Miesiąc po wdrożeniu do jednej z firm narzędzia pomiarowego opartego na dronie, otrzymaliśmy fascynujący feedback. Na nasze pytanie dotyczące ewentualnych problemów w związku z używaniem nowego narzędzia, otrzymaliśmy taką wiadomość: „Pomiary dronem spotykają się z najlepszą opinią – ze względu na prostotę, bezpieczeństwo, czas i możliwość powrotu do wszystkich wymiarów w każdym momencie”.
Tekst mgr inż. ŁUKASZ MALISZEWSKI
Teraz przyjrzyjmy się bliżej temu, dlaczego metoda pomiarów dachów za pomocą drona i fotogrametrii cieszy się tak dobrą reputacją.
Czy ta metoda jest prosta i jakim dronem można wykonywać pomiary?
Narzędzie składa się z dwóch kluczowych elementów: pierwszym jest dron z kamerą RGB (ang. Red, Green, Blue) – światło widzialne, większość dronów znanych marek na rynku ma wbudowaną kamerę RGB. Wszystkie drony z systemem pozycjonowania GPS (ang. Global Positioning System) oraz kamerą RGB o dobrej rozdzielczości nadają się do wymiarowania obiektów. Na zdjęciach przedstawiamy sześć dronów, które testowaliśmy podczas pomiarów dachu. Są to jedynie przykłady dostępnych na rynku dronów, które nadają się do wymiarowania obiektów kubaturowych.
Drugim elementem jest oprogramowanie komputerowe, które wykonuje szereg obliczeń na podstawie wgranych zdjęć z drona, tak zwanych stereogramów i tworzy geometrycznie dokładny model 3D, na którym wykonujemy pomiary zza biurka. Zasada jest bardzo prosta: tego, czego nie widać na zdjęciach, nie zmierzymy na wynikowym modelu 3D. Tutaj pojawia się kolejne zagadnienie: obsługa drona. Z doświadczenia wiemy, że aby sprawnie poruszać się dronem i wykonywać zdjęcia nadające się do wymiarowania dachu, dla osoby początkującej wystarczą około 4 h pod okiem instruktora. Warto zaznaczyć, że często wybieranymi dronami do wymiarowania są drony umożliwiające planowanie autonomicznych lotów, ustawiamy w aplikacji obszar, wysokość przelotu, pokrycie procentowe zdjęć i klikamy start. Dron samodzielnie startuje, następnie robi zdjęcia, a my jesteśmy odpowiedzialni jedynie za kontrolowanie i to, czy przelot przebiega poprawnie. Po zakończeniu misji dron samodzielnie ląduje. Jednak obsługa manualna drona nadającego się do wymiarowania dachu jest bardzo prosta. Dron podczas lotu korzysta z pozycjonowania GPS, po puszczeniu drążków sterowania dron stoi w miejscu korygując wiatr za pomocą wbudowanych sensorów IMU (ang. Inertial Measurement Unit). Obecnie dostępne na rynku drony niczym nie przypominają dronów sprzed kilkunastu lat, bardzo często na szkoleniach spotykam się z reakcją pod tytułem: – Myślałem, że będzie to o wiele trudniejsze.
Jakich dokładności można oczekiwać od tego narzędzia?
Do omówienia dokładności w kontekście wymiarowania elementów składowych dachu potrzebne jest zrozumienie pewnego współczynnika. Nazywa się on GSD (ang. Ground Sample Distance). Współczynnik ten określa ilość centymetrów w rzeczywistości na 1 piksel zdjęcia (cm/px). Im dalej znajduje się kamera od elementu, któremu robi zdjęcie, tym gorszy współczynnik GSD, a więc otrzymujemy więcej centymetrów na 1 piksel zdjęcia. Aby przetestować tę teorię, użyjemy aparatu fotograficznego w telefonie. Wykonamy dwa zdjęcia. Wybierz przedmiot w pokoju – dla nas to będzie akwarium. W pierwszej kolejności zrobię zdjęcie stojąc 1 m od akwarium, drugie zdjęcie zrobię stojąc po drugiej stronie pokoju – około 5 m od akwarium. Następnie porównamy sobie oba zdjęcia powiększając je w telefonie. Na pierwszym, które wykonałem stojąc 1 m od akwarium po przybliżeniu jestem w stanie zobaczyć wszystkie elementy akwarium, grzałkę, kamienie i małe rybki. Po przybliżeniu drugiego zdjęcia, które zrobiłem z odległości 5 m, jestem w stanie zobaczyć większe elementy, takie jak grzałka czy duże kamienie, lecz nie widzę krawędzi małych kamyków, a już na pewno cech charakterystycznych rybek. Na pierwszym zdjęciu współczynnik GSD był lepszy, czyli miałem mniejszą ilość centymetrów na piksel (około 0,5 cm/px). W drugim GSD był gorszy, a więc miałem więcej centymetrów na piksel (około 3 cm/px).
