PROSIG EXPERT: Modelarea virtual-realistica a unei arii geografice in timp „near-real-time”, utilizand un sistem complex LiDAR – camera FOTO – UAV

Dezvoltarea sistemelor UAV complexe de scanare cu senzori integrati LiDAR si camera foto au deschis noi orizonturi in privinta modelarii realistice a peisajului. O prelucrare rapida a datelor achizitionate cu aceste sisteme extinde aria de aplicabilitate in proiecte de interventie rapida sau cu termene urgente. Prezentul articol propune un procedeu de reprezentare realistica a unei arii geografice in timp aproape-real (near real-time).

Procedeul de realizare a modelelor virtual-realistice este folosit pentru reprezentarea si monitorizarea unor arii geografice, in special a celor greu accesibile, intr-un timp relativ scurt, in domeniul apropiat timpului de incidenta (near real-time). Acesta utilizeaza sisteme de culegere a datelor neinvazive si nedistructive bazate pe senzori de scanare LiDAR si de fotografiere, instalati impreuna pe un UAV dotat cu echipamente de pozitionare GNSS si de tip inertial IMU, cu masa totala la decolare sub 15 kg. Combinarea datelor GNSS de la sol si de pe UAV cu datele IMU permite obtinerea datelor de pozitie si a elementelor de orientare pentru compensarea si generarea unei traiectorii de zbor corecte. Astfel, se fuzioneaza norul de puncte LiDAR calibrat geometric si fizic cu imaginile optice orientate absolut. Imaginile furnizeaza punctelor culoarea RGB naturala a obiectelor din teren. Datele sunt obtinute simultan la o singura trecere peste zona monitorizata. Precizia si densitatea de puncte sunt stabilite prin cerintele parametrilor de zbor. Procedeul poate genera (direct in teren) un model 3D al unei suprafete de teren cu tot ce este construit sau exista in mod natural pe aceasta, modelul fiind reprezentat in spatiul virtual prin culori realistice (fig. 1, fig. 2, fig. 3).

Pentru ca reprezentarea prin puncte a unui peisaj sa fie realistica, densitatea de puncte trebuie sa fie foarte mare, conditie ce nu se poate realiza cu sisteme LiDAR montate pe avioane sau elicoptere cu pilot uman la bord. Aplicatiile software au fost optimizate in vederea obtinerii rezultatelor direct in teren. Aplicatia de vizualizare este conceputa atat pentru utilizare locala, cat si ca aplicatie web-browser (in mediul online), ceea ce ofera oportunitatea vizualizarii realistice atat de catre un factor decident aflat la fata locului (ex. echipa de interventie) cat si (simultan) de catre un factor decident aflat in alta locatie (ex. o „Celula de Criza”).

Datorita particularitatilor zborului unui UAV, rezulta urmatoarele particularitati ale datelor (LiDAR si optice) preluate cu ajutorul UAV, comparativ cu datele similare preluate din avion, respectiv:

• UAV, fiind mult mai sensibil la curenti de aer si la volume de aer cu densitati diferite, executa mici miscari necontrolabile atat pe axele (x, y, z) cat si inclinari si rotiri; prin urmare, datele au erori mai mari atat pe cele 3 axe (x, y, z) cat si de rotatie (ɸ, ɷ, k) in jurul celor 3 axe.
• UAV zboara la altitudini mai mici (mult mai aproape de obiectivele monitorizate), prin urmare se vor obtine: (i) mai multe imagini fotografice cu rezolutie spatiala mai mare, fiecare imagine acoperind o suprafata la sol mai mica, (ii) norul de puncte LiDAR este mai dens (nr. puncte/mp este mai mare).
• Cerintele de zbor fiind mult mai permisive pentru UAV, comparativ cu aparatul de zbor cu pilot uman la bord, in situatii de dezastre preluarea datelor cu ajutorul UAV se poate face imediat ce situatia o cere.

