RILEVAMENTO IN AMBITO AMBIENTALE CON PIATTAFORME...

CRITICITA’ E SOLUZIONI PER IL RILEVAMENTO IN AMBITO AMBIENTALE

CON PIATTAFORME UAV

Irene AICARDI, Andrea LINGUA, Francesca NOARDO, Paolo MASCHIO

UAV / RPAS in ItaliaPiattaforme, regolamenti, applicazioni e problematiche

20-21 Febbraio 2014

Modena, 20-21 Febbraio 2014

Politecnico di Torino, DIATIemail: [email protected], [email protected], [email protected],

[email protected]

mailto:[email protected]




SOMMARIO

- La metodologia• la pianificazione• l’acquisizione• il processamento dati

- La strumentazione• consolidata• il futuro

- I casi studio• peculiarità• punti forti e criticità• risultati

- Conclusioni

LA METODOLOGIA PROPOSTAPianificazione

del rilievo

Acquisizioni con UAV

Esempio di schema per l’acquisizione e il processamentodati da UAV per un’applicazione ambientale

(3 voli copertura 50-60 ha)

Operazioni in laboratorio

Operazioni sul campo

Tem

po

: 2 O

re

Tem

po

:

2 O

re

Misurazione dei vertici GNSS

Operazioni non necessarie sul campo

‘Fotogrammetria diretta con UAV: attuali limiti e possibili sviluppi futuri’ – F.Chiabrando, M.Piras, A.Lingua

Rilievo dei marker

Triangolazione fotogrammetrica

Ricostruzione del modello 3D

Generazione diDTM e ortofoto

Generazione diortofoto solide

LA STRUMENTAZIONE

Per consentire un rilievo fotogrammetrico diretto anche in aree in cui non è possibile applicareun volo tradizionale, il sistema proposto consiste in un mini-UAV Hexakopter (di Mikrokopter) abasso costo equipaggiato con:- una fotocamera digitale: Sony-NEX 5- sensori per navigazione autonoma:

real time GNSS/IMU- antenne per la telemetria

Telemetria: l’UAV è stato connesso a un computer remotoin real time attraverso una comunicazione wireless (Xbee –frequenza: 2,4GHz) attraverso un’antenna e comunica conil software inviando informazioni circa la posizione,l’orientamento, l’altezza e la velocità.

Caratteristiche delle antenne:D-Link DWL-R60AT: patch antennaTipologia: Micro-strip Patch

Range di frequenza: 2.4-2.5 GHzGuadagno: 6 dBi

Sirio SLP-1.7:2.5-11 : log-periodicaTipologia : direzionaleRange di frequenza : 1.7-2.5 GHzGuadagno : 11 dBi

LA PIANIFICAZIONEI voli vengono pianificati usando un’immagine satellitaregeoreferenziata per stabilire:

- altezza media di volo: 15-70 m velocità di volo

- direzione- numero di strisciate

Pianificazione dei parametri di volo dell’UAV con Mikrokopter Tools: - posizione 2D dei waypoints in coordinate

geografiche- altezza relativa rispetto a quella di partenza- velocità di ogni percorso e direzione di volo- area di ricerca dei waypoint

Obiettivo: sovrapposizioni longitudinali: 75-90%sovrapposizioni trasversali: 60-80%

strisciate trasversali di bordo

convergenza del meridiano e declinazione magnetica

I CASI STUDIO: LA CAVA DI RORA’

Finalità: rilievo di aree non facilmente accessibili e in condizioni di non sicurezza utilizzando

fotogrammetria da drone

Rilievo: 5 luglio 2013Operatori: 4Strumentazione: - antenna GNSS e ricevitore

- stazione totale e prisma- UAV - fotocamera Sony Nex- PC per il controllo in remoto

Peculiarità: sito con impossibilità di raggiungere alcune aree e collocare punti d’appoggio

sulla parete rocciosa

Tesi di Antonello Croce sviluppata in collaborazione con Marilena Cardu – DIATI Politecnico di Torino

