DRONI E RILIEVI AEREI DI PROSSIMITA’

Aula piena al convegno organizzato dalla 3DeFFe con il patrocinio della FOIT di Torino.

Analisi dei dati acquisiti e navigabilità metrica dei modelli elaborati.

ESEMPI PRATICI SULL’USO DEI DRONI IN AMBITO EDILIZIO, GEOTECNICO, AGRICOLO

Sintesi del Convegno sui droni di Restructura Torino del 28 novembre 2015

Evento sui droni co-progettato dalla 3DeFFe con la FOIT (Fondazione Ordine Ingegneri della Provincia di Torino) coinvolgendo la FIAPR (Federazione Italiana Aeromobili a Pilotaggio Remoto) e la Scuola di Volo Alphalima Aviation.

L’aerofotogrammetria digitale e la geomatica, soprattutto con uso di droni, sono due settori scientifici e professionali di grande attualità e in continua evoluzione. La tecnologia disponibile si sviluppa a velocità incontrastate, la sensoristica è sempre più performante, la strumentazione di ripresa aerea, i SAPR in particolare, fanno di giorno in giorno passi da gigante e le loro potenzialità abbracciano ambiti applicativi professionali sempre più vasti. D’altra parte la digitalizzazione spinta dei processi di elaborazione fotogrammetrica richiede necessariamente al tecnico una preparazione specialistica sul metodo, dovendo egli prevedere e controllare i risultati forniti dai software in termini tecnici e metrici.

Il convegno di cui si propone qui una sintesi ha voluto offrire un quadro generale delle possibili applicazioni dei rilievi aerei di prossimità da drone, con uno sguardo al metodo ed in particolare a tutto ciò che riguarda l’impiego di questi moderni strumenti come “mezzo di trasporto” delle fotocamere. Gli obiettivi sono stati:

1. Introdurre il metodo di rilievo aerofotogrammetrico con drone dalla acquisizione dei dati alla lettura e navigabilità metrica del modello elaborato;

2. Illustrare una panoramica della normativa che regola l’utilizzo professionale dei droni;

3. fornire una sintesi degli obblighi formativi ed etici del pilota di SAPR.

Si è dato spazio inoltre a due casi applicativi: la aerofotogrammetria applicata all’agricoltura di precisione e allo studio della dinamica degli incidenti stradali.

La comprensione del metodo di rilievo fotogrammetrico, sia esso aereo o terrestre, impone la comprensione di quali dati di input debbano essere acquisiti, in che modo e di come questi vengano elaborati, indipendentemente dal software utilizzato. Il risultato è un modello tridimensionale, in prima istanza una nuvola di punti, che può essere navigabile, ossia che può essere considerata a tutti gli effetti come un database sempre interrogabile sulle dimensioni, proporzioni, geometria, materiali, colori, dell’oggetto rilevato. Ogni punto del modello è infatti univocamente definito da una posizione nello spazio (x, y, z) e un colore (RGB). In altre parole, la fotogrammetria, ossia la tecnica che consente di acquisire informazioni metriche di un oggetto dalla elaborazione di immagini fotografiche, permette di “sostituire” all’oggetto un suo modello in scala che fedelmente ne riproduce tutte le caratteristiche metriche e qualitative.

Chi fosse interessato agli atti può scaricare i pdf degli interventi ai seguenti link:

– Introduzione alla geomatica e presentazione della metodologia di rilievo da SAPR, Relatore: Arch. Simona Alauria, libero professionista, Consulente Tecnico del Giudice, Tecnico Rilevatore dei Danni Post Sisma della Protezione Civile

– Applicabilità della metodologia fotogrammetrica da SAPR nella valutazione tecnica degli incidenti stradali. Relatore: Ing. Fabrizio Mario Vinardi, Consulente Tecnico del Giudice, Perito del Tribunale, Vice Presidente FOIT (Fondazione Ordine Ingegneri della Provincia di Torino)

– Sperimentazione della metodologia fotogrammetrica nell’ambito dell’agricoltura di precisione.Relatore: Ing. Luca Amatori, Pilota riconosciuto ENAC, Consulente Tecnico del Giudice, membro del Dipartimento di Geomatica FIAPR (Federazione Italiana Aeromobili a Pilotaggio Remoto)

– Il Regolamento ENAC e la realtà dei SAPR: situazione attuale e prospettive future. Relatore: Gian Francesco Tiramani, membro fondatore FIAPR (Federazione Italiana Aeromobili a Pilotaggio Remoto)

– La formazione del Pilota di SAPR alla luce della vigente normativa ENAC. Relatore: Paolo Omodei Zorini, pilota civile, insegnante alla scuola di volo AlphaLima Aviation di Cuneo.

