Down To Earth

Verwendung von Drohnen-LiDAR zur Erstellung eines digitalen Zwillings


KARTIERUNG DES "MIGHTY A"

Thompson Engineering setzte eine Drohne ein, um den USS Alabama Memorial Park zu kartieren und ein Orthofoto des Geländes sowie einen digitalen Zwilling des Kriegsschiffs zu erstellen, um zukünftige Verbesserungen zu ermöglichen.

The USS Alabama, also known as "The Mighty A"

Sie ist 680 Fuß lang, an ihrer breitesten Stelle 108 Fuß breit und verdrängt 35.000 Tonnen Wasser. Sie ist das Herzstück einer der beliebtesten Touristenattraktionen des Bundesstaates. Um sie mit zuverlässigen Datenpunkten zu kartieren, brauchte ein Team von Ingenieuren Wochen.

Hier kommen LiDAR und Photogrammetrie von Microdrones ins Spiel.

Die 1942 getaufte USS Alabama diente im Zweiten Weltkrieg zunächst im Atlantik, verdiente sich ihre Kampfsterne jedoch durch eine Reihe von Einsätzen im Südpazifik. Die 1947 außer Dienst gestellte Alabama wurde vor dem Schrottplatz gerettet und liegt seit 1967 im USS Alabama Battleship Memorial Park in der Bucht von Mobile fest im Dock. Die Verantwortlichen des Parks bemühen sich um eine ständige Verbesserung des Parkerlebnisses und bewältigen auch ein hohes Besucheraufkommen, was vor kurzem die Erstellung eines äußerst detaillierten und genauen digitalen Zwillings erforderte, um die Konservierungs- und Wartungsarbeiten zu unterstützen.

Thompson Engineering aus Mobile führte die erforderlichen Vermessungs- und Kartierungsarbeiten durch - eine gewaltige Aufgabe, die mit herkömmlichen Methoden nicht zu bewältigen wäre.


Wir bräuchten Wochen, vielleicht sogar Monate, um die Daten zu Fuß zu erfassen, aber mit dem Microdrones-System könnte dies in wenigen Tagen geschehen.

Brad Busby, Survey Team Lead, Thompson Engineering

"Wir hätten Wochen, vielleicht sogar Monate gebraucht, um die Daten zu Fuß zu erfassen", sagte Brad Busby, Leiter des Vermessungsteams bei Thompson.

Aber mit der Drohnen-LiDAR- und Photogrammetrie-Technologie zur Vermessung, Kartierung und Erstellung des digitalen Zwillings "konnte dieser Prozess mit dem Microdrones-System in nur wenigen Tagen durchgeführt werden." Und es geht nicht nur um Geschwindigkeit - das System erzeugt eine datenreiche Punktwolke, die einen echten digitalen Zwilling erzeugt.

Oder, in den Worten von Ross Kenney, UAS Sales and Support Lead von Navigation Electronics, Inc. (NEI), einem Vertreiber von Microdrones integrierten Systemen: "Wir werden in der Lage sein, jeden Winkel des Schiffes zu scannen."

Der erste Schritt | LiDAR

Der USS Alabama Memorial Park wird jährlich von etwa 15 Millionen Besuchern aufgesucht, von denen sich die meisten auf die Besichtigung des Kriegsschiffs konzentrieren, obwohl der Park insgesamt 155 Hektar umfasst. Das Schiff selbst stellt zahlreiche Herausforderungen für die Datenerfassung dar - die schiere Größe der gesamten Anlage macht die Sache noch komplizierter.

Robert Chrismon, PLS, erläuterte den zweischichtigen Ansatz, den Microdrones zur Erstellung digitaler Zwillinge verwendet.

"Wir haben zwei Microdrones-Systeme vor Ort, das mdLiDAR1000HR und das mdMapper1000DG. Wir hoffen, zwei großartige Datensätze zu erhalten, einen mit LiDAR und einen mit Photogrammetrie", sagte Chrismon.

Ross Kenney pilots the mdLiDAR1000HR

Für diesen Auftrag steuerte Kenney die LiDAR-Drohne, wobei er zunächst den Standort untersuchte, um sicherzustellen, dass die Drohne über der Höhe des höchsten Hindernisses vor Ort operierte - in diesem Fall war das die Alabama selbst (auch bekannt als "The Mighty A") mit knapp 60 Metern. Mit Hilfe des Flugeditors konnte Kenney die Flugbahn der Drohne vor Ort mit mdCockpit verändern und anpassen. Dies ist ein Schlüsselaspekt der Microdrones-Erfahrung - ein vollständig integrierter Geodaten-Workflow, der mit zugänglicher Flugsoftware, vollständig integrierten Systemen und Verarbeitungssoftware beginnt, um Rohdaten in hochwertige Vermessungsdaten umzuwandeln.

"Selbst wenn wir hier draußen auf der Baustelle sind, kann ich in Sekundenschnelle neue Missionspläne erstellen", so Kenney. Die Erstellung des Flugplans für den Park war so einfach, dass Kenney einen Blockflugpfad erstellte und dann die Ränder des Pfades herauszog, um Parameter festzulegen, die die Ränder der Felder des Parks und einen Pier in der Mobile Bay einschließen.

Das mdLiDAR1000HR wird häufig in der Landvermessung, ähnlich wie beim USS Alabama Memorial Park, sowie im Bauwesen, bei Öl- und Gasanwendungen und im Bergbau eingesetzt. Es hat ein 90-Grad-Sichtfeld sowohl für gescannte Punkte als auch für Bilder und bietet wiederholt eine Genauigkeit von 1,6 cm bei 1-σ, wenn es in 40 m Höhe mit einer Geschwindigkeit von 8 m/s geflogen wird.

Und der eigentliche Scanvorgang? Er dauerte weniger als einen Tag.

"Die Vorteile des Einsatzes von LiDAR für einen Standort dieser Größe liegen eindeutig in der Effizienz", so Adam McCullough, Leiter des Vermessungsteams bei Thompson. "Nicht nur die Effizienz, sondern auch die Qualität der Daten."

Cody Floyd pilots the mdMapper1000DG

Nächster Schritt | Photogrammetrie

In der zweiten Phase der Datenerfassung wurde der mdMapper1000DG eingesetzt. Dabei handelt es sich um eine Photogrammetrie-Drohne, die sowohl ein detailliertes Orthofoto des gesamten Parks als auch eine kolorierte Punktwolke mit einer enormen Detailfülle liefern kann. Cody Floyd, ein Vermessungsingenieur bei Thompson, der nach dem College auch ein Praktikum im Park absolviert hatte, diente am zweiten Tag als Pilot für die Photogrammetrie-Mission.

Der Flug mit dem mdMapper1000DG fand in 100 Metern Höhe statt und zeigte, wie einfach die Drohne in den Händen eines erfahrenen Piloten zu bedienen ist. Während des Fluges nutzte Floyd auch mdCockpit zur direkten Steuerung des Fluges. Die Flüge werden in Echtzeit überwacht, wobei Telemetriedaten wie Geschwindigkeit, Kurs und Höhe verfügbar sind. Ein GNSS-Empfänger hilft bei der Navigation während des automatischen und manuellen Fluges, und die Zelle verwendet eine Plus-Konfiguration für eine effizientere Nutzung. Darüber hinaus arbeiten die bürstenlosen Motoren mit niedrigen, ausfallsicheren Drehzahlen und großen Stützen, um Ausfallzeiten zu begrenzen.

Diese einfache Bedienung und die Entfernung zum Untersuchungsobjekt waren auch deshalb wichtig, weil die Crew die Arbeiten im Sommer durchführte - der Hauptreisezeit.

"Eine der Herausforderungen bei diesem Projekt war, dass wir uns mitten im Sommer befanden - das ist die Hauptsaison für den Park", sagte McCullough. "Wir wussten, dass diese Einrichtung von vielen Menschen besucht werden würde. Also mussten wir unseren Einsatz entsprechend planen, um sicher zu sein und auf die Touristen Rücksicht zu nehmen und nicht zu fliegen, wenn sie auf dem Schiff sind."

The orthophoto of the USS Alabama Memorial Park

Alles zusammenfügen | Erstellen des digitalen Zwillings

Während der Flug der Drohnen im Gelände der visuell überzeugendste Teil der Kartierung ist, kommt die Leistung des Microdrones-Systems bei der Verarbeitung der Daten im Büro voll zum Tragen. Jason Gibson, PLS bei Thompson Engineering, hat die photogrammetrischen Daten zunächst zu einem hochwertigen Orthofoto des gesamten Parks zusammengeführt.

Das Thompson-Team konnte auch mdInfinity von Microdrones kennenlernen - eine Software für die Photogrammetrie und LiDAR-Verarbeitung. Um mdInfinity zu verwenden, wählen die Piloten die Nutzlast und die Standardeinstellungen für das jeweilige System aus oder wenden es an, um die Datenverarbeitung zu vereinfachen. Mehrere Verarbeitungsmodule sorgen für die Feinabstimmung der Daten. LiDAR-Rohdaten werden durch Georeferenzierung verarbeitet, die von einer Präzisionsverbesserung profitiert, die das Rauschen reduziert, während gleichzeitig unregelmäßige Merkmale erhalten bleiben und Ausreißer entfernt werden. Weitere Merkmale werden verwendet, um LiDAR-Punktwolken einzufärben und Orthomosaike zu erstellen.

Die eingefärbte Punktwolke für die Alabama war bemerkenswert, auch wenn die LiDAR-Daten aufgrund von Materialunterschieden auf dem Schiff einige "Schattenbereiche" aufwiesen. Auch die Gebäude vor Ort wurden detailliert kartiert.

Click the image above to view the point cloud of the USS Alabama Memorial Park

"Wir haben eine Menge großartiger Daten über das Schlachtschiff erhalten", sagte Chrismon. "Wir haben definitiv eine Menge großartiger Informationen für ein Topo. Die Punktdichte ist großartig. Die Abdeckung ist großartig. Die Jungs werden das System also auf jeden Fall für Topo-Daten nutzen können, aber auch für planimetrische Arbeiten. Wir haben zum Beispiel genug Informationen über die Seiten der Gebäude, um aufgrund der schieren Menge an Daten Ortungsarbeiten oder Extraktionen aus der Punktwolke durchführen zu können."

McCullough war beeindruckt von den Ergebnissen des mdLiDAR1000HR.

"Für mich sprechen die Daten für sich selbst", sagte McCullough. "Wenn ich mir die Punktwolke hier ansehe, sehe ich, wie dicht sie ist und wie scharf sie um die Gebäude herum ist, sogar auf den Flugzeugen und Autos auf dem Parkplatz. Sobald wir unsere Bodenoberfläche daraus extrahiert haben, wird die topografische Vermessung, die wir dem Park selbst geben, zweifelsohne ihre Anforderungen erfüllen. Ich denke, es hat wirklich gut funktioniert."

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