MOBILE MAPPING SYSTEM PER IL CATASTO DELLE STRADE

Dott. Ing. Giuseppe Siligato

Università degli Studi Catania Dottorato in Ingegneria delle Infrastrutture Viarie Ciclo XIX

Dipartimento Ingegneria Civile Ambientale

Tutor: Prof. Giuseppe Mussumeci

KEY WORDS: catasto strade, GPS, geometria stradale, caratteristiche geometriche, MMS, fotogrammetria digitale

ABSTRACT:

Nel presente lavoro si propone l’utilizzo di un prototipo di veicolo, capace di acquisire e catalogare alcune delle informazioni

necessarie alla realizzazione del Catasto Strade, quali segnaletica orizzontale e verticale, cartellonistica, sezione trasversale, stato

della pavimentazione, geometria d’asse ed accessi laterali.

Il veicolo è equipaggiato con due sensori di acquisizione video ed un ricevitore GPS. La video camera anteriore è orientata lungo la

direzione di marcia e consente di acquisire le informazione relative alla segnaletica verticale, alla sezione trasversale e la presenza di

accessi; quella posteriore è orientata ortogonalmente alla pavimentazione stradale e consente invece l’estrazione delle informazioni

relative allo stato della pavimentazione e l’affettiva traiettoria percorsa dal veicolo.

Le sequenze video vengono eseguite in maniera da ottenere frame sincroni al rate di acquisizione del sensore GPS, ciò consente la

georeferenziazione delle informazioni estratte dai frame.

La metodologia permette inoltre la conoscenza puntuale della distanza veicolo segnaletica di riferimento, ciò consente di ottenere

una nuova semina di punti coincidente con la segnaletica orizzontale, rendendo di fatto più agevoli le operazioni di estrazione della

geometria stradale.

Una particolare attenzione è stata rivolta ai fattori che possono influenzare la qualità e quantità delle soluzioni posizionali della

semina di punti. In particolare sono state esplorate le correlazioni esistenti tra tipologia, durata e lunghezza del segmento di

inizializzazione e qualità della soluzione posizionale.

1. INTRODUZIONE

Il rilevamento delle caratteristiche geometriche delle

infrastrutture stradali è di grande attualità ed ha attivato

numerosi ricercatori nella definizione e sperimentazione sul

campo di metodologie innovative. Obiettivi primari della

ricerca sono il raggiungimento di un’elevata precisione (ad

esempio il Catasto delle strade richiede, in Italia, ±0.10 m sulle

dimensioni della carreggiata) e contemporaneamente l’alta

produttività.

Riguardo a quest’ultimo aspetto non appare superfluo precisare

che una provincia italiana di medie dimensioni, quale è quella

di Catania, gestisce (e quindi ha l’obbligo di “catastare”) oltre

3000 Km di strade. L’approccio dunque non può che essere

basato su riprese della sede stradale mediante video o foto-

camere installate su veicolo in movimento e trattamento delle

stesse con tecniche fotogrammetriche, ove possibile,

georeferenziate mediante GPS/INS per una restituzione

fotogrammetrica “diretta”.

L’impiego della strumentazione GPS in modalità cinematica

risulta particolarmente adatto al rilievo stradale, in particolare

assume grande rilevanza la tecnica GPS differenziale con

misure di fase; utilizzando detta tecnica in modalità cinematica

si ottiene, infatti, un notevole beneficio di precisione e rapidità

permettendo il rilievo di una semina di punti rappresentativi

della traiettoria percorsa dal veicolo.

Sebbene la tecnica GPS differenziale basata su misura di fase

sia già da tempo utilizzata nelle applicazioni cinematiche, una

piena operatività implica comunque la risoluzione di alcune

problematiche legate all’impiego della coppia di ricevitori.

