необходимые изображения сложного объекта, например двух зданий в городской среде?
Ответ – использовать автоматизацию полетов.
Предварительный просмотр 3D-плана миссии Dronelink в Google Earth
Миссии вертикального картографирования фасадов и перекрестного картографирования с помощью Dronelink, программы управления полетом, совместимой с дронами DJI, были использованы для автономного сбора данных для создания цифрового двойника здания окружного суда Оклахомы и Федерального судебного учебного центра и музея.
Использование автоматического полета сыграло решающую роль в реализации этого исторического мемориального и реставрационного проекта для компании Paper Airplane, которая часто привлекается для проведения инспекций, оценки и прогнозируемого технического обслуживания. Возможность безопасного и эффективного сбора высококачественных данных позволила впоследствии получить высококачественные результаты, которые превзошли ожидания клиента.
Пилот Paper Airplane выполняет задание с крыши
Создание сцены
Компания Paper Airplane, специализирующаяся на услугах беспилотников, была нанята для создания цифрового двойника здания окружного суда Оклахомы и Федерального судебного учебного центра и музея. Целью этого проекта было сохранение и восстановление исторического значения этих зданий.
Это место находится прямо через дорогу от места, где в 1995 году произошел взрыв в Оклахома-Сити. В результате взрыва были повреждены 324 здания в радиусе 16 кварталов. Задача состояла в том, чтобы осмотреть два здания, оценить структурную целостность поврежденных участков и спланировать профилактические работы, сохранив при этом исторические события, нанесенные зданиям в память о них.
Вместо того чтобы полагаться на бинокли и точечные наземные камеры, которые дают ограниченную информацию о точном местоположении, поверхности здания, каждом изображении и соответствующих повреждениях, цифровая двойная 3D-модель стала идеальным решением для всех заинтересованных сторон. 3D-модель позволяет накладывать изображения с нескольких ракурсов на каждую точку интереса, что облегчает идентификацию и определение местоположения повреждений.
Изображение 3D-модели с несколькими точками интереса
Цели проекта включали в себя:
- Безопасное выполнение полетов беспилотников для съемки всех крыш и фасадов.
- Обработка отдельных снимков в высококачественное 3D-представление.
- Экспорт 3D-сетки и облака точек зданий.
- Обмен данными с архитектурным бюро, управляющим проектом.
- Помощь в импорте/внедрении моделей для инспекции/судебного разбирательства, а также для внедрения в BIM и программное обеспечение для моделирования.
- Предоставление облачного решения для просмотра, обеспечивающего широкий доступ для персонала, который может не иметь аппаратных ресурсов для просмотра файла.
- Предоставление файла проекта для соотнесения повреждений с их расположением на поверхности здания.
Соображения при сборе данных для цифровых двойников
При разработке плана создания высококачественного цифрового двойника мы должны понимать некоторые ключевые факторы для захвата наилучших данных для использования в программном обеспечении для обработки фотограмметрии. Давайте сначала разберемся, что это за факторы. Затем, в следующих разделах, мы рассмотрим, почему Paper Airplane решила использовать комбинацию DJI и Dronelink.
Качество изображения
Качество получаемых изображений имеет первостепенное значение. Ключевыми факторами камеры, обеспечивающими высокое качество изображения, являются размер матрицы, качество затвора и разрешение.
Большая матрица помогает увеличить динамический диапазон изображения. Это помогает делать снимки в слабоосвещенных или затененных местах с освещенными солнцем элементами в одном и том же кадре. Такие условия освещения очень часто встречаются при съемке высоких сооружений. Также важно иметь высококачественный механический затвор, чтобы свести к минимуму искажения и размытия изображения, поскольку дрон постоянно движется при съемке. Стабильность изображения также очень важна для уменьшения размытости движения и фокусировки камеры, особенно в районах, подверженных сильным ветровым потокам, таких как урбанизированные районы.
