Einsatz von Drohnen für BIM-Workflows und die Erstellung von Digital Twins


Diese Seite zeigt einige der potenziellen Anwendungsfälle von Drohnen und wie sie Unternehmen, die mit BIM und Digitalen Zwillingen arbeiten oder arbeiten wollen, nutzen können. Wir beschreiben, was BIM und Digital Twins sind, für diejenigen, die es noch nicht wissen, und gehen dann auf die Lösungen ein. 

Inhalt

Einführung

Die wichtigsten Lösungen bestehen aus Sensoren wie dem DJI Zenmuse L1 und P1, die an der Matrice 300 RTK (M300 RTK) befestigt werden, und der Phantom 4 RTK (P4RTK). Diese Lösungen kosten etwa 15 000 bis 20 000 € für die M300 RTK, die leistungsfähigste Unternehmensdrohne von DJI, und etwa 5000 € für die P4RTK, die alle eine Genauigkeit auf Vermessungsniveau bieten. Wer jedoch Drohnen für seine Projekte mit geringeren Anschaffungskosten nutzen möchte, kann Drohnen für weniger als 2 000 € kaufen. Diese können sehr gute Ergebnisse liefern, wenn auch nicht mit der gleichen Auflösung, Genauigkeit oder Effizienz wie die höherwertigen Lösungen.

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Was ist BIM und was ist ein Digital Twin?

BIM und Digital Twin sind zwei Begriffe, die heutzutage in der Welt der modernen Technologien weit verbreitet sind und als bahnbrechende Lösungen für eine breite Palette von Branchen angepriesen werden. Doch bevor wir uns im Detail damit beschäftigen, wie diese Technologien in Kombination mit Drohnen eingesetzt werden können, sollten wir uns fragen, was BIM und Digital Twin eigentlich bedeuten?

Beispiel für ein BIM

BIM

Das Konzept des BIM (Building Information Modelling) unterscheidet sich nicht von einer Reihe von 2D-Zeichnungen und einem Spezifikationsdokument. Es dient der Erstellung und Verwaltung von Daten während des Lebenszyklus eines Bauprojekts, von der Planung, dem Entwurf, dem Bau und der Überwachung und Wartung nach dem Bau. BIM integriert Daten aus verschiedenen Quellen, um detaillierte digitale Modelle zu erstellen, die in einer offenen Cloud-Umgebung für die Echtzeit-Zusammenarbeit zwischen den Beteiligten verfügbar sind.

BIM liefert Informationen für die Projektplanung, indem es kontextbezogene Modelle der bestehenden Umgebung erstellt, in die Entwürfe eingefügt werden können. Während der Entwurfsphase werden BIM-Daten für die Planung und Logistik verwendet. Dann beginnt der Bau unter Verwendung von BIM-Spezifikationen. Die Zeitpläne werden mit den Gewerken und Auftragnehmern geteilt, um die Effizienz zu verbessern und die Projektlaufzeit zu verkürzen. Auch in der Nachbauphase bietet BIM einen Mehrwert, indem es Informationen für kostengünstige Renovierungsarbeiten liefert. Insgesamt trägt BIM zur Entscheidungsfindung bei, sorgt für mehr Transparenz und bietet mehr nachhaltige Optionen, die alle zusammen zu Kosteneinsparungen für das Projekt führen können.

Einige spezifische Anwendungen, die mit BIM möglich sind:



  • Massenmodellierung
  • Risikoanalyse
  • Kostenabschätzung
  • Logistik
  • Prüfung der Modellleistung
  • Analyse der Nachhaltigkeit
  • Energie-Analyse
  • Strukturelle Analyse
  • Koordinierung
  • Geplante Wartung

BIM soll der Industrie folgende Vorteile bringen:




  • Senkung der Baukosten und der Projektlaufzeit
  • Senkung der langfristigen Betriebskosten für die Infrastruktur
  • Unterstützung bei der Erfüllung der Kohlenstoffreduktionsziele
  • Sicherstellung der Wettbewerbsfähigkeit von Bauunternehmen auf dem Weltmarkt

Digital Twin

Ein Digital Twin enthält nicht die breite Palette von Informationen, die in einem BIM zu finden sind. Es handelt sich vielmehr um eine realistische Darstellung eines physischen Objekts mit den dazugehörigen räumlichen Informationen. Wie ein BIM wird er jedoch zugänglich und interaktiv gemacht. Der Name leitet sich von der Tatsache ab, dass es ein exaktes Gegenstück zum physischen Objekt ist. Es wird auch mit Echtzeitdaten von Sensoren am Objekt aktualisiert, so dass es ein echter 'Zwilling' bleibt. Dies zeigt den Ingenieuren nicht nur, wie sich das Produkt verhält, sondern auch, wie es sich in bestimmten Szenarien verhalten würde, indem Simulationen durchgeführt werden.

