Wewnętrzne rekonstrukcje 3D

Jaki jest cel wewnętrznej fotogrametrii?

Oczywiście jest wiele powodów dla których warto zastosować fotogrametrię w przestrzeniach zamkniętych (umownie nazwijmy ją fotogrametrią wewnętrzną). Poniżej kilka przykładów najczęściej podawanych przez klientów.

Lepsze zrozumienie i ukazanie zebranych danych

Biorąc pod uwagę cały proces tworzenia modeli 3D czy raportów technicznych i inspekcji za pomocą dronów, pozyskiwanie danych przez te pojazdy to tylko mały fragment całej pracy. W następnej kolejności dane muszą być przeanalizowane tak aby wybrać najbardziej potrzebne informacje. Za pomocą takich platform jak Elios 1 czy Elios 2 pilot może zaznaczyć tzw punkty zainteresowania ( POI ) podczas lotu i z łatwością wrócić do nich podczas analizy materiału przy pomocy odpowiedniego oprogramowania. Każdą klatkę trzeba przeglądać jednak starannie, gdyż z łatwością można pominąć drobne uszkodzenia czy mankamenty badanej infrastruktury. Następną bardzo ważną dla inżynierów rzeczą jest określenie gdzie znajdują się konkretne punkty zainteresowania POI na planach czy w modelu CAD. Zazwyczaj wiąże się to z wielokrotnym przeglądaniem materiału i bazowaniu na wiedzy i wyobraźni przestrzennej ( trzeba pamiętać że w przeciwieństwie do wielu prac zewnętrznych te wewnętrzne nie posiadają żadnych punktów geolokalizacjach ). To zaś, sprawia, że określenie konkretnego POI w obiekcie jest czasochłonnym procesem nie raz, wymagającym np. liczenia pojedynczych śrub czy spawów. Tego typu metody działają, aczkolwiek są uciążliwe i nie zbyt praktyczne przy większych obiektach.

W wielu przypadkach, model 3D wnętrza obiektu, pozwala na uproszczenie tego zadania a także znaczną redukcje czasu potrzebnego do jego wykonania. O wiele łatwiej określić położenie danych punktów posiadając model 3D wnętrza i trajektorię lotu drona.  Ryzyko pominięcia danego zdjęcia czy obszaru maleje, natomiast zrozumienie geometrii całego obiektu wzrasta.

Pomiary

Informacje wizualne są zazwyczaj pierwszą, najprostszą formą prezentowania danych z  wewnętrznej inspekcji UAV. Jednak to co najważniejsze dla inżynierów to liczby i pomiary, to właśnie dzięki nim mogą podejmować konkretne decyzje. Dzięki możliwości skupienia inspekcji na konkretnym fragmencie jesteśmy wstanie wykonać bardzo dokładny model 3D konkretnego obszaru, to znów umożliwia wykonanie dokładnych pomiarów. Dla przykładu Elios 2 wykonuje zdjęcia z GSD ( Ground Sampling Distance ) w granicach 0.18mm/pix przy odległości ok. 30 cm od obiektu. Ta rozdzielczość pozwala odpowiedniemu programowi do fotogrametrii na tworzenie bardzo precyzyjnych  modeli 3D.

Bardzo ważne aby w naszym modelu umieścić elementy którego znane nam są dokładne wymiary. Dzięki takiemu zabiegowi, jesteśmy wstanie uzyskać bardzo dużą dokładność a także skalować model 3D nawet bez wykorzystania naziemnych punktów kontrolnych GCP.

