디지털 혁신은 산업 전반에 걸쳐 증가하고 있으며 그중 일부는 물리적 자산의 디지털 트윈을 생성하고 있습니다. 디지털 트윈은 물리적 개체의 디지털 표현으로, 다른 센서 데이터와 함께 3D 모델을 포함할 수 있습니다. 디지털 트윈은 물리적 자산을 모니터링, 관리 및 유지 관리하는 데 사용됩니다.
디지털 트윈 생성
드론은 디지털 트윈을 생성하기 위한 데이터를 제공하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. 자산의 모든 위치에 카메라를 배치하면 속도, 빈도 및 안전성 측면에서 이점을 얻을 수 있습니다. 드론 데이터는 사진 측량법을 사용하여 3D 모델을 생성하고 자산을 점검하는 데 사용됩니다.
고해상도 3D 모델을 생성하기 위해 드론으로 고품질 데이터를 캡처하는 것은 어려울 수 있으며, 특히 도시 환경의 거대한 건물 두 채와 같은 특정 자산의 경우 더욱 그렇습니다.
전문적인 3D 모델 출력을 얻으려면 조종사가 이미지 중첩, 카메라 각도, 샘플 거리, 각 건물 외벽의 이미지 노출과 같은 변수를 관리하는 등 특정 방식으로 이미지를 캡처해야 합니다. 조종사는 주변 환경을 인식하고 규정을 준수하며 안전을 유지하는 등 이러한 모든 요소의 균형을 유지해야 합니다.
그렇다면 도시 환경에서 두 건물과 같은 복잡한 현장의 필요한 이미지를 어떻게 안전하게 캡처할 수 있을까요?
답은 비행 자동화를 사용하는 것입니다.
구글 어스에서 Dronelink 3D 임무 계획 미리보기
DJI 드론과 호환되는 비행 제어 소프트웨어인 Dronelink의 수직 매핑 외벽 임무와 망상 매핑 임무는 데이터를 자율적으로 캡처하여 오클라호마 지방 법원 건물과 연방 사법 학습 센터 및 박물관의 디지털 트윈을 생성하는 데 사용되었습니다.
검사, 평가 및 예측 유지 보수 프로젝트를 자주 수주하고 있는 드론 솔루션 회사인 Paper Airplane이 이러한 역사적인 기념 및 복원 프로젝트를 수행하기 위해서는 자동 비행을 사용하는 것이 중요했습니다. 고품질 데이터를 안전하고 효율적으로 캡처할 수 있는 능력으로 고객의 기대를 뛰어넘는 고품질 결과물을 제작할 수 있었습니다.
옥상에서 임무 비행을 수행하고 있는 Paper Airplane 조종사
장면 설정
드론 서비스 전문 회사인 Paper Airplane은 오클라호마 지방 법원 건물과 연방 사법 학습 센터 및 박물관의 디지털 트윈을 생성하기 위해 고용되었습니다. 이 프로젝트의 목적은 이들 건물의 역사적 중요성을 보존하고 복원하는 것이었습니다.
이 사이트는 1995년 오클라호마시티 폭탄 테러가 일어난 길 건너편에 있습니다. 폭발로 인해 16블록 반경 내의 324개 건물이 손상되었습니다. 목표는 두 건물을 검사하여 손상된 부위의 구조적 무결성을 평가하고 예방 유지 보수를 계획하는 한편, 기념을 위해 역사적 사건에 의한 건물 손상을 보존하는 것이었습니다.
정확한 위치, 건물 표면, 각 이미지 및 관련 손상에 대한 제한된 정보를 제공하는 쌍안경 및 조준 촬영 지상 카메라에 의존하는 대신 디지털 트윈 3D 모델이 관련된 모든 이해관계자에게 이상적인 솔루션이었습니다. 3D 모델은 여러 시점에서 각 POI의 이미지를 오버레이할 수 있으므로 손상을 쉽게 식별하고 찾을 수 있습니다.
3D 모델 및 이미지 다중 POI
프로젝트의 목표는 다음과 같았습니다.
- 모든 지붕 및 외벽을 캡처하기 위해 드론 비행을 안전하게 작동.
