Использование беспилотных летательных аппаратов DJI Enterprise для автоматизации картографирования идеально подходит для получения высококачественных данных для 3D-моделей.

Оцифровка различных предметов необходима во многих отраслях промышленности. Теперь, с появлением новых технологий, оцифровать можно любой предмет, и частью этого является создание цифровых двойников физических предметов. Цифровой двойник – это цифровое представление физического объекта, которое может включать в себя 3D-модель наряду с другими сенсорными данными. Цифровой двойник используется для мониторинга, управления и технического обслуживания физического предмета.

Создание цифрового двойника

Дроны играют важную роль в предоставлении данных для создания цифровых двойников. Беспилотники способны сделать снимки над каждым участком объекта, при этом сделать это быстро, качественно, и не подвергать опасности людей. Данные, полученные с помощью дронов, используются для создания 3D-модели с помощью фотограмметрии и осмотра объекта.

Однако получение качественных данных с помощью беспилотника для создания 3D-модели с высоким разрешением может быть сложной задачей, особенно для некоторых объектов, таких как два массивных здания в городской среде.

Для получения профессиональных результатов работы с 3D-моделями требуется, чтобы пилот снимал изображения определенным образом, обращая внимание на такие важные параметры, как наложение изображений, ракурсы съемки, расстояние до объекта и экспозиция изображения для каждого фасада здания. Пилот дрона обязан учитывать все эти переменные в равной степени, и при этом обращать внимание на окружающее пространство дрона, чтобы соблюдать правила перемещения, и таким образом обеспечить безопасность окружающих предметов и людей.

Курс профессиональной съемки

Этим и другим вопросам профессиональной съемки мы обучаем на наших курсах повышения квалификации, ознакомиться с которыми вы можете по ссылке.

Обучение

Как же безопасно получить необходимые изображения сложного объекта, например, двух зданий в городской среде? Ответ заключается в использовании программного обеспечения для автоматического полета.

Для автономного сбора данных для создания цифрового двойника здания окружного суда Оклахомы, Федерального учебного центра и музея юстиции были использованы функции вертикального картографирования фасадов и перекрестной штриховки с помощью Dronelink, программного обеспечения для управления полетом, совместимого с беспилотными летательными аппаратами DJI.

Возможность использования автоматизированного полета сыграло решающую роль для компании Paper Airplane. Компания занимается проведением осмотров, проводит оценку и профилактическое техническое обслуживание зданий, а также поучаствовала в реализации этого проекта по увековечиванию памяти и реставрации приведенных выше примеров зданий. Возможность безопасного и эффективного сбора высококачественных данных с помощью автоматического полета позволила компании Paper Airplane получить высококачественные результаты, которые превзошли ожидания клиентов.

В чем заключалась суть создания цифрового двойника для компании Paper Airplane?

Компания Paper Airplane, специализирующаяся на предоставлении услуг беспилотных летательных аппаратов, была нанята для создания цифрового двойника здания окружного суда Оклахомы, Федерального учебного центра и музея юстиции. Целью этого проекта было сохранить и восстановить историческое значение этих зданий.

Это место находится прямо через дорогу от того места, где в 1995 году произошел взрыв в Оклахома-Сити. В результате взрыва были повреждены 324 здания в радиусе 16 кварталов. Цель состояла в том, чтобы осмотреть два здания, оценить структурную целостность поврежденных участков и спланировать профилактические работы, сохранив при этом память о трагическом событии (создать мемориал).

Использование биноклей и наземных камер и съемок существенно затруднили бы процесс осмотра, увеличив при этом количество времени и работников, необходимых для выполнения этих задач. Так как технический прогресс позволяет использовать дроны, и с помощью них возможно быстро создавать качественные и подробные 3D-модели, выбор остановился на использовании беспилотников. 3D-модель позволяет накладывать изображения каждой интересующей точки с разных точек зрения, что позволяет легко идентифицировать и локализовать любые повреждения.

В задачи проекта входило:

Обеспечение безопасности полетов беспилотных летательных аппаратов для съемки всех крыш и фасадов.
Обработка отдельных изображений, полученных в высококачественном 3D-представлении.
Экспорт 3D-сетки и облака точек зданий.
Передача данных архитектурной фирме, управляющей проектом.
- Помощь в импорте/создании модели для осмотра/проверки, а также для внедрения в BIM (информационное моделирование зданий) и программное обеспечение для моделирования.
Предоставление облачного хранилища для просмотра, предоставляющее широкий доступ персоналу, у которого может не быть аппаратных ресурсов для просмотра файла изначально.
- Предоставление файла проекта для сопоставления повреждений с их расположением на поверхности здания.

Команда Aeromotus также оказывает услуги по созданию цифровых двойников зданий и городов.

Качество изображения:

Качество получаемых снимков имеет первостепенное значение. Ключевыми факторами, влияющими на качество изображения в камере, являются размер сенсора, качество затвора и разрешение.

Наличие большого сенсора позволяет увеличить динамический диапазон изображения. Это позволяет делать снимки в плохо освещенных или затененных областях с освещенными солнцем элементами в пределах одного кадра. Такие условия освещения очень распространены при съемке данных вокруг высоких сооружений.

