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21 I SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto) per il rilievo e il monitoraggio del territorio: stato dell’arte e applicazioni fotogrammetriche I Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR) rappre- sentano la grande novità degli ultimi anni nell’ambito delle applicazioni per il rilievo e il monitoraggio del territorio. Molte ricerche sono state portate avanti per definire limiti e poten- zialità di questi sistemi, ma ancora, non è possibile avere degli standard operativi sia per le accuratezze dei rilievi sia per l’affidabilità degli elaborati. L’articolo descrive le caratteri- stiche principali dei SAPR attualmente utilizzati per applica- zioni professionali e le varie fasi che caratterizzano il rilievo fotogrammetrico con questi sistemi per la produzione di model- li 3D e di dati cartografici utili ai fini delle indagini geologiche/ geomorfologiche. RIASSUNTO ABSTRACT The Remotely-Piloted Aircraft Systems (RPAS) are the great innovation of the last few years for the survey and the monitoring of the territory. Many researches have been carried out to define the limits and potential of these systems, but still now it is not possible to have effective standards for survey accuracy and metric reliability. The paper describes the main features of the RPAS currently used for professional applications and the various steps of the photogrammetric survey with these systems to produce 3D models and cartographic data useful for of geological/geomorphological purposes. Mauro Lo Brutto Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale, Aerospaziale, dei Materiali (DICAM), Università di Palermo, viale delle Scienze, ed. 8, 90128 Palermo. [email protected] Introduzione Il rilievo aereo di dettaglio di aree con estensioni variabili da pochi ettari a qualche chilometro quadrato è sempre stato piut- tosto problematico per la mancanza di strumenti adeguati che consentano di colmare il gap tra i classici rilievi fotogrammetri- ci aerei e i rilievi terrestri (topografici, fotogrammetrici o laser scanner). Recentemente questo gap è stato superato grazie allo sviluppo dei Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR) che consentono sia di eseguire rilievi aerei a bassa quota, generalmente in un range compreso tra i 20 e i 150 metri, sia l’acquisizione di dati metrici e qualitativi di estremo dettaglio (Eisenbeiss & Sauerbierl, 2011). Corso APC organizzato il 27 Marzo 2015 dall’Ordine dei Geologi della Regione Sicilia, con il patrocinio del Comune di Palazzolo Acreide (SR) dal titolo: “Instabilità e consolidamento dei terreni di fondazione e dei versanti: modello geotecnico, troni e case hystory”

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I SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto)per il rilievo e il monitoraggio del territorio:stato dell’arte e applicazioni fotogrammetriche

I Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR) rappre-sentano la grande novità degli ultimi anni nell’ambito delleapplicazioni per il rilievo e il monitoraggio del territorio. Moltericerche sono state portate avanti per definire limiti e poten-zialità di questi sistemi, ma ancora, non è possibile averedegli standard operativi sia per le accuratezze dei rilievi siaper l’affidabilità degli elaborati. L’articolo descrive le caratteri-stiche principali dei SAPR attualmente utilizzati per applica-zioni professionali e le varie fasi che caratterizzano il rilievofotogrammetrico con questi sistemi per la produzione di model-li 3D e di dati cartografici utili ai fini delle indagini geologiche/geomorfologiche.

RIASSUNTO

ABSTRACT

The Remotely-Piloted Aircraft Systems (RPAS) are the greatinnovation of the last few years for the survey and the monitoringof the territory. Many researches have been carried out to definethe limits and potential of these systems, but still now it is notpossible to have effective standards for survey accuracy andmetric reliability. The paper describes the main features ofthe RPAS currently used for professional applications and thevarious steps of the photogrammetric survey with these systemsto produce 3D models and cartographic data useful for ofgeological/geomorphological purposes.

Mauro Lo Brutto

Dipartimento di IngegneriaCivile, Ambientale, Aerospaziale,dei Materiali (DICAM),Università di Palermo,viale delle Scienze,ed. 8, 90128 [email protected]

Introduzione

Il rilievo aereo di dettaglio di aree con estensioni variabili dapochi ettari a qualche chilometro quadrato è sempre stato piut-tosto problematico per la mancanza di strumenti adeguati checonsentano di colmare il gap tra i classici rilievi fotogrammetri-ci aerei e i rilievi terrestri (topografici, fotogrammetrici o laserscanner). Recentemente questo gap è stato superato grazieallo sviluppo dei Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR)che consentono sia di eseguire rilievi aerei a bassa quota,generalmente in un range compreso tra i 20 e i 150 metri, sial’acquisizione di dati metrici e qualitativi di estremo dettaglio(Eisenbeiss & Sauerbierl, 2011).

