さまざまな業界でデジタル化が進行しつつあり、その一部が物理アセットのデジタルツインの作成です。デジタルツインは物理オブジェクトのデジタル表現であり、他のセンサーデータとともに3Dモデルを含めることができます。デジタルツインは、物理アセットの監視、管理、保守に使用されます。
デジタルツインの作成
ドローンは、デジタルツイン作成のためのデータを提供する上で重要な役割を果たしています。カメラをアセットのあらゆる場所に配置できるため、速度、周波数、安全性の面で有利です。ドローンデータは、写真測量法を使用して3Dモデルを作成し、アセットを検査するために使用されます。
特に都市環境にある2棟の大規模建築のような特定のアセットの場合、高解像度3Dモデルの作成にドローンを使用して高品質のデータを収集することは困難です。
プロ仕様の3Dモデル出力を取得するには、画像のオーバーラップ、カメラアングル、サンプリング距離、各建物の外観画像の露出などの変数の管理を含む、特定の方法で画像を撮影できるパイロットが必要です。パイロットは、これらすべての要素のバランスを取ると同時に、周囲の状況を認識したり、規制を遵守したり、安全性を維持したりする必要があります。
では、都市環境にある2棟の建築物など、複雑な場所で必要な画像を安全に撮影するにはどうすればよいでしょうか？その答えは、自動飛行を使用することです。
Google Earth の Dronelink 3Dミッション計画のプレビュー
DJIドローンと互換性のある飛行制御ソフトウェア、Dronelinkによる垂直マッピングファサードミッションとクロスハッチマッピングミッションを使用して、オクラホマ州地方裁判所と連邦司法学習センター／記念館のデジタルツイン作成用のデータを自動撮影しました。
自動飛行の使用は、Paper Airplane社にとって不可欠でした。同社は、この歴史的な記念・復元プロジェクトを請け負った、検査、評価、予防保守プロジェクトを数多く手掛けるドローンソリューション企業です。高品質のデータを安全かつ効率的に取得できたため、クライアントの期待を上回る高品質の成果物を収めることができました。
屋上からミッションのためにドローンを飛行させるPaper Airplane社のパイロット
現場の設定
ドローンサービスを専門とするPaper Airplane社は、オクラホマ州地方裁判所と連邦司法学習センター／記念館のデジタルツイン作成を請け負いました。このプロジェクトの目的は、これらの建物の歴史的意義を保存、復元することでした。
この現場は、1995年にオクラホマシティ連邦政府ビル爆破事件が起きた場所の道路を挟んだ向かい側にあります。爆破による爆風は、半径16ブロックの324棟の建物に被害を与えました。プロジェクトの目的は、2棟の建物を検査して損傷部分の構造的完全性を評価し、予防保守を計画すると同時に、過去の事件による損傷からこの歴史的建物を保護することでした。
建物の正確な位置、建物の外壁、各画像、事件に関連する損傷の情報を限定的にしか得られない双眼鏡や地上ベースの全自動カメラと異なり、デジタルツイン3Dモデルは、すべての関係者にとって理想的なソリューションでした。3Dモデルを使用すると、各該当箇所の画像を複数の視点から取得できるため、損傷を簡単に発見し、位置を特定できます。
3Dモデルと複数の視点から撮影した該当箇所の画像
プロジェクトの目標は次のとおりです。
- ドローンを安全に操作して、すべての屋根や外観の画像を撮影する。
- 撮影した個々の画像を処理し、高品質の3Dモデルに変換する。
- 建物の3Dメッシュと点群をエクスポートする。
- プロジェクトを管理する建築事務所とデータを共有する。
- 検査／緩和、およびBIMとモデリングソフトウェアによる実装のためにモデルのインポート／実装を支援する。
- ファイルをネイティブに表示するためのハードウェアリソースを所有していない可能性のある担当者に対して、幅広いアクセスのためのクラウドベースの表示ソリューションを提供する。
- 損傷と建物外観の位置の相関関係を示すプロジェクトファイルを提供する。
デジタルツインのデータを撮影する際の考慮事項
高品質のデジタルツイン作成の計画を立てる際は、写真測量処理ソフトウェアで使用する、可能な限り最良のデータを撮影する際の重要な要素を理解しておく必要があります。最初にこれらの要素について考えてみましょう。以下のセクションでは、Paper Airplane社がDJIとDronelinkの組み合わせを採用した理由について説明します。