Также важно иметь высококачественный механический затвор, чтобы свести к минимуму искажения или размытие изображения, поскольку при съемке дрон постоянно перемещается. Стабильность изображения также важна для уменьшения размытости при движении и улучшения фокусировки камеры, особенно в районах, подверженных воздействию сильных ветровых потоков, таких как урбанизированные районы.

Точность изображения:

При создании 3D-модели понимание местоположения, откуда было получено изображение, может помочь улучшить качество получаемых данных и сократить время обработки. Но в густонаселенных городских районах высокие здания могут ограничивать обзор неба (и спутников) и, в свою очередь, ухудшать качество GPS. Промышленные дроны DJI используют кинематику реального времени (RTK) для минимизации ошибок позиционирования в сложных условиях. Приемник RTK дрона может связываться с базовой станцией или поставщиком услуг NTRIP для повышения точности определения местоположения. Узнать больше о RTK и точности работы дронов DJI Enterprise вы сможете, ознакомившись с соответствующими статьями.

Охват съемки объекта:

Каждая часть объекта должна быть запечатлена с разных ракурсов для качественной реконструкции. Это включает в себя получение изображений крыши и каждого фасада с достаточным перекрытием для обработки. Различные ракурсы съемки помогают охватить различные объекты, например, нижнюю часть балкона, перекрытия, моста.

Поддержание надлежащего перекрытия изображений по горизонтали и вертикали может быть сложной задачей при съемке фасада в полете, особенно если учесть, что расстояние до образца, угол обзора камеры и размер сенсора камеры влияют на схему полета, необходимую для сохранения перекрытия.

Использование программного обеспечения (автоматического управления) для управления полетом необходимо для управления всеми этими параметрами сбора данных как при полетах по горизонтали, так и при полетах по вертикали фасада. Существует возможность автоматического управления беспилотником – в программном обеспечении есть готовые модели заданий и схем таких, как вертикальные колонны, горизонтальные траектории, а также сетки или перекрестные штрихи в пределах определенной границы с использованием заданных значений перекрытия и углов обзора камеры.

Пространственное разрешение / Расстояние до объекта:

Важным фактором, влияющим на качество реконструкции, является разрешение. Чем выше разрешение, тем более детализированным будет объект, а, значит, на 3D-модели будут лучше видны мелкие элементы. Разрешение изображения зависит как от характеристик камеры, так и от расстояния до снимаемого объекта. Популярный термин “Расстояние до земли” (GSD), используемый при составлении карт местности, в случае фасада здания, называется просто “Расстояние до объекта”. Термин исчисляется размером одного пикселя изображения, измеренным на объекте (например, 0,10 дюйма|пикс / 0,24 см/пикс).

Разрешение и охват объекта тесно взаимосвязаны. Определение желаемого расстояния до объекта и необходимого разрешения поможет определить, на каком расстоянии беспилотник должен находиться от поверхности объекта. Это, в свою очередь, определяет требуемую схему полета, необходимую для обеспечения перекрытия передней и боковой сторон объекта, чтобы гарантировать полный охват объекта.

Теперь, когда мы разобрались с некоторыми ключевыми факторами создания цифровых двойников, давайте поговорим о конкретном аппаратном и программном обеспечении, которое может удовлетворить эти требования.

Выбор модели беспилотника

Беспилотник DJI Mavic 3 Enterprise – отличный выбор для съемки с воздуха. Благодаря большому 4/3-дюймовому сенсору, снимающему 20-мегапиксельные изображения, этот дрон обладает невероятным динамическим диапазоном, что позволяет получать наилучшие снимки. Крупный сенсор в сочетании с механическим затвором, срабатывающим за 0,7 секунды, делают камеру DJI M3E лучшей в своем классе. Быстрый механический затвор обеспечивает более быструю съемку без ухудшения b смазывания качества изображения, что потенциально экономит время на месте. Благодаря небольшому размеру с ним легко работать, и он оснащен подходящей системой камер для любой работы по созданию цифрового двойника. Кроме того, длительное время автономной работы – до 45 минут – сокращает необходимость многократной замены аккумуляторов во время выполнения задания и снижает общее количество аккумуляторов, необходимых в полевых условиях.

По сравнению с обычным дроном (Mavic 2 Pro), оснащенным 2-секундным интервалом между кадрами, ME выполняет те же операции быстрее и с более качественными результатами. DJI Mavic 3 Enterprise также может получать данные с точностью до дюйма во время безопасного полета благодаря заменяемому RTK-приемнику.

Автоматизация сбора данных с помощью программного обеспечения для управления полетом

Управлять полным охватом объектов с высоким разрешением, обеспечивая при этом безопасность полетов, сложно без использования автоматизированных средств управления полетом. Для этого проекта Paper Airplane использовала Drone link, который предлагает набор инструментов управления полетом и рабочих процессов для создания планов полетов и их автономного выполнения. Drone link помогает организовать полеты на фасадах зданий, которые используются для составления вертикальных карт, а также картографические миссии для съемки крыш.