La determinazione dell’ambiguità iniziale nel metodo

differenziale cinematico GPS consiste nella soluzione, epoca

per epoca, delle equazioni di osservazione tra due ricevitori

(master rover) dopo aver determinato le ambiguità iniziali e

mantenendo il contatto con i satelliti; è facilmente intuibile il

decadimento della qualità posizionale rispetto al metodo statico,

dove è possibile calcolare le coordinate di un punto risolvendo

ai minimi quadrati un sistema di equazioni caratterizzato da una

notevole ridondanza; nel posizionamento cinematico, ad ogni

perdita di contatto con i satelliti è necessario determinare

nuovamente l’ambiguità iniziale non appena questo si ripristina;

inoltre poiché uno dei punti è in movimento, questa operazione

si basa sulle sole osservabili disponibili al momento. In queste

condizioni viene generalmente utilizzato l’algoritmo OTF che si

basa sulla misura delle pseudo-distanze generando coordinate

approssimate che comunque permettono di determinare

l’ambiguità iniziale.

La lunghezza della base di inizializzazione risulta di

fondamentale importanza difatti con il suo incremento si ha una

progressiva perdita di correlazione spaziale degli errori di

misura GPS ed il conseguente decadimento delle modellazioni

basate sul concetto di base singola.

Vi è inoltre da considerare la configurazione geometrica dei

satelliti, in genere si fa riferimento al GDOP che tiene conto sia

degli s.q.m. relativi alle coordinate geocentriche sia s.q.m.

dell’errore imputabile all’orologio del ricevitore; valori elevati

corrispondono a intersezioni nello spazio con basi piccole

rispetto alla distanza satellite ricevitore originando soluzioni

non ottimali che ovviamente si ripercuotono sulla qualità finale

del dato posizionale.

Le interferenze generate dalla riflessione del segnale sorgente su

superfici prossime al ricevitore e lacune GPS imputabili a

parziale oscuramento del sensore, o alla presenza di ostacoli al

di sopra di 15°-20° di elevazione possono disturbare o

interrompere la ricezione generando ulteriori cycle slip.

Nell’ambito dell’attività svolta, è stata messa a punto una

metodologia di acquisizione basata su un veicolo rilevatore

equipaggiato da due video camere, la prima orientata lungo la

direzione di marcia mentre la seconda disposta ortogonalmente

alla pavimentazione stradale; entrambi i sensori vengono gestiti

da un software appositamente realizzato con il quale è anche

possibile sincronizzare il tempo di acquisizione di ogni sensore

con un impulso esterno. Nel caso in esame l’intero sistema

viene sincronizzato al “rate” di campionamento del sensore

GPS alloggiato sul veicolo in movimento, ciò consente di fatto

l’estrazione dei singoli “frame” dalle sequenze video sincroni al

“rate” di acquisizione del sensore GPS.

Dalle due diverse sequenze di “frame” georeferenziate è

possibile estrarre informazioni relative alla tipologia e

dimensione della sezione trasversale dell’infrastruttura lo stato

di degrado della pavimentazione stradale, l’effettiva traiettoria

percorsa dal veicolo che transita sull’infrastruttura la presenza

di accessi e cartelloni. Dai “frame” estratti della camera

posteriore è possibile determinare in ogni istante la posizione

della mezzeria del veicolo rispetto alla segnaletica orizzontale,

ove presente, condizione che consente di generare una nuova

semina di punti denominata “semina ausiliaria” che meglio

approssima la reale geometria dell’infrastruttura.

2. VALUTAZIONE DELLE SOLUZIONI

POSIZIONALI

2.1 Qualità delle soluzione posizionali

L’utilizzo cinematico dei sensori GPS finalizzato alla

ricostruzione della traiettoria percorsa dal veicolo è fortemente

influenzato da numerosi fattori, tra cui sono di fondamentale

importanza l’inizializzazione del segmento cinematico, il

numero e la disposizione geometrica della costellazione

osservabile, la presenza di ostacoli e/o mascheramenti.

A seguito di operazioni di osservazione e controllo protratte nel

tempo (sitting) si sono validati e materializzati due capisaldi

nel seguito denominati [DICA] ed [SS114]; questi sono stati

scelti in maniera tale che SS114 si possa considerare come

punto “vicino” (gran parte del tracciato si sviluppa nelle sue

vicinanze), mentre DICA risulta più distante e può quindi essere

considerato come punto “lontano”.