Kontrola stanu i ukształtowania obiektu – przykład kopalni

Powyższe zastosowanie ma w sobie duży i konkretny potencjał, na razie głównie stosowane jest w przemyśle wydobywczym, ale powoli znajduje zwolenników w innych dziedzinach przemysłu. Kopalnie podziemne zajmują się głównie wydobyciem danego surowca z wnętrza ziemi. W zależności od rodzaju kopalni surowiec może być mniej lub bardziej niebezpieczny do wydobycia. Na przykład jednym z większych zagrożeń są osuwiska w miejscu świeżo wydobytego surowca. W tych miejscach jest absolutny zakaz przebywania pracowników kopalni. Po wysadzeniu i odłamaniu części surowca, wydobywany on jest taśmowo na powierzchnie. Najważniejszym zadaniem geotechników jest kontrolowanie takich miejsc podziemnych jak;. osuwiska, szyby, balkony, w taki sposób aby nie zagrażały górnikom pracującym w kopalni. Aby w pełni wywiązać się z obowiązków geotechnicy muszą dobrze znać i rozumieć ukształtowanie tego podziemnego terenu ( model 3D ) i jego kondycji ( informacje wizualne ). Fotogrametria w bardzo dobry sposób łączy te dwa elementy;  model 3D i informacje wizualne rozwiązując tym samym wiele problemów przed którymi stoją specjaliści. Modele 3D osuwisk dają możliwość zupełnie nowego spojrzenia na obszar wydobycia w kopalni a także zapewniają więcej bardziej czytelnych informacji. Jest to szczególnie ważne, gdyż w miejscach tych istnieje dużo zagrożeń, jak na przykład możliwość przygniecenia przez skały wielkości samochodu. Nie trzeba mieć zatem twórczej wyobraźni, aby zorientować się, jak ważnym jest odpowiednie zabezpieczenie takiego obszaru.

Monitoring i śledzenie zmian

Klasycznym przykładem zarządzania infrastrukturą jest monitorowanie i raportowanie jej stanu a także dokumentowanie historii jej zmian. To pozwala na odpowiednie planowanie prac konserwacyjnych i innych napraw zanim jakiś fragment kopalni zacznie zagrażać życiu jej pracowników. Podczas użycia dronów zewnętrznych nie stanowi to dużego problemu gdyż jesteśmy wstanie wykonać identyczne zdjęcia po dłuższym czasie w miejscu wcześniej oznaczonym przez GPS. Jednak do inspekcji wewnętrznych lub miejsc z brakiem zasięgu GPS tworzenie modeli 3D jest jedynym rozwiązaniem.

Planowanie prac renowacyjnych, remontów i zmian w projekcie

Zastosowania cyfrowej prezentacji obiektów fizycznych nie kończą się jednak na monitoringu stanu obiektu i decydowaniu kiedy podjąć odpowiednie działanie. Duży ich potencjał widać również podczas planowania konkretnych prac konserwacyjnych lub zmian w konstrukcji obiektu. CPOF jest bardzo przydatna również podczas planowania budowy rusztowań a także do stwierdzenie gdzie i w jaki sposób będzie do nich najlepszy dostęp. Dobrym przykładem jest również planowanie transportu obiektu o dużych gabarytach wewnątrz podziemnej przestrzeni. Analiza CPOF i późniejsze pomiary umożliwiają najbardziej optymalny transport i obranie najlepszej drogi. Jeśli chodzi zaś o zmiany w architekturze obiektu tutaj również modele 3D pełnią niebagatelną role znacznie ułatwiając planowanie i wizualizacje przyszłych zmian.

Szkolenia i bezpieczeństwo

Niebezpieczne miejsca pracy m.in. kopalnie, elektrownie czy huty wymagają specjalistycznych treningów nowej kadry i personelu. Dobrym przykładem w tej kwestii jest energetyka nuklearna. Aby odpowiednio zaplanować drogi ewakuacyjna na tego typu obiektach potrzebne są aktualne plany wszystkich pięter i pomieszczeń. I tutaj znowu cyfrowa prezentacja obiektów fizycznych wielokrotnie pokazała swoją przewagę. W takich wypadkach najczęściej ma miejsce połączenie materiału fotogrametrycznego z masą innych danych dotyczących obiektu. Całość zaś tworzy bardzo wyraźny obraz sytuacji, który niezbędny jest do odpowiedniego szkolenia i zapewnienia bezpieczeństwa personelu.
 

Gdzie możemy zastosować wewnętrzne modelowanie?

Wróćmy na chwile do problemów jakie czekają nas podczas fotogrametrycznych pomiarów wewnątrz przestrzeni zamkniętych.

Przestrzenie zamknięte: brak GPS, światła, zanieczyszczenia

Po pierwsze brak sygnału GPS sprawie, że zdjęcia wykonane przez drona nie posiadają geolokalizacji a tworzenie całości map, modeli 3D polega na łączeniu wizualnych szczegółów z pobranego materiału. Po drugie tego typu miejsca jakimi są przestrzenie zamknięte są zupełnie ciemne. Potrzebne zatem jest dodatkowe oświetlenie, problem polega jednak na tym, iż często jest to nie możliwe  w interesującym nas miejscu . Dla tego też specjalne regulowane oświetlenie w które wyposażony jest dron staje się jedynym rozwiązaniem. Ostatnią istotną różnicą pomiędzy zbieraniem danych w przestrzeni otwartej a zamkniętej jest częste zagracenie i zanieczyszczenie pomieszczeń poddanych inspekcji, dodatkowo są to nie rzadko bardzo ciasne i zawiłe obiekty co stwarza duży problem przy planowaniu całej misji.