- 캡처된 개별 이미지를 고품질 3D 표현으로 처리.
- 건물의 3D 메시 및 포인트 클라우드를 내보냄.
- 프로젝트를 관리하는 건축 회사와 데이터를 공유.
- 검사/완화 및 BIM 및 모델링 소프트웨어에서의 구현을 위한 모델 가져오기/구현을 지원합니다.
- 파일을 볼 수 있는 하드웨어 리소스가 없는 직원도 폭넓게 액세스할 수 있는 클라우드 기반 보기 솔루션을 제공.
- 건물 표면의 손상과 해당 위치의 상관관계를 위한 프로젝트 파일을 제공합니다.
디지털 트윈을 위한 데이터 캡처 시 고려 사항
고품질 디지털 트윈을 제작하기 위한 계획을 수립할 때는 사진 측량 처리 소프트웨어 내에서 사용할 수 있는 최상의 데이터를 캡처하기 위한 몇 가지 핵심 요소를 이해해야 합니다. 먼저 이러한 요소가 무엇인지 살펴보겠습니다. 그런 다음 이후 섹션에서는 Paper Airplane이 DJI와 Dronelink의 조합을 사용하기로 선택한 이유를 살펴보겠습니다.
화질:
캡처된 이미지의 화질이 가장 중요합니다. 고화질 이미지를 생성하는 카메라의 핵심 요소는 센서 크기, 셔터 품질, 해상도입니다.
대형 센서를 사용하면 이미지의 다이내믹 레인지를 늘릴 수 있습니다. 그러면 동일한 프레임에서 저조도 또는 음영 부분과 햇빛을 잘 받는 부분을 함께 사진으로 담아낼 수 있습니다. 이러한 조명 조건은 높은 구조물 주변의 데이터를 캡처할 때 매우 일반적입니다. 이미지 촬영 시 드론이 끊임없이 움직이기 때문에 이미지 왜곡이나 흐림 현상을 최소화하기 위해 고품질 기계식 셔터를 사용하는 것도 중요합니다. 이미지 안정성은 모션 블러를 줄이고 카메라 포커스를 맞추는 데 매우 중요하며, 특히 고도로 도시화된 지역과 같이 강풍에 취약한 지역에서는 더욱 그렇습니다.
이미지 정확도:
3D 모델을 생성할 때 이미지의 위치를 이해하면 출력 메시의 품질과 처리 시간을 개선하는 데 도움이 됩니다. 그러나 도시 과밀 지역에서는 고층 건물이 하늘(및 위성)의 시야를 제한하고 GPS 품질을 저하시킬 수 있습니다. DJI의 엔터프라이즈급 드론은 실시간 이동 측량(RTK) 기능을 사용하여 복잡한 환경에서 포지셔닝 오류를 최소화합니다. 드론의 RTK 수신기는 향상된 위치 정확도를 위해 베이스 스테이션 또는 NTRIP 공급자를 참조할 수 있습니다. DJI Enterprise 드론의 RTK 및 정확성에 대해 자세히 알아보려면 이 링크를 확인하세요.
자산 적용 범위:
고품질 재구성을 위해서는 자산의 모든 부분을 여러 각도에서 캡처해야 합니다. 여기에는 지붕 및 모든 외벽의 NADIR 이미지 캡처를 포함하며, 처리하기에 충분하도록 오버랩합니다. 다양한 카메라 각도를 통해 발코니 밑면과 같은 다양한 형상을 커버할 수 있습니다. 외벽 캡처를 위해 비행할 때 이미지 사이에 수평 및 수직으로 적절한 이미지 중첩을 유지하는 것은 어려울 수 있습니다. 특히, 샘플 거리, 카메라 각도, 카메라 센서 크기는 모두 중첩을 유지하는 데 필요한 비행 패턴에 영향을 준다는 점으로 고려하면 더욱 그렇습니다.
비행 제어 소프트웨어 사용은 NADIR 매핑 비행 및 외벽 수직 매핑 비행에서 이러한 데이터 캡처 매개변수를 모두 관리하는 데 필수적입니다. 사전 설정된 중첩 값과 카메라 각도를 사용하여 정의된 경계 내에서 수직 기둥, 적층식 수평 경로, 격자 또는 망상 패턴과 같은 패턴을 비행하도록 자동화된 임무를 생성할 수 있습니다.
