Quadrocopter und verschiedene UAVs werden in vielen Bereichen der beruflichen Tätigkeit allmählich zu vertrauten Werkzeugen. Es ist sehr schwierig, die Fähigkeiten von Drohnen in den Händen von Fotografen und Videografen zu überschätzen, aber das Potenzial dieser Geräte kann genau im Bereich Industrie und Geodäsie voll ausgeschöpft werden. Insbesondere, wenn auf dem Copter eine spezielle Software ausgeführt wird und die Luftvermessungsmaterialien computerverarbeitet und zur Analyse verschiedener Daten verwendet werden.
Einige Unternehmen stellen Software zur Lösung spezifischer Probleme her, aber es gibt Projekte, die für mehrere Tätigkeitsbereiche gleichzeitig geeignet sind. Einer dieser Hersteller ist das Schweizer Unternehmen Pix4D, das seit 2011 verschiedene Lösungen im Bereich der Photogrammetrie entwickelt. Pix4D ist heute ein Ableger (oder besser gesagt ein Computer-Vision-Labor) der größten Polytechnischen Universität Europas, EP4, und hat sich heute zu einem der am schnellsten wachsenden Unternehmen der Welt entwickelt. Basierend auf seiner umfassenden Erfahrung bei der Erstellung von Software zur Konvertierung multispektraler Bilder in 3D-Modelle und dreidimensionale Karten hat das Unternehmen eine Reihe von Softwareprodukten entwickelt, die in den Bereichen Bau und Kataster, Landwirtschaft, Luftbildphotogrammetrie und Immobilien nützlich sind.
Wie funktioniert es?
Mit Pix4D-Produkten können Sie automatisch Hunderte von Fotos aus verschiedenen Winkeln auf die Kamera des Quadcopters aufnehmen, die mithilfe eines speziellen Algorithmus verarbeitet und zu einer einzigen topografischen Karte oder einem 3D-Modell kombiniert werden. In einfachen Worten ist das Prinzip des Programms dem Prinzip des menschlichen Sehens sehr ähnlich. Unsere Augen sehen dasselbe Objekt aus einem anderen Blickwinkel, und das Gehirn wandelt diese Bilder aufgrund dieses Unterschieds in ein dreidimensionales Bild um.
Zunächst muss der Benutzer einen der verfügbaren Steuerungstypen auswählen. Es ist möglich, den Freeflight-Missionsmodus zu wählen, in dem der Bediener für die Bewegungen des Hubschraubers verantwortlich ist, und die Kamera nimmt ein neues Bild auf, nachdem die Position der Drohne um einen bestimmten horizontalen und vertikalen Wert geändert wurde.
In automatischen Modi müssen zum Erstellen eines digitalen Höhenmodells (DEM) die Grenzen des aufgezeichneten Objekts, die Flughöhe, der Kamerawinkel und andere Parameter in der Anwendung festgelegt werden. Start und Landung werden automatisch durchgeführt, aber der Pilot muss über UAV-Kontrollfähigkeiten verfügen, wenn unvorhergesehene Schwierigkeiten oder Hindernisse im Weg der Drohne auftreten.
Nach dem Start fliegt der Quadrocopter automatisch über den Aufnahmebereich und macht die erforderliche Anzahl von Frames. Das Programm schreibt außerdem Informationen zu jedem Foto in eine separate EXIF-Datei, in der die Daten zu Längen- und Breitengrad, Flughöhe und Kamerawinkel angegeben sind. Nach Abschluss der Aufnahme müssen die erhaltenen Daten in das Pix4D-Programm importiert oder zur Verarbeitung an den Cloud-Speicher gesendet werden. Mit Hilfe der Mustererkennungstechnologie wird nach gemeinsamen oder „verbindenden“ Punkten in Fotografien gesucht: Es wird nach einzigartigen ähnlichen Kombinationen von Pixeln in Farbe und geometrischer Anordnung in verschiedenen Fotografien gesucht, wodurch dieser Zufall zu einem Schlüsselpunkt wird. Je mehr Übereinstimmungen gefunden werden, desto genauer wird das Modell erstellt. Um einen Punkt dieses Modells im Raum zu erstellen, muss eine Übereinstimmung in mindestens drei Fotografien vorgenommen werden, jedoch in größerer Anzahl. Dies ist möglich, wenn die Überlappung der Fotografien in Querrichtung mindestens 60% und in Längsrichtung 75% beträgt.
