L’utilizzo dei droni DJI Enterprise per automatizzare la mappatura verticale garantisce l’acquisizione di dati di alta qualità per i modelli 3D.
La trasformazione digitale è in aumento in tutti i settori, e parte di essa consiste nella creazione di gemelli digitali di beni fisici. Un gemello digitale è una rappresentazione digitale di un oggetto fisico, che può includere un modello 3D e altri dati di sensori. Un gemello digitale viene utilizzato per il monitoraggio, la gestione e la manutenzione di un bene fisico.
Creare gemelli digitali
I droni svolgono un ruolo fondamentale nel fornire dati per la creazione di gemelli digitali. Il posizionamento di una telecamera su ogni punto di un bene offre vantaggi in termini di velocità, frequenza e sicurezza. I dati del drone vengono utilizzati per creare un modello 3D utilizzando la fotogrammetria e per ispezionare il bene.
Acquisire dati di qualità con un drone per creare un modello 3D ad alta risoluzione può essere difficile, soprattutto per alcuni beni, come due edifici enormi in un ambiente urbano.
Per ottenere modelli 3D professionali è necessario che il pilota acquisisca le immagini in modo specifico, gestendo anche variabili come la sovrapposizione delle immagini, gli angoli della telecamera, la distanza di campionamento e l’esposizione delle immagini per ogni facciata dell’edificio. Il pilota deve bilanciare tutti questi fattori tenendo conto dell’ambiente circostante, rispettando le normative, mantenendo la sicurezza e molto altro ancora.
Quindi, come si fa a catturare in sicurezza le immagini necessarie di un sito complesso come due edifici in un ambiente urbano?
La risposta è l’automazione del volo.
Le missioni di mappatura verticale delle facciate e le missioni di mappatura a tratteggio incrociato di Dronelink, un software di controllo del volo compatibile con i droni DJI, sono state utilizzate per acquisire autonomamente i dati per creare un gemello digitale della Oklahoma District Court House e del Federal Judicial Learning Center and Museum.
L’uso del volo automatizzato è stato fondamentale per consentire a Paper Airplane, una società di soluzioni per droni spesso incaricata di progetti di ispezione, valutazione e manutenzione predittiva, di realizzare questo progetto di memorizzazione e restauro storico. La capacità di acquisire in modo sicuro ed efficiente dati di alta qualità ha consentito la successiva produzione di prodotti di alta qualità che hanno superato le aspettative del cliente.
Gli obiettivi del progetto comprendevano:
- Operazioni sicure di volo del drone per l’acquisizione di tutti i tetti e le facciate.
- Elaborazione delle singole immagini catturate in una rappresentazione 3D di alta qualità.
- Esportare la mesh 3D e la nuvola di punti degli edifici.
- Condividere i dati con lo studio di architettura che gestisce il progetto.
- Contribuire all’importazione/implementazione di modelli per ispezioni/mitigazioni e per l’implementazione in software BIM e di modellazione.
- Fornire una soluzione di visualizzazione basata su cloud per un ampio accesso al personale che potrebbe non avere le risorse hardware per visualizzare il file in modo nativo.
- Fornire un file di progetto per la correlazione del danno alla sua posizione sulla superficie dell’edificio.
Considerazioni sull’acquisizione dei dati per i gemelli digitali
Quando si crea un piano per la produzione di un gemello digitale di alta qualità, è necessario comprendere alcuni fattori chiave per acquisire i migliori dati possibili da utilizzare con il software di elaborazione fotogrammetrica. Vediamo innanzitutto quali sono questi fattori. Poi, nelle sezioni successive, esamineremo perché Paper Airplane ha scelto di utilizzare la combinazione di DJI e Dronelink.
Qualità delle immagini:
La qualità delle immagini catturate è della massima importanza. I fattori chiave di una fotocamera che rendono un’immagine di alta qualità sono le dimensioni del sensore, la qualità dell’otturatore e la risoluzione.
Un sensore di grandi dimensioni contribuisce ad aumentare la gamma dinamica dell’immagine. Questo aiuta a catturare foto in aree poco illuminate o in ombra con elementi illuminati dal sole all’interno della stessa inquadratura. Queste condizioni di illuminazione sono molto comuni quando si acquisiscono dati intorno a strutture alte. È inoltre importante disporre di un otturatore meccanico di alta qualità per ridurre al minimo le distorsioni o le sfocature dell’immagine, poiché un drone si muove costantemente durante l’acquisizione delle immagini. Anche la stabilità dell’immagine è fondamentale per ridurre la sfocatura del movimento e favorire la messa a fuoco della telecamera, soprattutto nelle aree soggette a forti correnti di vento, come le zone altamente urbanizzate.
Precisione dell’immagine:
Quando si crea un modello 3D, la comprensione della posizione dell’immagine può contribuire a migliorare la qualità e i tempi di elaborazione della mesh di output. Ma nelle aree densamente urbanizzate, gli edifici alti possono limitare la vista del cielo (e dei satelliti) e, a loro volta, degradare la qualità del GPS. I droni DJI di livello Enterprise utilizzano la cinematica in tempo reale (RTK) per ridurre al minimo gli errori di posizionamento in ambienti complessi. Il ricevitore RTK del drone può fare riferimento a una stazione base o a un provider NTRIP per una maggiore precisione di posizionamento. Per saperne di più sull’RTK e sulla precisione dei droni DJI Enterprise, visitate questo link.
Copertura dell’asset:
Per una ricostruzione di alta qualità, ogni parte del bene deve essere catturata da più angolazioni. Ciò include l’acquisizione di immagini NADIR del tetto e di ogni facciata, con una sovrapposizione sufficiente per l’elaborazione. Diverse angolazioni della telecamera aiutano a garantire la copertura di vari elementi, come la parte inferiore di un balcone. Mantenere le corrette sovrapposizioni tra le immagini in orizzontale e in verticale può essere una sfida durante l’acquisizione di una facciata, soprattutto se si considera che la distanza di campionamento, l’angolo della telecamera e le dimensioni del sensore della telecamera influiscono sullo schema di volo necessario per mantenere le sovrapposizioni.
L’uso di un software di controllo del volo è essenziale per gestire tutti questi parametri di acquisizione dei dati sia per i voli di mappatura NADIR che per quelli di mappatura verticale delle facciate. È possibile creare missioni automatiche per volare su schemi come colonne verticali, percorsi orizzontali sovrapposti e schemi a griglia o a tratteggio all’interno di un confine definito, utilizzando valori di sovrapposizione e angoli di ripresa preimpostati.
Risoluzione spaziale / Distanza di campionamento:
Un fattore importante che influisce sulla qualità della ricostruzione è la risoluzione. Una risoluzione più elevata consente di ottenere maggiori dettagli dell’oggetto, permettendo al modello 3D di avere una maggiore definizione delle caratteristiche più piccole. La risoluzione di un’immagine dipende sia dalle specifiche della telecamera sia dalla distanza dall’oggetto ripreso. Un termine frequentemente usato è Ground Sample Distance (GSD), spesso utilizzato nella mappatura del territorio e, nel caso di una facciata di un edificio, chiamato Sample Distance. Si riferisce alle dimensioni di un singolo pixel di un’immagine misurate sul bene (ad esempio, 0,10 in/px | 0,24 cm/px).
La risoluzione e la copertura dell’asset sono strettamente interconnesse. La determinazione della distanza di campionamento desiderata e della risoluzione necessaria aiuta a determinare la distanza del drone dalla superficie del bene. Questo, a sua volta, determina il modello di volo necessario per mantenere le sovrapposizioni frontali e laterali per garantire la copertura della risorsa.
Ora che abbiamo compreso alcuni fattori chiave per la creazione di gemelli digitali, parliamo dell’hardware e del software specifici che possono soddisfare questi requisiti.
Scelta dell’hardware
Il DJI Mavic 3 Enterprise è una scelta eccellente per una soluzione hardware scalabile. Con un grande sensore da 4/3″ che cattura immagini da 20MP, questo drone ha un’incredibile gamma dinamica che aiuta a catturare le migliori immagini possibili. Un sensore di grandi dimensioni abbinato a un otturatore meccanico che opera a 0,7 secondi rende l’M3E il migliore della sua categoria. Questo otturatore meccanico più veloce consente un volo più rapido senza impattare sulla qualità dell’immagine, con un potenziale risparmio di tempo in loco. Il suo fattore di forma ridotto lo rende facile da usare e ha il sistema di fotocamera adatto per qualsiasi lavoro di gemellaggio digitale. Inoltre, la lunga durata delle batterie, fino a 45 minuti, riduce la necessità di sostituirle più volte durante una missione e limita il numero totale di batterie necessarie sul campo.
Rispetto a un drone consumer (Mavic 2 Pro) con un intervallometro da 2 secondi, l’M3E esegue lo stesso sito più velocemente con risultati di qualità superiore. Il Mavic 3 Enterprise può anche acquisire dati precisi a livello di pollice volando in sicurezza con un ricevitore RTK intercambiabile.
Automatizzare l’acquisizione dei dati con il software di controllo del volo
Gestire una copertura completa degli asset con un’alta risoluzione, garantendo al contempo operazioni sicure, è difficile senza utilizzare strumenti di volo automatizzati. Per questo progetto, Paper Airplane ha utilizzato Dronelink, che offre una suite di strumenti di controllo del volo e flussi di lavoro per creare piani di missione ed eseguirli autonomamente. Dronelink è in grado di effettuare missioni di facciata, utilizzate per la mappatura verticale, e missioni di mappatura per l’acquisizione dei tetti.
All’interno di Dronelink, una missione di facciata può essere creata facilmente utilizzando alcuni input chiave. Questi includono:
- Confine della facciata (lati destro e sinistro, altezza e quota minima di sicurezza).
- Sovrapposizione verticale e orizzontale.
- Distanza dell’obiettivo dalla superficie dell’asset e dal sensore della telecamera utilizzato.
- Angolo della telecamera.
Una missione di facciata può essere creata utilizzando due diversi flussi di lavoro:
- Missioni di pre-pianificazione nel web o nell’app mobile.
- Missioni al volo generate sul campo utilizzando il drone.
La pre-pianificazione delle missioni di facciata richiede la creazione del piano di missione in anticipo, utilizzando il pianificatore di missioni su un computer portatile o un’app mobile. Per saperne di più, cliccate qui. Una volta pianificata la missione, le funzioni di georettifica possono allineare la missione sul campo in base a un punto di riferimento noto, come l’angolo di un edificio. È inoltre possibile aggiungere zone di restrizione per creare zone vietate al volo. Entrambe le funzioni sono utili per migliorare la precisione e la sicurezza.
Le missioni di facciata al volo consentono al pilota di generare la missione sul campo, utilizzando la posizione del drone per marcare visivamente l’area di confine del volo, impostare le sovrapposizioni delle telecamere e altre impostazioni. Il pilota viene guidato attraverso una serie di istruzioni passo-passo all’interno dell’app mobile per contrassegnare gli input chiave che genereranno la missione (vedi sotto). Una volta generata, la missione si allinea all’asset ed esegue una facciata dell’edificio alla volta. Questa funzione consente ai piloti di adattare i loro piani per tenere conto dei vincoli ambientali, come la velocità, la sovrapposizione, le restrizioni di altezza minima e altre aree specifiche.
Per questo sito, Paper Airplane ha scelto di eseguire missioni di facciata al volo per catturare ogni facciata utilizzando due diverse angolazioni della telecamera e missioni di mappa pre-pianificate per i tetti.
Dopo aver aperto la missione di facciata adattativa al volo, il pilota ha fatto volare il drone manualmente per contrassegnare i seguenti input chiave necessari, come mostrato nell’immagine sottostante.
- Fase 1: angolo destro dell’edificio
- Passo 2: angolo sinistro
- Passo 3: spigolo superiore
- Fase 4: altitudine minima di sicurezza, distanza del bersaglio e passo del cardano
- Fasi aggiuntive: schema e sovrapposizioni (non mostrate)
Dopo aver fornito tutti gli input richiesti, la missione viene generata e può essere visualizzata in anteprima in 3D prima del volo. Successivamente, il pilota seleziona Start e Dronelink inizia a volare la missione.
Durante l’esecuzione della missione, il pilota può concentrarsi sul monitoraggio del drone e dell’ambiente circostante per garantire la sicurezza delle operazioni. Il pannello di compensazione del drone sulla destra consente al pilota di effettuare input in tempo reale durante l’acquisizione, ad esempio piccole regolazioni dell’altitudine quando ci si avvicina a un ostacolo. In qualsiasi momento, il pilota può mettere in pausa la missione e prendere il controllo. L’ultima posizione viene salvata, sia che si tratti di una pausa manuale o di un cambio di batteria, e il pilota può riprendere la missione dal punto in cui l’ha lasciata, mantenendo la continuità dei dati e le sovrapposizioni per la post-elaborazione.
Per questo progetto, Paper Airplane ha effettuato 12 missioni di facciata adattive al volo e due missioni di mappa, per garantire una copertura completa. Per creare il gemello digitale richiesto, ogni facciata è stata sorvolata due volte, utilizzando un angolo di ripresa di 0 e di -20 gradi. Ogni missione di facciata è stata effettuata utilizzando uno schema di volo verticale con una sovrapposizione verticale dell’80% e orizzontale dell’80%. Per ottenere una distanza di campionamento di 0,14 in/px | 0,35 cm/px è stata utilizzata una distanza di destinazione di 40 piedi.
Per motivi di sicurezza operativa è stato scelto un modello di volo verticale anziché orizzontale. A causa degli edifici circostanti e dell’ambiente urbano, le colonne verticali hanno permesso a un pilota di stare sotto il drone mentre questo volava verso l’alto o verso il basso all’interno di una colonna, garantendo che nessun altro potesse trovarsi direttamente sotto di esso.
Elaborazione e analisi dei dati
Una volta acquisiti i dati in loco, è il momento della post-elaborazione. DJI Terra è un motore di elaborazione localizzato e conveniente in grado di generare modelli 3D di alta qualità. Il processo di generazione di un modello 3D con DJI Terra è disponibile qui.
Durante l’elaborazione dei dati, assicurarsi di includere tutti i punti di controllo a terra (GCP) eventualmente utilizzati. I GCP non sono necessari per creare modelli 3D, ma possono essere utili per l’accuratezza assoluta e la generazione di punti di collegamento. Per saperne di più sui GCP, fare clic qui. Durante l’elaborazione, è possibile utilizzare anche i punti di vincolo manuali (MTP) per costruire una maglia 3D più densa durante l’elaborazione.
Con l’elaborazione dei dati in un modello 3D, è possibile per gli utenti finali (in questo caso, l’appaltatore generale e gli architetti) rivedere le immagini e identificare la posizione esatta di eventuali danni o aree di interesse sul modello 3D. Questa funzionalità è estremamente utile per fornire un contesto in cui si trova un’area che richiede attenzione. Gli strumenti di misurazione possono determinare la posizione esatta e le dimensioni dell’area danneggiata e aiutare a pianificare gli interventi di manutenzione.
Conclusione
La creazione di gemelli digitali di beni fisici utilizzando droni e fotogrammetria sta cambiando il modo in cui le organizzazioni di tutti i settori svolgono il lavoro. Rendendo i gemelli digitali accessibili online ai principali stakeholder di queste organizzazioni si risparmiano innumerevoli ore, consentendo loro di essere più efficienti e di ottimizzare i propri flussi di lavoro interni.
I droni DJI Enterprise combinati con il software di automazione del volo di Dronelink hanno permesso a Paper Airplane di realizzare questo complesso progetto – e molti altri – con risultati eccezionali, unendosi ad altri leader del settore che stanno guidando l’ondata di trasformazione digitale in tutti i settori.
