A transformação digital está em ascensão em todos os setores, e parte disso inclui a criação gêmeos digitais de ativos físicos. Um gêmeo digital é uma representação digital de um objeto físico, que pode incluir um modelo 3D junto com outros dados do sensor. Um gêmeo digital é usado para monitorar, gerenciar e manter um ativo físico.
Criar Gêmeos Digitais
Os drones desempenham um papel fundamental no fornecimento de dados para a criação de gêmeos digitais. Posicionar uma câmera sobre cada local em um ativo proporciona vantagens em termos de velocidade, frequência e segurança. Os dados do drone são usados para criar um modelo 3D usando fotometria e inspecionar o ativo.
Capturar dados de qualidade com um drone para criar um modelo 3D de alta resolução pode ser difícil, especialmente para determinados ativos, como dois prédios enormes em um ambiente urbano.
A obtenção de modelo 3D de qualidade profissional requer que um piloto capture imagens de uma maneira específica, incluindo o gerenciamento de variáveis como sobreposição de imagem, ângulos da câmera, distância de amostra e exposição de imagem para cada fachada do edifício. O piloto deve balancear todos esses fatores e, ao mesmo tempo, estar ciente de seus arredores, cumprir com as regulamentações, manter a segurança e muito mais.
Então, como você captura com segurança as imagens necessárias de um local complexo, como dois edifícios em um ambiente urbano?
A resposta é usar a automação de voo.
Visualização do plano de missão do Dronelink 3D no Google Earth
Missões de fachada de mapeamento vertical e missões de mapeamento cruzado do Dronelink, um software de controle de voo compatível com drones DJI, foram usadas para capturar de forma autônoma os dados para criar um gêmeo digital do Oklahoma District Court House e do Federal Judicial Learning Center and Museum.
O uso de voo automatizado foi fundamental para permitir que a Paper Airplane, uma empresa de soluções de drones frequentemente contratada para projetos de inspeção, avaliação e manutenção preditiva, entregasse esse histórico projeto de memorialização e restauração. A capacidade de capturar dados de alta qualidade com segurança e eficiência permitiu a subsequente produção de produtos de alta qualidade que excederam as expectativas do cliente.
Piloto da Paper Airplane voando a missão da cobertura
Preparando a Cena
A Paper Airplane, uma empresa especializada em serviços de drones, foi contratada para criar um gêmeo digital da Oklahoma District Court House e do Federal Judicial Learning Center and Museum. O objetivo deste projeto foi preservar e restaurar o significado histórico desses prédios.
Este local fica do outro lado da rua, de onde ocorreu o atentado de Oklahoma City em 1995. A explosão da bomba danificou 324 prédios em um raio de 16 quadras. Os objetivos eram inspecionar os dois prédios para avaliar a integridade estrutural das áreas danificadas e planejar qualquer manutenção preventiva, preservando os danos do evento histórico nos prédios em memória.
Em vez de utilizar binóculos e câmeras em terra de apontar e disparar, que oferecem informações limitadas sobre a localização exata, a superfície do edifício, cada imagem e danos relacionados, um modelo 3D de gêmeo digital foi a solução ideal para todas as partes interessadas envolvidas. O modelo 3D permite que imagens de várias perspectivas de cada ponto de interesse sejam sobrepostas, facilitando a identificação e a localização de qualquer dano.
Modelo 3D e uma imagem com múltiplos POI
As metas para o projeto incluíram:
- Operação segura de voos com drones para a captura de todos os telhados e fachadas.
- Processamento de imagens individuais capturadas em uma representação 3D de alta qualidade.
- Exportar a malha 3D e a nuvem de pontos dos edifícios.
- Compartilhar dados com a empresa de arquitetura que gerenciava o projeto.
- Ajudar a importar/implementar modelos para inspeção/mitigação e para implementação em BIM e software de modelagem.
- Fornecer uma solução de visualização baseada em nuvem para amplo acesso ao pessoal que pode não ter os recursos de hardware para visualizar o arquivo em seu formato original
- Fornecer um arquivo de projeto para correlação do dano à sua localização na superfície do prédio.
Considerações ao capturar dados para gêmeos digitais
Ao criar um plano para produzir um gêmeo digital de alta qualidade, devemos entender alguns fatores importantes para capturar os melhores dados possíveis para uso no software de processamento de fotometria. Primeiro, vamos explorar quais são esses fatores. Em seguida, nas seções seguintes, vamos examinar a razão pela qual a Paper Airplane optou por utilizar a combinação do DJI e do Dronelink.