공간 해상도/샘플 거리:
재구성 품질에 영향을 미치는 중요한 요소는 해상도입니다. 해상도가 높을수록 물체의 세부 묘사가 높아지므로 3D 모델이 작은 형상을 더 잘 정의할 수 있습니다. 이미지의 해상도는 카메라 사양과 촬영 대상과의 거리에 따라 달라집니다. 자주 사용되는 용어는 지상 매핑에 자주 사용되는 그라운드 샘플 거리(GSD)로, 건물 외벽의 경우 샘플 거리라고 합니다. 이는 자산에서 측정된 이미지의 단일 픽셀 크기를 나타냅니다(예: 0.10"/px | 0.24cm/px).
해상도와 자산 적용 범위는 밀접하게 연관되어 있습니다. 필요한 샘플 거리와 해상도를 결정하면 드론이 자산 표면에서 얼마나 멀리 떨어져 있어야 하는지를 결정하는 데 도움이 됩니다. 이에 따라 자산 적용 범위를 보장하기 위해 전면 및 측면 중첩을 유지하는 데 필요한 비행 패턴이 결정됩니다.
이제 디지털 트윈을 생성하기 위한 몇 가지 핵심 요소를 이해했으므로 이러한 요구 사항을 충족할 수 있는 특정 하드웨어 및 소프트웨어에 대해 살펴보겠습니다.
하드웨어 선택
DJI Mavic 3 Enterprise는 확장 가능한 하드웨어 솔루션을 위한 탁월한 선택입니다. 20MP 이미지를 캡처하는 대형 4/3” 센서를 장착한 이 드론은 최고의 이미지를 캡처하는 데 도움이 되는 놀라운 다이내믹 레인지를 제공합니다. 대형 센서가 0.7초로 작동하는 기계식 셔터와 결합되어 있어 M3E는 동급 최강의 성능을 발휘합니다. 이 고속 기계식 셔터는 이미지 화질에 영향을 주지 않고 더 빠른 비행을 가능하게 하여 현장에서의 시간을 절약할 수 있습니다. 소형 폼 팩터이므로 작업하기 쉽고 디지털 트윈 작업에 적합한 카메라 시스템을 갖추고 있습니다. 또한 최대 45분의 긴 배터리 사용 시간 덕분에 임무 중에 여러 번 배터리를 교체할 필요가 줄어들고 현장에서 필요한 총 배터리 수도 제한됩니다.
2초 인터벌로미터를 사용하는 일반 소비자용 드론(Mavic 2 Pro)과 비교할 때 M3E는 동일한 사이트에서 더 고품질의 결과로 더 신속하게 임무를 수행합니다. 또한 Mavic 3 Enterprise는 교체 가능한 RTK 수신기로 안전하게 비행하면서 인치 수준의 정확한 데이터를 캡처할 수 있습니다.
동일한 사이트를 M2P보다 2배 빠르게 캡처하는 M3E를 보여주는 Dronelink의 임무 추정치
비행 제어 소프트웨어로 데이터 캡처 자동화
자동화된 비행 도구를 사용하지 않고도 안전한 작동을 보장하면서 고해상도로 전체 자산 적용 범위를 관리하기란 쉽지 않습니다. 이 프로젝트를 위해 Paper Airplane은 Dronelink를 사용했습니다. Dronelink는 임무 계획을 수립하기 위한 일련의 비행 제어 도구 및 워크플로를 제공하고 임무 계획을 자율적으로 실행합니다. Dronelink는 수직 매핑에 사용되는 외벽 임무뿐만 아니라 지붕을 캡처하기 위한 지도 임무를 비행할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다.
외벽 및 지도 임무 유형이 결합된 이 사이트의 복합 임무 계획에 대한 Dronelink 임무 미리보기
Dronelink 내에서 몇 가지 주요 입력을 사용하여 외벽 임무를 쉽게 생성할 수 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 외벽의 경계(좌측 및 우측 측면, 높이 및 최소 안전 고도).