В Drone link можно легко создать задание для съемки фасада, используя несколько ключевых параметров. К ним относятся:

Границы фасада (левая и правая стороны, высота и минимальная безопасная высота над уровнем моря).
Перекрытие по вертикали и горизонтали.
Заданное расстояние от поверхности объекта и используемого датчика камеры.
Угол обзора камеры.

Задание по съемке фасада можно создать, используя два разных рабочих процесса:

Предварительное планирование задания.
Миссии “на лету”, созданные в полевых условиях с помощью беспилотника.

Для предварительного планирования миссий по съемке объекта необходимо заранее создать план миссии, используя планировщик миссий на ноутбуке или в мобильном приложении. После планирования миссии функции, операторы БПЛА могут поправить траекторию на местности, основываясь на известной контрольной точке, такой как угол здания. Также можно добавить зоны ограничения полетов, чтобы создать бесполетные зоны. Обе функции полезны для повышения точности и безопасности полета.

Миссии “на лету”, позволяют оператору формировать задание в полевых условиях, используя положение БПЛА для визуальной разметки границы полета, настройки перекрытия камер и других настроек. С помощью серии пошаговых инструкций в мобильном приложении оператору предлагается отметить ключевые входные данные, которые будут использованы для создания миссии (показано ниже). После создания миссия согласовывается с объектом и выполняется по съемке одного фасада 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 сайта Paper Airplane решила запустить миссии “съемка фасада на лету”, чтобы запечатлеть каждый фасад с помощью двух разных ракурсов съемки и заранее спланированных картографических траекторий для крыш.

После запуска программы “Адаптивная съемка фасада на лету” пилот вручную управлял дроном, чтобы отметить следующие необходимые ключевые параметры, как показано на рисунке 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 карданного подвеса

Дополнительные шаги: схема расположения и перекрытия (не показаны)
После ввода всех необходимых данных задание будет сгенерировано, и его можно будет предварительно просмотреть в 3D перед полетом. Затем пилот выбирает “Пуск”, и Drone link приступает к выполнению задания.

Во время выполнения задания пилот может сосредоточиться на наблюдении за дроном и его окрестностями, чтобы обеспечить безопасность полетов. Панель, на которой показывается отклонение дрона, справа позволяет пилоту вносить изменения в режиме реального времени во время съемки, например, незначительно корректировать высоту полета при приближении к препятствию. В любой момент пилот может приостановить полет и взять управление на себя. В таком случае будет сохранена последняя позиция, независимо от того, был ли дрон остановлен вручную или для замены батареи, и пилот сможет возобновить полет с того места, где он был прерван, сохраняя непрерывность данных и дублирование для последующей обработки.

Для этого проекта компания Paper Airplane выполнила 12 полетов с «адаптивной съемкой фасада на лету» и два полета с картой, чтобы обеспечить полный охват. Для создания необходимого цифрового двойника каждая грань фасада была снята дважды, используя угол обзора камеры 0 градусов и угол обзора камеры -20 градусов. Каждый полет по фасаду выполнялся по вертикальной схеме с 80%-ным перекрытием по вертикали и 80%-ным по горизонтали. Заданное расстояние в 40 футов было использовано для получения расстояния до объекта 0,14 дюйма/пиксель| 0,35 см/пиксель.
Из соображений безопасности полета была выбрана вертикальная схема полета вместо горизонтальной. Из-за окружающих зданий и городской среды вертикальные траектории позволяли пилоту находиться под дроном, когда он поднимался или опускался во время своего полета, гарантируя, что никто другой не сможет находиться непосредственно под дроном.

Обработка и анализ данных

Как только данные будут собраны, необходимо будет перейти к последующей обработке. DJI Terra – это доступное программное обеспечение для реконструкции 3D-моделей, способное создавать высококачественные 3D-модели.

При обработке данных обязательно указывайте все наземные контрольные точки (GCP), которые могли быть использованы. GCP не требуются для создания 3D-моделей, но могут обеспечить абсолютную точность и создать точки привязки. Во время обработки также можно использовать ручные точки привязки (MTP) для создания более плотной 3D-сетки во время обработки.

Благодаря обработке данных конечные пользователи (в данном случае генеральный подрядчик и архитекторы) могут просматривать изображения и определять точное местоположение любых повреждений или областей, представляющих интерес, на 3D-модели. Эта функция чрезвычайно полезна для определения местоположения области, требующей особого внимания. Измерительные приборы позволяют определить точное местоположение и размер поврежденной области и помогают планировать любые работы по техническому обслуживанию.

Вывод

Создание цифровых двойников физических объектов с помощью беспилотных летательных аппаратов и фотограмметрии меняет методы работы организаций во всех отраслях. Обеспечение доступа к цифровым двойникам в режиме онлайн для заинтересованных сторон в этих организациях экономит бесчисленное количество часов, что позволяет им работать более эффективно и помогает оптимизировать их внутренние рабочие процессы.

Дроны DJI Enterprise в сочетании с программным обеспечением для автоматизации полетов позволили компании реализовать этот сложный проект – и многие другие – с выдающимися результатами, сделав их лидерами отрасли, которые начали пользоваться созданием цифровых моделей физических объектов для выполнения различных работ.