Corso APC organizzato

il 27 Marzo 2015

dall’Ordine dei Geologi

della Regione Sicilia,

con il patrocinio del

Comune di Palazzolo

Acreide (SR) dal titolo:

“Instabilità e

consolidamento

dei terreni di fondazione

e dei versanti:

modello geotecnico,

troni e case hystory”

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I SAPR, in genere conosciuti con il terminedi “droni” e sviluppati inizialmente per appli-cazioni militari, sono ormai molto diffusi inambito civile ed in particolare nel settore delrilievo architettonico, archeologico e geologico/geomorfologico. La loro popolarità è dovutasoprattutto alla possibilità di ottenere immagi-ni aeree dell’area di interesse con numerosivantaggi quali: rapidità nell’esecuzione delrilievo aereo, possibilità di riprendere aree dif-ficilmente accessibili, risoluzione delle imma-gini maggiore rispetto alla tradizionale foto-grammetria aerea (anche con pixel < 1 cm),costi contenuti delle fasi di acquisizione, dis-ponibilità di diversi soluzioni software user-friendly e low-cost per il processamento deidati (Lo Brutto et al., 2014).

Molto spesso quando si parla di “droni”, equindi di SAPR, si fa riferimento soltanto alvelivolo trascurando tutte le altre componentiche costituiscono il sistema. In realtà, sareb-be opportuno distinguere il velivolo dall’insie-me dei componenti che costituiscono il siste-ma necessario affinché questi mezzi possanoeffettivamente volare. Come è possibile nota-re anche nelle varie edizioni dei RegolamentiENAC (Ente Nazionale per l’Aviazione Civile),che negli ultimi anni sono state redatte pernormare l’attività di questi sistemi, è possibilefare una prima distinzione: con la terminolo-gia di APR (Aeromobile a Pilotaggio Remoto)si indicano tutti i velivoli caratterizzati dall’as-senza del pilota a bordo e dalla possibilità divolare in volo automatico, pre-impostandouna rotta di volo, o sotto il controllo remoto diun pilota che lo comanda da terra; con lasigla SAPR (Sistema Aeromobile a Pilotag-gio Remoto) si indica l’insieme costituito dalmezzo aereo (Aeromobile a Pilotaggio Remo-to), dai relativi componenti necessari per ilcontrollo e comando (stazione di controllo) daparte di un pilota remoto e dai sensori utiliz-zati per acquisire dati di varia natura.

In ambito internazionale, oltre al termine di“drone” in genere si fa riferimento al terminedi Unmanned Aerial Vehicle (UAV) o di Remo-tely Piloted Vehicle (RPV) per indicare le piat-taforme aeree; le denominazioni di UnmannedAircraft Systems (UAS), adottate per esempiodal Dipartimento della Difesa degli Stati Unitie dalla Autorità dell’Aviazione Civile Inglese,e di Remotely-Piloted Aircraft Systems (RPAS)

introdotta invece dalla International Civil Avia-tion Organization (ICAO), indicano invecequello che in Italia viene definito con l’acro-nimo SAPR.

Secondo la classificazione del 2011 dellaUVS (Unmanned Vehicle System) Internatio-nal (www.http://uvs-international.org/) gliAPR possono essere suddivisi in relazione avari parametri come le dimensioni, il peso, latipologia di motore, il payload (cioè il caricotrasportabile), il range operativo, la quota el’autonomia di volo. Secondo tali parametri èpossibile distinguere tre grandi categorie diAPR (Tab. 1): tattici, strategici e per opera-zioni speciali. All’interno della categoria degliAPR tattici rientrano praticamente tutti i veli-voli utilizzati per applicazioni in ambito civile(Fig. 1); in particolare, le piattaforme normal-mente utilizzate nella stragrande maggioran-za dei casi rientrano nella sotto-categoriadei mini APR, o, in qualche caso, anche deimicro APR. Tali piattaforme sono caratteriz-zate dal fatto di avere un range operativo(cioè una distanza massima di volo dallastazione di controllo) sempre inferiore ai 10km (anche se per la maggior parte delle piat-taforme questa distanza non supera qualchechilometro), quote massime di volo intorno ai250-300 metri, autonomie di volo inferiori ad1÷2 ore e MTOW (Max Take-Off Weight -peso massimo al decollo) inferiore ai 30 Kg.

Attualmente i SAPR rappresentano unatecnologia innovativa che sta diventandosempre più presente nella vita di tutti giorni,non solo nell’ambito del rilievo del territorio,ma anche in tanti settori che sfruttano lacapacità di questi sistemi di acquisire infor-mazioni dall’alto. Tra i tanti impieghi che sipossono fare è però necessario distinguerel’uso prettamente “ludico” dei SAPR, finaliz-zato a tutte quelle applicazioni fatte esclu-sivamente per divertimento, e l’uso a scopoprofessionale, ovvero l’utilizzo di questi siste-mi per eseguire un lavoro professionale ouna attività di ricerca. Questa differenzia-zione è ben messa in evidenza nei Regola-menti ENAC tramite anche l’utilizzo di unadiversa terminologia. Infatti, con il nome diAeromodello vengono indicati tutti i SAPRche possono essere utilizzati soltanto perattività ricreative e con i quali non è possibi-le fare nessun tipo di attività professionale.

