Drone It Better: Modellazione 3D da dati aerei

Convegno nazionale sul corretto uso dei droni Palermo, 16 Gennaio 2016

M. LO BRUTTO - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, AMBIENTALE, AEROSPAZIALE, DEI MATERIALI - Università di Palermo

Workshop sulla Modellazione 3D da dati aerei

Mauro Lo Brutto

DICAM Laboratorio di Geomatica

http://portale.unipa.it/dipartimenti/dicam/ mauro.lobrutto@unipa.it

Sommario

Definizione delle competenze di base

Descrizione delle fasi di lavoro

Progettazione ed esecuzione voli

Rilievo topografico

Procedure di orientamento

Produzione elaborati

Obiettivi del workshop

Fornire informazioni

sull’uso delle tecniche fotogrammetriche per la

realizzazione di prodotti metrici e modelli tridimensionali

a partire da immagini acquisite con APR

e definire

le competenze di base necessarie

le principali procedure operative

le problematiche tipiche

Che cosa il workshop non insegna

Specifiche tecniche e costruttive sui sistemi APR

Utilizzare un software

Info su normativa di riferimento (vedi Workshop 1)

Definizioni

L’uso delle tecniche fotogrammetriche per la realizzazione di

prodotti metrici e modelli tridimensionali a partire da

immagini acquisite con APR rientra nel campo della Geomatica

Geomatica → insieme delle tecniche e delle metodologie per l’acquisizione, l’elaborazione, la restituzione, l’analisi e la gestione di dati di natura metrica o tematica relativi alla superficie della Terra, alle infrastrutture e al patrimonio architettonico.

Geomatica → insieme di discipline

Definizioni

L’uso professionale dei sistemi APR per acquisire dati di natura metrica (es. modelli 3D) rientra nel campo della fotogrammetria

Geodesia Cartografia Topografia

Fotogrammetria

Telerilevamento Laser scanner

GNSS SIT

Tipologia di APR

MULTIROTORE

Quadricottero Elettrico 10 – 20 min Esacottero Elettrico 10 – 20 min Ottocottero Elettrico 10 – 20 min Elicottero Elettrico/Scoppio/Turbina 10 – 60 min

Monoala Elettrico max 45 min Aeroplano Elettrico max 60 min Aeroplano Scoppio 1 – 5 ore

ALA FISSA

SISTEMI IBRIDI Aeroplano/Quadricottero Elettrico max 60 min (new)

Droidworx

DraganFly OktoKopter

Aibotix

Heliprocam

NuvAero

GAUI ASCTEC

Falcon

Microdrones

Aeromao

Pteryx

Gatewing SenseFly

SmartPlanes

Borjet Maja

Songbird (Aerolution)

Controllo aree inaccessibili Sicurezza Operazioni di ricerca e salvataggio

Ispezione di infrastrutture Riprese aeree cinematografiche e fotografiche (in particolare matrimoni!!!) Robotica

Tecnologia che ha molte applicazioni anche in settori NON geomatici

Dal 2011/2012 enorme diffusione dei sistemi APR per applicazioni in ambito geomatico

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

0 APR 2 APR 8 APR circa 20 APR circa 30 APR circa 40 APR Circa 45 APR +

esposizione dedicata

Presenza espositori Sistemi APR a INTERGEO

Tecnologia di acquisizione dati con notevoli potenzialità sia dal punto di vista economico sia per le possibili applicazioni.

Campi di applicazione dei sistemi APR

Ispezioni Misure

Ispezione di infrastrutture Controllo aree inaccessibili Operazioni di ricerca e

salvataggio Controllo e sorveglianza di

aree coltivate Riprese aeree

cinematografiche

Rilievi fotogrammetrici Rilievi laser scanner Termografia Proximal sensing

Ambito geomatico

Voli in modalità manuale (con controllo remoto del pilota) Competenze avanzate per il pilotaggio del velivolo

Voli in modalità automatica e/o manuale Competenze avanzate per la progettazione del volo e il processamento dei dati

Ispezioni Misure

Ispezioni impianti, valutazione dei danni in emergenza, ecc.

Ispezioni Misure

Rilievi fotogrammetrici Rilievi laser scanner

Termografia Proximal sensing

Misure dati metrici

Misure caratteristiche fisiche

Ispezioni Misure

Il rilievo fotogrammetrico aereo di zone di media e piccola estensione (fino a qualche km2) è sempre stato abbastanza problematico per la mancanza di strumenti adeguati che permettono di colmare il gap tra - i classici voli fotogrammetrici aerei - i rilievi fotogrammetrici terrestri

500-700 km

10-20 m

I sistemi APR per la fotogrammetria

Con i sistemi APR è possibile • eseguire rilievi aerei fotogrammetrici a bassa quota

(generalmente in un range tra i 20 e i 200 metri) • acquisire dati metrici e qualitativi di dettaglio