Точность изображения
При создании 3D-модели понимание местоположения изображения может помочь улучшить качество выходной сетки и сократить время обработки. Однако в густонаселенных районах высокие здания могут ограничивать обзор неба (и спутников) и, в свою очередь, ухудшать качество GPS. Дроны корпоративного уровня DJI используют кинематику реального времени (RTK) для минимизации ошибок позиционирования в сложных условиях. Приемник RTK дрона может ссылаться на базовую станцию или провайдера NTRIP для повышения точности позиционирования. Чтобы узнать больше о RTK и точности при использовании дронов DJI Enterprise, перейдите по этой ссылке.
Охват объекта
Для качественной реконструкции необходимо захватить каждую часть объекта с разных ракурсов. Это включает съемку NADIR-изображений крыши и всех фасадов с достаточным перекрытием для обработки. Различные ракурсы камер помогают обеспечить охват различных элементов, например нижней части балкона. Поддержание правильного перекрытия изображений по горизонтали и вертикали может стать сложной задачей при съемке фасадов, особенно если учесть, что расстояние до образца, угол наклона камеры и размер матрицы камеры влияют на схему полета, необходимую для поддержания перекрытия.
Использование программного обеспечения для управления полетом необходимо для управления всеми этими параметрами захвата данных как при полетах с картографированием NADIR, так и при полетах с вертикальным картографированием фасадов. Можно создать автоматизированные миссии для полета по таким схемам, как вертикальные колонны, горизонтальные траектории, сетка или перекрестные штрихи в пределах заданной границы с использованием заданных значений перекрытия и углов наклона камеры.
Пространственное разрешение / расстояние до образца
Важным фактором, влияющим на качество реконструкции, является разрешение. Более высокое разрешение обеспечивает более высокую детализацию объекта, позволяя 3D-модели иметь более четкие мелкие детали. Разрешение изображения зависит как от технических характеристик камеры, так и от расстояния до объекта съемки. Часто используется термин Ground Sample Distance (GSD), который часто применяется при картографировании земель, а в случае с фасадом здания называется Sample Distance. Он обозначает размеры одного пикселя на изображении, измеренные на объекте (например, 0,10 дюйма/пиксель | 0,24 см/пиксель).
Разрешение и охват объекта тесно взаимосвязаны. Определение желаемого расстояния съемки и необходимого разрешения поможет определить, на каком расстоянии от поверхности объекта должен находиться беспилотник. Это, в свою очередь, определяет требуемую схему полета, необходимую для поддержания фронтального и бокового перекрытия, чтобы гарантировать покрытие объекта.
Теперь, когда мы понимаем некоторые ключевые факторы для создания цифровых двойников, давайте поговорим о конкретном оборудовании и программном обеспечении, которые могут обеспечить выполнение этих требований.
Выбор оборудования
DJI Mavic 3 Enterprise – отличный выбор для масштабируемого аппаратного решения. Благодаря большой матрице 4/3″ с разрешением 20 МП этот дрон обладает невероятным динамическим диапазоном, позволяющим получать самые лучшие снимки. Большой сенсор в сочетании с механическим затвором, срабатывающим за 0,7 секунды, делает M3E лучшим в своем классе. Этот более быстрый механический затвор позволяет ускорить полет без ущерба для качества изображения, что потенциально экономит время на объекте. Благодаря небольшому форм-фактору с ним легко работать, и он оснащен соответствующей системой камер для любой работы с цифровыми близнецами. Кроме того, длительное время автономной работы (до 45 минут) снижает необходимость многократной замены батарей во время полета и ограничивает общее количество батарей, необходимых в полевых условиях.
По сравнению с потребительским дроном ( Mavic 2 Pro), оснащенным 2-секундным интервалометром, M3E выполняет ту же самую съемку быстрее и с более высоким качеством результатов. Mavic 3 Enterprise также может снимать точные данные с точностью до дюйма, обеспечивая безопасный полет с помощью сменного приемника RTK.