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Tabella 1 - Classificazione degli APR secondo la UVS (Unmanned Vehicle System)International; in giallo le categorie maggiormente utilizzate in ambito civile.

Figura 1 - Esempi di velivoli che rientrano nella categoria degli APR tattici.

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Gli Aeromodelli, a differenza dei SAPR pos-sono essere utilizzati senza sottostare alRegolamento ENAC; il loro utilizzo però èpossibile solo se vengono rispettate determi-nate condizioni.

Componenti dei SAPR per l’utilizzoin ambito professionale

I Mini e Micro SAPR sono costituiti da variecomponenti come il velivolo, la stazione dicontrollo, il software di progettazione del volo,i sensori di navigazione, i sensori per l’acqui-sizione dati (Colomina, Molina, 2014).

I velivoli possono essere suddivisi in dueprincipali categorie: i multirotori e i monoaladetti anche ad ala fissa. I multirotori hannouna struttura a eliche caratterizzata dalla pre-senza di una o più eliche (in genere da unminimo di tre ad un massimo di otto), solita-mente montate su bracci estraibili, che per-mettono al velivolo di comportarsi come unelicottero (Fig. 2a). Possono, infatti, mantene-re ferma la posizione a mezz’aria (capacità dihovering), effettuare virate repentine, volarein direzione obliqua; i movimenti sono ese-guiti controllando opportunamente spinta ecoppia delle singole eliche. I monoala hanno

Categoria Acronimo Range operativo [km] Quota di volo [km] Durata del volo [h] MTOW [kg]

Tattici

Nano H < 1 100 < 1 < 0,0250

Micro µ < 10 250 1 < 5

Mini Mini < 10 150 - 300 < 2 < 30

Close Range CR 10 - 30 3000 2 - 4 150

Short Range SR 30 - 70 3000 3 - 6 200

Medium Range MR 70 - 200 5000 6 - 10 1250

Low Altitude Deep Penetration LADP > 250 50 - 9000 0,5 - 1 350

Low Altitude Long Endurance LALE > 500 3000 > 24 < 30

Medium Altitude Long Endurance MALE > 500 14000 24 - 48 1500

Strategici

High Altitude Long Endurance HALE > 2000 20000 24 - 48 12000

Operazioni speciali

Unmanned combay aerial vehicle UCAV 1500 10000 2 10000

Lethal LETH 300 4000 3 - 4 250

Decoy DEC 0 - 500 5000 < 4 250

Stratospheric STRATO > 2000 > 20000 & < 30000 > 48 Da definire

Exo-stratospheric EXO Da definire < 30000 Da definire Da definire

Space SPACE Da definire Da definire Da definire Da definire

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invece una struttura planare che li rende piùsimili agli aeroplani piuttosto che agli elicotte-ri; questi velivoli sono dotati soltanto di un’eli-ca spingente che serve a fornire portanza e digrandi ali che consentono di sfruttare corren-ti e flussi d’aria (Fig. 2b). Come tutti gli aero-plani gli APR ad ala fissa non hanno capacitàdi hovering ma hanno una aerodinamicamigliore che gli consente di avere una mag-giore resistenza al vento.

I multirotori rappresentano sicuramente gliAPR più noti e più diffusi, anche perché sonoquelli che vengono maggiormente utilizzatiper attività ludiche/ricreative. Dal punto divista delle problematiche di rilievo del territo-rio le due tipologie di velivoli si differenzianoper operatività, autonomia di volo, quota di

volo, modalità di acquisizione (Lo Brutto etal., 2014). Il multirotori hanno, infatti, resisten-za al vento inferiore, possono volare a quotedi volo anche molto basse (10-20 metri),hanno una maggiore flessibilità in fase diacquisizione in quanto consentono di effet-tuare riprese sia nadirali che inclinate graziealla possibilità di ruotare il sensore tramite unsupporto mobile definito gimbal che puòessere comandato dal pilota remoto in manie-ra indipendente dal velivolo. I velivoli ad alafissa volano a quote sempre superiori ai 100metri, consentono l’esecuzione soltanto diriprese nadirali secondo il classico schema difotogrammetria aerea, hanno capacità di cari-co molto basse che limita notevolmente letipologie di sensori che possono montare.

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(a) (b)

Figura 2 - APR multirotori (a) e ad ala fissa (b).

Figura 3 - Componenti della stazione di controllo a terra: radiocomando, tablet, notebook.

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Le due tipologie di velivoli, pur appartenen-do alla stessa grande categoria dei mini APR,e pur avendo campi di applicazione simili, sidifferenziano anche per le finalità del rilievo eper le caratteristiche dei prodotti che possonoessere ricavati dal loro impiego: rilievi a gran-dissima scala (pixel 1 o 2 cm, accuratezze delrilievo anche sub-centimetriche) di zone conestensione limitate nel caso dei multirotori,rilievi a grande scala (pixel circa 5 cm, accura-tezze del rilievo centimetriche) di aree ancheestese qualche chilometro quadrato per i veli-voli ad ala fissa.