Nello svolgimento delle prove sono stati utilizzati

contemporaneamente tre sensori: due di riferimento collocati sui

capisaldi, il terzo alloggiato sul veicolo in movimento sul

tracciato di prova.

La possibilità di utilizzare i dati provenienti da due diversi

ricevitori master, consente di associare ad ogni singolo punto

acquisito in modalità cinematica due distinte soluzioni

posizionali, una relativa al “punto vicino” ed una associata al

“punto lontano” , ciò di fatto consente di effettuare un controllo

sulla qualità della soluzione posizionale.

Individuata la base di riferimento, la soluzione posizionale

associata al generico punto non è univoca, ma più in generale

vengono determinate un insieme di soluzioni che costituiscono

il cosiddetto “dominio delle soluzioni” dal quale viene estratta

la soluzione più probabile in relazione alla tipologia di rilievo

ed all’affidabilità ricercata; in pratica questo si traduce

nell’adottare uno unico “criterio di reiezione” per l’intero

rilievo.

Al fine di evidenziare la forte dipendenza della soluzione dalla

distanza tra ricevitori sono stati fissati due differenti criteri di

reiezione: il primo, molto selettivo, capace di assicurare una

maggiore affidabilità a discapito del numero di soluzioni

validate, associato al “punto vicino” [SS114], mentre il secondo

più blando, permette di restituire una maggiore porzione di

traiettoria viene invece associato al “punto lontano” [DICA].

Figura 1. Soluzione associate al riferimento SS114

Figura 2. Soluzione associate al riferimento DICA

Figura 3 . Variazioni nel numero delle soluzioni in relazione al

criterio di reiezione adottato

Nello successivo grafo si evidenziano le zone caratterizzate da

un doppia soluzione:

Soluzioni posizionali

1753

2678

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

DICA

SS114

Figura 4. Tracciato Test

Al fine di quantificare per ogni punto della catena cinematica

lo scarto tra la soluzione associata al “punto lontano” e quella

del “punto vicino” si definisce il vettore differenza di posizione

come il valore assoluto delle differenza della soluzione

posizionale del punto lontano e quella del punto vicino; (VDP =

[Slont- Svic]).

Di seguito si riportano dei grafici dove si evidenzia la

variabilità del vettore differenza di posizione (nel prosieguo

indicato con VDP) al mutare delle condizioni che hanno

originato le diverse soluzioni, lunghezza e modalità del

segmento di inizializzazione; l’intero vettore differenza è

indicato dalla curva in blu denominata [diff. 3d], mentre la

componente planimetrica è indicata dalla curva magenta

denominata [diff. 2d], la porzione di segmento contenuta tra la

curva [diff. 3d] e [diff. 2d] è dunque rappresentativa della

componente altimetrica del VDP.

Figura 5 . Zona 1

Figura 6 . Zona 2

Figura 7 . Zona 3

Figura 8 . Zona 4

Figura 9 . Zona 5

Figura 10 . Zona 6

Figura 11 . Zona 7

Nel primo tratto la prolungata inizializzazione statica consente

di fissare l’ambiguità in maniera molto efficace, come

evidenziato dalla ridotta entità del VDP.

Nella zona 2 l’entità del VDP è paragonabile a quella della

zona 1 per il tratto iniziale; successivamente, al crescere della

distanza rover - master, il VDP cresce. La zona 3 è invece

caratterizzata da una inizializzazione OTF, ovvero il veicolo

non ha arrestato la marcia in presenza di ostruzioni e la

risoluzione dell’ambiguità viene tentata in fase di post

processamento utilizzando solo l’intervallo di dati validi,

condizione che origina ambiguità palesemente differenti per il

“punto vicino” e per il “punto lontano”, come evidenziato dal

VDP .

La zona 4 è caratterizzata da una inizializzazione statica e da

baseline pressoché costanti; per tutto l’intervallo il VDP si

mantiene quasi immutato.