Qualidade de Imagem:
A qualidade das imagens capturadas é de extrema importância. Os principais fatores de uma câmera que fazem uma imagem de alta qualidade são o tamanho do sensor, a qualidade do obturador e a resolução.
Ter um sensor grande ajuda a aumentar o intervalo dinâmico da imagem. Isso ajuda a capturar fotos em áreas com pouca iluminação ou sombreadas com recursos com luz solar dentro do mesmo quadro. Essas condições de iluminação são muito comuns na captura de dados em estruturas altas. Também é importante ter um obturador mecânico de alta qualidade para minimizar distorções ou desfoques de imagem, uma vez que um drone se move constantemente ao capturar imagens. A estabilidade da imagem também é crucial para reduzir a desfocagem por movimento e ajudar no foco da câmera, especialmente em áreas suscetíveis a altas correntes de vento, como áreas altamente urbanizadas.
Precisão da Imagem:
Ao criar um modelo 3D, entender a localização da imagem pode ajudar a melhorar a qualidade do resultado da malha e os tempos de processamento. Mas em áreas densamente urbanas, edifícios altos podem limitar a vista do céu (e satélites) e, por sua vez, degradar a qualidade do GPS. Os drones de nível empresarial da DJI usam cinemática em tempo real (RTK) para minimizar erros de posicionamento em ambientes complexos. O receptor RTK do drone pode fazer referência a uma estação base ou fornecedor NTRIP para melhorar a precisão de posicionamento. Para saber mais sobre RTK e precisão com os drones DJI Enterprise, confira este link.
Cobertura de Ativos:
Cada parte do ativo precisa ser capturada de vários ângulos para uma reconstrução de alta qualidade. Isso inclui capturar imagens NADIR do teto e de cada fachada, com sobreposição suficiente para processamento. Diferentes ângulos da câmera ajudam a garantir a cobertura de várias estruturas, como a parte inferior de uma varanda. Manter as sobreposições de imagem adequadas entre as imagens horizontal e verticalmente pode ser um desafio ao voar uma captura de fachada, especialmente ao considerar a distância da amostra, o ângulo da câmera e o tamanho do sensor da câmera, todos afetam o padrão de voo necessário para manter as sobreposições.
O uso do software de controle de voo é essencial para gerenciar todos esses parâmetros de captura de dados para voos de mapeamento NADIR e voos de mapeamento vertical de fachada. Missões automatizadas podem ser criadas para padrões de voo, como colunas verticais, caminhos horizontais empilhados e padrões de grade ou cruzadas dentro de um limite definido usando valores de sobreposição predefinidos e ângulos da câmera.
Resolução Espacial/Distância da Amostra:
Um fator importante que afeta a qualidade da reconstrução é a resolução. Uma resolução mais alta resultará em mais detalhes do objeto, permitindo que o modelo 3D tenha mais definição de recursos menores. A resolução de uma imagem depende das especificações da câmera e da distância do objeto que está sendo gerado. Um termo frequentemente usado é a Distância da Amostra em Terra (GSD), que é frequentemente usada no mapeamento de terreno e, no caso de uma fachada de edifício, é chamada Distância da Amostra. Refere-se às dimensões de um único pixel em uma imagem, conforme medidas no ativo (por exemplo, 0,10 pol/px | 0,24 cm/px).
A resolução e a cobertura de ativos estão estreitamente interligadas. Determinar a distância da amostra e a resolução desejadas ajudará a determinar a distância do drone em relação à superfície do ativo. Isso, por sua vez, determina o padrão de voo necessário para manter sobreposições frontais e laterais para garantir a cobertura do ativo.
Agora que entendemos alguns fatores importantes para a criação de gêmeos digitais, vamos falar sobre o hardware e software específicos que podem atender a esses requisitos.
Escolhendo o Hardware
O DJI Mavic 3 Enterprise é uma excelente escolha para uma solução de hardware escalável. Com um grande sensor de 4/3" capturando imagens de 20MP, este drone tem uma incrível faixa dinâmica para ajudar a capturar as melhores imagens possíveis. Um sensor grande associado a um obturador mecânico que opera em 0,7 segundos coloca os M3E entre os melhores em sua categoria. Esse obturador mecânico mais rápido permite um voo mais rápido sem afetar a qualidade da imagem, economizando tempo no local. Seu formato pequeno facilita o trabalho e tem o sistema de câmera adequado para qualquer trabalho de gêmeo digital. Além disso, uma bateria de longa duração de até 45 minutos reduz a necessidade de várias trocas de bateria durante uma missão e limita o número total de baterias necessárias em campo.