Оценки миссии от Dronelink показывают, что M3E выполняет съемку одного и того же участка в 2 раза быстрее, чем M2P
Автоматизация сбора данных с помощью программного обеспечения для управления полетом
Обеспечить полный охват объекта с высоким разрешением и при этом обеспечить безопасную работу сложно без использования автоматизированных средств управления полетом. Для этого проекта Paper Airplane использовала Dronelink, который предлагает набор инструментов управления полетом и рабочих процессов для создания планов миссий и их автономного выполнения. Dronelink позволяет выполнять полеты по фасадам, которые используются для вертикального картографирования, а также по картам для съемки крыш.
Предварительный просмотр миссии Dronelink, демонстрирующий комбинированные планы миссий с фасадными и картографическими типами миссий
В Dronelink фасадную миссию можно легко создать с помощью нескольких ключевых параметров. К ним относятся:
- Граница фасада (левая и правая стороны, высота и минимальная безопасная высота).
- Вертикальное и горизонтальное перекрытие.
- Расстояние цели от поверхности объекта и используемый датчик камеры.
- Угол наклона камеры.
Планировщик миссий Dronelink и предварительный 3D-обзор, показывающий одну фасадную миссию с полетом вертикальных колонн и параметры настройки
Фасадная миссия может быть создана с помощью двух различных рабочих процессов:
- Предварительное планирование миссий в веб-приложении или мобильном приложении.
- Миссии на лету, созданные в полевых условиях с помощью дрона.
Предварительное планирование фасадных миссий требует создания плана миссии заранее, используя планировщик миссий на ноутбуке или в мобильном приложении. Подробнее здесь. После планирования миссии функции геокоррекции позволяют выровнять миссию в полевых условиях по известной точке отсчета, например углу здания. Также можно добавить ограничительные зоны, чтобы создать запретные для полетов зоны. Обе функции помогают повысить точность и безопасность.
Задания по съемке фасадов на лету позволяют пилоту создать задание на месте, используя положение дрона для визуального обозначения границ зоны полета, настройки перекрытия камер и других параметров. В мобильном приложении пилоту предлагается выполнить ряд пошаговых инструкций, чтобы отметить ключевые параметры, которые позволят сгенерировать задание (см. ниже). После генерации миссия выравнивается по объекту и выполняется по одному фасаду здания за раз. Эта функция позволяет пилотам корректировать свои планы с учетом ограничений окружающей среды, таких как скорость, перекрытие, ограничения по минимальной высоте и другие специфические области.
Для этого объекта Paper Airplane выбрала миссии по съемке фасадов на лету, чтобы снять каждый фасад с двух разных ракурсов, и заранее спланированные миссии по карте для крыш.
Открыв адаптивную фасадную миссию на лету, пилот облетел дрон вручную, чтобы отметить следующие необходимые ключевые точки, как показано на изображении ниже.
- Шаг 1: правый угол здания
- Шаг 2: левый угол
- Шаг 3: верхний край
- Шаг 4: минимальная безопасная высота, расстояние до цели и угол наклона кардана.
- Дополнительные шаги: узор и перекрытия (не показаны)
Шаги по созданию миссии фасада на лету
После ввода всех необходимых данных миссия генерируется и может быть предварительно просмотрена в 3D перед полетом. Затем пилот выбирает Start, и Dronelink начинает полет.
Автоматизированный полет по фасаду, показывающий панель смещения дрона
Во время выполнения задания пилот может сосредоточиться на наблюдении за дроном и окружающей обстановкой, чтобы обеспечить безопасность полетов. Панель смещения дрона справа позволяет пилоту вносить изменения в режиме реального времени во время съемки, например, незначительно корректировать высоту при приближении к препятствию. В любой момент пилот может приостановить съемку и взять управление на себя. Последняя позиция будет сохранена, будь то после ручной паузы или замены батареи, и пилот сможет возобновить миссию с того места, на котором он остановился, сохраняя непрерывность данных и наложения для последующей обработки.
Посмотреть полный видеообзор миссии “Фасад на лету” можно здесь.