Nella zona 5 valgono le considerazioni fatte per la zona 3,

mentre nella zona 6 l’intervallo delle soluzioni è molto più

elevato rispetto al caso delle inizializzazione cinematiche

precedentemente analizzate; ciò consente all’algoritmo OTF un

fissaggio delle ambiguità molto più robusto. Infatti escluso il

primo tratto, generato da valori di primo tentativo, l’entità del

VDP si mantiene abbondantemente sotto il metro e ciò è anche

dovuto alla progressiva riduzione delle baselines.

Nella zona 7 sebbene la dimensione delle baselines sia ridotta

l’intervallo di soluzione è molto esiguo e ciò non consente un

fissaggio accurato dell’ambiguità di ciclo.

Dai grafici sopra riportati si deduce che in generale

l’inizializzazione statica è più affidabile rispetto a quella OTF,

inoltre la dimensione della baseline è di fondamentale influenza

nella qualità della soluzione visto che generalmente a basi corte

corrispondono differenze posizionali minime.

Vista la modalità di correzione differenziale “post_processing”,

nell’algoritmo OTF assume particolare rilevanza l’entità e la

qualità dell’intervallo nel quale il ricevitore ha osservato un

sufficiente numero di satelliti con una geometria soddisfacente.

L’algoritmo di risoluzione è in grado di utilizzare e trattare le

osservabili immediatamente successive alle carenze; quindi,

maggiore è l’intervallo di dati valido, maggiori sono le

possibilità di arrivare ad un corretto fissaggio dell’ambiguità di

fase.

La determinazione di una nuova ambiguità è necessaria ogni

qualvolta si ha una carenza nella ricezione della costellazione

GPS, difatti ad ogni perdita il valore dell’ambiguità muta; nel

caso dei grafici 3 e 5 l’intervallo temporale di ricezione di

segnali “soddisfacenti” è stato troppo esiguo per fissare un

valore di ambiguità sufficientemente valido, al contrario nel

grafico 6 l’intervallo di tempo è stato sufficiente, come

evidenziato dall’entità del VDP. Questo risulta superiore nel

tratto iniziale, dove l’algoritmo di filtraggio non ha potuto

analizzare i dati cronologicamente precedenti alla perdita di

segnale e si è basato su sole soluzioni di codice.

Condizione comune a tutti i grafici è la differenza di precisione

tra componente piana e tridimensionale nelle soluzioni, in

particolari condizioni tale differenza può anche essere di un

ordine di grandezza. La differente affidabilità tra la componente

planimetrica e altimetrica della soluzione è tipica delle

metodologie di rilievo satellitari, difatti tutte queste sono

riconducibili ad uno schema di rilievo per intersezioni in avanti

multiple, schema di rilievo in origine mal condizionato, inoltre

la differenza è tanto più spiccata quanto più scadente è il

fissaggio dell’ambiguità.

L’utilizzo della doppia base di riferimento ha consentito di

quantificare l’entità del vettore differenze senza però dare un

riscontro oggettivo dell’effettiva bontà delle soluzioni

posizionali, vista la selettività adottata per il “punto vicino” e

la minore entità delle baselines di risoluzione si può solo

ipotizzare che questa sia la soluzione più affidabile.

2.2 Riscontro oggettivo delle qualità posizionali

Al fine di ottenere un riscontro oggettivo del dato posizionale è

stata individuata una apposita area test, caratterizzata da una

copertura satellitare completa ed un flusso veicolare ridotto,

condizioni che di fatto hanno consentito lo svolgimento delle

diverse campagne di rilievo e controllo in totale sicurezza.

Verificata l’assenza di disturbi localizzati, è stato possibile

individuare una serie di capisaldi all’interno dell’area test,

costituendo una rete primaria locale successivamente inquadrata

nel sistema nazionale. Grazie alla rete è stato possibile eseguire

il rilievo di dettaglio dell’intera area e, in particolare, di tutti gli

elementi appartenenti alla piattaforma stradale (banchine,

marciapiedi e l’intera segnaletica orizzontale).