Em comparação com um drone de consumo (Mavic 2 Pro) com um intervalômetro de 2 segundos, o M3E realiza o mesmo local mais rapidamente com resultados de qualidade mais alta. O Mavic 3 Enterprise também pode capturar dados precisos em nível de polegadas enquanto voa com segurança com um receptor RTK substituível.
Estimativas de missão do Dronelink mostrando M3E capturando o mesmo site 2x mais rápido do que o M2P
Automatizando a Captura de Dados com o Software de Controle de Voo
Gerenciar a cobertura completa de ativos com alta resolução e, ao mesmo tempo, garantir operações seguras é um desafio sem utilizar ferramentas de voo automatizadas. Para este projeto, a Paper Airplane usou o Dronelink, que oferece um conjunto de ferramentas de controle de voo e fluxos de trabalho para criar planos de missão e executá-los de forma autônoma. O Dronelink tem a capacidade de voar missões de fachada, que são usadas para mapeamento vertical, bem como missões de mapa para capturar os telhados.
Visualização da missão do Dronelink de um plano de missão combinado deste local mostrando fachada e tipos de missão de mapa combinados
Dentro do Dronelink, uma missão de fachada pode ser criada facilmente usando algumas entradas importantes. Elas incluem:
- Limite da fachada (lados esquerdo e direito, altura e altitude mínima segura).
- Sobreposição vertical e horizontal.
- Distância alvo da superfície do ativo e do sensor da câmera que está sendo usado.
- Ângulo da câmera.
Plano de missão Dronelink e visualização 3D mostrando uma única missão de fachada voando colunas verticais e os parâmetros de configuração
Uma missão de fachada pode ser criada usando dois fluxos de trabalho diferentes:
- Missões pré-planejadas na Web ou no aplicativo móvel.
- Missões dinâmicas geradas em campo usando o drone.
As missões de fachada pré-planejadas requerem a criação antecipada do plano de missão, usando o planejador de missão em um laptop ou aplicativo móvel. Saiba mais aqui. Quando uma missão é planejada, os recursos de retificação geográfica podem alinhar a missão no campo com base em um ponto de referência conhecido, como a quina de um edifício. Zonas de restrição também podem ser adicionadas para criar zonas sem voo. Ambos os recursos são úteis para maior precisão e segurança.
As missões dinâmicas de fachada permitem que um piloto gere a missão no campo, usando a posição do drone para marcar visualmente a área de limite do voo, definir sobreposições de câmera e outras configurações. Um piloto é solicitado por meio de uma série de instruções passo a passo no aplicativo móvel para marcar as principais entradas que irão gerar a missão (mostrado abaixo). Uma vez gerada, a missão se alinha ao ativo e executa uma fachada de edifício por vez. Esse recurso permite que os pilotos ajustem seus planos para levar em conta as restrições ambientais, como velocidade, sobreposição, restrições mínimas de altura e outras áreas específicas.
Para este local, a Paper Airplane optou por executar missões dinâmicas de fachada para capturar cada fachada usando dois ângulos de câmera diferentes e missões de mapa pré-planejadas para os telhados.
Depois de abrir a missão dinâmica de fachada adaptável, o piloto voou o drone manualmente para marcar as seguintes entradas principais necessárias, conforme mostrado na imagem abaixo.
- Etapa 1: Quina direita do edifício
- Etapa 2: Quina esquerda
- Etapa 3: Borda superior
- Etapa 4: Altitude mínima segura, distância alvo e inclinação da suspensão cardã
- Etapas adicionais: padrão e sobreposições (não mostrados)
Etapas para criar uma missão dinâmica de fachada
Depois que todas as entradas necessárias são fornecidas, a missão é gerada e pode ser visualizada em 3D antes do voo. Em seguida, o piloto seleciona Iniciar, e Dronelink começa a voar a missão.
Voo de fachada autônoma mostrando painel de compensações do drone
À medida que a missão é executada, o piloto pode se concentrar no monitoramento do drone e de seus arredores para garantir operações seguras. O painel de compensações do drone à direita permite que o piloto faça entradas em tempo real durante a captura, como pequenos ajustes na altitude ao se aproximar de um obstáculo. A qualquer momento, um piloto pode pausar a missão e assumir o controle. A última posição será salva, seja após uma pausa manual ou para uma troca de bateria, e o piloto pode retomar a missão de onde parou, mantendo a continuidade nos dados e sobreposições para pós-processamento.