- 수직 및 수평 중첩.
- 자산 표면 및 사용 중인 카메라 센서로부터의 목표 거리.
- 카메라 각도.
수직 기둥을 비행하는 단일 외벽 임무 및 설정 매개변수를 보여주는 Dronelink 미션 플래너 및 3D 미리보기
외벽 임무는 두 가지 워크플로를 사용하여 생성할 수 있습니다.
- 웹 또는 모바일 앱에서 미션을 사전 계획.
- 드론을 사용하여 현장에서 생성된 즉석 임무.
외벽 임무를 사전 계획하려면 노트북 또는 모바일 앱에서 미션 플래너를 사용하여 사전에 임무 계획을 생성해야 합니다. 자세한 내용은 여기를 참조하세요. 임무가 계획되면 현장에서 지리적 수정 기능을 사용하여 건물 모서리와 같은 알려진 참조 지점을 기반으로 임무를 조정할 수 있습니다. 제한 구역을 추가하여 비행 금지 구역을 지정할 수도 있습니다. 두 기능 모두 정확성과 안전성을 향상시키는 데 유용합니다.
즉석 임무에서는 조종사가 드론 위치를 사용하여 비행 경계 영역을 시각적으로 표시하고 카메라 중첩 및 기타 설정을 설정하여 현장에서 임무를 생성할 수 있습니다. 조종사에게는 모바일 앱 내에서 일련의 단계별 지침을 통해 임무를 생성하는 주요 입력 사항이 표시됩니다(아래 참조). 일단 생성된 임무는 자산에 맞춰 조정되고 한 번에 하나의 건물 외벽에 대해 실행됩니다. 이 기능을 통해 조종사는 속도, 중첩, 최소 높이 제한 및 기타 특정 영역과 같은 환경적 제약을 고려하여 계획을 조정할 수 있습니다.
이 사이트를 위해 Paper Airplane은 각 외벽을 캡처하기 위해 두 가지 카메라 각도와 지붕에 대한 사전 계획된 지도 임무를 사용하여 외벽 즉석 임무를 실행하기로 선택했습니다.
즉석 적응식 외벽 임무를 시작한 후 조종사는 드론을 수동으로 비행하여 다음과 같이 필요한 주요 입력을 표시했습니다(아래 이미지 참조).
- 1단계: 건물의 오른쪽 모서리
- 2단계: 왼쪽 모서리
- 3단계: 위쪽 가장자리
- 4단계: 최소 안전 고도, 목표 거리 및 짐벌 피치
- 추가 단계: 패턴 및 중첩(표시되지 않음)
외벽 임무를 즉석에서 생성하는 단계
필요한 모든 입력이 제공되면 임무가 생성되고 비행 전에 3D로 미리 볼 수 있습니다. 다음으로, 조종사가 시작을 선택하면 Dronelink가 임무를 수행하기 시작합니다.
드론 오프셋 패널을 보여주는 자율 외벽 비행
임무가 실행되는 동안 조종사는 안전한 작동을 보장하기 위해 드론 및 주변 환경을 모니터링하는 데 집중할 수 있습니다. 우측의 드론 오프셋 패널은 조종사가 캡처 도중 장애물에 가까워질 때 고도를 약간 조정하는 등의 실시간 입력을 할 수 있도록 합니다. 조종사는 언제라도 임무를 일시 중지하고 직접 제어할 수 있습니다. 마지막 위치는 수동으로 일시 중지 후 또는 배터리 교환을 위해 저장되며, 조종사는 중단된 지점부터 임무를 재개하여 후처리를 위해 데이터 및 중첩의 연속성을 유지할 수 있습니다.
즉석 외벽 임무에 대한 전체 동영상은 여기에서 시청하세요.
이 프로젝트를 위해 Paper Airplane은 12번의 적응형 외벽 임무와 2번의 지도 임무를 수행하여 완벽한 적용 범위를 보장했습니다. 필요한 디지털 트윈을 생성하기 위해 각 외벽 표면마다 0도 및 -20도 카메라 각도를 사용하여 두 번 비행했습니다. 각 외벽 임무는 80% 수직 및 80% 수평 중첩 비율의 수직 비행 패턴을 사용하여 비행했습니다. 0.14"/px | 0.35cm/px의 샘플 거리를 달성하기 위해 40피트의 목표 거리를 사용했습니다.
