Doświadczenia RTK System w cyfryzacji budownictwa

Od BSP do BIM

Nasza firma RTK System od 2015 r. szuka nowych rozwiązań technologicznych w zakresie bezzałogowych systemów powietrznych. Szybko jednak okazało się, że to tylko część rewolucji, bo budownictwo w krajach zachodnich wkracza już w nowy, cyfrowy wymiar BIM.

Aspekt czasu w budownictwie infrastrukturalnym zawsze był kluczowy. W typowych kontraktach budowlanych takie kwestie, jak termin zakończenia inwestycji czy możliwe opóźnienia, należą do najważniejszych postanowień. W przypadku zwłoki inwestor zwyk­le domaga się odszkodowania, a kary stanowią czasem znaczny procent wartości kontraktu.

Ryzyko wystąpienia opóźnień można zminimalizować poprzez efektywne zarządzanie projektem z wykorzystaniem innowacyjnych technologii. Pozwalają one sprawnie zbierać informacje niezbędne do bieżącej realizacji prac i weryfikacji ich postępów, a jeśli zajdzie taka potrzeba – do skutecznego rozstrzyg­nięcia ewentualnych sporów wynikających z błędnie realizowanych zadań. Rozwiązanie części prob­lemów oferują technologie BSP (bezzałogowe statki powietrzne) oraz BIM (modelowanie informacji o budynkach).

Drony a BIM

Branża budowlana – zwłaszcza w krajach skandynawskich, USA i Azji – chętnie sięga po drony, czyli BSP, i jest świadoma korzyś­ci płynących z ich użytkowania. Docenia je zwłaszcza podczas fazy prac geodezyjnych, inwentaryzacji, ale także przy inspekcji niedostępnych miejsc lub konstrukcji, monitorowaniu placów budowy itp. Pozyskane przez drony dane wykorzystywane są następnie w cyfrowej przestrzeni do analiz i aktualizacji prac. W Polsce ten trend również zaczyna być widoczny. Wykorzystanie dronów może jednak pójść znacznie dalej: kolejny etap to integracja z procesami BIM.

Drony wyposażone w systemy pomiarowe stają się powszechne we wszystkich czterech fazach procesu inwestycyjnego (tradycyjnego i związanego z BIM-em), tj. projektowania, budowy, eksploatacji i likwidacji. Z pozyskanych zdjęć generowane są w specjalnych aplikacjach chmury punktów, a następnie trójwymiarowe siatkowe modele. Stanowią one podstawę do modelowania informacji o budynkach. Chmura punktów jest też materiałem wyjś­ciowym do wygenerowania produktów, takich jak numeryczny model pokrycia terenu (NMPT), numeryczny model terenu (NMT) oraz ortofotomapa. Poprawnie opracowana chmura punktów daje możliwość przeprowadzenia wiarygodnych pomiarów odległoś­ci, powierzchni i objętości lub analiz 3D (np. porównanie projektu 3D i zrealizowanej inwestycji).

Ortofotomapa udostępniona zamawiającemu z nałożoną mapą ewidencyjną i mapą do celów projektowych

Kontrola i nadzór

Wraz z wprowadzeniem dronów i technologii BIM w sektorze budowlanym możliwe stało się udostępnianie w czasie rzeczywistym serii ujęć lotniczych i filmów w wysokiej rozdzielczości. Dzięki temu zachowujemy pełną kontrolę nad placem budowy bez konieczności przebywania na miejscu. Chętnie korzystają z tego zlecający, ale również inżynierowie budowy czy inżynierowie ds. ochrony środowiska.

Podczas realizacji jednego z projektów drogowych na podstawie naszych zdjęć z powietrza zidentyfikowano gniazda chronionych gatunków ptaków. Wprawdzie na jakiś czas wstrzymano prace ziemne, jednak dzięki szybkiej reakcji nie wpłynęło to ostatecznie negatywnie na harmonogram budowy.