Assista a um vídeo completo da Missão Dinâmica de Fachada aqui.
Para este projeto, a Paper Airplane voou 12 missões dinâmicas de fachada adaptáveis e duas missões de mapa, para garantir cobertura completa. Para criar o gêmeo digital necessário, cada face da fachada foi voada duas vezes, usando um ângulo de câmera de 0 graus e -20 graus. Cada missão da fachada foi pilotada usando um padrão de voo vertical com 80% de sobreposição vertical e 80% de sobreposição horizontal. Uma distância alvo de 40 pés foi usada para atingir uma distância da amostra de 0,14 pol/px | 0,35 cm/px.
Um padrão de voo vertical foi selecionado em vez de um padrão de voo horizontal por motivos de segurança operacional. Devido aos prédios ao redor e a um ambiente urbano, as colunas verticais permitiram que um piloto se posicionasse abaixo do drone enquanto ele voava para cima ou para baixo dentro de uma coluna, garantindo que ninguém mais pudesse estar diretamente sob ele.
Processamento e Aálise de Dados
Depois que os dados são capturados no local, é hora do pós-processamento. O DJI Terra é um mecanismo de processamento localizado acessível capaz de gerar modelos 3D de alta qualidade. O processo de geração de um modelo 3D com DJI Terra pode ser encontrado aqui.
Ao processar dados, certifique-se de incluir quaisquer Pontos de Controle da Terra (GCPs) que possam ter sido usados. Os BPCs não são necessários para criar modelos 3D, mas podem ajudar com precisão absoluta e gerar pontos de amarração. Para saber mais sobre o GCP, clique aqui. Durante o processamento, os Pontos de Amarração Manual (MTPs) também podem ser usados para criar uma malha 3D mais densa durante o processamento.
Com os dados processados em um modelo 3D, é possível que os usuários finais (neste caso, o empreiteiro e os arquitetos) revisem as imagens e identifiquem a posição exata de quaisquer danos ou áreas de interesse no modelo 3D. Esse recurso é extremamente útil para ajudar a fornecer o contexto de onde uma área que requer atenção está localizada. As ferramentas de medição podem determinar os locais e o tamanho exatos da área danificada e ajudar no planejamento de qualquer trabalho de manutenção.
Resultados finais da imagem do modelo 3D
Conclusão
A criação de gêmeos digitais de ativos físicos usando drones e fotometria está mudando a forma como as organizações de todos os setores estão realizando o trabalho. Tornar os gêmeos digitais acessíveis online aos principais interessados nessas organizações economiza inúmeras horas, o que permite que eles sejam mais eficientes e ajuda a otimizar seus próprios fluxos de trabalho internos.
Os drones DJI Enterprise combinados com o software de automação de voo do Dronelink permitiram que a Paper Airplane entregasse este projeto complexo, e muito mais, com resultados extraordinários, juntando-se a outros líderes do setor conduzindo a onda de transformação digital em todos os setores.
Sobre o Dronelink
O Dronelink é um software de controle de voo com drones que oferece missões automatizadas, fluxos de trabalho e ferramentas de voo para os principais drones da DJI. Compatível com web, dispositivos móveis e controles remotos; os pilotos podem voar missões para mapas, passagens, órbitas, panorâmicas, mapeamento vertical, ou inspeções, ou utilizar modos de voo, como órbita, seguir ou foco. Vincular várias missões juntas, automatizar todos os detalhes, visualizar em 3D e até desbloquear a precisão e a exatidão aprimoradas do drone. Saiba mais em dronelink.com.
Sobre o Paper Airplane
A Paper Airplane é uma provedora de serviços UAS completo que oferece análise de dados por meio de pesquisa, inspeção, avaliação e manutenção preditiva. Os produtos são personalizados de acordo com as necessidades individuais do cliente para criar resultados que são exclusivos e poderosos, mas fáceis de entender. A Paper Airplane oferece serviços de pesquisa, inspeção de envelope de prédio, inspeção de serviços públicos/ROW, Detecção de Metano, inspeção de águas pluviais/mapeamento BMP, etc. Saiba mais em www.pprair.com.
Para saber mais sobre outros estudos de caso com gêmeos digitais, clique aqui.