I CASI STUDIO: LA CAVA DI RORA’Sono stati realizzati diversi voli:- 2 con l’asse della camera orientato lungo la

direzione nadirale- 1 orientato con camera orizzontale, per

acquisire foto della parete rocciosa

1900 immagini sono state acquisite in circa 25 minuti di volo (sovrapposizione: 95%)

Immaginiselezionate: 33

- rosa: asse orizzontale- blu: acquisizioni nadirali

Sovrapposizione: circa 60%

Software utilizzatI: PhotoScan di AgisoftLPS di ERDAS

L’APPOGGIO TOPOGRAFICODeterminazione delle coordinate 3D di una serie di punti lungo la cava:- 2 vertici misurati con strumentazione GNSS in modalità statica per georeferenziare il modello

- misurazione di 27 marker a terra con stazione totale (TS06 Leica Geosystems) sui 2 vertici

Rilievo topografico ed elaborazione

Rilievo Elaborazione

Tempo impiegato 1 h 1 h

Operatori 2 1

PC per l’elaborazione Lenovo S430

Sistema operativo Windows8 Pro, 64 bit

Processore/RAM intelCore i7/DDR3 8 GB

Elaborazione: - software GEOSW- local reference system

NO MARKER SULLA PARETE VERTICALE

POST PROCESSING – Bundle Block Adjustment

Modello 3D

Tempo impiegato 2 h

Operatori 1



Processore intelCore i7

RAM DDR3 8 GB

L’orientamento esterno è stato svolto collimando:- gli stessi punti (GCPs ) su ogni immagine e

associandoli alle loro coordinate- Tie Points (TPs ), usando riferimenti naturali,

quando I marker non erano sufficienti- Check Points (CPs ), usati per controllare la

qualità dei risultati

Residual errors < admissible errors (5 cm)

POST PROCESSING – Creazione ortofoto solida

Creazione dell’Ortofoto Solida: immaginegenerata dalla fusione tra il DTM, checontiene le informazioni relative allaquota, e un’ortofoto, che descrive la rappresentazione 2D

Un tool sviluppato dagli autori in linguaggio Visual Fortran, STOPGENerator, consente digenerare queste informazioni: è possibile creare un singolo DTM dell’intera area e,

successivamente, associate ad esso, produrre le ortofoto strumento interdisciplinare

Software STOPviewer: le informazioni 3D possono esserelette in “un’imagine 2D”

I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD

Finalità: Rilievo del letto del fiume, soggetto a rischi; confronto tra tecnica LiDAR e

fotogrammetrica per la generazione del modello e l’eventuale estrazione di informazionirelative al fondo del fiume

Rilievi: 23-25 ottobre 2013Operatori: -Strumentazione: - topografica/GNSS

- laser scanner Faro- UAV - fotocamera Sony Nex

Peculiarità: analisi del differente comportamento, e relativo contenuto informativo, da

sensori laser e fotogrammetrici in presenza di acqua

Stage 5x1000 per la documentazione metrica dei principali rischi ambientali del Centro di informazione ambientale per il recupero e la valorizzazione dei corsi d’acqua alpini e dei loro ecosistemi (in particolare la lontra).

Il centro è soggetto ai seguenti rischi: - caduta massi rilasciati dalla parete rocciosa

che lo sovrasta - esondazione del torrente Savara, nel tratto

subito a monte e limitrofo al centro e al paese di Rovenaud

- frana immediatamente a valle del centro


Nuvola di punti da dati laser

Nuvola di punti da dati fotogrammetrici


Nuvola di punti da laser scanner:

- la definizione della nuvola è funzione della distanza dal punto di presa aumentando la distanza diminuisce la densità della nuvola

- mancanza di informazioni in aree con presenza di acqua

dati fotogrammetricidati laser

cm

cm

I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUDcm

cm


Generazione delle sezioni nel tratto di fiume in prossimità della cascata:

laser (Scene)fotogrammetria(PhotoScan)fotogrammetria

(MicMac)

Sviluppi futuri: quantificazione delle deformazioni dovute all’acqua ancora presenti nella sezione modellata.

Soluzione migliore:

MicMac


Generazione delle sezioni nel tratto di fiume in prossimità della cascata:

laser (Scene)fotogrammetria(PhotoScan)fotogrammetria

(MicMac)

Soluzione migliore:

MicMac

I CASI STUDIO: ANTENNE DI MEDICINA

Finalità: valutazione della possibilità di aumentare le precisioni partindo da riprese

fotogrammetriche da UAV

Rilievo: 16 ottobre 2013Operatori: 2Strumentazione: - stazione totale e prisma

- UAV - fotocamera Sony Nex- PC per il controllo in remoto

Peculiarità: pianificazione del rilievo in funzione delle precisioni attese

Test site: Medicina (BO)Caratterizzazione di antenne per radioastronomia attraverso l’utilizzo di droni.Collaborazione con IRA-INAF e CNR-IEIIT per il progetto SKA (Square Kilometer Array)

Altezza di volo: 20m


Parametri iniziali: - dimensione del pixel: 5,10 µm- lunghezza focale: 15,9757 mm- punto principale: x0 = - 0,0113, y0 = 0,0210 mm

LPS di ERDAS

Parametri inseriti: - coordinate 3D di 37 GCP- UTM ETRF2000 WGS84 fuso 32N- parametri di orientamento esterno sconosciuti

Posizionamento di marker, appositamente creati, sul centro di ogni antenna

Migliore individuazione del centro stesso in fase di elaborazione maggior precisione di collimazione


Point ID rE [m] rN [m] rh [m]

106 0.0058 -0.0026 -0.0189

100 0.0052 -0.0045 -0.0198

103 0.0060 -0.0048 -0.0190Modello 3D

Rilievo Elaborazione

Tempo impiegato 1 h 30 min

Operatori 2 1



Processore/RAM intelCore i7/DDR3 8 GB

Possibilità di utilizzare marker codificati?

Residui sui Check Points

I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE

Finalità: test con camera multispettrale al fine di definire la tipologia di modello ottenibile e

caratterizzare la fotocamera stessa


- UAV - fotocamera TetraCam ADC Lite- PC per il controllo in remoto

Peculiarità: utilizzo di dati diversi dal campo del visibile

Un ringraziamento a Enrico Borgogno, Livio Pinto e Daniele Passoni per le analisi relative alla camera multispettrale


TetraCam ADC Lite fotocamera digitale nel visibile e nell’infrarosso

Autocalibrazione:

- poligono Laboratorio di Geomatica

- 26 marker 8x8 cm

- riprese fotografiche da camera

(LPS di ERDAS)

Risultati dell’autocalibrazione

Red Green Nir

c [mm]

8,1608 8,1610 8,5027

ξ0

[mm]-0,0042 -0,0626 0,2225

Ƞ0

[mm]-0,0237 -0,1456 -0,1652

k1 -2,29E-03 -3,18E-03 -1,85E-03

k2 8,93E-05 1,10E-04 1,33E-04

c [mm]corretta

8,089 8,057 8,458

Parametri iniziali:- dimensione del sensore: 6,59 x 4,90 mm

- dimensione del pixel: 3,18 µm

y = -8,8498xR² = 0,7813

-40,00

-35,00

-30,00

-25,00

-20,00

-15,00

-10,00

-5,00

0,00

5,00

10,00

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

C.distorsione

C.distorsionecorretta

Lineare(C.distorsione)

y = -12,699xR² = 0,7736

-60,00

-50,00

-40,00

-30,00

-20,00

-10,00

0,00

10,00

20,00

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 C.distorsione



y = -5,2933xR² = 0,8516

-20,00

-15,00

-10,00

-5,00

0,00

5,00

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

C.distorsione




Software: - PhotoScan- MicMac

Problemi: - trascinamento del pixel tra le bande- modelli molto “rumorosi”

I CASI STUDIO: LERI CAVOUR

Finalità: applicazione di tre software diversi sullo stesso test site: studio delle procedure

applicative, tempi e risultati ottenibili


- stazione totale e prisma- UAV - fotocamera TetraCam ADC Lite- PC per il controllo in remoto

Tesi di laurea magistrale Ingegneria Edile:Daniele Moia

Software utilizzati: - MicMac- Pix4UAV- Correlator3D

Tesi sviluppata in collaborazione con Filiberto Chiabrando – DAD/DIATI Politecnico di Torino

I CASI STUDIO: LERI CAVOURMicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall’IGN. Ad oggi il software è principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows.