RTK System od kilku lat realizuje z użyciem dronów m.in. prace nadzorcze przy dużych przedsięwzięciach infrastrukturalnych oraz zlecenia dla firm, które korzystają z naszych opracowań przy wykonywaniu przedmiarów robót i ofert przetargowych. Prace nadzorcze polegają na cyklicznym pozyskiwaniu materiałów fotograficznych i filmowych oraz przygotowywaniu ortofotomap i NMT, które następnie porównywane są z projektem budowy, mapą do celów projektowych oraz mapą ewidencyjną. Analiza takich materiałów pozwala szybko i sprawnie weryfikować postępy prac i ich poprawność (zgodność) z projektem, a także harmonogramem czasowym. Z kolei na etapie projektowania opracowania fotogrametryczne mogą służyć do wyznaczenia pasów technicznych, zaplanowania robót ziemnych i ogólnej oceny terenu.

Zanim przedstawimy kilka naszych wybranych prac, powiedzmy jeszcze nieco o samym sprzęcie, jaki na co dzień wykorzystujemy.

Dron to nie wszystko

Posługujemy się kilkoma rodzajami bezzałogowych systemów powietrznych. Cykliczne zbieranie zdjęć i filmów do bieżącej weryfikacji postępów odbywa się zazwyczaj z użyciem małych statków wyposażonych w zintegrowaną kamerę – np. DJI Phantom lub DJI Mavic. Są to konstrukcje proste w użyciu, gotowe do pracy w krótkim czasie.

Do prac stricte fotogrametrycznych wykorzystujemy sześciowirnikowiec DJI Matrice 600 Pro wyposażony w system precyzyjnego wyznaczania pozycji i środka rzutu zdjęć firmy Emlid (model Reach M+). Zestaw uzupełnia stacja bazowa Emlid Reach RS+ umieszczana na punkcie o znanych współrzędnych. Pozyskane przez nią obserwacje wykorzys­tywane są w pracach kameralnych do wyznaczania poprawek pozycji drona i georeferencji zdjęć (PPK – Post Processing Kinematic) o dokładności zależnej od wielkości piksela terenowego (od 2 do 10 cm). Baza umożliwia również przesyłanie poprawek bezpośrednio do drona drogą radiową (tzw. LoRa) w czasie rzeczywistym i pracę drona w trybie RTK (Real Time Kinematic). W trakcie testowania systemu Emlid jednoznacznie stwierdziliś­my, że tryb PPK daje dużo lepsze wyniki niż RTK, dlatego w większości przypadków wyliczenia pozycji realizowane są podczas prac kameralnych. Stacja bazowa rejestruje dodatkowo poprawki ze stacji referencyjnej (np. sieci ASG-EUPOS), co umożliwia kontrolę wyników lub skorzys­tanie z poprawek VRS, gdy jakość danych jest wątpliwa.

Platforma wyposażona jest w aparat pełnoklatkowy o wysokiej rozdzielczości i obiektyw stałoogniskowy, zapewniający zadowalającą niezmienność elementów orientacji wewnętrznej, co jest jednym z kluczowych aspektów w fotogrametrii. Nie jest to typowa kamera fotogrametryczna, ale i tak lepsza od tych zintegrowanych z dronami. Cały system umożliwia wykonywanie pomiarów bez konieczności wyznaczania punktów osnowy fotogrametrycznej. Mimo to zawsze mierzymy przynajmniej kilka punktów kontrolnych, które potwierdzają poprawność wyników opracowania. W tym celu wykorzystujemy wielozakresowy odbiornik GNSS RTK Emlid RS2. W przypadku nalotów liniowych i dużych deniwelacji terenu w procesie wyrównania „dokładamy” jeden lub kilka fotopunktów (GCP – ground control point), aby osiągnąć wymaganą dokładność wysokościową.

Łatwiej na obwodnicy

Jednym z projektów infrastrukturalnych, w których braliśmy udział, była budowa obwodnicy (w ciągu drogi ekspresowej S17) o długości około 11 km i obszarze nalotu 3,5 km kw. Inwestycja zlokalizowana w terenie zalesionym miała bardzo utrudniony dostęp do internetu i sieci komórkowej. Skutkowało to problemami z wyznaczeniem punktów kontrolnych odbiornikiem GNSS. Urządzenie często traciło łączność z wirtualną stacją referencyjną. Ponieważ nie potrzebowaliśmy osnowy fotogrametrycznej, mogliśmy ograniczyć się do pomiaru kilkunastu punktów kontrolnych zlokalizowanych w miejscach, gdzie zasięg był wystarczający. Georeferencja zdjęć wyznaczana była z użyciem stacji bazowej umieszczonej na punkcie o znanych współrzędnych. Prace terenowe zajęły nam 3 dni (łącznie z pomiarem punktów kontrolnych).