Im więc lepsza kamera w dronie, tym dokładniejszy wizualnie będzie nasz wynikowy model 3D, a zatem dokładniej możemy zmierzyć dach. Sama dokładność geometryczna wynika z precyzyjnych obliczeń oprogramowania, które znajduje miliony punktów wspólnych na zdjęciach, a następnie tworzy model 3D za pomocą aerotriangulacji. Na szczęście oprogramowanie wszystkie obliczenia wykonuje za nas. My jesteśmy odpowiedzialni jedynie za zrobienie odpowiednich zdjęć i wrzucenie ich do oprogramowania. Wynikowe modele 3D geometrycznie zgadzają się co do 1 cm, lecz rodzaj kamery użytej podczas pozyskiwania zdjęć ma duży wpływ na współczynnik GSD, za czym idzie dokładność wymodelowanych elementów dachu. Gorsza kamera = martwimy się o odległość od dachu, mniej szczegółowy model i trudniejszy do zwymiarowania. Lepsza kamera = nie martwimy się odległością od dachu, bardziej szczegółowy model i łatwiejszy do zwymiarowania.
Czy narzędzie oparte na dronie zwiększa bezpieczeństwo i skraca czas potrzebny do wykonania kosztorysu?
Pomiary dronem są w pełni nieinwazyjne. Nie musimy martwić się o to, czy dach jest mokry, czy dostępne jest łatwe wejście oraz czy cały proces może wykonać jedna osoba. Do stworzenia modelu 3D budynku wraz z każdym elementem dachu potrzebne jest od 20 do 50 zdjęć, w zależności od rozmiarów dachu oraz jego budowy. Proces robienia zdjęć razem z przygotowaniem drona trwa około 15 minut.
Po zrobieniu zdjęć wgrywamy je do oprogramowania. Tworzenie modelu 3D trwa od 15 do 30 minut, w zależności od liczby zdjęć oraz mocy obliczeniowej komputera. Wymiary ściągamy za pomocą narzędzi w oprogramowaniu – proces ten trwa od 20 do 45 minut. Nie licząc dojazdów na miejsce pracy, pomiar dachu z wykorzystaniem drona nie trwa dłużej niż 1,5 godziny. Dodatkowo, wynikowy model można w dowolnym momencie ponownie przeanalizować zza biurka, co eliminuje ryzyko pominięcia elementów potrzebnych do zwymiarowania.
Przykłady konkretnych modeli dronów oraz oprogramowań
Najczęściej wybieranym dronem do wykonywania pomiarów jest najnowszy dron od firmy Dji: Mavic 3 Enterprise. Ma on wysokowydajną kamerę z mechaniczną migawką, dzięki czemu potrafi wykonywać ostre zdjęcia co 0,7 s. Dużą zaletą tego modelu jest wbudowana aplikacja w aparaturze sterującej, która pozwala w prosty sposób planować autonomiczne misje.
Drugim często wybieranym dronem jest Dji Mavic 3 Classic z kamerą o wysokiej rozdzielczości. Jest połowę tańszy od poprzedniego modelu, lecz nie ma możliwości planowania misji autonomicznych oraz nie ma modułu RTK (ang. Real Time Kinematic), czyli systemu poprawek referencyjnych.