[Eisenbeiss, 2004] [Bitelli et al., 2003] [Dequal et al., 2007] [Whittlesley, 1970] [Wester-Ebbinghaus, 1980]

Problematica non nuova in fotogrammetria (utilizzo piattaforme non-convenzionali)

Principali prodotti delle acquisizioni da APR in ambito fotogrammetrico

Modelli 3D ("nuvole di punti" e mesh) DSM/DTM Ortofoto Mappe tematiche Controlli e monitoraggi

allo stato attuale sono praticamente assenti restituzioni

tridimensionali per produzione di cartografia vettoriale ⇒ una delle principali finalità della fotogrammetria aerea

Principali vantaggi delle acquisizioni da APR in ambito fotogrammetrico Possibilità di eseguire rilievi «fotogrammetrici» Risoluzione delle immagini maggiore rispetto a quella

ottenibile dalla tradizionale fotogrammetria aerea (pixel <1 cm)

Rapidità nell’esecuzione del rilievo Costi contenuti delle fasi di acquisizione Possibilità di mappare aree difficilmente accessibili Diverse soluzioni software user-friendly e low-cost

per il processamento delle immagini

Problematiche delle acquisizioni da APR Autonomia di volo Payload Stabilità in condizioni meteo non ottimali Irregolarità delle riprese Numero e disposizione punti di appoggio Disponibilità di ampi spazi per l’atterraggio (per APR

ad ala fissa) Limiti normativi

Problematiche relativamente agli aspetti fotogrammetrici Configurazione blocco fotogrammetrico Precisione punti di appoggio Calibrazione camera Filtraggio dati Orientamento diretto

Progettazione ripresa fotogrammetria Tutte le volte che si esegue un rilievo fotogrammetrico è necessario progettare con attenzione l’esecuzione della ripresa. Nel caso di rilievi da APR due differenti condizioni - prese stereoscopiche nadirali - prese inclinate convergenti

Multirotori

Ala fissa

Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ la ripresa deve essere eseguita imponendo un ricoprimento tra le immagini

Ricoprimento longitudinale Ricoprimento trasversale

Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ il risultato della progettazione è definito blocco fotogrammetrico

- la distanza di presa

Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ progettate tenendo in considerazione due parametri

- il ricoprimento long. e trasv. tra le immagini

Va stabilita caso per caso in relazione alla precisione che si vuole ottenere, al livello di dettaglio delle immagini, all’estensione della zona di rilievo, alla tipologia di APR, alle condizioni logistiche

Parametro abbastanza costante; per prese da APR valori tra 70%÷80% (ric. long.) e 40% ÷70% (ric. trasv.)

Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ La distanza di presa consente di calcolare - la scala media (S) dell’immagine secondo la relazione

D = distanza di presa

In fotogrammetria aerea con camere analogiche parametro fondamentale.

- l’abbracciamento (L) dell’immagine secondo la relazione

cDlL =

l = dimensione sensore

c = distanza focale della camera

Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ La distanza di presa consente di calcolare il GSD (Ground Sampling Distance o Dimensione del pixel sull’oggetto) secondo la relazione

DGSD pix

dpix = dimensione del pixel della camera

Nella fotogrammetria aerea con camere digitali parametro fondamentale.

Progettazione ripresa fotogrammetria La progettazione delle prese stereoscopiche nadirali può essere eseguita nei sistemi professionali tramite procedure guidate

In funzione della quota di volo

In funzione del GSD

Piano di volo

Progettazione ripresa fotogrammetria Prese inclinate convergenti ⇒ schema di presa tipico della fotogrammetria terrestre

Progettazione ripresa fotogrammetria Prese inclinate convergenti ⇒ è necessario determinare con precisione le posizioni di presa e l’inclinazione della camera

Prese con forti variazioni di scala!!

Progettazione ripresa fotogrammetria Prese inclinate convergenti ⇒ è necessario determinare con precisione le posizioni di presa e l’inclinazione della camera

Prese con forti variazioni di scala!!

Progettazione ripresa fotogrammetria La progettazione delle prese inclinate convergenti può essere eseguita nei sistemi professionali tramite procedure guidate ⇒ procedura più complessa

Piano di volo

Esecuzione ripresa fotogrammetria L’esecuzione della ripresa fotogrammetrica deve tener conto

Circa 10-12 min. effettivi di volo con sensori a bordo

Circa 30-40 min. effettivi di volo con sensori a bordo

Autonomia di volo Payload

Parametri correlati

Esecuzione ripresa fotogrammetria L’esecuzione della ripresa fotogrammetrica deve tener conto

Autonomia di volo Payload

Parametri correlati

Compatte ∼200 gr

Mirrorless ∼ 450 gr

Reflex ∼ 900 gr

Action Camera ∼100 gr

Esecuzione ripresa fotogrammetria Nel caso di prese stereoscopiche nadirali eseguite con multicottero è possibile valutare due procedure

Prese eseguite su waypoints Scatto in continuo

Esecuzione ripresa fotogrammetria Nel caso di prese stereoscopiche nadirali eseguite con multicottero è possibile valutare due procedure

Prese eseguite su waypoints Scatto in continuo

Procedura più affidabile per rilievi fotogrammetrici. Consente di seguire meglio lo schema di progetto e di ottenere foto migliori. Tempi di volo più lunghi!

Procedura meno accurata. Diverse problematiche (qualità immagine, sensibilità alle condizioni di vento, numero di immagini eccessive) Tempi di volo ridotti!

Rilievo topografico Per eseguire correttamente un rilievo fotogrammetrico è indispensabile effettuare la misura topografica dei punti di appoggio.

Materializzazione Numero Disposizione Tecnica di misura (Stazione totale/GPS) Modalità di rilievo (Rete topografica, poligonale, GPS

statico, GPS RTK, GPS NRTK)

Rilievo topografico Per eseguire correttamente un rilievo fotogrammetrico è indispensabile effettuare la misura topografica dei punti di appoggio.

Punti «naturali» Punti pre-segnalizzati

Rilievo topografico

GPS NRTK

GPS STATICO

GPS RTK

Misure GPS in modalità RTK o NRTK ⇒ precisione delle coordinate 2÷5 cm

Misure GPS in modalità statica o con stazione totale ⇒ precisione delle coordinate circa 1 cm o sub-centimetrica

STAZIONE TOTALE

Rilievo topografico I punti di appoggio rappresentano il vincolo metrico fondamentale per la precisione del rilievo. Alcune problematiche - dimensioni minime dei target (non minori di 5 GSD) - superfici omogenee con notevole contrasto

(attenzione al bianco) - misura (circa) contemporanea al volo

Rilievo topografico

Procedure di orientamento Se si vuole effettuare un rilievo fotogrammetrico le immagini acquisite da sistemi APR devono avere un contenuto metrico. Si devono pertanto determinare ⇒ i parametri di Orientamento Interno della camera (distanza

principale, posizione del punto principale) e i parametri di distorsione dell’obiettivo

⇒ i parametri di Orientamento Esterno delle immagini (posizione e assetto delle immagini)

Questa operazione si basa sulla misura: 1) di punti omologhi (tie points) sulle immagini, calcolati automaticamente 2) di punti di appoggio (punti di coordinate note) misurati manualmente sulle immagini Il prodotti finali del processo di orientamento sono: i parametri di orientamento esterno ed interno di tutte le

immagini la "nuvola di punti" sparsa che descrive in modo

approssimato l’oggetto in 3D i parametri per la stima delle precisioni del rilievo

Individuazione automatica di punti sulle immagini

Procedure di orientamento Diverse strategie di calcolo per la ricerca automatica dei punti di legame (tie points) e l’orientamento delle immagini, attualmente la più utilizzate deriva dalla Computer Vision ⇒ Structure From Motion (SFM)

Ricerca dei corrispondenti punti sulle altre immagini

Individuazione automatica di punti sulle immagini

Procedure di orientamento Diverse strategie di calcolo per la ricerca automatica dei punti di legame (tie points) e l’orientamento delle immagini, attualmente la più utilizzate deriva dalla Computer Vision ⇒ Structure From Motion (SFM)

Ricerca dei corrispondenti punti sulle altre immagini

Calcolo posizione ed assetto della camera, stima dei parametri di orientamento interno, calcolo coordinate 3D dei punti

Procedure di orientamento I programmi di fotogrammetria eseguono anche una procedura di Triangolazione fotogrammetrica (Bundle Block Adjustment) ⇒ procedura di calcolo rigorosa ai minimi quadrati consente una stima più accurata dei parametri di

orientamento interno ed esterno consente il calcolo di parametri statistici di precisione

In alcuni software è denominata procedura di "ottimizzazione"!!!!

Lo s.q.m. sui punti di appoggio fornisce una indicazione sulla qualità della procedura di orientamento rispetto ai dati di input ⇒ attendibilità del calcolo

L’attendibilità effettiva (accuratezza) della determinazione delle coordinate tridimensionali dei punti è data dal calcolo degli scarti rispetto a punti noti non utilizzati per determinate i parametri di orientamento esterno

Check Point ⇒ derivano dal rilievo topografico

Teoricamente si dovrebbe ottenere

cpxyzgcpxyz mqsmqs ..... ≅

I modelli 3D sono calcolati tramite procedure di dense image matching (autocorrelazione) ⇒ consentono la misura automatica di "nuvole di punti" 3D ad altissima densità (1 punto ogni 2÷5 pixel dell’immagine) Processo totalmente automatico!!

Le "nuvole di punti" possono essere convertite in mesh con o senza texture

E’ possibile convertire la "nuvole di punti" in DSM e calcolare l’ortofoto

GRAZIE PER L’ATTENZIONE Mauro Lo Brutto

Laboratorio di Geomatica http://portale.unipa.it/dipartimenti/dicam/

mauro.lobrutto@unipa.it

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