Digital Twins wird ebenfalls eine große Bedeutung beigemessen. Vordenker stellen sich eine Welt vor, in der ganze Städte digital abgebildet sind. Dies würde es den Nutzern ermöglichen, den digitalen Raum wie in einem Word-Dokument zu durchsuchen, z. B. nach einer Bank in der Nähe eines Flusses, der in der Sonne liegt. Diese Welt wird auch für die künstliche Intelligenz sichtbar sein, was eine Vielzahl von technologischen Möglichkeiten eröffnet, z. B. für fahrerlose Autos und "intelligente Städte".

Beispiel für ein Digital Twin

Warum Drohnen für die Erstellung von BIMs und digitalen Zwillingen verwenden?

Die Daten, aus denen BIMs und Digital Twins erstellt werden, können im Grunde aus jeder Quelle erfasst werden, die georeferenzierte räumliche Informationen aufzeichnen kann. Wie Sie in unserem anderen Artikel "Herkömmliche Vermessung vs. Drohnenvermessung" nachlesen können, zeigen wir, dass durch den Einsatz von Drohnen, die entweder Photogrammetrie oder LiDAR nutzen, topografische Vermessungen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren in wesentlich kürzerer Zeit durchgeführt werden können. In Verbindung mit den Einsparungen bei den Ausrüstungskosten sind die Gesamtkosten erheblich niedriger. Dieses Verhältnis ist noch ausgeprägter bei der Vermessung von Gebäuden und Vermögenswerten, die mit herkömmlichen Methoden aufwändiger zu erfassen sind.

Drohnen können natürlich auch Details aus der Vogelperspektive erfassen und dabei Bereiche einfangen, die mit herkömmlichen Techniken, z. B. GNSS-Rover, Totalstation oder terrestrisches Laserscanning (TLS), nicht erfasst werden können. Folglich ist der Datensatz "vollständiger"; fast jeder sichtbare Teil des Objekts kann erfasst werden, anstatt nur einige wenige Punkte zu erfassen und dazwischen zu extrapolieren.

Außerdem können die Daten nahtlos verarbeitet und in Software importiert werden, die BIMs und digitale Zwillinge verarbeiten kann.

Wie man Drohnen im BIM- und Digital Twin-Workflow einsetzt


Die Ausrüstung

Wie können Drohnen also tatsächlich zur Erstellung von BIMs und digitalen Zwillingen verwendet werden? Glücklicherweise ist die Lösung einfach, dank der Hardware- und Softwareoptionen von DJI und anderen Softwarelösungen wie AutoCAD, Leica Infinity, SketchUp und anderen.

Der BIM-Prozess beginnt in der Regel mit der Vermessung der Umgebung, bevor mit dem Bau begonnen wird. Die mit CAD-Tools erstellten Gebäudemodelle können dann in der realen Umgebung platziert werden. Später können Bestandsaufnahmen durchgeführt werden, bei denen der Entwurf mit dem realen Objekt verglichen werden kann. BIM kann auch an bereits bestehenden Gebäuden durchgeführt werden, was bei anstehenden Renovierungsarbeiten von Vorteil sein kann.

DJI verfügt über mehrere Drohnenplattformen und -nutzlasten, mit denen Daten für diese Produkte erfasst werden können. Die Zenmuse L1 und P1 sind die aktuellen Flaggschiff-Nutzlasten von DJI, die mit DJIs Flaggschiff-Drohne für Unternehmen, der Matrice 300 RTK (M300 RTK), kompatibel sind. Der 45MP 1" CMOS-Sensor der Zenmuse P1 ist DJIs höchstauflösender RGB-Sensor und eignet sich für hochdetaillierte photogrammetrische Aufnahmen. DJI gibt an, dass die P1 in der Lage ist, eine absolute Genauigkeit von 3 cm in der horizontalen und 5 cm in der vertikalen Achse zu erreichen. Diese Werte wurden anhand von Fotos mit einem Bodenabtastabstand (GSD) von 3 cm ermittelt. Von Epotronic durchgeführte Testflüge ergaben jedoch, dass bei einer Flughöhe von 50 m (AGL), die eine GSD von 0,63 cm ergibt, in DJI Terra Genauigkeiten von 1-2 cm in der horizontalen und vertikalen Achse erreicht wurden.