La completa assenza di ostacoli ed ostruzione nell’area test ha

consentito di restituire l’intera catena cinematica con una sola

inizializzazione statica, determinando le componenti nel sistema

di riferimento WGS84. I risultati di tutte le prove condotte sono

state riferite ad un apposito sistema cartesiano polare, tale da

esprimere posizioni tridimensionali o altre grandezze, quali

baselines, residui, spostamenti, in un sistema che pur essendo

cartesiano è locale ed aderente al terreno e che quindi

minimizza le deformazioni delle rappresentazioni cartografiche,

ed inoltre permette di scindere anche se in maniera rigorosa la

componente altimetrica da quella planimetrica.

Figura 12 . Area Test e rilievo di dettaglio

I sensori di riferimento sono stati collocati in maniera tale che la

distanza massima dal punto “lontano” sia prossima ai 6 Km

mentre quella dal punto “vicino” sia inferiore a 3 Km; il criterio

di reiezione adottato, unico per entrambi, tende ad accettare

solo le soluzioni caratterizzate da una ottima qualità ed

affidabilità.

Nelle differenti esperienze condotte l’incremento del segmento

di inizializzazione [3004.7 - 5745.6 m] a parità delle altre

condizioni di rilievo (tempo di inizializzazione, modalità di

osservazione ecc ecc.), ha comportato solo un decremento nella

qualità intrinseca della soluzione posizionale, mantenendo

invariato il numero dei punti traiettoria restituiti.

Esperienze condotte in finestre orarie differenti hanno

evidenziato una dipendenza della qualità posizionale dalla

configurazione satellitare, difatti la perdita di visibilità di un

solo satellite ha comportato un incremento del VDP.

Figura 13 . Visibilità satellitare

Figura 14 . Variazione GDOP

comparata

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

2

13

24

35

46

57

68

79

90

10

1

11

2

12

3

13

4

14

5

15

6

16

7

17

8

18

9

20

0

21

1

22

2

23

3

24

4

25

5

26

6

27

7

28

8

29

9

31

0

32

1

33

2

34

3

35

4

36

5

37

6

ID_POINT

[m] dif_2d

diff_3d

Figura 15 . VDP relativo ad una finestra oraria con 6 satelliti

tracciati

comparata

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97 105

113

121

129

137

145

153

161

169

177

185

193

201

209

217

225

233

241

ID_POINT

[m] dif_2d

diff_3d

Figura 16 . VDP relativo ad una finestra oraria con 5 satelliti

tracciati

Nel caso di una tradizionale campagna di rilievo non è possibile

ricreare le condizione “ideali” dell’esperienza è quindi lecito

attendersi un decadimento sia nel numero di punti validati che

nella qualità intrinseca della soluzione stessa.

3. PROPOSTA METODOLOGICA PER IL

RILIEVO SU BASE ASSOLUTA

3.1 Il Laboratorio Mobile D.I.C.A.

Presso il Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale

dell’Università degli Studi di Catania è in un studio la

realizzazione di un laboratorio mobile per il rilievo delle strade.

Il veicolo in dotazione al Dipartimento è un FIAT Ducato

opportunamente modificato ed arredato per accogliere

strumentazione e personale tecnico nell’esecuzione di rilievi ad

alta produttività. Il veicolo è omologato per il trasporto di 3

tecnici oltre all’autista ed è dotato di 3 postazioni PC collegate

da LAN, l’intero sistema è alimentato da un inverter 12/220 V e

da un gruppo elettrogeno, il che assicura una buona autonomia.

Da un punto di vista operativo si possono distinguere le

seguenti sezioni:

1) Sistema di acquisizione:

• sensore Trimble 4000 SSI con rate di acquisizione

minima pari ad 1sec ed output PPS su porta dedicata;

• odometro ottico con giroscopio inerziale di sensibilità

56.2 mV/°/s per la velocità angolare, 25 mV/Km/h per

la velocità longitudinale, 460 pulses/m per lo

spostamento;

• accelerometri triassiali con sensibilità di 1000 mV/g

intervallo di frequenza 0 – 150 Hz, precisione 30 µg;

• videocamera digitale b/n BASLER A 101f con focale

da 8 mm, dimensione media del pixel 6.7 µm,

dimensione dell’immagine 1300 x 1300 (nel

prosieguo indicata come CCD)

• videocamera digitale con sensore CMOS risoluzione

1288 x 1032, frequenza di acquisizione 16 Mhz – 9.3

fps (nel prosieguo denominata CMOS)

2) Sistema di sincronizzazione delle soluzioni posizionali e

della sensoristica “on board”, basato sul “PPS Event” del

sensore GPS, e scheda di acquisizione dati PCI6220

National Instruments;

3) Sistema di archiviazione ed elaborazione dati, mediante

apposito software sviluppato in C++ dotato di GUI ed

operante in ambiente Windows;

Figura 17 . Il laboratorio mobile D.I.C.A

Allo stato attuale il laboratorio è equipaggiato con due sensori

di acquisizione video, il primo denominato CCD è collocato

nella parte anteriore del veicolo all’interno del vano guida, su

una apposita staffa posta in asse con l’antenna GPS, mentre il

secondo, denominato CMOS ,sempre in asse con l’antenna

GPS, è invece collocato nella parte posteriore del veicolo su un

supporto posto alla stessa altezza dell’antenna, con un

orientamento pressoché ortogonale alla pavimentazione

stradale, l’unità inerziale, costituita da un odometro ottico

integrato ad una bussola giroscopica, è collocata sul pianale

inferiore del veicolo e fuoriesce da esso grazie ad una apposita

botola.

Figura 18 . Collocazione spaziale dei sensori di acquisizione

3.2 Misura della sezione stradale

L’utilizzo della metodologia del reticolo virtuale consente, nota

la focale del sensore video e la distanza di restituzione, di

individuare il piano di raddrizzamento e più propriamente la sua

traccia sul piano di rotolamento della pavimentazione stradale.

Figura 19 . Tracce dei piani di acquisizione

La materializzazione del reticolo sul piano di raddrizzamento

consente di risolvere la proiettività tra i due piani, rendendo

difatti possibile il calcolo dei parametri necessari alla

trasformazione omografica dei frame estratti dalla sequenza

video.

Di seguito si riporta una esempio degli elementi individuati sul

piano di raddrizzamento e le corrispondenti misure ottenute

Figura 20 . Elementi sul piano di raddrizzamento

La trasformazione in condizioni ideali è una trasformazione

corretta, gli scarti registrati sono da imputare principalmente

alle reali condizioni di prova quali: approssimazione

nell’orientamento spaziale del sensore e nella misura

dell’elevazione dal piano di rotolamento, nella dimensione

fisica del pixel e nella difficoltà nell’individuare e delimitare

tutti e soli gli elementi appartenenti al piano di raddrizzamento,

condizione molto vincolante come evidenziato dalla misura del

segmento 7-8 elemento non appartenente alla traccia del piano

di raddrizzamento sul quello di rotolamento.

Elementi rilevati Misure reali

1-2 0,14 0,15

2-3 3,15 3,12

3-4 0,13 0,12

4-5 3,15 3.12

5-6 0,15 0,15

6-7 0,38 0,40

7-8 3,65 3,80

Tabella 1. Elementi della sezione stradale

3.3 Il Rilievo della Geometria dell’Asse

Il laboratorio mobile è dotato di un solo sensore GPS e questo

consente di considerare l’intero veicolo alla stregua di un punto

materiale coincidente con il centro di fase dell’antenna. Non

possono quindi essere prese in esame le rotazioni del mezzo

rispetto al sistema di riferimento solidale al veicolo [body-

frame] e la traiettoria viene quindi individuata per mezzo di una

serie di vettori orientati nello spazio, le cui componenti

rappresentano le tre traslazioni del punto materiale (veicolo) nel

sistema di riferimento globale.