画面:
撮影した画像の品質は最も重要です。高品質の画像を作成する際のカメラの主要な要素は、センサーのサイズ、シャッターの品質、解像度です。
センサーが大きいと、画像のダイナミックレンジが大きくなります。 これにより、同じフレーム内の薄暗い部分や影の部分も明るい調子で撮影できます。この照度条件は、高層建築物の周囲のデータを撮影する場合によく使用されます。 画像撮影時にドローンは常に移動しているため、画像のブレや歪みを最小限に抑えるために、高品質のメカニカルシャッターを使用することも重要です。さらに、特に高層ビル群など、強い気流の影響を受けやすいエリアで被写体のブレを抑え、カメラのフォーカスを支援するには、画像の安定性も極めて重要です。
画像の精度：
3Dモデルを作成する際は、画像の位置を把握することで、出力メッシュの品質を高め、処理時間を短縮できます。しかし、密集した都市部では、高層ビルが空（および衛星）の視界を遮り、GPSの品質が低下する可能性があります。DJI Enterpriseレベルのドローンは、リアルタイムキネマティック（RTK）を使用して、複雑な環境での測位エラーを最小限に抑えます。ドローンのRTKレシーバーは、ベースステーションまたはNTRIPプロバイダを参照して、測位精度を改善することができます。RTKとDJI Enterpriseドローンの精度の詳細については、こちらのリンクをご覧ください。
アセットのカバー率：
高品質な再構成を行うには、アセットのあらゆる部分を複数の角度から撮影する必要があります。このためには、ルーフとすべての外観のNADIR画像を、処理に十分なオーバーラップを加えて撮影する必要があります。複数のカメラアングルにより、バルコニーの下側など、さまざまな特徴をカバーできます。特にサンプリング距離、カメラアングル、カメラセンサーサイズなどがすべて、オーバーラップを維持するために必要な飛行パターンに影響を及ぼすことを考慮すると、外観を撮影する際に、画像間で水平方向および垂直方向の適切な画像オーバーラップを維持することが困難である可能性があります。
飛行制御ソフトウェアの使用は、NADIRマッピング飛行と外観垂直マッピング飛行の両方においてすべてのデータ撮影パラメータを管理する上で不可欠です。プリセットされたオーバーラップ値とカメラアングルを使用して、定義された境界内の垂直柱、積み重ねられた水平パス、グリッドまたはハッチパターンなどのパターン飛行を行う自動ミッションを作成できます。
空間分解能／サンプリング距離：
再構築の品質に影響を与える重要な要素は解像度です。解像度を高くすると、オブジェクトがより詳細になり、3Dモデルでより小さな特徴をより多く定義できるようになります。画像の解像度は、カメラの仕様と撮像される物体からの距離の両方に依存します。地上解像度（GSD）という用語がよく使用されます。多くの場合、これは土地のマッピングで使用される用語で、建物の外観の場合はサンプル距離と呼ばれています。地上解像度は、アセットで測定された、画像内の1ピクセルのサイズを表します（例：0.24 cm/px）。
解像度とアセットのカバー率は密接に関連しています。目的のサンプル距離と必要な解像度を決定することで、ドローンがアセット表面から取るべき距離を特定できます。これにより、フロントオーバーラップとサイドオーバーラップを維持し、アセットのカバー率を確保するために必要な飛行パターンが決定されます。
デジタルツインの作成における重要な要素を理解したところで、これらの要件を達成できる特定のハードウェアとソフトウェアについて見ていきましょう
ハードウェアの選択
DJI Mavic 3 Enterpriseは、スケーラブルなハードウェアソリューションに最適な選択肢です。このドローンは、20 MPの画像を撮影する大型の4/3インチセンサーを備えており、驚異的なダイナミックレンジによって、可能な限り最高の画像を撮影できます。 M3Eは、大型のセンサーと0.7秒で動作するメカニカルシャッターを組み合わせた、クラス最高のドローンです。この高速メカニカルシャッターにより、画質を損なうことなく高速飛行が可能になり、現場での時間を節約できます。小型のフォームファクターによって簡単に操作でき、あらゆるデジタルツインワークに最適なカメラシステムを備えています。さらに、最長45分間の長いバッテリー駆動時間により、ミッション中に何度もバッテリーを交換する必要性が減り、現場で必要なバッテリーの総数も少なくてすみます。