Der Zenmuse L1 ist der erste Lidar-Sensor von DJI, der offiziell eine horizontale und vertikale Absolutgenauigkeit von 10 cm bzw. 5 cm erreichen soll, was ebenfalls eine attraktive Lösung darstellt. In Tests, die von Epotronic durchgeführt wurden, haben wir jedoch eine absolute vertikale Genauigkeit von 2,1 cm bei einem Flug in 50 m AGL und 5,1 cm bei einem Flug in 100 m AGL gemessen, zusammen mit einer vertikalen Präzision von +/- 3 bis 5 cm bzw. +/- 7 bis 11 cm. Trotz der geringeren Genauigkeit des L1 im Vergleich zum P1 bietet der LiDAR-Sensor Vorteile gegenüber der RGB-Lösung, wie z. B. die Möglichkeit, bei schwachem oder keinem Licht zu arbeiten, geringere Anforderungen an die Verarbeitung und Datenspeicherung sowie die Möglichkeit, Details hinter bestimmten Objekten, z. B. Glas oder Bäumen, zu erfassen.

Die Phantom 4 RTK (P4RTK) ist auch in der Lage, Daten für BIM und digitale Zwillinge zu erzeugen. Sie nutzt einen RGB-Sensor wie die P1, hat aber eine geringere Auflösung. Das bedeutet, dass sie näher geflogen werden muss, um eine vergleichbare Auflösung zu erfassen, und daher weniger zeitsparend ist. Dank seines RTK-Moduls kann er jedoch immer noch ausreichend Details und mit hoher Genauigkeit erfassen und erreicht eine absolute horizontale und vertikale Genauigkeit von etwa 2 cm.

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Die Planungs- und Erfassungssoftware

Es gibt mehrere Apps und Missionsmodi, die für Benutzer verfügbar sind, die Daten erfassen möchten, die für BIMs und Digital Twins geeignet sind. Für den Anfang hat DJI Apps in die Fernsteuerung des M300 und des P4RTK integriert, die mehrere geeignete Missionsmodi ausführen können: DJI Pilot und DJI GS RTK.

Normale Top-Down-Vermessungsmissionen sind einfach und ermöglichen die Erfassung ausreichender Daten. Der allgemeine Flugweg besteht in der Regel aus parallelen Flugstreifen oder aus Flugstreifen, die ein Gittermuster bilden. Es wird empfohlen, die Kamera nicht gerade nach unten, sondern in einem schrägen Winkel zu fliegen, da so mehr Details an den Seiten der Objekte erfasst werden können. Dies ist der so genannte Schräglagenmodus. Der P1 verfügt sogar über eine "Smart Oblique"-Funktion, die die Effizienz im Vergleich zu einer normalen Schrägflugmission erheblich steigert, indem sie die Fluggeschwindigkeit und den Kamerawinkel während des Fluges intelligent variiert. Dadurch werden auch die Verarbeitungszeit und die Anforderungen reduziert, da weniger Fotos aufgenommen werden.

DJI Pilot Flugplanung

Mit dem P4RTK kann der Benutzer den Modus "Angled Flight Route" (abgewinkelte Flugroute) verwenden, um Flüge zu unternehmen, die die vertikalen Flächen von Gebäuden erfassen. Der Flugplan ist einfach einzurichten. Für jede Fläche ist ein kurzer manueller Flug erforderlich, um die Grenzen zu markieren. 

Wir von Epotronic empfehlen außerdem, die Ecken des Gebäudes manuell zu fotografieren, um die Genauigkeit des Modells zu maximieren. Ein Video, das diesen Modus vorstellt, finden Sie unter dem folgenden Link:

Video zur abgewinkelten Flugroute hier ansehen

Kamerapositionen und 3D-Modell aus einem Schrägflug Routenvermessung

Bei der Verwendung dieser Sensoren kann auch Planungssoftware von Drittanbietern eingesetzt werden, die über Planungsmodi verfügt, die speziell für Gebäudevermessungen ausgelegt sind. Mit UgCS, einem der größten Flugplanungsprogramme, können die Benutzer eine Vielzahl von Flugmodi durchführen, und es bietet mehr Freiheit bei der Positionierung von Wegpunkten, die in einer 3D-Ansicht sichtbar sind. Es verfügt auch über einen speziellen Modus für die Fassadenvermessung. Ein KML-Modell kann importiert werden, und der Umfang der Vermessung kann einfach darum herum gezogen werden, so dass die Drohne einen detaillierten Blick auf alle Seiten des interessierenden Objekts erhält. Da sich die Drohne näher am Objekt befindet, hat das einmal erstellte Modell eine viel höhere Auflösung als bei einem normalen Flug von oben.