La semina di punti acquisita descrive l’effettiva traiettoria

percorsa dal veicolo, che risulta in generale ben diversa dalla

geometria stradale, visto che il mezzo percorre l’infrastruttura

stradale nella propria corsia in posizione eccentrica rispetto

all’asse, ad una distanza dalla mezzeria in ogni istante variabile

perchè influenzata dalla condotta di guida del conducente e

dalla presenza di eventuali ostacoli.

Al fine di quantificare tali spostamenti si è pensato di utilizzare

la segnaletica orizzontale come elemento rappresentativo della

geometria stradale, definendo gli offset di traiettoria, ovvero lo

scostamento della traiettoria rispetto alla geometria

materializzata dalla segnaletica orizzontale.

Il sensore di acquisizione video collocato nella parte posteriore

del veicolo (CMOS) è alloggiato su un supporto a sbalzo con un

orientamento tale da consentire l’acquisizione di frame

pressoché ortogonali al piano di rotolamento. In ogni frame

sono contenute le informazioni relative alla segnaletica

orizzontale ed allo stato della pavimentazione stradale.

Dalla intera sequenza video vengono isolati i frame sincroni al

rate del sensore GPS, originando immagini che descrivono in

ogni istante lo scostamento esistente tra la segnaletica

orizzontale e l’asse di simmetria del furgone.

Affinché le informazioni contenute nei frame possano essere

estratte è necessario trasformare questi in immagini

metricamente valide e correlarne la posizione al sistema di

riferimento veicolo.

Grazie ad una serie di target rifrangenti impressionati sui frame

di calibrazione, determinate le coordinate in entrambi i sistemi

di riferimento è possibile correlare le coordinate immagine al

sistema di riferimento veicolo, originando la matrice di

passaggio tra i due sistemi di riferimento.

Figura 21 . Frame di calibrazione

Nota la matrice di trasformazione è possibile applicarla

all’intera sequenza, in maniera da ricampionare tutti i frame

acquisiti per generare fotopiani metricamente validi, al fine di

estrarre le informazioni in esse contenute.

L’elaborazione delle immagini acquisite deve essere

sufficientemente robusta rispetto alle variazioni di luminosità e

contrasto della scena. Situazioni come ombre e scarsa visibilità

(foschia, pioggia) devono essere previste; inoltre il sistema deve

poter affrontare cambi repentini delle condizioni di luminosità

come, ad esempio, il passaggio tra zone soleggiate e zone in

ombra, ingresso e uscita da gallerie, illuminazione frontale, ecc.

Figura 22 . Offset di traiettoria

Dall’intera sequenza video vengono estratte le informazione

relative all’offset di traiettoria ed allo stato della

pavimentazione stradale, grandezze che vengono associate al

frame di origine in un file di testo.

Nota la sequenza degli offset e l’elemento rispetto al quale

questo è stato misurato è possibile eseguire a posteriori una

composizione vettoriale tra il punto GPS ed il corrispondente

offset di traiettoria, dando così origine ad una nuova sequenza

di punti denominata ”semina ausiliaria” rappresentativa della

segnaletica orizzontale che si presta in maniera più appropriata

alla georeferenziazione delle informazioni e alla determinazione

della geometria stradale.

Lo scostamento tra i punti traiettoria e i punti ausiliari risulta

minimo lungo i rettifili e le curve ampie, al contrario per piccoli

raggi di curvatura lo scostamento aumenta, ciò è dovuto

principalmente alla ipotesi iniziale di considerare l’intero

veicolo come un punto materiale, condizione che permette di

eseguire la composizione vettoriale basandosi solo sul vettore

individuato dalla successione dei punti semina.

Figura 23 . Costituzione della semina ausiliaria

Per mitigare gli scostamenti è comunque possibile ridurre la

velocità di percorrenza del veicolo in maniera da ottenere una

interdistanza ridotta tra i punti semina e rendere ancora

accettabile il risultato della composizione vettoriale.

Di seguito, si riporta una prova eseguita all’interno dell’area

test dove la geometria stradale è stata preventivamente

determina con metodologie topografiche tradizionali, in

particolare si propone un esempio dove si transita a cavallo

della mezzeria, questo permette di effettuare un immediato

riscontro della bontà della metodologia, e si registra un valore

massimo dello scostamento prossimo ai 15 cm in

corrispondenza della curva circolare di raggio 36m.

