Die digitale Transformation ist in allen Branchen auf dem Vormarsch – und das umfasst auch die Erstellung digitaler Zwillinge physischer Anlagen. Ein digitaler Zwilling ist eine digitale Darstellung eines physischen Objekts, das neben einem 3D-Modell auch andere Sensordaten enthalten kann. Ein digitaler Zwilling wird zur Überwachung, Verwaltung und Wartung einer physischen Anlage verwendet.
Drohnen spielen eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von Daten zur Erstellung digitaler Zwillinge. Mit einer Kamera jeden Teil der entsprechenden Anlage zu überfliegen, bietet Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Häufigkeit und Sicherheit. Drohnendaten werden verwendet, um mittels Fotogrammetrie ein 3D-Modell zu erstellen und die Anlage zu untersuchen.
Die Erfassung hochwertiger Daten mit einer Drohne zur Erstellung eines hochauflösenden 3D-Modells kann schwierig sein, insbesondere für bestimmte Anlagen, wie zwei riesige Gebäude in einer städtischen Umgebung.
Um professionelle 3D-Modelle zu erhalten, muss ein Pilot die Bilder auf eine bestimmte Art und Weise erfassen und dabei Variablen wie Bildüberlappung, Kamerawinkel, Aufnahmeabstand und Bildbelichtung für jede Gebäudefassade steuern. Der Pilot muss all diese Faktoren in Einklang bringen und gleichzeitig auf die Umgebung achten, Vorschriften einhalten, die Sicherheit gewährleisten und vieles mehr.
Also, wie erfassen Sie also sicher die erforderlichen Bilder eines komplexen Standorts, wie z. B. zweier Gebäude in einer städtischen Umgebung?
Die Antwort ist: Flugautomatisierung.
Vorschau der Dronelink 3D-Einsatzplanung in Google Earth
Mithilfe von Dronelink, einer mit DJI-Drohnen kompatiblen Flugsteuerungssoftware, wurden die Daten für die Erstellung eines digitalen Zwillings des Oklahoma District Court House und des Federal Judicial Learning Center and Museum autonom erfasst und kartiert.
Der Einsatz automatisierter Flüge war entscheidend dafür, dass Paper Airplane, ein Unternehmen für Drohnenlösungen, das häufig für Inspektions-, Bewertungs- und vorausschauende Wartungsprojekte beauftragt wird, dieses historische Denkmal- und Restaurierungsprojekt durchführen konnte. Die Fähigkeit, sicher und effizient hochwertige Daten zu erfassen, ermöglichte die anschließende Produktion qualitativ hochwertiger Ergebnisse, die die Erwartungen der Kunden übertrafen.
Pilot von Paper Airplane, der den Einsatz vom Dach aus fliegt
Paper Airplane, ein auf Drohnendienste spezialisiertes Unternehmen, wurde beauftragt, einen digitalen Zwilling des Oklahoma District Court House und des Federal Justicial Learning Center and Museum zu erstellen. Ziel dieses Projekts war es, die historische Bedeutung dieser Gebäude zu erhalten und wiederherzustellen.
Diese Stätte liegt gleich auf der anderen Straßenseite von dem Ort, an dem 1995 der Bombenanschlag in Oklahoma City stattfand. Durch die Explosion der Bombe wurden 324 Gebäude in einem Radius von 16 Blocks beschädigt. Ziel war es, die beiden Gebäude zu inspizieren, um die strukturelle Integrität der beschädigten Bereiche zu beurteilen und vorbeugende Instandhaltungsmaßnahmen zu planen. Gleichzeitig sollten die historischen Schäden an den Gebäuden zur Erinnerung erhalten bleiben.
Anstatt sich auf Ferngläser und manuelle Bodenkameras zu verlassen – die nur begrenzte Informationen über den genauen Standort, die Gebäudeoberfläche, jedes Bild und die damit verbundenen Schäden bieten –, war ein digitales 3D-Modell die ideale Lösung für alle Beteiligten. Das 3D-Modell ermöglicht die Überlagerung von Bildern aus mehreren Perspektiven jedes Untersuchungsbereichs (Point of Interest, POI), wodurch Schäden leicht identifiziert und lokalisiert werden können.
3D-Modell und ein Bild mehrerer POIs
Die Ziele für das Projekt umfassten:
Bei der Planung eines hochwertigen digitalen Zwillings müssen wir einige Schlüsselfaktoren verstehen, um die bestmöglichen Daten für die Verwendung in der Fotogrammetrie-Verarbeitungssoftware zu erhalten. Sehen wir uns zunächst an, wie diese Faktoren lauten. In den folgenden Abschnitten untersuchen wir, warum sich Paper Airplane für die Kombination von DJI und Dronelink entschieden hat.
Bildqualität:
Die Qualität der aufgenommenen Bilder ist von größter Bedeutung. Wichtige Faktoren einer Kamera, die ein hochwertiges Bild erstellt, sind die Sensorgröße, die Verschlussqualität und die Auflösung.
Ein großer Sensor trägt dazu bei, den Dynamikbereich des Bildes zu vergrößern. So können Sie Bereiche mit schwachem Licht oder Schatten gemeinsam mit taghellen Bereichen im selben Frame aufnehmen. Diese Lichtverhältnisse treten bei der Erfassung von Daten um hohe Strukturen herum sehr häufig auf. Auch ein hochwertiger mechanischer Verschluss ist wichtig, um Bildverzerrungen oder Unschärfen zu minimieren, da sich eine Drohne bei der Aufnahme ständig bewegt. Die Bildstabilität ist ebenfalls entscheidend, um Bewegungsunschärfen zu reduzieren und den Kamerafokus zu unterstützen, insbesondere in Bereichen, die anfällig für hohe Windströme sind, z. B. in stark urbanisierten Bereichen.
Bildgenauigkeit:
Beim Erstellen eines 3D-Modells kann das Verständnis der Bildposition dazu beitragen, die Qualität und Verarbeitungszeiten des Ausgabenetzes zu verbessern. In dicht besiedelten städtischen Gebieten können jedoch hohe Gebäude die Sicht auf den Himmel (und auf Satelliten) einschränken und so die GPS-Qualität beeinträchtigen. Die DJI Enterprise-Drohnen verwenden Echtzeit-Kinematik (Real-Time Kinematics, RTK), um Positionsfehler in komplexen Umgebungen zu minimieren. Der RTK-Empfänger der Drohne kann eine Basisstation oder einen NTRIP-Anbieter referenzieren, um die Positionsgenauigkeit zu verbessern. Wenn Sie mehr über RTK und Genauigkeit mit DJI Enterprise-Drohnen erfahren möchten, klicken Sie auf diesen Link.
Anlagenabdeckung:
Für eine qualitativ hochwertige Rekonstruktion muss jeder Teil der Anlage aus mehreren Winkeln aufgenommen werden. Dazu gehört die Erfassung von NADIR-Bildern des Dachs und jeder Fassade – mit einer ausreichenden Überlappung für die Verarbeitung. Verschiedene Kamerawinkel sorgen für eine Abdeckung verschiedener Merkmale, wie z. B. der Unterseite eines Balkons. Die Beibehaltung korrekter Bildüberlappungen zwischen den Bildern in horizontaler und vertikaler Richtung kann beim Fliegen einer Fassadenerfassung eine echte Herausforderung darstellen – insbesondere wenn man bedenkt, dass Aufnahmeabstand, Kamerawinkel und Sensorgröße das Flugmuster beeinflussen, das für die Beibehaltung der Überlappungen erforderlich ist.
Die Verwendung von Flugsteuerungssoftware ist für die Verwaltung all dieser Datenerfassungsparameter unerlässlich, sowohl für NADIR- als auch für vertikale Fassaden-Kartierungsflüge. Es können automatisierte Einsätze erstellt werden, um Muster wie vertikale Säulen, gestapelte horizontale Pfade und Gitter- oder Kreuzschraffurmuster zu fliegen – innerhalb einer definierten Grenze unter Verwendung voreingestellter Überlappungswerte und Kamerawinkel.
Räumliche Auflösung/Aufnahmeabstand:
Ein wichtiger Faktor, der sich auf die Rekonstruktionsqualität auswirkt, ist die Auflösung. Eine höhere Auflösung führt zu mehr Details des Objekts, wodurch im 3D-Modell kleinere Merkmale besser definiert sind. Die Auflösung eines Bildes hängt sowohl von den Kameraspezifikationen als auch von der Entfernung zum aufgenommenen Objekt ab. Ein häufig verwendeter Begriff ist hierbei die „Bodenauflösung“ (Ground Sample Distance, GSD), die häufig bei der Landvermessung verwendet wird. Im Falle einer Gebäudefassade wird sie einfach nur „Sample Distance“ (also in etwa „Aufnahmeabstand“) genannt. Dieser Begriff bezieht sich auf die Abmessungen eines einzelnen Pixels in einem Bild, wie sie an der Anlage gemessen wurden (z. B. 0,10 Zoll/px bzw. 0,24 cm/px).
Auflösung und Aufnahmeabstand sind eng miteinander verbunden. Die Bestimmung des gewünschten Aufnahmeabstands und der benötigten Auflösung hilft dabei zu bestimmen, wie weit die Drohne von der Oberfläche der Anlage entfernt sein muss. Dies wiederum bestimmt das Flugmuster, das erforderlich ist, um die vorderen und seitlichen Überlappungen beizubehalten und die Anlagenabdeckung zu gewährleisten.
Nachdem wir nun einige wichtige Faktoren für die Erstellung digitaler Zwillinge kennen, sprechen wir im Folgenden über die spezifische Hard- und Software, die diese Anforderungen erfüllen kann.
Die DJI Mavic 3 Enterprise ist eine ausgezeichnete Wahl. Mit einem großen 4/3-Zoll-Sensor, der Bilder mit 20 MP erfasst, verfügt diese Drohne über einen unglaublichen Dynamikbereich, um die bestmöglichen Bilder zu erfassen. Ein großer Sensor in Verbindung mit einem mechanischen Verschluss, der mit 0,7 Sekunden arbeitet, macht die M3E zu einer der besten Drohnen ihrer Klasse. Dieser schnellere mechanische Verschluss ermöglicht schnellere Flüge ohne Beeinträchtigung der Bildqualität, wodurch vor Ort Zeit gespart werden kann. Dank ihrer kleinen Größe ist die Arbeit mit dem Gerät ganz einfach, und dank ihres Kamerasystems eignet sie sich optimal für alle Arbeiten rund um digitale Zwillinge. Darüber hinaus reduziert die lange Akkulaufzeit von bis zu 45 Minuten die Notwendigkeit mehrerer Akkuwechsel während eines Einsatzes und begrenzt die Gesamtzahl der benötigten Akkus.
Im Vergleich zu einer Hobbydrohne (Mavic 2 Pro) mit einem 2-Sekunden-Intervall-Timer erfasst die M3E denselben Standort schneller, und zwar mit höherwertigen Ergebnissen. Die Mavic 3 Enterprise kann außerdem genaue Daten im Zollbereich erfassen, während sie mit einem austauschbaren RTK-Empfänger sicher fliegt.
Die Einsatzvorschau von Dronelink zeigt, dass die M3E denselben Standort zweimal schneller erfasst als die M2P
Ohne den Einsatz automatisierter Flugtools ist die Verwaltung der vollständigen Anlagenabdeckung mit hoher Auflösung – bei gleichzeitiger Gewährleistung eines sicheren Betriebs – eine echte Herausforderung. Für dieses Projekt nutzte Paper Airplane Dronelink, das eine Reihe von Tools und Workflows für die Flugsteuerung bietet, um Einsatzpläne zu erstellen und diese autonom auszuführen. Dronelink bietet die Möglichkeit, neben Fassadeneinsätzen, die für vertikale Kartierung verwendet werden, auch Einsätze zur Kartierung von Dächern zu fliegen.
Dronelink-Einsatzvorschau eines kombinierten Einsatzplans für diesen Standort, mit einer Kombination aus Fassaden- und Kartierungseinsätzen
In Dronelink können Fassadeneinsätze ganz einfach mit wenigen essenziellen Eingaben erstellt werden, darunter:
Der Dronelink-Einsatzplaner und die 3D-Vorschau zeigen einen einzelnen Fassadeneinsatz, bei dem vertikale Säulen geflogen werden, sowie alle zugehörigen Einrichtungsparameter
Ein Fassadeneinsatz kann mithilfe von zwei verschiedenen Workflows erstellt werden:
Bei vorab geplanten Fassadeneinsätzen muss der Einsatzplan im Voraus erstellt werden. Dazu muss der Einsatzplaner auf einem Laptop oder in einer App verwendet werden. Weitere Informationen erhalten Sie hier. Sobald ein Einsatz geplant ist, können die Geokorrektur-Funktionen den Einsatz anhand eines bekannten Referenzpunkts ausrichten, z. B. an der Ecke eines Gebäudes. Es können auch Beschränkungszonen hinzugefügt werden, um Flugverbotszonen zu erstellen. Beide Funktionen sind hilfreich für höhere Genauigkeit und Sicherheit.
Mit On-the-Fly-Fassadeneinsätzen kann ein Pilot den Einsatz vor Ort generieren, indem er die Drohnenposition verwendet, um den Fluggrenzbereich visuell zu markieren und Kameraüberlappungen sowie andere Einstellungen festzulegen. Ein Pilot wird in der App durch eine Reihe von Schritt-für-Schritt-Anweisungen geführt, um die wichtigsten Eingaben vorzunehmen und so den Einsatz zu generieren (siehe unten). Sobald der Einsatz erstellt wurde, passt er sich an die Anlage an und fliegt jeweils eine Gebäudefassade ab. Mit dieser Funktion können Piloten ihre Pläne anpassen, um Umweltbedingungen wie Geschwindigkeit, Überlappung, Mindesthöhenbeschränkungen und andere spezifische Bereiche zu berücksichtigen.
Für diesen Standort entschied sich Paper Airplane für die Durchführung von On-the-Fly-Fassadeneinsätzen, um jede Fassade mit zwei verschiedenen Kamerawinkeln zu erfassen, sowie für vorab geplante Kartierungseinsätze, um die Dächer aufzunehmen.
Nach dem Öffnen des adaptiven On-the-Fly-Fassadeneinsatzes flog der Pilot die Drohne manuell, um die folgenden erforderlichen Schlüsseleingaben zu markieren, wie im Bild unten gezeigt.
Schritte zur Erstellung eines On-the-Fly-Fassadeneinsatzes
Nachdem alle erforderlichen Eingaben bereitgestellt wurden, wird der Einsatz generiert und kann vor dem Flug in einer 3D-Vorschau angezeigt werden. Als Nächstes wählt der Pilot Starten, und Dronelink beginnt, den Einsatz zu fliegen.
Autonomer Fassadenflug mit Drohnen-Offset-Bedienfeld
Während der Einsatz ausgeführt wird, kann sich der Pilot auf die Überwachung der Drohne und ihrer Umgebung konzentrieren, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Das Drohnen-Offset-Bedienfeld auf der rechten Seite ermöglicht es dem Piloten, während der Erfassung Echtzeiteingaben vorzunehmen, z. B. geringfügige Anpassungen der Höhe, wenn sich die Drohne einem Hindernis nähert. Der Pilot kann jederzeit den Einsatz unterbrechen und die Kontrolle übernehmen. Die letzte Position wird gespeichert, unabhängig davon, ob es sich um eine manuelle Pause oder einen Akkuwechsel handelt, und der Pilot kann die Aufgabe an der Stelle fortsetzen, an der sie unterbrochen wurde. Die Kontinuität in den Daten und Überlappungen werden hierbei für die Nachverarbeitung beibehalten.
Sehen Sie sich hier eine vollständige Anleitung zum On-the-Fly-Fassadeneinsatz an.
Für dieses Projekt flog Paper Airplane 12 adaptive On-the-Fly-Fassadeneinsätze und zwei Kartierungseinsätze, um eine vollständige Abdeckung zu gewährleisten. Um den erforderlichen digitalen Zwilling zu erstellen, wurde jede Fassadenfläche zweimal geflogen: einmal mit einem 0-Grad- und einmal mit einem -20-Grad-Kamerawinkel. Jeder Fassadeneinsatz wurde mit einem vertikalen Flugmuster mit 80 % vertikaler und 80 % horizontaler Überlappung geflogen. Eine Zieldistanz von 12 Metern wurde verwendet, um einen Aufnahmeabstand von 0,14 Zoll/px bzw. 0,35 cm/px zu erreichen.
Aus Sicherheitsgründen wurde ein vertikales Flugmuster anstelle eines horizontalen Flugmusters gewählt. Aufgrund der umgebenden Gebäude und der städtischen Umgebung konnte ein Pilot unter der Drohne stehen, während sie innerhalb einer Säule nach oben oder unten flog, wodurch sichergestellt wurde, dass sich niemand direkt darunter befinden konnte.
Datenverarbeitung und - analyse
Sobald die Daten vor Ort erfasst wurden, ist es Zeit für die Nachbearbeitung. DJI Terra ist eine kostengünstige lokalisierte Verarbeitungs-Engine, die hochwertige 3D-Modelle generieren kann. Den Prozess zur Erzeugung einer 3D-Modellausgabe mit DJI Terra finden Sie hier.
Stellen Sie bei der Verarbeitung von Daten sicher, dass alle möglicherweise verwendeten Bodenkontrollpunkte (Ground Control Points, GCPs) berücksichtigt werden. GCPs sind nicht erforderlich, um 3D-Modelle zu erstellen, können aber bei absoluter Genauigkeit und der Erzeugung von Knotenpunkten helfen. Erfahren Sie mehr über GCPs. Während der Verarbeitung können auch manuelle Knotenpunkte (Manual Tie Points, MTPs) verwendet werden, um während der Verarbeitung ein dichteres 3D-Netz zu erstellen.
Mit den Daten, die zu einem 3D-Modell verarbeitet werden, ist es für Endbenutzer (in diesem Fall Bauunternehmen und Architekten) möglich, die Bilder zu überprüfen und die genaue Position von Schäden oder Untersuchungsbereichen am 3D-Modell zu identifizieren. Diese Funktion ist äußerst nützlich, um einen Kontext dazu zu geben, wo sich ein Bereich befindet, der Aufmerksamkeit erfordert. Messwerkzeuge können die genauen Positionen und die Größe des beschädigten Bereichs bestimmen und bei der Planung von Wartungsarbeiten helfen.
Fertiges 3D-Modellbild
Die Erstellung digitaler Zwillinge physischer Anlagen mithilfe von Drohnen und Fotogrammetrie verändert die Arbeitsweise von Unternehmen aller Branchen. Wenn wichtige Stakeholder in diesen Unternehmen online auf digitale Zwillinge zugreifen können, sparen sie unzählige Stunden, können effizienter arbeiten und ihre eigenen internen Workflows optimieren.
Durch die Kombination von DJI Enterprise-Drohnen mit der Flugautomatisierungssoftware von Dronelink konnte Paper Airplane dieses komplexe Projekt – und viele weitere – mit hervorragenden Ergebnissen umsetzen. So tut es das Unternehmen anderen Branchenführern gleich und treibt mit ihnen gemeinsam die Welle der digitalen Transformation in sämtlichen Branchen voran.
Dronelink ist eine Software zur Steuerung von Drohnenflügen, die automatisierte Einsätze, Workflows und Flugtools für führende DJI-Drohnen bietet. Mit Unterstützung für Web, Mobilgeräte und Fernsteuerungen können Piloten Einsätze für Karten, Wegpunkte, Orbits, Panoramen, vertikale Kartierung oder Inspektionen fliegen und Flugmodi wie Orbit, Folgen oder Fokus verwenden. Verknüpfen Sie mehrere Einsätze, automatisieren Sie jedes Detail, zeigen Sie eine 3D-Vorschau an und steigern Sie sogar die Genauigkeit der Drohne. Weitere Informationen finden Sie unter dronelink.com.
Paper Airplane ist ein Anbieter von UAS-Services, der Datenanalysen durch Vermessung, Inspektion, Bewertung und vorausschauende Wartung anbietet. Die Produkte sind auf die individuellen Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten, um einzigartige, leistungsstarke und leicht verständliche Ergebnisse zu liefern. Paper Airplane bietet Dienstleistungen in den Bereichen Vermessung, Inspektion von Gebäudehüllen und Versorgungsleitungen, Wegerechtsinspektion, Methanerkennung, Inspektion von Regenwasser/BMP-Kartierung usw. Weitere Informationen finden Sie unter www.pprair.com.
Um mehr über weitere Anwendungsbeispiele zu digitalen Zwillingen zu erfahren, klicken Sie hier.