La stazione di controllo a terra rappresental’insieme di hardware/software per controllaree comandare l’APR (Fig. 3). È sicuramente uncomponente fondamentale dell’intero sistemain quanto costituisce l’interfaccia tra il pilotaremoto e il mezzo. Generalmente è costituitoda un radiocomando ed un ricevente montatosul velivolo; il radiocomando è un trasmettito-re radio che invia una serie di impulsi che ven-gono ricevuti e scomposti dal ricevente. Inquesto modo è possibile pilotare in remoto ilvelivolo. Il radiocomando consente inoltre dicontrollare la telemetria del volo, cioè tutti queiparametri come posizione e assetto del velivo-

lo, velocità di spostamento, modalità di volo,stato dei motori, livello di carica delle batterie,ecc. che consentono di avere il controllo delmezzo. Per gestire meglio le informazioni sulmezzo remoto, in alcuni casi è possibile utiliz-zare come stazione di controllo a terra, paral-lelamente o anche indipendentemente (so-prattutto per i velivoli ad ala fissa) al radioco-mando, un PC o un tablet nel quale è installa-to un software di controllo e configurazione deiparametri di volo dell’APR.

Il software di controllo rappresenta anche ilsoftware per la progettazione del volo (Fig. 4).Tramite le funzioni disponibili è possibile pro-gettare con cura la traiettoria di volo soprattut-to in quei casi dove le missioni di volo vengo-no utilizzate per eseguire rilievi del territorio.Generalmente le missioni vengono progettateutilizzando come base cartografica i web mapservice tipo Google Maps o Microsoft BingMaps. Le opzioni per la pianificazione del voloe della ripresa dipendono molto dal tipo disistema che si utilizza e dal livello di sviluppodel software utilizzato.

I sensori di navigazione sono tutti quei sen-sori come il giroscopio, l’accelerometro, il baro-metro, il magnetometro e il GPS che consen-

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Figura 4 - Tipica schermata del software di controllo e progettazione del volo conindicato la posizione dei singoli waypoint e l’abbracciamento per ogni immagine.

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tono all’APR di volare e di gestire autonoma-mente le missioni programmate. Il giroscopio èil sensore che permette al multirotore di man-tenere l’assetto nei 3 assi nonostante eventiesterni tendano a modificarlo. L’accelerometroè il sensore grazie al quale il mezzo sa semprequal’è l’orizzonte rispetto al suolo, riuscendoquindi a riposizionarsi automaticamente in ma-niera parallela al suolo. Il barometro rileva levariazioni di pressione dovute al cambio diquota e pertanto consente al sistema di cono-scere e mantenere la quota relativa di volo. Ilmagnetometro è la bussola elettronica cheviene usata in combinazione con il GPS perdefinire la posizione. Il GPS è il dispositivo chepermette di conoscere la posizione del mezzoe di seguire traiettorie per gestire in manieraautomatica le missioni programmate.

I sensori per l’acquisizione dati rappresen-tano la componente essenziale affinché ilSAPR diventi uno strumento di lavoro (Fig. 5).La maggior parte dei SAPR è equipaggiatacon una camera fotografica che consente difare foto e video. Questo ha determinato uncrescente interesse per le applicazioni foto-grammetriche da parte di persone che sonointeressate all’utilizzo dei SAPR. Il tipo dicamera che può essere montato su un SAPRdipende principalmente dal mezzo che vieneutilizzato e dal tipo di attività che deve esseresvolta. Assieme alle normali camere fotografi-che i SAPR possono essere equipag-giati concamere termiche, con camere multispettrali econ camere iperspettrali; in particolare, lecamere multispettrali e iperspettrali consento-no di svolgere tipiche procedure del telerileva-mento satellitare utilizzando però immaginiriprese da distanze ravvicinate (proximal sen-sing). Assieme ai sensori ottici i SAPR posso-no essere equipaggiati da sistemi LIDAR

(laser scanner aerei) costruiti appositamenteper rilievi di prossimità. La loro diffusione èancora abbastanza limitata a causa dei costielevati della strumentazione per i sistemi piùperformanti, della necessità di utilizzareSAPR con payload di almeno 1.5÷2 kg e delleprecisioni che non sempre possono essereconsiderate soddisfacenti per rilievi aerei ese-guiti da quote di volo in genere molto basse.