Ponieważ Elios 2 został zaprojektowany specjalnie do inspekcji wewnętrznych jest on wstanie sprostać tym zadaniom. Dzięki swojej nowej, przystosowanej konstrukcji, która sprawia, że obiektyw nie jest niczym zasłonięty a mocne ledowe światła odpowiednio naświetlają interesujący nas obiekt. Elios 2 wykonuje znakomite zdjęcia o wysokiej rozdzielczości, które idealnie nadają się do fotogrametrii nawet w najciemniejszych miejscach. Elios 2 nagrywa w rozdzielczości 4K dzięki czemu otrzymujemy wystarczającą ilość zdjęć do tworzenia skomplikowanych modeli 3D nawet bez sygnału GPS. Klatka tego wspaniałego UAV sprawia  z kolei, że może one prowadzić inspekcje nawet w niebezpiecznych i bardzo wąskich miejscach a to bardzo istotne kiedy próbujemy mapować  zawiłe miejsca. Tak więc dzięki platformie Elios 2 możemy skupić się w 100 % na pozyskiwaniu materiału bez obawy o to co jest za nami, po bokach czy z przodu pojazdu.

Jakie miejsca są łatwe do mapowania a jakie stanowią większe wyzwanie?

Istnieją dwa główne aspekty determinujące trudność mapowania danego obiektu : zawartość jaka ma znaleźć się na zdjęciu i trajektoria lotu drona.

Fotogrametria sprawdzi się wszędzie gdzie możemy zdefiniować jakieś charakterystyczne punkty. Takim punktem może być każdy obiekt na zdjęciu z tym warunkiem, iż musi być na tyle charakterystyczny, aby został rozpoznany prze fotogrametryczny algorytm. Oczywiście w wielu przypadkach wszystko zależy od skali zdjęcia. Część obiektów z dalszej perspektywy  sprawia wrażenie jednolitych, natomiast sytuacja zupełnie się zmienia, kiedy zbliżymy drona np. na 30 cm od obiektu i o tym też musimy pamiętać.

W poniższej tabeli podzieliliśmy obiekty i ich struktury na; stanowiące łatwiejsze i trudniejsze wyzwanie w kontekście poboru danych fotogrametrycznych .

Geometria obiektu jest również ważnym elementem w odpowiednim przygotowaniu modelu 3D. Podczas gdy modelowanie prostych, płaskich kształtów nie jest problemem, skomplikowane i bardziej szczegółowe stanowią większe wyzwanie. Poniżej kilka przykładów:

Małe spojrzenie w przyszłość

Biorąc pod uwagę dzisiejsze tępo rozwoju nowych technologii, przyszłość zarządzania obiektami maluje się w jasnych barwach. Tworzenie modeli 3D obiektów za pomocą drona to tylko pierwszy krok, w przyszłości największym sukcesem będą pomiary i tworzenie całych planów w czasie rzeczywistym. Jeszcze jedną ciekawą możliwością która jest bardzo blisko realizacji są specjalne algorytmy rozpoznające automatycznie elementy widziane przez drony a także analizujące ich zmiany i stan.

Jako ciekawy przykład można podać pierwsze oprogramowania GIS które podczas swojej premiery wyprzedzały czasy 10 lat do przodu aczkolwiek nie wszystko było jeszcze możliwe z punktu widzenia systemu. Podobnie sytuacja wygląda w cyfrowym zarządzaniu obiektami specjalnymi. Dzięki technologii jaką posiadamy teraz; odpowiednie drony i systemy jesteśmy wstanie zredukować do minimum udział człowieka w procesie. Jest on jednak w jakimś stopniu dalej konieczny. Jak pisaliśmy już we wcześniejszych publikacjach rewolucją będzie opracowanie całkowicie autonomicznych systemów ,które na bieżąco zbierać będą materiały i analizować obiekty bez udziału człowieka a to bardzo bliska przyszłość.