작동 안전상의 이유로 수평 비행 패턴 대신 수직 비행 패턴을 선택했습니다. 주변 건물과 도시 환경으로 인해 수직 기둥을 사용하면 드론이 기둥 내에서 위아래로 비행할 때 조종사가 드론 아래에 서 있을 수 있어 바로 아래에 다른 사람이 있을 수 없습니다.
데이터 처리 및 분석
현장에서 데이터가 캡처되면 이제 사후 처리가 필요합니다. DJI Terra는 고품질 3D 모델을 생성할 수 있는 경제적인 로컬 처리 엔진입니다. DJI Terra로 3D 모델 출력을 생성하는 프로세스는 여기에서 찾을 수 있습니다.
데이터 처리 시 사용되었을 수 있는 지상 기준점(GCP)을 모두 포함해야 합니다. GCP는 3D 모델을 생성하는 데 필요하지 않지만 절대적인 정확도와 타이 포인트 생성에 도움이 될 수 있습니다. GCP에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요. 처리 중에 수동 타이 포인트(MTP)를 사용하여 보다 밀도가 높은 3D 메시를 생성할 수도 있습니다.
데이터가 3D 모델로 처리되면 최종 사용자(이 경우 일반 도급업체 및 건축가)가 이미지를 검토하고 3D 모델에서 손상 또는 관심 영역의 정확한 위치를 식별할 수 있습니다. 이 기능은 주의가 필요한 영역이 어디에 있는지 파악하는 데 매우 유용합니다. 측정 도구는 손상된 부위의 정확한 위치 및 크기를 결정하고 유지 보수 작업을 계획하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
3D 모델 이미지의 최종 결과
결론
드론 및 사진 측량법을 사용하여 물리적 자산의 디지털 트윈을 생성하는 것은 모든 산업에서 조직이 작업을 수행하는 방식을 변화시키고 있습니다. 이러한 조직의 주요 이해관계자가 디지털 트윈을 온라인으로 액세스할 수 있도록 함으로써 수많은 시간을 절약할 수 있으며, 이를 통해 보다 효율적으로 작업할 수 있고 내부 워크플로를 최적화할 수 있습니다.
Paper Airplane은 DJI Enterprise 드론을 Dronelink의 비행 자동화 소프트웨어와 결합하여 이 복잡한 프로젝트를 비롯하여 뛰어난 성과를 거두었으며, 업계 전반에 걸쳐 디지털 혁신의 물결을 이끄는 업계 리더 대열에 합류했습니다.
Dronelink 정보
Dronelink는 선도적인 DJI 드론을 위한 자동화된 임무, 워크플로 및 비행 도구를 제공하는 드론 비행 제어 소프트웨어입니다. 웹, 모바일 기기 및 조종기에서 지원되며 조종사는 지도, 웨이포인트, 궤도, 파노라마, 수직 매핑, 또는 검사를 위한 임무를 비행하거나 또는 궤도, 추종 또는 포커스과 같은 비행 모드를 사용할 수 있습니다. 여러 임무를 서로 연결하고, 모든 세부 사항을 자동화하고, 3D로 미리보고, 향상된 드론 정밀도 및 정확도를 실현할 수 있습니다. 자세한 내용은 dronelink.com을 참조하세요.
Paper Airplane 정보
Paper Airplane은 측량, 검사, 평가 및 예측 유지 보수를 통해 데이터 분석을 제공하는 종합 UAS 서비스 제공업체입니다. 제품은 고유하고 강력하면서도 이해하기 쉬운 결과물을 생성하기 위해 고객의 개별적인 요구에 맞춰 조정됩니다. Paper Airplane은 측량, 건물 외관 검사, 유틸리티/ROW 검사, 메탄 검출, 우수 검사/BMP 매핑 등의 서비스를 제공합니다. 자세한 내용은 www.pprair.com을 참조하세요.