Campi di applicazione dei SAPR

I SAPR sono di fatto un fenomeno “dimassa” sia per quanto riguarda il loro utilizzoin ambito prettamente ludico, che per l’utilizzoin ambito professionale. Le applicazioni pro-fessionali dei SAPR rientrano per la maggiorparte nel campo della Geomatica ovvero nelcampo di “quelle tecniche e quelle metodolo-gie utilizzate per l’acquisizione, l’elaborazio-ne, la restituzione, l’analisi e la gestione didati di natura metrica o tematica relativi allasuperficie della Terra, alle infrastrutture e alpatrimonio architettonico” (Gomarasca, 2004).Della Geomatica, infatti, fanno parte tuttequelle discipline come la Fotogrammetria, ilTelerilevamento, il rilievo LIDAR, che da sem-pre utilizzano e gestiscono dati metrici etematici ottenuti da immagini o da sensori divario tipo. Le applicazioni in ambito geomati-co riguardano la Cartografia, i Sistemi Infor-mativi Territoriali (S.I.T.), l’Archeologia e iBeni Culturali, la Geologia e la Geomorfolo-gia, l’Agronomia. Assieme però alle applica-zioni tipiche del rilievo metrico e tematico èpossibile anche individuare numerosi ambiticome le ispezione di infrastrutture, le ripreseaeree cinematografiche e fotografiche, il con-trollo di aree inaccessibili, le operazioni diricerca e salvataggio, l’utilizzo per operazioni

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Figura 5 - Tipici sensori utilizzati nei SAPR (da sinistra verso destra): camerafotografica, termocamera, camera multispettrale, camera iperspettrale e laser scanner.

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nell’ambito della sicurezza e dell’emergenza,dove le finalità del lavoro effettuato con iSAPR sono molto diverse da quelle tipichedelle applicazioni geomatiche.

È pertanto possibile distinguere in manieranetta due principali ambiti di utilizzo profes-sionale dei SAPR (Fig. 6):

• impiego del SAPR come strumento checonsente di avere un punto di vista pre-ferenziale per osservare un fenomeno ouna situazione; tali applicazioni possonorientrare genericamente nel campo delleoperazioni di “ispezione”;

• uso del SAPR per rilevare dati di varianatura tramite un sensore montato abordo; in questo caso le applicazionipossono genericamente essere definitecome operazioni di “misura”.

Le “ispezioni” in genere necessitano divoli eseguiti in modalità manuale (con con-trollo remoto del pilota) e pertanto richiedonosoprattutto competenze avanzate per il pilo-taggio del velivolo. Al contrario le “misure”prevedono voli per la maggior parte in moda-

lità automatica, secondo schemi ben definiti,e competenze avanzate soprattutto per laprogettazione del volo e il processamentodei dati. Inoltre, nell’ambito delle “misure”possiamo distinguere due approcci bendiversi che fanno riferimento rispettivamentea misure di dati metrici, nel quale rientranotutte le applicazioni da SAPR per il rilievofotogrammetrico e laser scanner, e misure dicaratteristiche fisiche, come quelle legatealle applicazioni con termocamera o al cosid-detto proximal sensing.

Dovrebbe essere abbastanza evidente chenon sempre le figure professionali che utiliz-zano SAPR e che forniscono servizi in questocampo sono in grado di eseguire tutte le pos-sibili applicazioni (come purtroppo spessosuccede!). È vero, infatti, che la tecnologiadei SAPR può essere considerata a bassocosto, e pertanto accessibile a molti, maspesso, in questo campo viene totalmentedimenticata la necessità di possedere le com-petenze necessarie per la corretta acquisizio-ne e l’adeguato processamento di informazio-ni e dati che rientrano nel campo delle “misu-

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Figura 6 - Schema dei campi di applicazione dei SAPR.

Campi di applicazionedei SAPR

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

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re”. In un recente editorale dal titolo “Topogra-fia liquida e Fotogrammetria solida”, il diretto-re della Rivista Geomedia, una delle principa-li riviste italiane di divulgazione scientifica inambito geomatico, scrive proprio in relazionea questa situazione “… Una tecnica si basasu una scienza, della quale bisogna conosce-re limiti e applicabilità. Il fatto che tecnologieavanzate facilitino l’uso di tecniche di posizio-namento e di descrizione del territorio vapreso con le molle e andrebbe normato perevitare errori gravi dovuti alla mancanza diconoscenza di limiti e ambiti di applicazione.Nel nostro mondo, ad esempio, un conto èfare fotografie dal cielo e un conto è fareaerofotogrammetria, quest’ultima fortunata-mente ben sperimentata e normata da tempoper fornire descrizioni del territorio «sufficien-temente accurate»” (Carlucci, 2015).

Applicazionifotogrammetriche dei SAPR

Le applicazioni fotogrammetriche eseguitetramite SAPR rappresentano sicuramente unambito di grande interesse per i Geologi per-ché consentono di acquisire prodotti di tipocartografico, come modelli digitali del terreno(DTM – Digital Terrain Model) o modelli digi-tali delle superfici (DSM - Digital SurfaceModel) e ortofoto, che permettono di avereinformazioni dettagliate della morfologia delterritorio. Inoltre, tramite fotogrammetria èpossibile ottenere anche modelli 3D fotoreali-stici che possono essere visualizzati ed ana-lizzati con grande facilità tramite diversi soft-ware attualmente disponibili sul mercato. Leproblematiche che meglio si prestano alleapplicazioni fotogrammetriche da SAPR ingeologia sono quelle relative allo studio dieventi franosi (Niethammer, 2012), di feno-meni erosivi (Pérez-Alberti, Trenhaile, 2014),di stabilità di pareti rocciose (Tucci et al.,2014, Danzi et al., 2013) e di monitoraggimultitemporali. Ovviamente la fotogrammetriada SAPR non deve essere intesa come alter-nativa ma piuttosto come tecnica comple-mentare alla fotogrammetria aerea tradizio-nale, che grazie allo sviluppo ed evoluzionedelle nuove camere me-triche digitali in alcu-ne situazioni consente risoluzioni di acquisi-

