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Il rilievo fotogrammetrico di prossimità tramite droni

Attraverso i Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (Sapr) è possibile effettuare il rilievo fotogrammetrico di prossimità. Parliamo di aspetti e metodologie con Simona Alauria, referente nazionale italiano di Acrsa

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Il rilievo fotogrammetrico di prossimità è operato mediante Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (SAPR, comunemente assimilati al termine “droni“): la finalità è quella di fornire, attraverso l’ausilio e il supporto di un tecnico qualificato, un modello fotogrammetrico, ovvero un modello tridimensionale misurabile, in scala, dell’oggetto rilevato, che ne riporta tutte le caratteristiche geometriche, cromatiche e materiche e che rappresenta un database sempre interrogabile.

La fotogrammetria digitale è la tecnica di rilievo che consente di ottenere informazioni metriche e geografiche, forma e posizione, di oggetti tridimensionali, come terreni ed edifici mediante la elaborazione di immagini fotografiche digitali. Può essere impiegata con ottimi risultati nel caso di rilievi aventi una grande estensione ottenendo un modello metricamente completo, rispondente alla realtà e georiferito.

Il punto è l’entità fondamentale su cui si fonda il metodo di rilievo fotogrammetrico. Il riconoscimento di punti cosiddetti “omologhi” nei fotogrammi, infatti, ne consente l’allineamento e la successiva elaborazione di un modello a “nuvola di punti”: un modello in cui ogni punto è univocamente determinato da tre coordinate spaziali X, Y, Z e da tre coordinate di colore RGB.

Dati di input nel modello Fotogrammetrico
1) Fotogramma
È l’immagine ottenuta dalla ricostruzione della proiezione centrale che ha generato la corrispondente fotografia, una volta eliminate le distorsioni e le aberrazioni indotte dall’ottica utilizzata.
Un solo fotogramma non contiene informazioni sufficienti a definire univocamente la posizione tridimensionale di ogni punto dell’oggetto. Infiniti sono, infatti, i punti dell’oggetto reale che vengono proiettati sulla lastra fotografica lungo la stessa direttrice che passa per il punto principale. Due fotogrammi generati da due punti di presa distinti contengono invece le informazioni necessarie alla ricostruzione univoca della posizione dei punti dell’oggetto nello spazio grazie all’intersezione dei rispettivi raggi omologhi.

Immagine di 3Deffe- Presentazione arch. S. Alauria

Immagine di 3Deffe- Presentazione arch. S. Alauria

2) Misure
Le misure ottenute devono essere tali da consentire la determinazione del punto principale di ogni fotogramma nello spazio. Si parla allora di:

  • Orientamento interno: rappresenta l’insieme di parametri (punto principale, distanza principale, lunghezza focale) che consentono di ricostruire la geometria della proiezione centrale. Essi sono uguali per tutti i fotogrammi del rilievo poiché funzione della camera utilizzata nella presa.
  • Orientamento esterno, si distingue tra:
    • Relativo: è la distanza tra i punti principali di due fotogrammi consecutivi.
    • Assoluto: rappresenta la posizione dei punti principali nello spazio in un sistema di assi cartesiani scelti convenzionalmente dall’operatore. Nel caso di rilievo territoriale può essere utile la scelta di un sistema di riferimento geografico. In tal caso tutti i punti di riferimento e tutti i punti del modello successivamente elaborato avranno coordinate reali.

Poiché nella fotogrammetria digitale difficilmente è possibile conoscere la posizione dei punti di presa, a meno dell’impiego di sistemi RTK (Real Time Kinematic) ad elevata precisione (attualmente ancora in sperimentazione e comunque dai costi elevati), l’orientamento interno ed esterno dei fotogrammi viene effettuato lato software mediante ricostruzione “al contrario” delle proiezioni centrali, inserendo come input le coordinate di punti sull’oggetto, detti Ground Control Point (GPC).

I GPC consentono, quindi, la ricostruzione della prospettiva centrale, la determinazione della posizione punto principale nello spazio, nonché l’orientamento e il dimensionamento dell’oggetto rilevato.

Definizione dei GPC (Ground Control Point)
I Ground Control Point (GPC) sono punti strategici sull’oggetto dei quali sono note le coordinate in un sistema di riferimento cartesiano convenzionale o geografico. Le coordinate di tali punti possono essere rilevate attraverso le tradizionali tecniche topografiche e di rilievo metrico diretto e/o indiretto, ovvero:

  • Stazione totale o mediante altri strumenti di misurazione della distanza, se il sistema deve essere inserito in un sistema di riferimento cartesiano locale;
  • GPS (Global Position System);
  • Qualsiasi altro sistema di misurazione che consenta di acquisire le coordinate XYZ di punti e delle distanze.

A prescindere dal metodo utilizzato è fondamentale la verifica della precisione delle misure, poiché da quelle dipende la precisione successiva del modello che si andrà ad elaborare.

Pianificazione del volo del SAPR

Immagine di 3Deffe- Presentazione arch. S. Alauria

Immagine di 3Deffe- Presentazione arch. S. Alauria

I parametri necessari alla definizione del rilievo fotogrammetrico di prossimità da SAPR sono:

  • Tempo di scatto (espresso in secondi): è la velocità di otturazione dell’obiettivo; considerando che le riprese avvengono in movimento, al fine di acquisire foto nitide, è necessario impostare un tempo di scatto rapido;
  • Frequenza di scatto (n° foto al secondo): è la quantità di foto scattate in automatico dalla fotocamera durante il volo;
  • Velocità di volo del SAPR (metri/secondo);

Questi ultimi due parametri vanno calcolati in funzione della percentuale di sovrapposizione che si vuole ottenere tra le aree acquisite da due fotogrammi successivi. Tale sovrapposizione può essere considerata come lo spazio da percorrere in un certo tempo. All’inizio e alla fine di questo spazio viene acquisita una immagine dalla fotocamera.
Per un corretto e completo riconoscimento, lato software, dei punti omologhi tra due fotogrammi successivi e per ottenere la completa ricopertura dell’area oggetto di rilievo è necessario che la sovrapposizione tra i fotogrammi sia almeno del 60-80% in senso longitudinale e del 30-50% in senso trasversale.

Restituzione del rilievo aerofotogrammetrico

Il primo fondamentale parametro da definire nella progettazione di tutti i passi necessari alla corretta esecuzione di un rilievo aerofotogrammetrico è la scelta, in base all’obiettivo del rilievo, della scala di rappresentazione, ossia della definizione finale del rilievo che si vuole ottenere: il Ground Simple Distance.

In una ortofoto, il GSD rappresenta la distanza tra il centro di due pixel consecutivi espressa in unità di misura territoriale. E’ in altre parole, la “quantità di terreno contenuta” in un pixel di ortofoto, essendo la misura del pixel espressa in metri: es. GSD = 3m/pix significa: ogni pixel dell’immagine contiene (o meglio rappresenta) 3 metri di oggetto reale rilevato. E’ facilmente intuibile come esista un rapporto di proporzionalità inversa tra il valore GSD e la definizione di una immagine: quanto più grande è il pixel tanto minore è il suo livello di dettaglio. Viceversa, quanto più piccolo è il GSD, tanto più dettagliata è l’informazione contenuta nel relativo pixel.
Il GSD dipende dall’altezza di volo/distanza di presa e dalle caratteristiche della fotocamera impiegata, ma soprattutto dipende dall’obiettivo del rilievo e dal dettaglio richiesto.

Vale pertanto la seguente proporzione (che deriva dalla fotogrammetria classica):

dimensione pixel : dimensione oggetto = distanza focale : quota di presa
ovvero
d : D (GSD) = f : H

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Il valore di GSD deve essere costante durante l’intera attività di ripresa, valutando quindi un’altezza di volo costante.

Esempi (si consiglia anche la lettura dell’articolo sul rilievo di corpo di frana mediante droni)

1) Sito pianeggiante

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2) Rilievo di una facciata regolare
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3) Sito irregolare con forti dislivelli

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a) L’acquisizione di fotogrammi a quota costante (eseguibile con volo automatico) può comportare GSD molto diversificati tra loro all’interno del medesimo modello. b) L’unione dei dati provenienti da fotogrammi zenitali e obliqui per settori a quota/distanza costante dall’oggetto consente di ottenere un GSD costante e un modello a scala uniforme

 

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