Figura 24 . Punti ausiliari

Figura 25 . Geometria del tratto

3.4 La restituzione della Geometria dell’Asse

La composizione vettoriale tra la semina GPS originaria e gli

offset di traiettoria consente di dare origine ad un nuovo

insieme di punti denominato “semina ausiliaria”, questa è

coincidente con la segnaletica orizzontale di mezzeria o di

corsia in relazione alle condizioni di ripresa adottate.

Di seguito viene riportata una esperienza relativa al transito del

veicolo a cavallo della linea di mezzeria, dall’analisi delle

curvature è immediato notare come la semina originaria sia

fortemente influenzata dalla condotta di guida del conducente;

al contrario le curvature relativa alla semina ausiliaria variano

con continuità.

Figura 26 . Diagramma delle curvature della semina originaria

Figura 27 . Diagramma delle curvature della semina ausiliaria

Da un analisi più attenta delle curvature della semina ausiliaria

è possibile individuare l’elemento a curvatura costante ed i

tratti di raccordo tra rettifilo e curva, elementi di raccordo

caratterizzati da curvatura variabile necessari per consentire il

passaggio tra elementi con raggi di curvatura differenti come la

successione rettifilo curva rettifilo.

4. CONCLUSIONI E PROSPETTIVE DI RICERCA

La metodologia proposta consente di rilevare con continuità

molte delle informazioni e grandezze necessarie alla

realizzazione del Catasto delle Strade.

Le diverse prove condotte nell’area test hanno fornito risultati

molto confortanti, si è riusciti ad acquisire con continuità la

segnaletica orizzontale, verticale e la presenza di accessi laterali

ed di individuare lo stato della pavimentazione stessa.

Particolarmente interessante si è dimostrata la possibilità di

utilizzare la “semina ausiliaria” per l’estrazione della geometria

stradale, consentendo di lavorare sulla una nuova semina di

punti che non tiene conto dalla condotta di guida del

conducente e che meglio approssima la reale geometria

dell’infrastruttura.

Un uso a regime della metodologia proposta si scontra con i

limiti del sistema di posizionamento satellitare adottato,

fortemente influenzato dalle inizializzazione dei segmenti

cinematici e dalla possibilità di perdita o oscuramento parziale

delle costellazione satellitare.

I limiti legati all’utilizzo del sistema di posizionamento

satellitare potrebbero essere superati con l’introduzione di più

stazioni di riferimento, in grado di garantire la copertura

dell’intero tracciato. In tal caso ad ogni ricevitore competerebbe

una propria area di influenza, e, volta per volta, verrà utilizzato

il ricevitore più vicino al rover come riferimento per il

posizionamento differenziale. Occorre far rilevare che

l’incremento del numero di ricevitori risulta oneroso dal punto

di vista logistico ed inoltre il fatto di dover adoperare in

maniera indipendente l’uno dall’altro ne rende certamente meno

agevole l’utilizzazione, è quindi necessario puntare ad una

architettura di rete, abbandonando quello che è il concetto della

stazione isolata e la modellizzazione degli errori di osservazione

legati alla concetto della singola base.

Si potrebbe migliorare il sistema mediante l’aggiunta al sistema

di una seconda antenna allineata lungo l’asse di simmetria del

veicolo, questa consentirebbe di abbandonare in maniera

definitiva tutte le semplificazioni legate al fatto di considerare

l’intero veicolo come un punto materiale e consentirebbe di

fatto di assimilarlo ad un vettore orientato nello spazio

consentendo un più preciso orientamento dei diversi sensori “on

bord” e la possibilità grazie alla potenzialità NRTK di eseguire

un controllo immediato sulla qualità delle soluzioni posizionali.

La vulnerabilità del sistema ad oscuramenti ed ostruzioni potrà

essere presto superata vista la prossima implementazione dei

dati provenienti della sensoristica inerziale al sistema di

navigazione.

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