Для этого проекта Paper Airplane выполнила 12 миссий по адаптивной съемке фасадов на лету и две миссии по съемке карт, чтобы обеспечить полное покрытие. Чтобы создать требуемого цифрового двойника, каждый фасад был облетан дважды, с использованием угла камеры 0 градусов и -20 градусов. Каждая миссия по облету фасада выполнялась по вертикальной схеме с перекрытием 80 % по вертикали и 80 % по горизонтали. Целевое расстояние в 40 футов использовалось для достижения расстояния выборки 0,14 дюйма/пиксель | 0,35 см/пиксель.
Вертикальная, а не горизонтальная схема полета была выбрана из соображений эксплуатационной безопасности. Из-за окружающих зданий и городской среды вертикальные колонны позволяли пилоту находиться под дроном, когда он летел вверх или вниз внутри колонны, гарантируя, что никто другой не сможет оказаться непосредственно под ним.
Обработка и анализ данных
После того как данные были получены на месте, настало время для их последующей обработки. DJI Terra – это доступный локальный процессор, способный генерировать высококачественные 3D-модели. Процесс создания 3D-модели с помощью DJI Terra можно посмотреть здесь.
При обработке данных не забудьте указать все наземные контрольные точки (GCP), которые могли быть использованы. GCP не являются обязательными для создания 3D-моделей, но могут помочь в обеспечении абсолютной точности и создании точек привязки. Чтобы узнать больше о GCP, нажмите здесь. В процессе обработки можно также использовать ручные точки привязки (MTP) для построения более плотной 3D-сетки.
После обработки данных в 3D-модель конечные пользователи (в данном случае генеральный подрядчик и архитекторы) могут просматривать изображения и определять точное положение любых повреждений или областей, представляющих интерес, на 3D-модели. Эта возможность чрезвычайно полезна для определения контекста, в котором находится область, требующая внимания. Инструменты измерения позволяют определить точное местоположение и размер поврежденного участка и помогают спланировать любые работы по обслуживанию.
Окончательные результаты изображения 3D-модели
Заключение
Создание цифровых двойников физических активов с помощью дронов и фотограмметрии меняет методы работы организаций во всех отраслях. Доступность цифровых двойников в режиме онлайн для ключевых заинтересованных сторон в этих организациях экономит бесчисленное количество часов, что позволяет им быть более эффективными и помогает оптимизировать внутренние рабочие процессы.
Беспилотники DJI Enterprise в сочетании с программным обеспечением для автоматизации полетов от Dronelink позволили компании Paper Airplane реализовать этот сложный проект и многие другие с выдающимися результатами, присоединившись к другим лидерам отрасли, движущим волну цифровой трансформации во всех отраслях.
О компании Dronelink
Dronelink – это программное обеспечение для управления полетами дронов, предлагающее автоматизированные миссии, рабочие процессы и инструменты для полетов ведущих дронов DJI. Поддерживаются веб-приложения, мобильные устройства и пульты дистанционного управления; пилоты могут выполнять миссии для карт, путевых точек, орбит, панорам, вертикального картографирования или инспекций, а также использовать такие режимы полета, как орбита, следование или фокусировка. Соединяйте несколько миссий вместе, автоматизируйте каждую деталь, выполняйте предварительный просмотр в 3D и даже откройте для себя повышенную точность и аккуратность дрона. Узнайте больше на сайте dronelink.com.
О компании Paper Airplane
Paper Airplane – поставщик услуг UAS “от колыбели до могилы”, предлагающий аналитику данных посредством обследования, инспекции, оценки и предиктивного обслуживания. Продукты разрабатываются в соответствии с индивидуальными потребностями клиента, чтобы создать уникальные и мощные, но при этом простые для понимания результаты. Paper Airplane предлагает услуги по обследованию, осмотру зданий, инженерных коммуникаций / полосы отвода, обнаружению метана, осмотру ливневых вод / составлению карт BMP и т.д. Узнайте больше на сайте www.pprair.com.