Ein weiteres Programm eines Drittanbieters, WayPoint Master, verfügt über die Flexibilität von UgCS und enthält darüber hinaus modernste Flugrouten und eine Fassadenvermessung, mit der komplexere Routen um importierbare Modelle herum gezeichnet werden können. Diese Modelle können z. B. aus einem Schrägflug erstellt und in DJI Terra bearbeitet werden, um sie in WayPoint Master zu importieren.

Um die höchste Genauigkeit zu erreichen, sollte der Benutzer eine Form von Differential-GNSS verwenden, um die von den Sensoren erfassten Positionsdaten zu korrigieren. Dies kann über eine lokale Basisstation, wie die D-RTK 2 Mobile Station, oder über einen Netzwerk-RTK-Dienst, wie SAPOS in Deutschland, erfolgen.

Die Verarbeitungssoftware

DJI Terra ist in der Lage, die Daten des L1, P1 und P4RTK zu verwertbaren Produkten für BIM und digitale Zwillinge zu verarbeiten. Für die P1 und die P4RTK ist der Prozess derselbe: Mit Hilfe von Photogrammetrietechniken werden die Fotos zu einer georeferenzierten 3D-Punktwolke und anschließend zu einem optionalen 3D-Modell zusammengefügt. Wenn mehrere Flugmissionen durchgeführt wurden, wie es beim P4RTK mit der abgewinkelten Flugroute wahrscheinlich ist, können diese alle zu einem einzigen Projekt zusammengefügt werden. Die Verarbeitung erfolgt automatisch, der Benutzer muss nur einige Rekonstruktionseinstellungen auswählen und Bodenkontrollpunkte (GCPs) markieren. Dasselbe gilt für die L1, die ebenfalls keine GCP-Markierung erfordert, so dass die Ergebnisse innerhalb weniger Minuten erstellt werden können.

Diese Daten können von DJI Terra in gängige Dateiformate exportiert werden, für Punktwolken zum Beispiel als LAS-Dateien. Der Export der Punktwolken ermöglicht den nahtlosen Import in Programme, die speziell für die Arbeit mit BIM-Produkten entwickelt wurden, wie z. B. AutoCAD Revit. Aus diesen Punktwolken können die Modelle gezeichnet und mit den relevanten Informationen gefüllt werden, so dass sie einsatzbereit sind.

Die in DJI Terra erzeugten Produkte umfassen eine Punktwolke, ein 3D-Modell und Messungen.

Abschluss

BIM und Digital Twins sind zwei Konzepte, die das Potenzial haben, die Industrie, insbesondere das Bauwesen, zu verändern. BIM ermöglicht ein besseres Verständnis, eine bessere Entscheidungsfindung, Sichtbarkeit und Transparenz sowie Vorhersagen für Bauprojekte, was die Kosten über den gesamten Lebenszyklus des Projekts senken dürfte. Die Erstellung digitaler Zwillinge ermöglicht eine virtuelle Wartung und Modellierung, was wiederum die Effizienz erhöht und die Kosten senkt. 

Drohnen mit Sensoren wie P1, L1 und P4RTK können hochpräzise Daten des Gebäudes oder Objekts und der Umgebung erfassen, wobei eine Vielzahl von Flugplanungs-Apps und Software wie DJI Terra zur Verarbeitung eingesetzt werden können. Drohnen können auch fast jedes Detail des Zielobjekts erfassen, das bei herkömmlichen Techniken wahrscheinlich übersehen würde, und so eine vollständige Abdeckung bieten: perfekt für einen digitalen Zwilling oder BIM.

Um die hier beschriebenen Lösungen und mehr zu sehen, besuchen Sie bitte unseren Online-Shop unter epotronic.com, wo Sie auch viele relevante Informationen in unserem Blog finden können.

Wenn Sie Fragen haben, zögern Sie bitte nicht, sich mit uns in Verbindung zu setzen: info@epotronic.com.