Obydwa te drony nadają się do wymiarowania dachu, lecz pierwszy z nich – Dji Mavic 3 Enterprise – jest dronem, który nadaje się również do opracowań geodezyjnych, obliczeń kubatury mas ziemnych, dokumentacji i kontroli postępów budowy oraz prac inspekcyjnych. Warto zaznaczyć, że drony klasy Mavic 3 w rozumieniu przepisów to statki powietrzne z nadaną klasą certyfikacji, a więc spełniają wszelkie wymogi dotyczące bezzałogowych statków powietrznych nałożone przez Agencję Unii Europejskiej ds. Bezpieczeństwa Lotniczego (EASA). Dzięki temu loty takim dronem mogą odbywać się w kategorii otwartej A2.
Na rynku jest kilka oprogramowań wartych uwagi. Pierwszym z nich w kontekście wymiarowania dachów jest oprogramowanie Dji Terra. Tworzone w tym oprogramowaniu modele 3D są dokładne z zachowaniem ostrych krawędzi oraz dobrej geometrii nawet małych elementów dachu. Oprogramowanie to ma jednak wady: brak możliwości rysowania wektorów (plików z rozszerzeniem dwg/dxf) czy brak możliwości generowania raportów z obliczeń, na przykład mas ziemnych. Jest to oprogramowanie do tworzenia półproduktów fotogrametrycznych takich jak ortofotomapy, numeryczne modele terenu NMT oraz modele 3D z podstawowymi narzędziami do wymiarowania, takimi jak kubatury, powierzchnie, linie wraz kątem nachylenia.
Kolejnym oprogramowaniem jest Pix4D Mapper, najczęściej wybierane oprogramowanie w branżach geodezyjnych i budowlanych, gdzie funkcje takie jak rysowanie wektorów czy generowanie raportów z obliczania mas ziemnych są konieczne. Programowanie ma większą funkcjonalność, lecz kosztem jakości wizualnej modeli 3D.
Po przeprowadzeniu kilku testów wraz z specjalistami branży dekarskiej oceniliśmy, że oprogramowaniem najbardziej nadającym się do wymiarowania dachów jest Dji Terra. Jeżeli zaś myślimy o zainwestowaniu w narzędzie oparte na dronie i oprogramowaniu fotogrametrycznym oraz nie chcemy ograniczać się jedynie do wykonywania pomiarów dachu, lecz myślimy o rozszerzeniu działalności, to najlepszym wyborem będzie oprogramowanie Pix4D Mapper. Jeżeli masz już drona i chciałbyś sprawdzić funkcjonalność obydwu oprogramowań są one dostępne na stronie producenta w wersji próbnej na 1 miesiąc (Dji Terra) oraz 14 dni (Pix4D Mapper).
Podsumowanie
Narzędzie składa się z dwóch kluczowych elementów: drona z kamerą RGB i oprogramowania komputerowego do przetwarzania zdjęć. Dokładność pomiarów w kontekście wymiarowania dachów zależy od współczynnika GSD, który określa ile centymetrów odpowiada jednemu pikselowi na zdjęciu. Im mniejszy GSD, tym dokładniejszy model 3D i łatwiejsze pomiary.
Dobra jakość kamery w dronie ma istotny wpływ na dokładność pomiarów. Obsługa drona jest stosunkowo prosta nawet dla początkujących, a niektóre drony umożliwiają planowanie autonomicznych lotów. Pomiary dronem są nieinwazyjne, oszczędzają czas i zwiększają bezpieczeństwo pracowników. Proces pomiarów trwa krótko, a wynikowy model 3D może być analizowany w dowolnym momencie. Wprowadzenie narzędzia pomiarowego opartego na dronie może przynieść wiele korzyści dla przedsiębiorstwa i możliwość rozwoju w innych branżach. Model drona oraz rodzaj oprogramowania powinien być szyty na miarę firmy, uwzględniając w szczególności przyszłe plany biznesowe.
ŁUKASZ MALISZEWSKI
Instruktor i właściciel firmy tech.lotomdronem.pl; kierownik ośrodka szkoleniowego SBSP Politechniki Śląskiej w Centrum Kształcenia Kadr Lotnictwa Cywilnego Europy Środkowo-Wschodniej. Pasjonuje się technologiami bezzałogowych statków powietrznych oraz ich zastosowaniami w gospodarce i nauce.