Kontrola na autostradzie

Dokładność naszych opracowań sprawdzaliśmy wielokrotnie, a najlepszym przykładem będzie pomiar fotogrametryczny realizowany podczas przebudowy autostrady A6. Na odcinku o długości 3,5 km (powierzchnia nalotu 1 km kw.) wyznaczyliśmy współrzędne 55 punktów kontrolnych. Ortofotomapa z pikselem terenowym 3 cm wygenerowana bez użycia punktów osnowy charakteryzowała się dokładnością XY na poziomie 4 cm, a Z – poniżej 6 cm.

Przy analizie wyników zauważyliśmy, że korytarz drzew na pewnym odcinku trasy spowodował niewielkie obniżenie dokładności. Po dokładniejszej weryfikacji okazało się, że obserwacje stacji bazowej były tam słabszej jakości, a przez to dokładność georeferencji również spadła. W takim przypadku należało zwiększyć pokrycie zdjęć, aby program miał więcej danych porównawczych w procesie aerotriangulacji, oraz skorzys­tać z poprawek ASG-EUPOS.

Pomiar punktów kontrolnych oraz nalot dronem zajęły nam dwa dni. Prace kameralne – trzy. Czas ten obejmuje wyliczenie poprawek georeferencji zdjęć, przeliczenie punktów do właściwego układu współrzędnych oraz pracę w programie Agisoft (w tym rozszerzoną analizę dokładności i postprocessing w różnych wariantach). Same obliczenia stacji roboczej trwały poniżej 6 godzin. Korzystamy głównie z aplikacji firmy Agisoft, ponieważ zapewnia ona użytkownikowi kontrolę na każdym etapie pracy.

Gotową ortofotomapę udostępniliśmy zamawiającemu on-line do porównania z projektem. Dzięki naszemu autorskiemu rozwiązaniu cały zestaw danych (zawierający m.in. wspomnianą ortofotomapę, NMT, mapę do celów projektowych i mapę ewidencyjną), choć ważył około 20 GB, można było oglądać na dowolnych smartfonie. Przydaje się ono nie tylko do weryfikacji zgodności prac budowlanych z projektem i harmonogramem prac, ale również podczas wizji lokalnej.

Skarpy przy torach

W 2019 r. na zlecenie PKP po raz pierwszy wykonaliś­my NMT, który posłużył do badania osuwisk skarp przy torowisku położonym na terenach pogórniczych. Skarpy te są trudno dostępne i ich pomiar z wykorzystaniem technologii GNSS stanowi nie lada wyzwanie. Takie prace bywają również niebezpieczne. Należy pamiętać, że po torach cały czas poruszają się pociągi.

Na potrzeby weryfikacji poprawności naszej pracy równolegle przeprowadziliśmy pomiary z wykorzystaniem odbiornika GNSS. Odcinek testowy miał długość około kilometra. W połowie biegł w wąskim szpalerze drzew, a w połowie wśród łąk porośniętych niskimi trawami. Skarpy pokryte były grubym kruszcem i porośnięte wysokimi, lecz dość rzadkimi trawami. Badaniem objęty został pas o szerokości około 40 m. Zespół złożony z dwóch geodetów pomierzył wzdłuż linii punkty co jeden metr, a także dwa obszary kontrolne osuwisk o powierzchni około 200 m kw. każdy (łącznie wyznaczono tam współrzędne blisko 1000 punktów). Prace trwające dwa dni realizowaliś­my w okresie jesiennym przy sprzyjającej pogodzie. Kolejne dwa dni zajęło przygotowanie modelu CAD.