zioni molto prossime a quelle dei SAPR conuna maggiore affidabilità dal punto di vistametrico. La fotogrammetria da SAPR ha sicu-ramente due grandi vantaggi come la rapiditànell’esecuzione del rilievo e i costi contenutidella fase di acquisizione, ma rispetto allafotogrammetria tradizionale presenta ancoraalcune problematiche sia relative alla fase diacquisizione che agli aspetti specifici del pro-cesso fotogrammetrico; tali problematichedovrebbero essere sempre prese in conside-razione nel momento in cui si inizia a lavora-re con queste tecniche. In particolare, perquanto riguarda la fase di acquisizione sidovrebbe tenere conto dell’autonomia di volo,del payload e della stabilità in condizionimeteo non ottimali del mezzo, dell’irregolaritàdelle riprese, della disponibilità di ampi spaziper l’atterraggio (per APR ad ala fissa) esoprattutto dei limiti imposti dalla normativavigente. Relativamente agli aspetti fotogram-metrici invece si dovrebbe considerare laconfigurazione del blocco, il numero, la dispo-sizione e la precisione dei punti di appoggio,le problematiche di calibrazione della camera,l’effettiva accuratezza metrica dei risultati.

Il workflow del rilievo fotogrammetrico daSAPR può essere suddiviso in quattro fasi,ben note a chi si occupa di fotogrammetria:

• Progettazione ed esecuzione voli• Rilievo topografico dei punti di appoggio• Procedure di orientamento delle immagini• Produzione degli elaborati.

Progettazione ed esecuzione voli

Tutte le volte che si esegue un rilievo foto-grammetrico è necessario progettare conattenzione l’esecuzione della ripresa. Nelcaso di rilievi da SAPR possono presentarsidue differenti condizioni: prese stereoscopi-che nadirali, effettuabili sia con sistemi multi-rotori che ad ala fissa, e prese inclinate e/oconvergenti, realizzabili solo con multirotori.Le prese stereoscopiche nadirali sono proget-tate imponendo un ricoprimento tra le imma-gini, sia in senso longitudinale che trasversa-le; questo schema di presa è quello tipicodella fotogrammetria aerea. Sostanzialmenteil progetto viene redatto considerando dueparametri: la distanza di presa, che va stabili-

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Figura 7 - Esempio di progetto di prese con scatto in corrispondenzadei waypoint (a sinistra) e con scatto in continuo (a destra).

ta caso per caso in relazione alla precisioneche si vuole ottenere, al livello di dettagliodelle immagini, all’estensione della zona dirilievo, alla tipologia di APR, alle condizionilogistiche, e la percentuale di ricoprimento,che in genere è abbastanza costante e nelcaso dei SAPR viene mantenuta sempreintorno a valori tra 70% e 80% per il ricopri-mento longitudinale e tra 40% e 70% perquello trasversale. Nel caso di prese stereo-scopiche nadirali eseguite con multicottero èpossibile valutare due procedure (Fig. 7):prese eseguite su waypoint predeterminati escatto in continuo della ca-mera. La prima èla procedura più affidabile per rilievi fotogram-

metrici perché consente di seguire meglio loschema di progetto e di ottenere foto migliori.Presenta però l’inconveniente di aumentare itempi di volo. La seconda è una procedurameno accurata perché può dare luogo adiversi inconvenienti (qualità scadente delleimmagini, elevata sensibilità alle condizioni divento, numero di immagini eccessive). Ha tut-tavia il grande vantaggio di ridurre drastica-mente i tempi di volo.

Le prese inclinate e/o convergenti rappre-sentano lo schema tipico della fotogramme-tria terrestre che, nel caso dei SAPR, è ingenere utilizzato soprattutto per rilievi foto-grammetrici in ambito architettonico (Fig. 8)

Figura 8 - Esempio di prese inclinate in ambito architettonico.

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anche se in alcune situazioni in campo geolo-gico/geomorfologico (si pensi al rilievo dellepareti rocciose) può risultare particolarmenteutile. Le prese inclinate e/o convergenti pre-sentano forti variazioni di scala e dovrebberosempre essere eseguite calcolando con pre-cisione le posizioni di presa e l’inclinazionedella camera.