Tipologie di orientamento:- relativo- con Ground Control Points- con coordinate GPS dei centri di

presa

I CASI STUDIO: LERI CAVOURPix4UAV : software sviluppato da Pix4d per l’elaborazione di immagini aeree, che consente di combinare un grande numero di immagini, acquisite da piattaforme volanti leggere in mappe 2D e modelli 3D accurati. Pix4UAV permette di automatizzare quasi totalmente il processo fotogrammetrico. Unico requisito richiesto: localizzazione

GPS approssimata delle immagini

I CASI STUDIO: LERI CAVOURCorrelator3D : software sviluppato da SimActive. Anche quest’applicazione richiede la conoscenza dei centri di presa delle immagini. Altro requisito richiesto: modello digitale del terreno.Procedura iterativa nello svolgimento del ‘Bundle Adjustment’: - Camera Calibration

- Boresight Calibration- Full External Orientation

Errore: 100 pixelBoresight Calibration

Errore: 50 pixelFull External Orientation

Errore: <1 pixelFull External Orientation

I CASI STUDIO: LERI CAVOUR

Pix4UAV : risultati miglioriPoche operazioni: - inserimento centri di presa

- specificazione sistema di riferimento- collimazione GCP

No necessità certificato di calibrazionePossibilità di lavorare in CloudSoftware a pagamento

MicMac : risultati da affinarePossibilità di selezione del metodo di triangolazione.Inserimento manuale dei parametri di orientamento interno ove non presenti.Software open source

CONCLUSIONIVantaggi:- sistemi a basso costo e facilmente trasportabili- sicurezza in aree difficilmente accessibili e instabili- acquisizioni rapide sul campo e con tempi di elaborazione relativamente brevi- possibilità di ottenere facilmente prodotti 2D e 3D misurabili- opportunità di generare prodotti utili come basi per nuove analisi- adattabilità della tecnica al singolo caso studio- possibilità di indagine del sito con diversi sensori, complementari e confrontabili.

Svantaggi:- necessità di operatori esperti- problema di payload: talvolta è necessario svolgere più voli per coprire l’intera area

Sviluppi futuri:- sviluppo hardware/software- integrazione multisensoristica: informazioni oltre il visibile (termiche, Nir..)- implementazione di algoritmi di pre-selezione/elaborazione dei dati- verifica delle modalità applicative, operative e le criticità dei vettori basati su ala fissa- continuazione dei test sui software

NON SEMPRE LA SOLUZIONE MIGLIORE RISIEDE NELL’APPLICAZIONE DI UN’UNICA TECNICA SPESSO E’ DA CONSIDERARE L’INTEGRAZIONE DI APPROCCI/SOLUZIONI DIVERSE

RINGRAZIAMENTI

PRIN 2010-2011, Research programs “Tecniche geomatiche innovative ed emergenti di rilievo,

telerilevamento e WEBGIS per la mappatura del rischio in tempo reale e la prevenzione del danno ambientale”

Un ringraziamento particolare a Enrico Borgogno, Livio Pinto e Daniele Passoni per le analisi

relative alla camera multispettrale

Antonello Croce e Marilena Cardu per la collaborazione sulla cava di Rorà

IRA-INAF e CNR-IEIIT per la collaborazione relativa al progetto SKA

Un ringraziamento speciale ad Antonia Spanò, Filiberto Chiabrando, Piero Boccardo e tutto il gruppo di studenti 5X1000 per le analisi realizzate a Rovenaud

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