Nalot dronem nad całym odcinkiem wykonała jedna osoba w zaledwie 2 godziny (łącznie ze wstępną weryfikacją na miejscu pobranych danych). Z pozyskanych zdjęć wygenerowaliśmy chmurę punktów, NMPT oraz ortofotomapę z pikselem terenowym 1 cm. Do nalotu wykorzystaliśmy zestaw Matrice 600 Pro z PPK wyposażony w aparat pełnoklatkowy i obiektyw stało­ogniskowy 35 mm. Z uwagi na niekorzystne dla fotogrametrii warunki terenowe (tj. trawiaste podłoże) przed ostatecznym porównaniem modeli wykonaliśmy dodatkowe przetworzenia chmury punktów w oprogramowaniu CloudCompare, w efekcie czego powstał NMT.

Wysokościowo różnice między modelami z pomiarów GNSS i ze zdjęć z drona nie przekroczyły 10 cm, dla większości obszaru mieściły się w granicach 7 cm. Dokładność sytuacyjną zweryfikowaliśmy na 10 punktach kontrolnych rozmieszczonych na podkładach kolejowych; średnio błąd wyniósł 3 cm. Taki wynik okazał się satysfakcjonujący i potwierdził przydatność fotogrametrii w tego typu pracach. Ponadto dodatkowe materiały w postaci trójwymiarowego modelu pozwoliły zlokalizować dwa kolejne osuwiska, które z powodu niekorzystnych warunków terenowych nie były wcześniej uwzględnione w stałej obserwacji.

Zasięg osuwiska przy linii kolejowej zaznaczony na numerycznym modelu terenu (NMT)

Badanie hałd

W naszej codziennej pracy zajmujemy się również pomiarami składów surowców. Jedno ze zleceń dotyczyło hałd znajdujących się na terenie byłej kopalni odkrywkowej. Miejsce to poddawane jest rekultywacji, a pozyskany materiał przetwarza się do celów przemysłowych. 3-4 hałdy tworzące skład surowca zlokalizowane są tuż przy ścianie wyrobiska, gdzie stale pracują ciężkie maszyny. Klasyczne pomiary naziemne, niebezpieczne ze względu na ryzyko osunięć, odbywały się do tej pory maksymalnie dwa razy w roku i wiązały się ze wstrzymaniem pracy maszyn na co najmniej jeden dzień. W takich okolicznoś­ciach przewaga nowych technologii jest oczywista.

Na potrzeby pierwszego pomiaru bezzałogowcem rozmieściliśmy 10 punktów kontrolnych wokół hałd oraz kilka na ich powierzchni. Standardowo dostarczyliśmy wyniki obmiaru objętości oraz dodatkowo ortofotomapę. Przy przeglądaniu ortofotomapy zauważyliśmy niepokojące zjawisko tuż przy krawędzi wyrobiska. Okazało się, że skarpa zaczyna pękać. Przesłaliśmy zleceniodawcy zdjęcia i pomiary spękania, dzięki czemu miejsce to zostało w porę zabezpieczone.

Przygotowania do pomiarów na terenie byłej kopalni odkrywkowej

To przyszłość!

Opisane przykłady pokazują, że stosowanie bezzałogowych systemów powietrznych wpływa pozytywnie nie tylko na wizerunek firmy. Pozwala na realizację zadań, którym tradycyjne techniki nie mogą tak łatwo sprostać. Do tego dochodzi szybkość wykonywania prac i zwiększone bezpieczeństwo. Ich niewątpliwą zaletą jest też nieinwazyjność, która pozwala na kontynuację pracy maszyn czy ruchu pociągów. Korzyści nie płyną więc stąd, że nasze usługi są tańsze, bo bywają droższe od wykonywanych tradycyjnymi technikami. Niestety, nadal często spotykamy się z podejściem: „Nasz geodeta zrobi to taniej”. Tylko czy aby na pewno, biorąc pod uwagę podane wyżej argumenty oraz szeroki wachlarz dostarczanych przez nas produktów?! Mamy nadzieję, że czytelnicy podzielą nasze podejście i po przeczytaniu artykułu łaskawiej spojrzą na wykorzystanie bezzałogowców w swoich codziennych pracach.

Patryk Kajdrowicz
RTK System

Artykuł ukazał się w bezpłatnym niezbędniku sprzętowym DRONY DLA GEODETY 2020