Fotogrammetria con immagini aeree oblique – sviluppi e prodotti...

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    13-Oct-2020
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    Fotogrammetria con immagini aeree oblique – sviluppi e prodotti innovativi –

    D. Poli a, I. Toschi b, K. Moe a, F. Lago b, F. Remondino b, K. Legat c, C. Schreiner c

    (a) Terra Messflug GmbH, Eichenweg 42, 6460 Imst, Austria – (k.moe, d.poli)@terra-messflug.at (b) 3D Optical Metrology Unit, Bruno Kessler Foundation (FBK), Trento, Italy – (toschi, lago, remondino)@fbk.eu

    c Vermessung AVT ZT GmbH, Eichenweg 42, 6460 Austria – (c.schreiner, k.legat)@avt.at Riassunto L´articolo discute il trattamento fotogrammetrico rigoroso di un blocco di immagini aeree acquisite con la camera aerea obliqua Vexcel UltraCam Osprey, usando un dataset acquisito sulla citta di Imst (Austria) nell´ottobre 2015. La camera acquisisce simultaneamente lungo 5 direzioni di vista: una nadirale e quattro oblique (avanti, indietro, destra e sinistra rispetto alla direzione di volo con angolo di inclinazione di circa 45°). L´obiettivo del lavoro è mostrare i vantaggi dell´acquisizione combinata nadirale e obliqua, rispetto alla sola nadirale, sia da un punto di vista geometrico (attraverso il miglioramento dei risultati della triangolazione aerea - TA), che operativo, per scopi topografici e cartografici in ambiente urbano. Infatti, se il volo è pianificato secondo opportuni criteri e tenendo conto della topografia, le zone di superficie occluse o nascoste si riducono notevolmente, con vantaggi su più aspetti. Innanzitutto, è possibile restituire e digitalizzare elementi non visibili nelle immagini nadirali, come le impronte degli edifici. Inoltre le nuvole di punti 3D ottenute con dense image matching includono una porzione maggiore di edificio (facciate) e, di conseguenza, gli algoritmi di estrazione automatica degli edifici dalle stesse nuvole di punti presentano prestazioni migliori. Nell´articolo le singole fasi del trattamento fotogrammetrico delle immagini e l´estrazione di prodotti 3D sono descritte e commentate. I risultati sono confrontati con opportuni dati di riferimento. Speciale attenzione è dedicata all´adattamento di algoritmi esistenti e allo sviluppo di nuove soluzioni, come GEOBLy, utile per la restituzione e l´utilizzo delle immagini oblique per scopi cartografici. Abstract This paper discusses the potential of current photogrammetric multi-head oblique cameras, such as UltraCam Osprey, to improve the efficiency of standard photogrammetric methods for surveying applications like inventory surveys and topographic mapping for public administrations or private customers. The photogrammetric workflow, from flight planning to Dense Image Matching (DIM) and 3D building extraction, is described together with the achieved accuracy. For each step, the differences and innovation with respect to standard photogrammetric procedures based on nadir images are shown, including high overlaps, improved vertical accuracy, and visibility of areas masked in the standard vertical views. Finally the advantages of using oblique images for inventory surveys are demonstrated. Introduzione Quando i primi sistemi commerciali di camere aeree oblique sono apparsi sul mercato all’inizio degli anni 2000, gli utenti accolsero questa tecnologia con curiosità, ritenendola uno strumento per funzionalità supplementari (visualizzazione di tetti e facciate da una prospettiva di 360 gradi, misura di distanze in modalità monoplotting, ecc.), piuttosto che per applicazioni fotogrammetriche. Da allora, si sono succeduti importanti sviluppi sia a livello hardware (risoluzione spettrale, ottimizzazione degli angoli di inclinazione delle camere, formato di sensori) che a livello software

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    con lo sviluppo di soluzioni per l’elaborazione dei dati (Remondino and Gerke, 2015). In campo scientifico, le indagini si sono concentrate sulla geometria di acquisizione (ad es. la relazione tra gli angoli di vista e le caratteristiche della superficie da rilevare e il ricoprimento tra immagini e strisciate), sulla qualità delle immagini, sulla precisione della triangolazione aerea (TA) e sulle potenzialità di algoritmi di Dense Image Matching (DIM) (Jacobsen, 2008; Gerke and Nyaruhuma, 2009; Rupnik et al., 2015). La società di fotogrammetria aerea Terra Messflug GmbH (TM), parte del gruppo AVT Vermessung ZT GmbH (Imst, Austria), impiega immagini aeree oblique per migliorare l'efficienza dei flussi di lavoro standard in applicazioni topografiche, come ad esempio la mappatura di edifici a scopi catastali. Finora, tali progetti erano eseguiti con misure stereoscopiche su immagini aeree nadirali, integrate da rilievi terrestri. In collaborazione con la Fondazione Bruno Kessler (FBK) di Trento è stato realizzato il progetto di ricerca congiunto "GEOBLy" con l´obiettivo di ottimizzare il flusso di lavoro basato su immagini oblique e sviluppare una soluzione software con funzionalità specifiche per i progetti di mappatura di AVT. Nel 2015 TM ha eseguito riprese aeree su numerose aree urbane con il sistema multi-camera UltraCam Osprey della Vexcel Imaging. Utilizzando come caso-studio il volo eseguito su Imst, in Austria, nell´ottobre 2015, l´articolo presenta la metodologia utilizzata per il trattamento fotogrammetrico delle immagini nadirali e oblique ed i risultati ottenuti dall´estrazione automatica di edifici (LOD 2) dalle nuvole di punti 3D. Infine viene anche presentata un’analisi dei risultati e il confronto con i prodotti ottenuti dal trattamento delle sole immagini nadirali. Dataset Imst L´area del progetto è localizzata a Imst, una cittadina nella provincia del Tirolo, in Austria, e si estende per 4,5 km x 1,5 km, con quote tra 700 m e 1.000 m (Figura 1).

    Figura 1. Vista della città di Imst (© Edgar Moskopp, 2014).

    Figura 2. Sinistra: piano di volo (assi delle strisciate, GCPs e impronte delle immagini sul terreno; destra: distribuzione dei GCPs (croce blu) e CPs (cerchi rossi).

    Il rilievo aerofotogrammetrico è stato eseguito con la camera UltraCam Osprey. Le immagini nadirali acquisite nella banda pancromatica hanno dimensioni 11674 x 7514 pixel, grazie alla combinazione di due coni ottici con lunghezza focale 80 mm. L´informazione RGB e NIR è ottenuta da due coni separati e fusa a quella pancromatica con un´operazione di pan-sharpening (ratio 2). Le immagini oblique sono acquisite nelle bande RGB (Bayern pattern) da quattro coni ottici separati e inclinati lungo quattro direzioni di vista cardinali (avanti – F -, indietro – B -, sinistra – L - e destra - R) con un angolo di circa 45°. Il volo è stato pianificato con GSD medio pari

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    a 6 cm nelle immagini nadirali e ricoprimento del 75% tra le immagini della stessa strisciata e del 60% tra le strisciate adiacenti, per garantire un GSD di 10 cm nelle immagini oblique, limitare le occlusioni e assicurare che l´intera area di progetto fosse ripresa da cinque direzioni. Con tali parametri di volo il blocco fotogrammetrico contiene 5 strisciate e un totale di 780 immagini, ovvero 156 immagini per ogni camera, con scala media 1:7.400 circa (Figura 2). Il volo aerofotogrammetrico è stato eseguito il giorno 1 Ottobre 2015 con condizioni meteorologiche ottimali (assenza di nuvole e inclinazione dei raggi solari maggiore di 35°). Per l´acquisizione dei parametri di posizione e assetto della camera, sono stati utilizzati strumenti IGI (Aerocontrol IMU II-d 256 Hz con deriva migliore di 0.1°/h) e NovAtel (OEM V-3). Completano il dataset 20 punti a terra (GCP e CP – Figura 2), misurati con tecnica RTK GNSS con accuratezza media di 5 cm in planimetria e quota (Figura 2), i modelli 3D in formato vettoriali di edifici, restituiti usando immagini aeree nadirali di un precedente volo fotogrammetrico, e una nuvola di punti acquisita da sensore LiDAR aviotrasportato, con densità di tra 10-20 punti per m2. Analisi delle immagini e triangolazione aerea (TA) Dall´esame delle impronte delle immagini oblique che coprono la stessa porzione di superficie (Figura 3), si osserva che, data la simmetria degli angoli di inclinazione tra le camere B/F e L/R, in combinazione al parallelismo e ai versi opposti delle direzioni di volo delle strisciate adiacenti, le coppie di immagini prodotte dalle camere B e F da diverse strisciate hanno lo stesso aspect (dove con il termine “aspect” si intende l´angolo tra la direzione di vista della camera e l´orizzonte); allo stesso modo le coppie di immagini prodotte dalle camera L e R hanno lo stesso aspect. Al contrario, l´aspect tra le immagini acquisite dalle camere B e F rispetto a R o L è perpendicolare. Conseguenza immediata di questa geometria è che immagini con aspect uguale presentano un contenuto molto simile (ovvero, gli oggetti sul terreno sono visti dalla camera dalla stessa direzione), mentre immagini con aspect diverso o perpendicolare mostrano lo stesso oggetto da angolazioni differenti con pochi elementi in comune. La Figura 4 mostra chiaramente la differenza (o somiglianza) del contenuto nelle coppie di immagini con aspect diverso (o uguale).

    Figura 3. Impronta a terra delle cinque camera Osprey su edificio con sede AVT (indicato da punto rosso) in diverse strisciate adiacenti.

    Figura 4. Similitudine tra coppie B/F e L/R di immagini Osprey acquisite in diverse strisciate. Zoom su edificio con sede di AVT. (Visualizzazione in software GEOBLy).

    L´osservazione dell´aspect spiega la distribuzione del numero di punti omologhi estratti automaticamente tra coppie di immagini. Il test è stato eseguito con il software Pix4D (ma i risultati sono confermati dagli altri software usati per la triangolazione aerea). In Tabella 1 per le coppie di immagini con lo stesso aspect (celle verdi e gialle) il numero di pu