L’esecuzione della ripresa fotogrammetricadeve tener conto dell’autonomia di volo e delpayload del mezzo che si sta utilizzando.Questi due parametri sono tra di loro correla-ti in quanto l’utilizzo di sensori con maggiorpeso diminuisce l’autonomia del mezzo. Ingenere i multirotori hanno autonomie effettivedi volo (che consentono cioè di volare semprein sicurezza) di circa 8÷10 minuti, mentre isistemi ad ala fissa possono tranquillamentearrivare a 30÷40 minuti. Il payload è costituitodalle varie tipologie di camere digitali disponi-bili a partire dalle action camera, per poi pas-sare a camere compatte, camere mirrorless ecamere reflex. Ovviamente l’utilizzo di un tipodi camera rispetto ad un altro comporta unaumento del peso del sensore (dai 100 gram-mi circa di una action camera fino a circa ad1 kg per le reflex) che, come detto influiscesull’autonomia di volo, ma anche una varia-zione dal punto di vista qualitativo delleimmagini (che migliorano utilizzando cameremirrorless o meglio ancora camere reflex).

Rilievo topograficodei punti di appoggio

Per eseguire correttamente un rilievo foto-grammetrico è indispensabile effettuare lamisura topografica dei punti di appoggio. Gliaspetti che debbono essere presi in conside-razione per questa fase sono le modalità dimaterializzazione dei punti, il loro numero e laloro disposizione nell’area del rilievo, la scel-ta della tecnica di misura e della modalità dirilievo topografico da utilizzare (Stazione tota-le, GPS statico, GPS RTK o NRTK). La misu-ra dei punti di appoggio può avvenire su puntinaturali o su punti pre-segnalizzati tramiteopportuni target (Fig. 9). Le misure eseguitecon la stazione totale o il GPS in modalità sta-tica sono sicuramente quelle che consentonodi ottenere le migliori precisioni sulle coordi-nate dei punti di appoggio (centimetriche o

anche sub-centimetriche); hanno però l’in-conveniente di essere molto più onerose siadal punto di vista operativo che dei tempi dirilievo. Per questo motivo la maggior parte deirilievi topografici dei punti di appoggio vieneeseguita tramite GPS in modalità RTK oNRTK. Le precisioni con queste modalità dimisura possono essere molto variabili dacirca 2 cm fino a circa 5 cm in funzione dellecondizioni del rilievo topografico.

Le modalità di rilievo e le precisioni dellecoordinate dei punti di appoggio rappresenta-no uno degli aspetti maggiormente sottovalu-tati dagli operatori di SAPR che non hannouna formazione di tipo geomatico. Tale condi-zione porta a situazioni talvolta paradossali,dove rilievi fotogrammetrici aerei eseguiti daSAPR presentano precisioni peggiori di rilievifotogrammetrici aerei tradizionali eseguiti daquote di volo di migliaia di metri soltanto per-ché non si è stati in grado di eseguire un cor-retto rilievo topografico dei punti di appoggio!I punti di appoggio sono il vincolo metrico fon-damentale di un rilievo fotogrammetrico epertanto devono essere rilevati con precisioniadeguate alle finalità del rilievo e alle scalefotogrammetriche delle immagini. Nell’indivi-duazione dei punti di appoggio sulle immagi-ni possono poi presentarsi alcune problemati-che dovute per esempio ad un non correttodimensionamento dei target (in genere nondovrebbero mai essere minori di 5 pixel sulleimmagini) o alla scarsa visibilità del target perinsufficiente contrasto o per la bassa qualitàradiometrica delle immagini, soprattuttoquando queste sono eseguite con actioncamere o con camere compatte.

Procedure di orientamentodelle immagini

Per potere utilizzare le immagini in un pro-cesso fotogrammetrico è indispensabile effet-tuare quell’operazione che prende il nome diorientamento esterno. Questa fase consentedi determinare quei parametri, definiti diorientamento esterno, che consentono di cal-colare la posizione e l’assetto della cameranell’istante dello scatto della fotografia. Inquesto modo è possibile ricostruire in manie-ra rigorosa le relazioni geometriche tra l’im-magine e l’oggetto fotografato, ed applicare

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le relazioni analitiche della fotogrammetria(equazione di collinearità) per potere effettua-re le misure sull’oggetto a partire dalle corri-spondenti misure sulle immagini. Durante leprocedure di orientamento esterno dei rilievicon SAPR vengono in genere contestual-mente determinati sia i parametri di orienta-mento interno (distanza principale, posizionedel punto principale) e di distorsione dell’o-biettivo della camera sia i parametri di orien-tamento esterno di ogni singola immagine. Laprocedura di orientamento esterno si basasulla misura nelle immagini di punti di legame(tie point), calcolati automaticamente, e dipunti di appoggio misurati manualmente. Iprodotti finali del processo di orientamento,oltre ai parametri di orientamento interno edesterno di tutte le immagini, sono rappresen-tati anche da una “nuvola di punti” sparsa chedescrive in modo approssimato l’oggetto in

3D e da parametri per la stima delle precisio-ni del rilievo (Fig. 10).