インターバロメーターが2秒の一般消費者向けドローン（Mavic 2 Pro）と比較して、M3Eは、同じ現場でより迅速にミッションを実行し、より高品質な結果をもたらします。Mavic 3 Enterpriseは、交換可能なRTKレシーバーで安全に飛行しながら、インチレベルの精確なデータを撮影することもできます。
M3Eが同じ現場をM2Pの2倍速で撮影していることを示すDronelink製のMission Estimates
飛行制御ソフトウェアによる自動データ収集
自動飛行ツールなしで安全に操作し、高解像度の完全なアセットカバー率を管理することは困難です。このプロジェクトで、Paper Airplane社はDronelinkを使用しました。これは、ミッション計画を作成し、それを自律的に実行する一連の飛行制御ツールであり、ワークフローでもあります。Dronelinkは、垂直マッピングに使用される外観ミッションと、ルーフを撮影するためのマップミッションを実行する機能を備えています。
この現場の複合ミッション計画のDronelinkミッションのプレビュー、外観ミッションタイプとマップミッションタイプの組み合わせを示しています
Dronelink内では、いくつかのキー入力を使用して簡単に外観ミッションを作成できます。入力には以下が含まれます。
- 外観の境界（左右、高さ、最小安全高度）。
- 垂直および水平のオーバーラップ。
- 使用するアセット表面とカメラセンサーからの被写体距離。
- カメラアングル。
垂直柱を飛行する単一の外観ミッションとセットアップパラメーターを示す、Dronelinkミッションプランナーと3Dプレビュー
外観ミッションは、次の2種類のワークフローを使用して作成できます。
- ウェブまたはモバイルアプリでの事前計画ミッション。
- ドローンを使用して現場で生成されるオンザフライミッション。
事前計画外観ミッションでは、ノートパソコンやモバイルアプリでミッションプランナーを使用し、ミッション計画を事前に作成しておく必要があります。詳しくはこちらをご覧ください。ミッションを計画すると、地理修正機能により、建物の隅などの既知の基準点に基づいて現場でミッションの調整が可能になります。制限区域を追加して、飛行禁止区域を作成することもできます。どちらの機能も、精度と安全性の向上に役立ちます。
外観オンザフライミッションでは、パイロットがドローンの位置を使用して飛行境界エリアを視覚的にマーキングし、カメラのオーバーラップなどの設定を行って、現場でミッションを生成できます。パイロットは、モバイルアプリ内の一連の詳細手順に従って、ミッションを生成するためのキー入力をマークするよう求められます（以下を参照）。生成されたミッションはアセットに合わせて調整され、一度に1つの建物外観ミッションを実行します。この機能により、パイロットは、速度、オーバーラップ、最小高度制限、その他特定エリアなどの環境的制約を考慮して計画を調整できます。
この現場でPaper Airplane社は、2種類のカメラアングル、ルーフ用に事前計画されたマップミッションを使用して、各外観を撮影する外観オンザフライミッションを選択しました。
オンザフライ対応型外観ミッションを開始した後、パイロットは、ドローンを手動で飛行させ、必要な次のキー入力をマークしました（下図参照）。
- 手順1：建物の右隅
- 手順2：左隅
- 手順3：上端
- 手順4：最小安全高度、被写体距離、ジンバルピッチ
- 追加手順：パターンとオーバーラップ（表示なし）
外観オンザフライミッションの作成手順
必要な入力をすべて完了すると、ミッションが生成され、飛行前に3Dでプレビューできます。次に、パイロットが[開始]を選択すると、Dronelinkがミッションを開始します。
ドローンオフセットパネルを表示する自律外観飛行
ミッションが実行されると、パイロットはドローンとその周囲の監視に集中して、安全に操作することができます。パイロットは右側のドローンオフセットパネルにより、障害物に接近したときの高度の微調整など、撮影中にリアルタイムで入力することができます。パイロットはいつでもミッションを一時停止して、制御できます。手動による一時停止後も、バッテリーの交換中も最後の位置が保存されます。パイロットは停止した位置からミッションを再開し、データの連続性と後処理のためのオーバーラップを維持できます。
