La transformación digital está en auge en todos los sectores y parte de eso es crear gemelos digitales de activos físicos. Un gemelo digital es una representación digital de un objeto físico, que puede incluir un modelo 3D junto con otros datos del sensor. Un gemelo digital se utiliza para monitorizar, gestionar y mantener un activo físico.
Creación de gemelos digitales
Los drones desempeñan un papel fundamental a la hora de proporcionar datos para crear gemelos digitales. Colocar una cámara sobre cada ubicación de un activo ofrece ventajas en cuanto a velocidad, frecuencia y seguridad. Los datos del dron se utilizan para crear un modelo 3D mediante fotogrametría y para inspeccionar el activo.
Capturar datos de calidad con un dron para crear un modelo 3D de alta resolución puede ser difícil, especialmente para determinados activos, como dos edificios enormes en un entorno urbano.
La obtención de salidas de modelos 3D profesionales requiere un programa piloto para capturar imágenes de una forma específica, incluida la gestión de variables como la superposición de imágenes, los ángulos de cámara, la distancia de muestreo y la exposición de la imagen para cada fachada del edificio. El piloto debe equilibrar todos estos factores mientras vigila su entorno, cumple con las normativas, mantiene la seguridad y mucho más.
Por lo tanto, ¿cómo puede capturar de forma segura las imágenes necesarias de un lugar complejo, como dos edificios en un entorno urbano?
La respuesta es utilizar la automatización de vuelos.
Vista previa del plan de misión de Dronelink 3D en Google Earth
Las misiones de cartografía vertical de fachada y las misiones de cartografía cruzada de Dronelink, un software de control de vuelo compatible con drones DJI, se utilizaron para capturar de forma autónoma los datos para crear un gemelo digital del Tribunal de Distrito de Oklahoma y el Centro de Aprendizaje y Museo Judicial Federal.
El uso del vuelo automatizado fue fundamental para permitir que Paper Airplane, una empresa de soluciones de drones contratada a menudo para proyectos de inspección, evaluación y mantenimiento predictivo, cumpliera este proyecto histórico de memorialización y restauración. La capacidad de capturar datos de alta calidad de forma segura y eficaz permitió la posterior producción de entregas de alta calidad que superaron las expectativas del cliente.
Piloto de Paper Airplane volando la misión desde la azotea
Configuración de la escena
Paper Airplane, una empresa especializada en servicios de drones, fue contratada para crear un gemelo digital del Tribunal de Distrito de Oklahoma y el Centro de Aprendizaje y Museo Judicial Federal. El objetivo de este proyecto era preservar y restaurar la importancia histórica de estos edificios.
Esta ubicación está justo al otro lado de la carretera desde donde ocurrió el bombardeo de Oklahoma City en 1995. La explosión del bombardeo dañó 324 edificios dentro de un radio de 16 manzanas. Los objetivos fueron inspeccionar los dos edificios para evaluar la integridad estructural de las áreas dañadas y planificar cualquier mantenimiento preventivo mientras se preservan los daños de eventos históricos a los edificios in memoriam.
En lugar de depender de binoculares y cámaras de apuntar y disparar en tierra, que ofrecen información limitada sobre la ubicación exacta, la superficie del edificio, cada imagen y los daños relacionados, un modelo 3D de gemelo digital fue la solución ideal para todas las partes interesadas implicadas. El modelo 3D permite superponer imágenes desde varias perspectivas de cada punto de interés, lo que facilita la identificación y localización de cualquier daño.
Modelo 3D y una imagen con varios PDI
Los objetivos del proyecto incluían:
- Funcionamiento seguro de vuelos con drones para la captura de todos los tejados y las fachadas.
- Procesamiento de imágenes individuales capturadas en una representación 3D de alta calidad.
- Exportación de la malla 3D y la nube de puntos de los edificios.
- Compartición de los datos con la empresa de arquitectura que gestiona el proyecto.
- Ayuda a importar/implementar modelos para inspección/mitigación y para la implementación en software de modelización y BIM.
- Puesta a disposición de una solución de visualización basada en la nube para un acceso amplio al personal que puede que no disponga de los recursos de hardware necesarios para ver el archivo de forma nativa.
- Proporciona un archivo de proyecto para la correlación de los daños a su ubicación en la superficie del edificio.
Consideraciones al capturar datos para gemelos digitales
Al crear un plan para producir un gemelo digital de alta calidad, debemos comprender algunos factores clave para capturar los mejores datos posibles para su uso en el software de procesamiento de fotogrametría. Veamos primero cuáles son estos factores. Luego, en las siguientes secciones, examinaremos por qué Paper Airplane eligió utilizar la combinación de DJI y Dronelink.
Calidad de imagen:
La calidad de las imágenes capturadas es de suma importancia. Los factores clave de una cámara que crea una imagen de alta calidad son el tamaño del sensor, la calidad del obturador y la resolución.
Tener un sensor de gran tamaño ayuda a aumentar el rango dinámico de la imagen. Esto ayuda a capturar fotos en zonas con poca luz o zonas sombreadas con elementos iluminados por el sol en el mismo fotograma. Estas condiciones de iluminación son muy comunes al capturar datos alrededor de estructuras altas. También es importante contar con un obturador mecánico de alta calidad para minimizar las distorsiones o desenfoques de la imagen, ya que un dron se mueve constantemente al capturar imágenes. La estabilidad de la imagen también es crucial para reducir el desenfoque por movimiento y ayudar al enfoque de la cámara, especialmente en áreas susceptibles a altas corrientes de viento, como las áreas muy urbanizadas.
Precisión de la imagen:
Al crear un modelo 3D, conocer la ubicación de la imagen puede ayudar a mejorar la calidad de la malla de salida y los tiempos de procesamiento. Pero en zonas densamente urbanas, los edificios altos pueden limitar la vista del cielo (y los satélites) y, a su vez, degradar la calidad del GPS. Los drones empresariales de DJI utilizan cinemática en tiempo real (RTK) para minimizar los errores de posicionamiento en entornos complejos. El receptor RTK del dron puede hacer referencia a una estación base o a un proveedor NTRIP para mejorar la precisión de la posición. Para obtener más información sobre RTK y precisión con drones de DJI Enterprise, consulte este enlace.
Cobertura del activo:
Cada parte del activo debe capturarse desde varios ángulos para una reconstrucción de alta calidad. Esto incluye la captura de imágenes NADIR del techo y de cada fachada, con suficiente superposición para su procesamiento. Los diferentes ángulos de la cámara ayudan a garantizar la cobertura de diversas funciones, como la parte inferior de un balcón. Mantener las superposiciones de imagen adecuadas entre las imágenes horizontal y verticalmente puede ser un reto al realizar una captura de fachada, especialmente si se tiene en cuenta la distancia de la muestra, el ángulo de la cámara y el tamaño del sensor de la cámara, lo que afecta al patrón de vuelo necesario para mantener las superposiciones.
El uso de software de control de vuelo es esencial para gestionar todos estos parámetros de captura de datos tanto para vuelos de cartografía NADIR como para vuelos de cartografía vertical de fachada. Se pueden crear misiones automatizadas para volar patrones como columnas verticales, rutas horizontales apiladas y patrones de cuadrícula o cruzados dentro de un límite definido utilizando valores de superposición y ángulos de cámara predefinidos.
Resolución espacial/distancia de muestra:
Un factor importante que afecta a la calidad de la reconstrucción es la resolución. Una resolución más alta dará como resultado un mayor detalle del objeto, lo que permite al modelo 3D tener una mayor definición de características más pequeñas. La resolución de una imagen depende tanto de las especificaciones de la cámara como de la distancia desde el objeto del que se están tomando imágenes. Un término que se utiliza con frecuencia es la distancia de muestreo del suelo (GSD), que se utiliza a menudo en la cartografía del terreno y, en el caso de la fachada de un edificio, se denomina distancia de muestreo. Se refiere a las dimensiones de un solo píxel en una imagen según se mide en el activo (por ejemplo, 0,24 cm/px | 0,10 in/px).
La resolución y la cobertura de activos están estrechamente interconectadas. Determinar la distancia de muestra deseada y la resolución necesaria ayudará a determinar la distancia a la que debe estar el dron de la superficie del activo. Esto, a su vez, determina el patrón de vuelo necesario para mantener los solapamientos frontal y lateral para garantizar la cobertura del activo.
Ahora que entendemos algunos factores clave para crear gemelos digitales, hablemos sobre el hardware y el software específicos que pueden cumplir estos requisitos.
Selección del Hardware
El DJI Mavic 3 Enterprise es una excelente opción para una solución de hardware escalable. Con un gran sensor de 4/3” que captura imágenes 20 MP, este dron cuenta con un increíble rango dinámico para ayudar a capturar las mejores imágenes posibles. Un sensor de gran tamaño junto con un obturador mecánico que funciona a 0,7 segundos sitúa al M3E como la mejor de su clase. Este obturador mecánico más rápido permite un vuelo más veloz sin afectar a la calidad de imagen, lo que permite ahorrar tiempo. Su pequeño formato facilita el trabajo y cuenta con el sistema de cámara adecuado para cualquier trabajo con gemelos digitales. Además, la larga vida de la batería de hasta 45 minutos reduce la necesidad de cambiar varias baterías durante una misión y limita el número total de baterías necesarias sobre el terreno.
En comparación con un dron de consumo (Mavic 2 Pro) con un intervalómetro de 2 segundos, el M3E funciona más rápido y ofrece resultados de mayor calidad. El modelo Mavic 3 Enterprise también puede capturar datos milimétricamente precisos mientras vuela de forma segura con un receptor RTK intercambiable.
Estimaciones de la misión de Dronelink que muestran que el M3E capturó el mismo sitio 2 veces más rápido que el M2P
Automatización de la captura de datos con el software de control de vuelo
La gestión de la cobertura completa del activo con alta resolución al tiempo que se garantiza la seguridad de las operaciones es un reto sin utilizar herramientas de vuelo automatizadas. Para este proyecto, Paper Airplane utilizó Dronelink, que ofrece un conjunto de herramientas de control de vuelo y flujos de trabajo para crear planes de misión y ejecutarlos de forma autónoma. Dronelink tiene la capacidad de volar misiones de fachada, que se utilizan para la cartografía vertical, así como misiones de mapas para capturar los tejados.
Vista previa de la misión Dronelink de un plan de misión combinado de este sitio que muestra tipos de misiones de fachada y mapa combinados
Dentro de Dronelink, se puede crear fácilmente una misión de fachada utilizando algunas entradas clave. Entre ellas se incluyen:
- Límite de la fachada (lados izquierdo y derecho, altura y altitud de seguridad mínimas).
- Superposición vertical y horizontal.
- Distancia del objetivo desde la superficie del activo y el sensor de la cámara que se está utilizando.
- Ángulo de la cámara.
El planificador de misiones Dronelink y la vista previa en 3D muestran una única misión de fachada volando columnas verticales y los parámetros de configuración
Se puede crear una misión de fachada utilizando dos flujos de trabajo diferentes:
- Misiones planificadas en la web o en la aplicación móvil.
- Misiones sobre la marcha generadas in situ con el dron.
La planificación de las misiones de fachada requiere la creación del plan de misión con antelación, utilizando el planificador de misiones en un portátil o una aplicación móvil. Obtenga más información aquí. Una vez que se planifica una misión, las características de rectificación geográfica pueden alinear la misión in situ basándose en un punto de referencia conocido, como la esquina de un edificio. También se pueden añadir zonas restringidas para crear zonas de exclusión aérea. Ambas funciones son útiles para mejorar la precisión y la seguridad.
Las misiones de fachada sobre la marcha permiten a un piloto generar la misión in situ, utilizando la posición del dron para marcar visualmente el área límite del vuelo, establecer superposiciones de cámara y otras configuraciones. Un piloto recibe una serie de instrucciones paso a paso en la aplicación móvil para marcar las entradas clave que generarán la misión (se muestran a continuación). Una vez generada, la misión se alinea con el activo y ejecuta una fachada de edificio a la vez. Esta función permite a los pilotos ajustar sus planes para tener en cuenta las limitaciones ambientales, como la velocidad, el solapamiento, las restricciones de altura mínima y otras áreas específicas.
Para esta ubicación, Paper Airplane decidió realizar misiones de fachada sobre la marcha para capturar cada fachada utilizando dos ángulos de cámara diferentes y misiones de mapa planificadas previamente para los tejados.
Después de abrir la misión de fachada adaptable sobre la marcha, el piloto voló el dron manualmente para marcar las siguientes entradas clave necesarias, como se muestra en la siguiente imagen.
Step 1: Right corner of the building- Paso 1: Esquina derecha del edificio
- Paso 2: Esquina izquierda
- Paso 3: Borde superior
- Paso 4: Altitud de seguridad mínima, distancia al objetivo e inclinación del estabilizador
- Pasos adicionales: patrón y superposiciones (no se muestran)
Pasos para crear una misión de fachada sobre la marcha
Una vez que se hayan proporcionado todas las entradas necesarias, se genera la misión y se puede previsualizar en 3D antes del vuelo. A continuación, el piloto selecciona Iniciar y Dronelink comienza a volar la misión.
Vuelo autónomo de fachada que muestra el panel de desviaciones del dron
A medida que se ejecuta la misión, el piloto puede centrarse en monitorizar el dron y sus alrededores para garantizar un funcionamiento seguro. El panel de desviaciones del dron de la derecha permite al piloto realizar entradas en tiempo real durante la captura, como pequeños ajustes en la altitud al acercarse a un obstáculo. En cualquier momento, un piloto puede detener la misión y tomar el control. La última posición se guardará, ya sea después de una pausa manual o para un cambio de batería, y el piloto podrá reanudar la misión desde donde la dejó, manteniendo la continuidad en los datos y las superposiciones para el posprocesamiento.
Vea aquí un tutorial en vídeo completo de la misión de fachada sobre la marcha.
Para este proyecto, Paper Airplane realizó 12 misiones de fachada adaptable sobre la marcha y dos misiones de mapa para garantizar una cobertura completa. Para crear el gemelo digital necesario, cada superficie de fachada se voló dos veces, utilizando un ángulo de cámara de 0 grados y de -20 grados. Cada misión de fachada se realizó utilizando un patrón de vuelo vertical con un solapamiento vertical del 80 % y horizontal del 80 %. Se utilizó una distancia del objetivo de 12 metros para lograr una distancia de muestreo de 0,35 cm/px | 0,14 pulg./px.
Se seleccionó un patrón de vuelo vertical en lugar de un patrón de vuelo horizontal por razones de seguridad operacional. Debido a los edificios circundantes y al entorno urbano, las columnas verticales permitieron que un piloto se situara debajo del dron mientras volaba hacia arriba o hacia abajo por una columna, lo que garantizaba que nadie más pudiera estar directamente debajo de él.
Procesamiento y análisis de datos
Una vez capturados los datos in situ, es el momento del posprocesamiento. DJI Terra es un motor de procesamiento localizado asequible capaz de generar modelos 3D de alta calidad. El proceso para generar una salida de modelo 3D con DJI Terra se puede encontrar aquí.
Al procesar los datos, asegúrese de incluir todos los puntos de control (GCP) que se hayan utilizado. Los GCP no son necesarios para crear modelos 3D, pero pueden ayudar con precisión absoluta y al generar puntos de amarre. Para obtener más información acerca de los GCP, haga clic aquí. Durante el procesamiento, los puntos de amarre manuales (MTP) también se pueden utilizar para crear una malla 3D más densa durante el procesamiento.
Con los datos procesados en un modelo 3D, es posible que los usuarios finales (en este caso, el contratista general y los arquitectos) revisen las imágenes e identifiquen la posición exacta de cualquier daño o área de interés en el modelo 3D. Esto es extremadamente útil para ayudar a proporcionar contexto sobre dónde se encuentra un área que requiere atención. Las herramientas de medición pueden determinar las ubicaciones exactas y el tamaño de la zona dañada y ayudar a planificar cualquier trabajo de mantenimiento.
Resultados finales de la imagen del modelo 3D
Conclusión
La creación de gemelos digitales de activos físicos mediante drones y fotogrametría está cambiando la forma en que las organizaciones de todos los sectores realizan el trabajo. Hacer que los gemelos digitales sean accesibles en línea para las principales partes interesadas de estas organizaciones ahorra innumerables horas, lo que les permite ser más eficientes y les ayuda a optimizar sus propios flujos de trabajo internos.
Los drones de DJI Enterprise, combinados con el software de automatización de vuelos de Dronelink, permitieron a Paper Airplane ofrecer este complejo proyecto, y muchos más, con resultados excepcionales. Gracias a esto, se unieron a otros líderes del sector para impulsar la ola de transformación digital en todos los sectores.
Acerca de Dronelink
Dronelink es un software de control de vuelo de drones que ofrece misiones automatizadas, flujos de trabajo y herramientas de vuelo para los principales drones de DJI. Compatible con la web, dispositivos móviles y controles remotos; los pilotos pueden volar misiones de mapas, trayectorias, órbitas, panorámicas, mapeado vertical, o inspecciones, o utilizar modos de vuelo como órbita, seguir o enfoque. Vincule varias misiones, automatice cada detalle, previsualice en 3D e incluso desbloquee una precisión mejorada del dron. Obtenga más información en dronelink.com.
Acerca de Paper Airplane
Paper Airplane es un proveedor de servicios SANT integral que ofrece análisis de datos a través de encuestas, inspecciones, evaluaciones y mantenimiento predictivo. Los productos se adaptan a las necesidades individuales del cliente para crear entregas únicas y potentes, pero fáciles de entender. Paper Airplane ofrece servicios de sondeo, inspección de envolvente de edificios, inspección de servicios públicos/servidumbre de paso, detección de metano, inspección de aguas pluviales/mapeado BMP, etc. Obtenga más información en www.pprair.com.
Para obtener más información sobre otros casos prácticos de gemelos digitales, haga clic aquí.