Avand in vedere aspectele mentionate mai sus, pentru a valorifica avantajele UAV am dezvoltat noi metode de lucru pentru achizitia si procesarea datelor (LiDAR si a imaginilor fotografice), inclusiv algoritmi mai eficienti de procesare cat si metode de calcul paralel.

Avantajele procedeului, comparativ cu sistemele LiDAR montate pe avioane sau elicoptere cu pilot uman la bord, sunt semnificative:

• sistemul UAV este complet nepoluant, este electric si nu consuma combustibili fosili, nu polueaza fonic, nu afecteaza biodiversitatea si poate fi utilizat in arii naturale protejate (ex. Delta Dunarii);
• costul initial al sistemului si costul de operare sunt mult mai scazute;
• grad ridicat de automatizare;
• timp scurt de realizare, modelul virtual-realistic putandu-se obtine in 3÷4 ore; cerintele de zbor fiind mult mai permisive, procedeul permite monitorizarea ariei de interes intr-un timp apropiat de momentul aparitiei evenimentului perturbator (calamitati naturale, dezastre antropice);
• precizie si grad de detaliere ridicate [precizie interna (aproximativ 5,5 cm), precizie absoluta (13÷25 cm), fara post-procesare], sistemul fiind capabil sa inregistreze pana la 600.000 de puncte pe secunda si peste 200 de puncte pe metru patrat (in functie de viteza de zbor).

In exploatare se va tine seama de urmatoarele limitari:

• Conditiile meteorologice conditioneaza derularea masuratorilor, astfel ca sunt necesare conditii atmosferice fara umiditate ridicata (burnita, ploaie) si fara intensificari prea mari ale vantului (viteza maxima a vantului de 29 km/h);
• Pentru realizarea zborului este necesar a se asigura permanent o linie vizuala directa cu sistemul UAV, astfel raza de utilizare este de maximum 1 km fata de baza de operare;
• Autonomia de zbor a sistemului este limitata la maximum 20 de minute (viteza medie de 22 km/h, vant moderat).

Procedeul poate fi utilizat in zone critice, cu acces redus sau chiar imposibil: in zone afectate de calamitati naturale (cutremure, alunecari de teren, despaduriri, inundatii etc.), dezastre antropice (accidente industriale, accidente auto, prabusirea si/sau surparea unor elemente de infrastructura civila sau rutiera), cariere de suprafata, iazuri si halde de steril, zone mlastinoase etc., inclusiv in medii toxice (in cazul unui accident industrial) si in arii protejate (cum ar fi zona Deltei Dunarii). Crearea in timp aproape-real a unui model virtual-realistic (MVR) conduce la o serie de aplicatii precum: simulari realistice, analize spatiale si temporale, masuratori tridimensionale, baze de date istorice, suport pentru proiectarea deciziilor, monitorizarea evolutiei in timp etc. In cazul unor situatii de urgenta, factorii de analiza si de decizie pot realiza masuratori tridimensionale (distante, unghiuri, volume) in modelul generat fara a vizita terenul, pot vizualiza modelul din mai multe perspective (se pot pozitiona in locatii pe care in teren nu le-ar fi putut accesa). Solutia tehnica a avut ca punct de plecare activitatile de cercetare-dezvoltare derulate in cadrul proiectului cu titlul „Sistem Rapid de Monitorizare si Cartare Interactiva” (acronim LiDAR-DRONA), proiect co-finantat din Fondul European de Dezvoltare Regionala prin Programul Operational Competitivitate 2014 – 2020.

Autori:

drd. ing. Daniel Ilie – Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti – daniel.ilie@phd.utcb.ro

ing. Octavian Laurentiu Balota – Prosig Expert SRL – octavian.balota@prosig.ro

s.l. dr. ing. Daniela Iordan – Universitatea de Stiinte Agronomice si Medicina Veterinara – iordandaniela5@gmail.com

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 189 – martie 2022, pag. 40