Als nächstes werden die Raumkoordinaten jedes Schlüsselpunkts durch Triangulieren und Extrahieren von Daten aus einer EXIF-Datei berechnet. Das Bild nimmt den zentralen Bereich ein, aus dem die Fotografie aufgenommen wurde, und von dort wird eine Sichtlinie zu jedem wichtigen Punkt im Bild gezogen. Das Ergebnis des Schnittpunkts dieser Linien ergibt den gewünschten Wert der Raumkoordinaten. Zusätzlich wird der Levenberg-Marquardt-Algorithmus oder die Bündelmethode verwendet, um die Summe der Quadrate der Fehlermenge zu minimieren.
Basierend auf all diesen Berechnungen erstellt das Programm eine erweiterte Punktwolke, um eine entfernbare Oberfläche aus Polygonen oder Netzen zu erzeugen. Der letzte Schritt besteht darin, die Größe der Pixel zu berechnen und die Entsprechung der Pixel im Foto mit dem erzeugten Netz zu bestimmen.
Nach Abschluss des Programms erhalten Sie ein dreidimensionales Modell des von Ihnen benötigten Bereichs. Sie können den Maßstab ändern, Kontrast und Helligkeit anpassen, die Wärmebilanz anpassen, die empfangenen Daten in GIS- und CAD-Programme importieren, das Volumen der Erdarbeiten messen, den Orthomosaik-Editor verwenden, um das gewünschte Fragment aus dem Satz von Bildern auszuwählen, und andere Funktionen.
Anwendungsgebiete
Die Produktlinie von Pix4D umfasst Produkte wie Pix4Dmapper, Pix4Dfields, Pix4Dmodel, Pix4Dbim sowie die kostenlose Pix4Dcapture-Anwendung zum Erstellen von Flugwegen des Copters.
Das Potenzial für den Einsatz von Pix4D-Software in der Industrie ist enorm. Zuallererst wird die Software natürlich in den Bereichen Geodäsie, Kartographie und Luftbildfotogrammetrie verwendet, um genaue 3D-Karten zu erstellen. Um Probleme in diesem Bereich zu lösen, ist Pix4Dmapper geeignet. Dies ist ein Tool mit umfangreichen Funktionen. Mit seiner Hilfe können Sie Luftbilder des Gebiets in ein dreidimensionales Bild umwandeln. Der Verarbeitungsprozess selbst findet entweder auf einem Computer oder im Pix4D-Cloud-Speicher statt, wo Sie alle gesammelten Daten zur Konvertierung senden müssen. Das Programm kann die Größe, Fläche und das Volumen von Objekten messen, die mit einem 3D-Modell erhalten wurden. Dies hilft bei der Durchführung von Standortinspektionen aus der Ferne. Die Genauigkeit der Vermessung beträgt 1 bis 2 cm / Pixel in der X- und Y-Ebene sowie 1 bis 3 cm / Pixel in der Z-Ebene (abhängig vom Höhenunterschied der aufzunehmenden Fläche). Es ist auch möglich, eine Punktwolke zu klassifizieren: Die erforderlichen Elemente des Modells und der Oberfläche (Erde, Asphalt, hohe Vegetation, Gebäude, vom Menschen geschaffene Objekte) werden zur genauen Analyse und anschließenden Anpassung des Projekts farblich hervorgehoben. Mit Pix4Dmapper wird ein hochauflösendes Orthomosaik erhalten, ein digitales Gelände- und Geländemodell, eine Karte mit Konturkonturen und Reflexionsvermögen sowie Karten mit Temperaturwerten.
Vertreter des soziokulturellen Bereichs und der Immobilienbranche werden an einem anderen Tool namens Pix4Dmodel interessiert sein. Mit seiner Hilfe die Digitalisierung von historischen Denkmälern, UNESCO-Weltkulturerbestätten, architektonischen Strukturen. Die resultierenden Modelle können als interaktive Objekte in Programmen für VR-Headsets oder zum Erstellen von Flugvideos und zur anschließenden Veröffentlichung auf beliebten Video-Hosting-Sites verwendet werden. Verfügbarer Export des resultierenden Modells in verschiedenen gängigen Formaten (.bj, .fbx, .dxf, .ply) zur Verwendung in Simulationsprogrammen und im 3D-Druck.
Für die Landwirtschaft wurde ein Tool entwickelt. Mit Pix4Dfields können Sie Spektralindizes und Vegetationsindizes berechnen und vergleichen, Geofences und Orthomosaics erstellen.
Pix4Dbim ist ein leistungsstarkes Programm für Bauunternehmen. Dank der automatischen Erstellung von topografischen und Konturkarten des Gebiets, zweidimensionalen oder dreidimensionalen Projektionen, einer chronologischen Skala, auf der alle Phasen der Bauarbeiten angezeigt werden, erhält der Benutzer ein vollständiges Bild seines Projekts. Mit Pix4Dbim ist es sehr einfach, den Baufortschritt zu bewerten: Exportieren Sie einfach CAD-Zeichnungen und vergleichen Sie sie mit den resultierenden BIM-Daten in einer einfachen Überlagerung.
Und natürlich können die in allen Tools erhaltenen Daten und Modelle in die Pix4D-Cloud hochgeladen werden, einen Kommentar hinterlassen, ein Rezept hinterlassen und mit dem Kunden oder Ihrem Team teilen.
Einschränkungen
Das Produkt von Pix4D weist kleinere Mängel auf. Das Programm erkennt reflektierende Oberflächen als Strukturelement und verarbeitet sie automatisch zu einem Modell. Solche Fehler können mit den integrierten Tools leicht behoben werden, aber Pix4D ist noch nicht für die Digitalisierung der Meeresoberfläche oder der Seen geeignet.
Auch im Automatikmodus gibt es Einschränkungen für den Bereich der Luftaufnahmen für einen Flug. Je höher die Höhe (geringere Auflösung) und je geringer der Überlappungsgrad (weniger Schlüsselpunkte und geringere Genauigkeit der Modellrekonstruktion) ist, desto größer kann jeweils die Fläche abgedeckt werden. Beispielsweise kann ein Phantom 4 Pro Quadrocopter-Modell mit einer Schusshöhe von 200 Metern (5,5 cm / Pixel) und einer minimalen Überlappung (75% in Längsrichtung und 60% in Querrichtung) 100 Hektar Gelände erfassen. Dies liegt an der Betriebszeit des UAV mit einer Batterie. Es stört jedoch niemanden, die Batterie auszutauschen und die Mission an dem Ort fortzusetzen, an dem die vorherige Umfrage abgeschlossen wurde. Moderne Routenplanungsanwendungen ermöglichen dies. Und die Technologie steht nicht still und jedes neue Modell des Hubschraubers kann immer länger in der Luft bleiben. Vergessen Sie nicht, dass Pix4D sein Produkt regelmäßig unterstützt und weiterentwickelt, was sich auf die Leistungsfähigkeit der gesamten Linie auswirkt.
Die Software von Pix4D unterstützt die Arbeit mit den meisten modernen Drohnen, beschleunigt und vereinfacht den Prozess der Photogrammetrie, Digitalisierung und Erstellung von 3D-Modellen. Industrieunternehmen müssen keine Verluste mehr erleiden, wenn sie einen Hubschrauber zur Inspektion mieten. Pix4D ermöglicht eine schnelle und genaue Aufklärung des Geländes und sammelt und verarbeitet automatisch die für den Benutzer erforderlichen Informationen. Vor einigen Jahren konnten viele Unternehmen nur von so etwas träumen. Dank der Entwicklung der Technologie und der Herstellung von UAVs wird die Möglichkeit, genaue 3D-Karten zu erstellen, auch für kleine Unternehmen verfügbar.