Ringraziamo ancora una volta i relatori intervenuti, tutti i partecipanti, una platea di più di 100 persone che hanno partecipato al convegno per tutta la sua durata, gli Ordini degli Ingegneri e degli Architetti di Torino che hanno permesso l’erogazione di 3 CFP ai professionisti partecipanti.

ABSTRACT DEL CONVEGNO

(L’articolo è stato scritto in collaborazione con l’Ing. Sara Frumento e pubblicato su ingegneri.info)

La fotogrammetria digitale è la tecnica di rilievo che consente di ottenere informazioni metriche e geografiche, forma e posizione, di oggetti tridimensionali, come terreni ed edifici mediante la elaborazione di immagini fotografiche digitali. Può essere impiegata con ottimi risultati nel caso di rilievi aventi una grande estensione ottenendo un modello metricamente completo, rispondente alla realtà e georiferito. l’impiego dei droni offre un enorme valore aggiunto a questa metodologia di rilievo in quanto consente di rilevare e visualizzare l’oggetto da punti di vista aerei non comuni.

Il punto è l’entità fondamentale su cui si fonda il metodo di rilievo fotogrammetrico. Il riconoscimento di punti cosiddetti “omologhi” nei fotogrammi, infatti, ne consente l’allineamento e la successiva elaborazione di un modello a “nuvola di punti”: un modello in cui ogni punto è univocamente determinato da tre coordinate spaziali X, Y, Z e da tre coordinate di colore RGB.

Dati di input nel modello Fotogrammetrico 1) Fotogramma

È l’immagine ottenuta dalla ricostruzione della proiezione centrale che ha generato la corrispondente fotografia, una volta eliminate le distorsioni e le aberrazioni indotte dall’ottica utilizzata.

Un solo fotogramma non contiene informazioni sufficienti a definire univocamente la posizione tridimensionale di ogni punto dell’oggetto. Infiniti sono, infatti, i punti dell’oggetto reale che vengono proiettati sulla lastra fotografica lungo la stessa direttrice che passa per il punto principale. Due fotogrammi generati da due punti di presa distinti contengono invece le informazioni necessarie alla ricostruzione univoca della posizione dei punti dell’oggetto nello spazio grazie all’intersezione dei rispettivi raggi omologhi.

2) Misure Le misure ottenute devono essere tali da consentire la determinazione del punto principale di ogni fotogramma nello spazio. Si parla allora di:

Orientamento interno: rappresenta l’insieme di parametri (punto principale, distanza principale, lunghezza focale) che consentono di ricostruire la geometria della proiezione centrale. Essi sono uguali per tutti i fotogrammi del rilievo poiché funzione della camera utilizzata nella presa.Orientamento esterno, si distingue tra:Relativo: è la distanza tra i punti principali di due fotogrammi consecutivi.Assoluto: rappresenta la posizione dei punti principali nello spazio in un sistema di assi cartesiani scelti convenzionalmente dall’operatore. Nel caso di rilievo territoriale può essere utile la scelta di un sistema di riferimento geografico. In tal caso tutti i punti di riferimento e tutti i punti del modello successivamente elaborato avranno coordinate reali.

Poiché nella fotogrammetria digitale difficilmente è possibile conoscere la posizione dei punti di presa, a meno dell’impiego di sistemi RTK (Real Time Kinematic) ad elevata precisione (attualmente ancora in sperimentazione e comunque dai costi elevati), l’orientamento interno ed esterno dei fotogrammi viene effettuato lato software mediante ricostruzione “al contrario” delle proiezioni centrali, inserendo come input le coordinate di punti sull’oggetto, detti Ground Control Point (GPC).