Molti software commerciali e open sourcesono attualmente disponibili per eseguire inmaniera automatica le procedure di orienta-mento; la maggior parte integra strategie dicalcolo per la ricerca automatica dei punti dilegame che derivano dalla Computer Vision;e che sono definite Structure From Motion(SFM). Questo aspetto ha sicuramente giova-to all’intero processo fotogrammetrico perchéha permesso di automatizzare quasi del tutto(tranne che per la misura dei punti di appog-gio) la fase più importante dell’intero work-flow. Di contro, l’eccessiva semplicità di moltisoftware ha portato anche ad un loro utilizzosenza avere una chiara visione dal punto divista teorico di quello che si sta facendo equindi non comprendendo appieno i limiti delleprocedure eseguite.

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Figura 9 - Esempi di punti d’appoggio pre-segnalizzati.

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Produzione degli elaborati

Gli elaborati che possono essere realizza-ti sono principalmente modelli 3D, sottoforma di “nuvole di punti” 3D o di superfici(mesh), DTM e/o DSM, ortofoto. I modelli 3Dsono calcolati tramite procedure di denseimage matching (autocorrelazione) che con-sentono la misura in maniera totalmente

automatica di “nuvole di punti” 3D ad altissi-ma densità (1 punto ogni 2÷5 pixel dell’imma-gine). Le “nuvole di punti” 3D possono esse-re convertite in mesh con o senza texture percreare modelli 3D fotorealistici. La “nuvola dipunti” 3D rappresenta il prodotto dal qualericavare eventualmente il DSM, o il DTM nelcaso in cui si procede al filtraggio della“nuvola” per ricostruire soltanto la superficie

Figura 10 - “Nuvola di punti” sparsa (a sinistra) e parametridi precisioni del processo di orientamento (a destra).

Figura 11 - “Nuvola di punti” 3D calcolata per il sito archeologico di Selinunte.

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del terreno senza vegetazione o struttureantropiche. Il DSM e il DTM sono degli elabo-rati di tipo raster che possono essere utilizza-ti per creare l’ortofoto o gestiti all’interno diprogrammi GIS per il calcolo di pendenze,volumi, sezioni, ecc..

Le ortofoto rappresentano degli elaboraticartografici e pertanto dovrebbero semprerispettare limiti di precisione stabiliti dallescale nominali di rappresentazione. In genereè possibile ottenere ortofoto con risoluzionigeometriche centimetriche (o in alcuni casianche sub-centimetriche) e scale nominalitipiche dei rilievi tecnici (1:100 ÷ 1:200).

Conclusioni

I SAPR sono strumenti molto utili in am-bito professionale soprattutto nell’ambito geo-logico/geomorfologico dove è possibile ese-guire applicazioni fotogrammetriche per scopicartografici e di modellazione 3D. Tutte leapplicazioni che richiedono un controllo neltempo e nello spazio sono applicazioni poten-ziali dei SAPR che rappresentano dei sistemistrategici per il monitoraggio e il controllo del-l’ambiente e del territorio in caso di frane,fenomeni erosivi, eventi di inquinamento, ecc.ma anche per le infrastrutture come linee etralicci alta tensione, pannelli solari, ferrovie,dighe, ecc. o per eventi estremi come allu-vioni o terremoti.

L’acquisizione e il processamento perscopi fotogrammetrici fornisce buoni risultatiin molte situazioni e per numerose applica-zioni ma alcuni importanti aspetti, spessopoco considerati da chi non possiede unaformazione specifica nel campo del rilievo,possono pregiudicare la qualità e l’affidabi-lità dei risultati (es. geometria e qualità delblocco fotogrammetrico, precisione punti diappoggio)

Alcune problematiche molto importanti permigliorare le prestazioni dei SAPR sonoancora argomenti di ricerca ed è possibileche nel breve periodo ci possano esseresignificativi miglioramenti per esempio relati-vamente all’aumento dell’autonomia di volo odel payload, che rappresentano dei fattori cri-tici dal punto di vista operativo, o alla realiz-zazione di sensori multipli integrati per l’ac-quisizione contestuale di dati di varia natura.

Attualmente l’evoluzione dei sistemi ha por-tato alla produzione in alcuni SAPR multiro-tori e ad ala fissa di sistemi GPS integrati conmoduli RTK per il calcolo in tempo reale dellecoordinate corrette dei centri di presa delleimmagini fotografiche.

Inoltre dovrebbe essere necessario proce-dere quanto prima alla definizione di soglie diaccuratezza dei differenti sistemi (multirotorivs ala-fissa), anche in relazione ai sensori uti-lizzati, e di standard e linee guida per i pro-cessi e per i prodotti ottenibili con questa tec-nologia. Fondamentale sarebbe certamenteanche una normativa ENAC con regole chia-re e stabili nel tempo che consenta a tutti glioperatori del settore di programmare ed orga-nizzare le proprie attività lavorando nel rispet-to delle regole e in conformità a standard disicurezza ben definiti.

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