BIM и Цифровые двойники: как беспилотные летательные аппараты приближают будущее -

BIM и Цифровые двойники: как беспилотные летательные аппараты приближают будущее

Технологии создания цифровых копий зданий, сооружений, целых комплексов и производственных территорий существуют с 1970-ых годов, но только в последнее время они стали доступнее, удобнее и получили широкое распространение. Произошло это благодаря общему развитию компьютерных технологий, в частности беспилотным летательным аппаратам и методам обработки данных аэрофотосъёмки (АФС). 

Building Information Model (BIM) и близкий к этому термин «Цифровой двойник» — это информационная модель здания или сооружения, которая может содержать в себе большое количество данных и информации о самом здании, его элементах, инженерных сетях, окружающей инфраструктуре. Цифровой двойник – более глобальное понятие. Он обеспечивает связь реального мира и виртуальной модели за счет большого количества онлайн датчиков, собирающих данные со всего города, объединяемые понятием «Интернет вещей» (Internet of Things – IoT). Несмотря на кажущуюся невозможность, реальность управления практически всеми процессами производства – уже здесь, а города – слишком близко, чтобы игнорировать (Deng M., et al., 2021). И самое первое, и важное, что необходимо для создания BIM и тем более Цифрового двойника, — это сбор данных.

Производства постоянно совершенствуются, в городах с каждым днём появляется больше домов, меняется дорожная сеть, проводятся новые коммуникации. Даже самое простое здание претерпевает изменения. Собрать первоначальные данные, постоянно их обновлять и поддерживать в актуальном состоянии – настоящий вызов в таком динамичном мире. Беспилотные технологии, а в частности беспилотные летательные аппараты (БПЛА), благодаря их энергичному развитию, постоянно растущей конкуренции на рынке и доступности технологии, легко встроились в существующий рабочий процесс создания цифровых копий, сократив затраты и время работ (Barrile, et al., 2019; Hamledari, Hesam, et al, 2017).

БПЛА — это один из инструментов современного геодезиста, инженера, архитектора, строителя, менеджера. Он состоит из самого летательного аппарата и полезной нагрузки, которая и позволяет нам получить данные для построения моделей. В зависимости от задач и масштабов проекта выбирается тип летательного аппарата: квадрокоптер (вертолетный тип) или крыло (самолётный тип); и вид полезной нагрузки: фото-/видеокамера или LiDAR. Рассмотрим возможные задачи и подходящие к ним технологии. Мы провели вебинар, на котором подробно рассмотрели все аспекты применения дронов в технологии BIM:

BIM одного уже построенного здания, небольшой строительной площадки

Одним из технологических решений в этом случае может быть небольшой БПЛА вертолётного типа с фотокамерой на борту. Если речь идёт о создании единоразовой модели без необходимости её обновления и взаимосвязи с окружающими объектами, то даже GNSS-приёмник на борту не будет обязательным условием. Если же необходимо проводить такие работы регулярно или здание будет позже связано с окружающей инфраструктурой, то GNSS-приёмник и геодезическое обеспечение таких работ крайне необходимо для получения сантиметровых точностей и повторяемости результата. В городской или любой другой территории, где есть мобильная связь и постоянно действующая базовая станция, хорошо подойдёт Real-Time Kinematic (RTK) решение, которое обеспечит необходимую точность, а также сократит время на проведение аэрофотосъёмочных работ за счёт отсутствия пост-обработки геодезических данных. 

Квадрокоптер DJI Phantom 4 RTK

Профессиональный квадрокоптер для аэрофотосъемки

BIM и Цифровые двойники: как беспилотные летательные аппараты приближают будущее -

В отличие от здания, на строительной площадке нужна большая частота проведения аэрофотосъёмки и важна манёвренность БПЛА. Изменения происходят постоянно, чтобы контролировать процесс, необходимо регулярно проводить мониторинг, а значит беспилотный аппарат должен иметь или много аккумуляторов, или быстро-заряжаемые с большим количеством циклов зарядки. Манёвренность может понадобиться, чтобы добиться большей детальности отдельных частей объекта, который имеет сложную геометрию, до нескольких миллиметров. Более того, если строительство ведётся круглосуточно, или обновление данных требуется раз в сутки, есть возможность проводить съёмку в тёмное время суток с помощью LiDAR. Технология базируется на лазере и приёме его отраженного сигнала от объекта.

BIM большой строительной площадки, производственной территории 

В этом случае территория съёмки и мониторинга значительно увеличивается. Это значит, что полётное время беспилотного аппарата также должно вырасти, либо он должен иметь удобные и быстрые способы заменить аккумулятор, не нарушив полётное задание. Также на нём может быть установлена фотокамера с лучшей матрицей, которая даст необходимую детализацию на большей высоте полёта. 

Большая высота полёта – сокращение времени полёта, так как охват одного кадра с высотой увеличится.

BIM и Цифровые двойники: как беспилотные летательные аппараты приближают будущее -

Цифровой двойник

Пятый случай наиболее требователен к характеристикам техники. Зависимость от площади съёмки мы рассмотрели выше. Однако, создание основы под Цифровой двойник также предполагает создание качественного рельефа, чётких контуров зданий, повторяемость результата и большую детализацию результата. Качественный рельеф, даже на залесённых участках, обеспечит использование LiDAR. Благодаря большой частоте отправляемых сигналов на поверхность за единицу времени, в отличие от фотографии, есть бОльшая вероятность, что хотя бы несколько лучей пройдёт мимо листвы и отразится от поверхности земли, вместо растительности. Чёткие контура зданий и высокая детализация обеспечиваются использованием камеры с большой полнокадровой матрицей, качественными линзами и зафиксированной калибровкой. Точность и повторяемость результата можно обеспечить, как уже упоминалось выше, GNSS-приёмником на борту, как с Post Processing Kinematic (PPK), так и RTK подходом. 

Обработка данных, результаты

Независимо от задачи, все данные аэрофотосъёмки проходят одинаковые процедуры обработки. Снимки с фотокамер обрабатываются в специальном фотограмметрическом ПО, которое находит на снимках общие точки, связывается их вместе в едином пространстве, определяя трёхмерные координаты каждой, которые затем становятся базой для создания трёхмерных моделей, цифровых моделей местности (ЦММ) и ортофотопланов. Данные с LiDAR также проходят несколько этапов пост-обработки, самый важный из которых – это классификация полученного облака точек (отраженных сигналов), после которой можно будет отделить точки земли, от точек растительности, а их от точек зданий. На основе точек земли можно построить цифровую модель рельефа (ЦМР), которая, в отличие от ЦММ, несёт в себе только значение высоты земли, без растительности или построек. ЦМР является важной основой для любый строительных, проектировочных или геодезических работ.

Квадрокоптер DJI Phantom 4 RTK + лицензия DJI Terra Pro

Решение для картографии, которое в комплекте с DJI TERRA станет профессиональным инструментом полного цикла работы в области картографии, строительства, геодезии.

BIM и Цифровые двойники: как беспилотные летательные аппараты приближают будущее -

Трёхмерные модели, ортофотопланы и ЦМР – основа для создания BIM и настоящих Цифровых двойников. Трёхмерные модели дают форму объектов, ЦМР обеспечивает основу дальнейшего развития территории, с ортофотопланов векторизуются объекты инфраструктуры, растительность и другие детали территории. Скорость получения и качество результатов вывели сферу проектирования, мониторинга, строительства на новый уровень и в целом приблизили повседневное использование Цифровых двойников даже простыми жителями города.

BIM и Цифровые двойники: как беспилотные летательные аппараты приближают будущее -

Применение полученных данных

Полная инвентаризация зданий и объектов строительства, производства, постоянный мониторинг и обеспечение безопасности, планирование развития городской среды, проведение линейных и трехмерных измерений, вычисление объёмов и много другое доступно с BIM и Цифровыми двойниками, но для начала их необходимо создать. Современное программное обеспечение предоставляет инструменты автоматизированного распознавания объектов. Например, по клику мышки на облаке точек в форме трубы будет автоматически создан векторный объект, соответствующий по размерам, которому можно присвоить дополнительные атрибуты из заранее заготовленных шаблонов: толщина стенки, материал, назначение и т. д. Не говоря уже о простоте создания поверхностей, стен и крыш, автоматически можно добавить окна, воздуховоды  и много других объектов (https://www.autodesk.com/https://www.geoweeknews.com/; Garagnani etal., 2012).

Уже существуют примеры реализации больших и маленьких проектов на базе БПЛА как в России, так и в других странах. Созданный геопортал для города Томск на базе трехмерной модели как раз пример такого проекта. Весь город был отснят беспилотниками самолётного типа с геодезическим оборудованием на борту и контролем точности с опознавательными знаками на земле. Поверх модели в самом геопортале были добавлены данные об отдельных объектах, также там размещаются векторными модели планируемых объектов. BIM более распространены за рубежом, методика применения BIM и БПЛА уже отработана и получила широкое распространение особенно в сфере строительства и архитектуры (Hamledari et al,2018; Rizo-Maestre et al, 2020).

Рекомендации

У каждой технологии существуют свои особенности и ограничения. Данные могут быть получены только там, где беспилотник может находиться, поэтому на основе данных АФС сейчас рекомендуется создание только внешних объектов – изнутри здание помогут оцифровать другие инструменты, например, наземный лазерный сканер. От того, какая камера установлена на борту и на какой высоте выполняется аэрофотосъёмка зависит детализация получаемых изображений, однако, слишком близко к ним также не рекомендуется летать по соображениям безопасности. И хотя технологии просты в освоении, даже опытным пользователям БПЛА рекомендуется проходить обучение с каждым новым технологическим решением или моделью БПЛА, включая процесс обработки данных.

BIM для участников проекта

Применение технологии BIM в комплексе с беспилотными решениями актуально для всех участников строительного процесса и производства.

BIM и Цифровые двойники: как беспилотные летательные аппараты приближают будущее -

Для застройщика или инвестора

  • визуализация стройплощадки до старта всех работ;
  • эффективное управление рисками в ходе реализации инвестиционного проекта;
  • контроль проектирования и строительных работ в реальном времени;
  • оценка соответствия проекта реальным результатам строительства;
  • создание цифровой модели для дальнейшего обслуживания, реконструкции или демонтажа здания и сооружения.

Для проектировщиков

  • проектирование с возможностью подбора оптимальных вариантов;
  • минимизация ошибок при проектировании за счет высокоточной визуализации;
  • оперативные корректировки в рабочей документации и привлечение нескольких специалистов одновременно;
BIM и Цифровые двойники: как беспилотные летательные аппараты приближают будущее -

Для строителей

  • наглядность технических решений и итогового результата строительства;
  • визуализация процесса строительных работ и сопоставление этих данных с календарным графиком;
  • привязка конкретных строительных задач к двухмерной или BIM-модели;
  • корректировка проекта непосредственно на строительной площадке;
  • всегда актуальная версия проектной документации.

Для управляющих

  • BIM-модель полностью соответствует конкретному зданию или сооружению, а также содержит полный перечень технической документации;
  • своевременное обнаружение и устранение дефектов;
  • полная инвентаризация всех объектов производства;
  • моментальное создание отчётов, получение информации о любых изменениях.


Для того чтобы правильно подобрать беспилотное решение, обратитесь к специалистам Аэромотус: