Creazione di gemelli digitali con i droni DJI Enterprise

L'uso dei droni DJI Enterprise per automatizzare la mappatura verticale garantisce l'acquisizione di dati di alta qualità per i modelli 3D

By DJI Enterprise DJI Enterprise
marzo 11, 2024

La trasformazione digitale è in crescita in tutti i settori e parte di questo processo è costituito dalla creazione di gemelli digitali degli asset fisici. Un gemello digitale è una rappresentazione digitale di un oggetto fisico, che può includere un modello 3D insieme ad altri dati del sensore, e viene utilizzato per il monitoraggio, la gestione e la manutenzione di un asset fisico.

Creazione di gemelli digitali

I droni svolgono un ruolo fondamentale nel fornire dati per la creazione di gemelli digitali. Posizionare una videocamera sopra ogni posizione di un asset 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 l'asset.

Acquisire dati di qualità con un drone per creare un modello 3D ad alta risoluzione può essere difficile, soprattutto per determinati asset, ad esempio due edifici imponenti in un ambiente urbano.

Per ottenere modelli 3D professionali è necessario un pilota che acquisisca le immagini in un modo specifico, e che sappia gestire variabili quali la sovrapposizione delle immagini, gli angoli di ripresa, la distanza di campionamento e l'esposizione delle immagini per ogni facciata dell'edificio. Il pilota deve bilanciare tutti questi fattori e al contempo essere consapevole dell'ambiente circostante, della conformità alle normative, della sicurezza e molto altro ancora.

Quindi, com'è possibile acquisire in modo sicuro le immagini necessarie di un sito complesso, ad esempio due edifici in un ambiente urbano?

La risposta è tramite l'utilizzo dell'automazione di volo.

3D Digital Twin

Anteprima del piano di missione 3D di Dronelink in Google Earth 

 

Le missioni per la mappatura verticale delle facciate e quelle per la mappatura della campitura incrociata di Dronelink, un software di controllo del volo compatibile con i droni DJI, sono state utilizzate per acquisire autonomamente i dati e creare una riproduzione digitale del palazzo di giustizia e del centro di apprendimento giudiziario federale e museo di Oklahoma City.

L'utilizzo del volo automatizzato è stato fondamentale per consentire a Paper Airplane, un'azienda di soluzioni per droni spesso incaricata di progetti di ispezione, valutazione e manutenzione predittiva, di realizzare questo progetto storico di commemorazione e restauro. La capacità di acquisire dati di alta qualità in modo sicuro ed efficiente ha consentito la successiva produzione di risultati finali di alta qualità che hanno superato le aspettative dei clienti.

Oklahoma State Courthouse Drone Survey

Pilota di Paper Airplane che conduce la missione dal tetto

Descrizione della scena

Paper Airplane, un'azienda specializzata in servizi con droni, è stata incaricata di creare un gemello digitale del palazzo di giustizia e del centro di apprendimento giudiziario federale e museo di Oklahoma City. L'obiettivo del progetto era preservare e ripristinare il significato storico di questi edifici.

Il sito si trova proprio di fronte al luogo in cui si è verificato il bombardamento di Oklahoma City nel 1995, la cui esplosione ha danneggiato 324 edifici entro un raggio di 16 isolati. Gli obiettivi erano l'ispezione dei due edifici per valutare l'integrità strutturale delle aree danneggiate e la pianificazione di eventuali interventi di manutenzione preventiva, preservando al contempo la memoria dei danni causati dagli eventi storici sugli edifici.

Invece di affidarsi a binocoli e fotocamere a terra di tipo punta e scatta, che offrono informazioni limitate sulla posizione esatta, sulla superficie dell'edificio, su ciascuna immagine e sui danni correlati, un modello di gemello digitale 3D è la soluzione ideale per tutte le parti interessate. Il modello 3D consente di sovrapporre le immagini da più prospettive per ciascun punto di interesse, semplificando l'identificazione e l'individuazione di eventuali danni.

DJI 3D Model Image

Modello 3D e un'immagine con più punti di interesse

 

Gli obiettivi del progetto includevano:

  • Azionamento sicuro dei voli con drone per catturare tutti i tetti e le facciate.
  • Elaborazione di singole immagini acquisite in 3D e in alta qualità.
  • Esportazione del mesh 3D e della nuvola di punti degli edifici.
  • Condivisione dei dati con lo studio di architettura che gestisce il progetto.
    • Aiuto a importare/implementare modelli per ispezioni/mitigazione e per l'implementazione in software BIM e di modellazione.
  • Fornitura di una soluzione di visualizzazione basata su cloud per un ampio accesso al personale che potrebbe non disporre delle risorse hardware per visualizzare il file in modo nativo.
    • Fornitura di un file di progetto per la correlazione del danno con la sua posizione sulla superficie dell'edificio.

Considerazioni sull'acquisizione dei datti per i gemelli digitali

Quando si crea un piano per produrre un gemello digitale di alta qualità, dobbiamo comprendere alcuni fattori chiave per acquisire i migliori dati possibili da utilizzare nel software di elaborazione della fotogrammetria. Iniziamo vedendo quali sono questi fattori. Quindi, nelle sezioni seguenti, esamineremo perché Paper Airplane ha scelto di utilizzare la combinazione di DJI e Dronelink.

Qualità dell'immagine:

La qualità delle immagini acquisite è di estrema importanza. Le caratteristiche principali di una fotocamera che permettono di restituire un'immagine di alta qualità sono le dimensioni del sensore, la qualità dell'otturatore e la risoluzione.

La presenza di un sensore di grandi dimensioni consente di aumentare la gamma dinamica dell'immagine. In questo modo è possibile scattare foto in aree poco illuminate oppure di aree in ombra con dettagli illuminati dal sole all'interno dello stesso fotogramma. Queste condizioni di illuminazione sono molto comuni quando si acquisiscono dati di strutture alte. È inoltre importante disporre di un otturatore meccanico di alta qualità per ridurre al minimo distorsioni o sfocature delle immagini, poiché i droni si muovono costantemente durante l'acquisizione delle immagini. La stabilità dell'immagine è inoltre fondamentale per ridurre la sfocatura dei movimenti e facilitare la messa a fuoco della fotocamera, soprattutto nelle aree soggette a elevate correnti di vento, come le aree altamente urbanizzate.

Precisione dell'immagine:

Quando si crea un modello 3D, comprendere la posizione dell'immagine può aiutare a migliorare la qualità e i tempi di elaborazione del mesh di output. Ma in aree ad alta densità urbana, gli edifici alti possono limitare la vista del cielo (e dei satelliti) e, di conseguenza, compromettere la qualità GPS. I droni DJI 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 migliore precisione di posizionamento. Per ulteriori informazioni su RTK e precisione con i droni DJI Enterprise, consulta questo link.

Copertura degli asset:

Ogni parte dell'asset deve essere acquisita da più angolazioni per una ricostruzione di alta qualità. Ciò include l'acquisizione di immagini nadirali del tetto e di ogni facciata, con una sovrapposizione sufficiente per l'elaborazione. Angoli di ripresa diversi contribuiscono a garantire la copertura di varie caratteristiche, come la parte inferiore di un balcone. Mantenere le sovrapposizioni corrette tra le immagini in orizzontale e in verticale può rappresentare una sfida durante la cattura della facciata, soprattutto se si considera che la distanza campione, l'angolo della telecamera e le dimensioni del sensore della telecamera sono tutti fattori che influiscono sullo schema di volo necessario per mantenere le sovrapposizioni.

L'utilizzo di un software di controllo del volo è essenziale per gestire tutti questi parametri di acquisizione dati sia per i voli di mappatura nadirale che per quelli di mappatura verticale delle facciate. È possibile creare missioni automatiche per schema di volo come colonne verticali, tracciati orizzontali sovrapposti e pattern a griglia o con campitura incrociata all'interno di un limite definito utilizzando valori di sovrapposizione e angoli di ripresa predefiniti.

Risoluzione spaziale/Distanza campione:

Un fattore importante che influisce sulla qualità della ricostruzione è la risoluzione. Una risoluzione più elevata darà luogo a maggiori dettagli sull'oggetto, consentendo al modello 3D di avere una maggiore definizione delle caratteristiche più piccole. La risoluzione di un'immagine dipende sia dalle specifiche della fotocamera che dalla distanza dall'oggetto fotografato. Un termine usato frequentemente è la distanza del campione al suolo (GSD), che viene spesso utilizzata nella mappatura di terreni e, nel caso di facciate di un edificio, è chiamata distanza campione. Si riferisce alle dimensioni di un singolo pixel in un'immagine misurata sull'asset (ad esempio, 0,10 in/px | 0,24 cm/px).

Risoluzione e copertura degli asset sono strettamente interconnesse. Determinare la distanza e la risoluzione del campione desiderate aiuterà a individuare a quale distanza deve trovarsi il drone dalla superficie dell'asset. Ciò, a sua volta, determina lo schema di volo necessario per mantenere le sovrapposizioni frontali e laterali per garantire la copertura dell'asset.

Ora che abbiamo compreso alcuni fattori chiave per la creazione di gemelli digitali, parliamo dell'hardware e del software specifici in grado di soddisfare questi requisiti.

Scelta dell'ardware

La soluzione DJI Mavic 3 Enterprise è una scelta eccellente per una soluzione hardware scalabile. Con un ampio sensore da 4/3" che cattura immagini da 20 MP, questo drone ha un'incredibile gamma dinamica per catturare le migliori immagini possibili. Un sensore di grandi dimensioni, insieme a un otturatore meccanico che opera a 0,7 secondi, rende il modello M3E il migliore della sua categoria. L'otturatore meccanico più veloce consente un volo più veloce senza influire sulla qualità dell'immagine, risparmiando potenzialmente tempo in sito. Il suo fattore di forma ridotto lo rende facile da utilizzare e dispone del sistema di telecamere adatto per qualsiasi lavoro di creazione di un gemello digitale. Inoltre, la lunga durata della batteria, fino a 45 minuti, riduce la necessità di più sostituzioni della batteria durante una missione e limita il numero totale di batterie necessarie sul campo.

Mavic 3 ENT

 

Rispetto a un drone di livello consumer (Mavic 2 Pro) con un intervallometro di 2 secondi, il modello M3E esegue la scansione dello stesso sito più velocemente e con risultati di qualità superiore. Mavic 3 Enterprise è anche in grado di acquisire dati accurati a livello di centimetri durante il volo in sicurezza con un ricevitore RTK sostituibile.

M3E vs M2P

Stime della missione di Dronelink che mostrano che il sistema M3E acquisisce lo stesso sito 2 volte più velocemente rispetto a M2P

 

Automatizzazione dell'acquisizione dei dati con il software di controllo del volo

Gestire la copertura completa degli asset con alta risoluzione garantendo al contempo la sicurezza delle operazioni risulta difficile senza l'utilizzo di 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 in modo autonomo. Dronelink è in grado di eseguire missioni per la mappatura delle facciate, che vengono utilizzate per la mappatura verticale, nonché di mappare missioni per la cattura dei tetti.

 

Dronelink Mission preview

Anteprima della missione di Dronelink di un piano di missione combinato di questo sito che presenta missioni di mappatura e facciate

 

All'interno di Dronelink, è possibile creare facilmente una missione di mappatura delle facciate utilizzando alcuni input chiave. Tra questi figurano:

  • Confini della facciata (lato sinistro e destro, altezza e altitudine minima di sicurezza).
  • Sovrapposizione verticale e orizzontale.
  • Distanza target dalla superficie dell'asset e dal sensore della telecamera in uso.
  • Angolo di ripresa.

 

Dronelink Mission Planner

Planner della missione di Dronelink e anteprima 3D che mostrano una singola missione di mappatura delle facciate con colonne verticali e parametri di configurazione

 

È possibile creare una missione di mappatura delle facciate utilizzando due diversi flussi di lavoro:

  • Missioni pianificate in anticipo sul web o nell'app mobile.
  • Missioni on-the-fly generate sul campo utilizzando il drone. 

La pianificazione preliminare delle missioni di mappatura delle facciate richiede la creazione anticipata del piano della missione, utilizzando il planner delle missioni su un computer o un'app mobile. Scopri ulteriori informazioni qui. Una volta pianificata una missione, le funzioni di geo-rettifica 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 soggette a restrizione per creare zone di interdizione al volo. Entrambe le funzionalità sono utili per migliorare la precisione e la sicurezza.

Le missioni di mappatura della facciata on-the-fly consentono a un pilota di generare la missione sul campo, utilizzando la posizione del drone per contrassegnare visivamente l'area del confine di volo, e impostare le sovrapposizioni della fotocamera e altre impostazioni. Al pilota viene richiesto tramite una serie di istruzioni dettagliate all'interno dell'app mobile di contrassegnare gli input chiave che genereranno la missione (come mostrato di seguito). Una volta generata, la missione si allinea con l'asset ed esegue una facciata dell'edificio alla volta. Questa funzione consente ai piloti di modificare i propri piani in modo da tenere conto di vincoli ambientali quali velocità, sovrapposizione, limitazioni di altezza minima e altre aree specifiche.

Per questo sito, Paper Airplane ha scelto di eseguire missioni di mappatura delle facciate on-the-fly per catturare ogni facciata utilizzando due diversi angoli di ripresa e missioni di mappatura pre-pianificate per i tetti.

Dopo aver dato il via alla missione di mappatura adattiva della facciata on-the-fly, il pilota ha fatto volare il drone manualmente per contrassegnare i seguenti input chiave necessari, come mostrato nell'immagine sottostante.

  • Passaggio 1: angolo destro dell'edificio
  • Passaggio 2: angolo sinistro
  • Passaggio 3: bordo superiore
  • Passaggio 4: altitudine minima di sicurezza, distanza target e inclinazione stabilizzatore
  • Passaggi aggiuntivi: schemi e sovrapposizioni (non mostrati)

DJI Drone View

Procedura per creare una missione di mappatura della facciata on-the-fly

 

Dopo aver fornito tutti gli input necessari, la missione viene generata e può essere visualizzata in anteprima in 3D prima del volo. Successivamente, il pilota seleziona Avvio, e Dronelink dà il via alla missione in volo.

 

DJI Drone View 2

Volo autonomo di mappatura della facciata che mostra il pannello di controbilanciamento del drone

 

Man mano che la missione viene eseguita, il pilota può concentrarsi sul monitoraggio del drone e dell'ambiente circostante per garantire operazioni sicure. Il pannello di controbilanciamento del drone sulla destra consente al pilota di dare input in tempo reale durante la cattura, ad esempio piccole regolazioni dell'altitudine quando ci si avvicina a un ostacolo. In qualsiasi momento, un pilota può mettere in pausa la missione e assumere il controllo. L'ultima posizione verrà salvata, sia che si tratti di una pausa manuale o di una sostituzione della batteria, e il pilota può riprendere la missione dal punto in cui era stata interrotta, mantenendo la continuità nei dati e nelle sovrapposizioni per la post-elaborazione.

Guarda qui un video di presentazione della missione di mappatura della facciata on-the-fly.

Per questo progetto, Paper Airplane ha svolto 12 missioni adattive per le facciate on-the-fly e due missioni per le mappe, per garantire una copertura completa. Per creare il gemello digitale richiesto, il drone ha volato su ogni lato della facciata più di due volte, usando un angolo di 0 gradi e un angolo di ripresa di -20 gradi. Ogni missione di mappatura della facciata è stata svolta utilizzando un modello di volo verticale con sovrapposizione dell'80% verticale e dell'80% orizzontale. È stata utilizzata una distanza target di 40 piedi per raggiungere una distanza campione di 0,14 in/px | 0,35 cm/px.

Per motivi di sicurezza operativa, è stato selezionato uno schema di volo verticale invece che orizzontale. A causa degli edifici circostanti e dell'ambiente urbano, le colonne verticali hanno consentito a un pilota di posizionarsi al di sotto del drone mentre si alzava o scendeva 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 conveniente in grado di generare modelli 3D di alta qualità. Il processo per generare un output di modello 3D con DJI Terra è disponibile qui.

Durante l'elaborazione dei dati, assicurati di includere tutti i punti di controllo a terra (GCP) eventualmente utilizzati. I GCP non sono necessari per creare modelli 3D, ma possono contribuire alla precisione assoluta e alla generazione di punti di allineamento. Per ulteriori informazioni sui GCP, fai clic qui. Durante l'elaborazione, i punti di allineamento manuale (MTP) possono essere utilizzati anche per creare un mesh 3D più denso durante l'elaborazione.

Con i dati elaborati in un modello 3D, gli utenti finali (in questo caso, l'appaltatore e gli architetti) possono 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 per il punto in cui si trovano le aree che richiedono attenzione. Gli strumenti di misurazione sono in grado di determinare la posizione e le dimensioni esatte dell'area danneggiata e aiutano a pianificare gli interventi di manutenzione.

 

3D Model Image 1

3D Model Image 2

3D Model Image 3

Risultati finali dell'immagine del modello 3D

Conclusione

La creazione di gemelli digitali di asset fisici tramite l'utilizzo di droni e fotogrammetria sta cambiando il modo in cui le organizzazioni di tutti i settori svolgono il loro lavoro. Rendere i gemelli digitali accessibili online alle principali parti interessate di queste organizzazioni consente di risparmiare moltissime ore, e permette loro di essere più efficienti e di ottimizzare i propri flussi di lavoro interni.

I droni DJI Enterprise, combinati con il software di automazione di volo di Dronelink, hanno consentito a Paper Airplane di realizzare questo progetto complesso, e molti altri, con risultati eccezionali, e di unirsi ad altri leader del settore che hanno guidato l'ondata della trasformazione digitale in tutti i settori.

 

Oklahoma State CourthouseDigital Twin Scan Oklahoma State Courthouse

Informazioni su Dronelink

Dronelink è un software per il controllo del volo dei droni che offre missioni automatiche, flussi di lavoro e strumenti di volo per i droni DJI di punta. È supportato su web, dispositivi mobili e controller remoti, e i piloti possono svolgere missioni in volo per mappe, waypoint, orbite, panoramiche, mappatura verticale o ispezioni, oppure utilizzare modalità di volo come orbita, segui o messa a fuoco. Collega più missioni, automatizza ogni dettaglio, visualizza anteprime in 3D e sblocca una maggiore precisione e accuratezza dei droni. Ulteriori informazioni sono disponibili all'indirizzo dronelink.com.

Informazioni su Paper Airplane

Paper Airplane è un fornitore di servizi UAS per l'intero ciclo di vita del prodotto, che offre analisi dei dati attraverso sondaggi, ispezioni, valutazioni e manutenzione predittiva. I prodotti sono personalizzati in base alle esigenze specifiche del cliente per creare prodotti unici, potenti e di facile comprensione. Paper Airplane offre servizi di indagine, ispezione dell'involucro edilizio, ispezione di utenze/ROW, rilevamento di metano, ispezione di acque piovane/mappatura BMP, ecc. Ulteriori informazioni sono disponibili all'indirizzo www.pprair.com.


 

Per saperne di più su altri casi di studio con gemelli digitali, cliccate qui.

 

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Tags: Cura e manutenzione, Ispezione

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