こちらで外観オンザフライミッションのフル動画（ウォークスルー）をご覧ください。
このプロジェクトでPaper Airplane社は、完全なカバー率を確保するために12回の外観オンザフライミッションと2回のマップミッションを実行しました。必要なデジタルツインを作成するために、各外観面に対して、0度と-20度のカメラアングルを使用し、2回飛行しました。各外観ミッションは、垂直オーバーラップ80%、水平オーバーラップ80%で、垂直飛行パターンを使用して実行しました。0.35 cm/pxのサンプル距離を得るために、40フィートの被写体距離を維持しました。
安全に操作するために、水平方向ではなく、垂直方向の飛行パターンを選択しました。周囲の建物や都市環境を考慮して垂直柱を使用し、ドローンが柱内を上下に飛行する間はパイロットがドローンの下に立つことで、他の人がドローンの真下に立ち入ることを防ぎました。
データ処理と分析
現場でデータを撮影した後は、後処理を行います。DJI Terraは、高品質の3Dモデルを生成できる、手頃な価格のローカライズされた処理エンジンです。DJI Terraを使用して3Dモデル出力を生成するプロセスについては、こちらをご覧ください。
データを処理する際は、使用した可能性がある地上基準点（GCP）を必ず含めてください。GCPは、3Dモデルを作成するうえで必須ではありませんが、絶対的な精度と接合点の生成に役立ちます。GCPの詳細については、こちらをクリックしてください。処理中に手動接合点（MTP）を使用して、高密度な3Dメッシュを作成することもできます。
データを処理して3Dモデルを作成すると、エンドユーザー（この場合、ゼネコンおよび建築家）が画像をレビューし、3Dモデル上で損傷エリアまたは目的エリアの正確な位置を特定できるようになります。この機能は、注意する必要のあるエリアを把握する上で非常に役立ちます。測定ツールは、損傷エリアの正確な位置とサイズを判定し、保守作業を計画するのに役立ちます。
3Dモデル画像の最終結果
結論
ドローンと写真測量を使用した物理アセットのデジタルツイン作成は、あらゆる業界において組織の作業方法を変革しつつあります。これらの組織の主要な関係者をデジタルツインにオンラインでアクセスできるようにすることで、膨大な時間が節約され、効率性が向上して、社内ワークフローが最適化されます。
Paper Airplane社は、DJI EnterpriseドローンとDronelinkの自動飛行ソフトウェアを組み合わせることで、この複雑なプロジェクトを完遂しただけでなく、さまざまな業界でデジタル変革を推進する他の業界リーダーの協力も得て、素晴らしい成果を生み出すことができました。
Dronelinkについて
Dronelinkはドローン飛行制御ソフトウェアであり、、DJIドローンを制御するための自動ミッション、ワークフロー、飛行ツールを提供します。パイロットは、ウェブ、モバイル端末、送信機でサポートを受け、マップ、ウェイポイント、オービット、パノラマ、垂直マッピング、検査などのためのミッションを実行したり、オービット、フォロー、フォーカスなどの飛行モードを使用したりすることができます。複数のミッションを連携させて、あらゆる詳細を自動化し、3Dでプレビューを行って、高度なドローンの精度を活用することができます。詳細については、dronelink.comをご覧ください。
Paper Airplaneについて
Paper Airplaneは、測量、検査、評価、予防保守によってデータ分析を提供する、包括的なUASサービスプロバイダーです。 製品は、個々のクライアントのニーズに合わせてカスタマイズされ、独自性があり、効果的かつ理解しやすい成果物となっています。 Paper Airplaneは、測量、建物外観の調査、ユーティリティ／ROW（放射性有機廃棄物）検査、メタン検出、雨水調査／BMPマッピングなどのサービスを提供しています。詳細については、www.pprair.comをご覧ください。
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