I GPC consentono, quindi, la ricostruzione della prospettiva centrale, la determinazione della posizione punto principale nello spazio, nonché l’orientamento e il dimensionamento dell’oggetto rilevato.

Definizione dei GPC (Ground Control Point) I Ground Control Point (GPC) sono punti strategici sull’oggetto dei quali sono note le coordinate in un sistema di riferimento cartesiano convenzionale o geografico. Le coordinate di tali punti possono essere rilevate attraverso le tradizionali tecniche topografiche e di rilievo metrico diretto e/o indiretto, ovvero:

Stazione totale o mediante altri strumenti di misurazione della distanza, se il sistema deve essere inserito in un sistema di riferimento cartesiano locale;GPS (Global Position System);Qualsiasi altro sistema di misurazione che consenta di acquisire le coordinate XYZ di punti e delle distanze.

A prescindere dal metodo utilizzato è fondamentale la verifica della precisione delle misure, poiché da quelle dipende la precisione successiva del modello che si andrà ad elaborare.

Pianificazione del volo del SAPR

I parametri necessari alla definizione del rilievo fotogrammetrico di prossimità da SAPR sono:

Tempo di scatto (espresso in secondi): è la velocità di otturazione dell’obiettivo; considerando che le riprese avvengono in movimento, al fine di acquisire foto nitide, è necessario impostare un tempo di scatto rapido;Frequenza di scatto (n° foto al secondo): è la quantità di foto scattate in automatico dalla fotocamera durante il volo;Velocità di volo del SAPR (metri/secondo); Questi ultimi due parametri vanno calcolati in funzione della percentuale di sovrapposizione che si vuole ottenere tra le aree acquisite da due fotogrammi successivi. Tale sovrapposizione può essere considerata come lo spazio da percorrere in un certo tempo. All’inizio e alla fine di questo spazio viene acquisita una immagine dalla fotocamera. Per un corretto e completo riconoscimento, lato software, dei punti omologhi tra due fotogrammi successivi e per ottenere la completa ricopertura dell’area oggetto di rilievo è necessario che la sovrapposizione tra i fotogrammi sia almeno del 60-80% in senso longitudinale e del 30-50% in senso trasversale.

Restituzione del rilievo aerofotogrammetrico

Il primo fondamentale parametro da definire nella progettazione di tutti i passi necessari alla corretta esecuzione di un rilievo aerofotogrammetrico è la scelta, in base all’obiettivo del rilievo, della scala di rappresentazione, ossia della definizione finale del rilievo che si vuole ottenere: il Ground Simple Distance.

In una ortofoto, il GSD rappresenta la distanza tra il centro di due pixel consecutivi espressa in unità di misura territoriale. E’ in altre parole, la “quantità di terreno contenuta” in un pixel di ortofoto, essendo la misura del pixel espressa in metri: es. GSD = 3m/pix significa: ogni pixel dell’immagine contiene (o meglio rappresenta) 3 metri di oggetto reale rilevato. E’ facilmente intuibile come esista un rapporto di proporzionalità inversa tra il valore GSD e la definizione di una immagine: quanto più grande è il pixel tanto minore è il suo livello di dettaglio. Viceversa, quanto più piccolo è il GSD, tanto più dettagliata è l’informazione contenuta nel relativo pixel. Il GSD dipende dall’altezza di volo/distanza di presa e dalle caratteristiche della fotocamera impiegata, ma soprattutto dipende dall’obiettivo del rilievo e dal dettaglio richiesto.

Vale pertanto la seguente proporzione (che deriva dalla fotogrammetria classica):

dimensione pixel : dimensione oggetto = distanza focale : quota di presa ovvero d : D (GSD) = f : H

Il valore di GSD deve essere costante durante l’intera attività di ripresa, valutando quindi un’altezza di volo costante in funzione del sito e/o dell’oggetto da rilevare. Va prestata particolare attenzione la quota di volo / distanza di presa rispetto al terreno e rispetto al punto di decollo del SAPR o rispetto alla distanza di acquisizione delle immagini. Le immagini seguenti sono esemplificative: