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Droni e rilievi aerei di prossimitĂ : analisi dei dati acquisiti e navigabilitĂ  metrica dei modelli elaborati. Esempi pratici in ambito edilizio, geotecnico ed agricolo Introduzione alla geomatica e alla metodologia di rilievo da SAPR: dalla acquisizione dei dati alla analisi dei risultati arch. Simona ALAURIA Libero professionista Consulente Tecnico del Giudice Tribunale di Imperia Tecnico Rilevatore dei Danni Post Sisma della Protezione Civile

info@3deffe.com 1


1. DATI ACQUISITI a. Quali dati è necessario acquisire b. In che modo c. Come vengono elaborati questi dati

1. NAVIGABILITA’ METRICA DEL MODELLO a. Cosa si intende per navigabilità metrica del modello b. Modello fotogrammetrico = database sempre interrogabile c. Interdisciplinarietà del metodo di rilievo, restituzione e analisi dei dati di output 2


IL PUNTO

.

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I DATI DI INPUT NEL METODO FOTOGRAMMETRICO DEFINIZIONE DI FOTOGRAMMETRIA Tecnica che consente l’acquisizione di informazioni metriche di un oggetto (dimensione, posizione, forma) da un suo modello in scala elaborato sulla base di immagini fotografiche

OGGETTO REALE

MODELLO IN SCALA

La documentazione metrica, cromatica, materica di un oggetto spaziale si effettua sostituendo all’oggetto stesso il suo modello in scala che fedelmente ne riproduce tutte le caratteristiche metriche e qualitative. 4


I DATI DI INPUT NEL METODO FOTOGRAMMETRICO

FOTOGRAMMI

MISURE

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1. FOTOGRAMMA Immagine fotografica geometrica = immagine ottenuta dalla ricostruzione della PROIEZIONE CENTRALE che l’ha generata, una volta eliminate le distorsioni e le aberrazioni dovute all’ottica utilizzata. FOTOGRAFIA

Elementi di ORIENTAMENTO INTERNO La PROIEZIONE CENTRALE è definita da: - CENTRO DI PROIEZIONE (centro dell’obiettivo) - PIANO DI PROIEZIONE (sup. del sensore) - DISTANZA FOCALE

FOTOGRAMMA

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La ricostruzione della proiezione centrale è ottenuta proiettando tutti i punti dell'oggetto sul piano del sensore «perdendo» quindi le informazioni di profondità dell’oggetto stesso. Ne consegue che per il riconoscimento univoco della posizione spaziale di ogni punto dell’oggetto, questo deve essere riconoscibile almeno in due fotogrammi. RICONOSCIMENTO DI PUNTI OMOLOGHI

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1. MISURE Tutte le misure necessarie alla ricostruzione della corretta posizione assoluta e relativa dei fotogrammi all’istante dello scatto. Ne consegue che le misure acquisite devono consentire la determinazione del PUNTO PRINCIPALE di ogni fotogramma nello spazio

Elementi di ORIENTAMENTO ESTERNO - BASE (distanza tra P – P1) - QUOTA DI VOLO / DISTANZA DI PRESA

Nella fotogrammetria digitale l’ORIENTAMENTO ESTERNO DEL MODELLO, e quindi la determinazione spaziale relativa ed assoluta del Punto Principale è calcolata da software sulla base di punti di appoggio, Ground Control Point (GCP), precedentemente rilevati sull’oggetto. 8


Ground Control Point (GCP) Punti di coordinate spaziali note sulla base dei quali si ricostruisce, mediante procedimento software: 1. la prospettiva centrale che ha generato ogni fotogramma, 2. la posizione nello spazio del centro di presa e del piano sensore, 3. orientamento e dimensione del modello digitale dell’oggetto.

Oggetti presenti in sito

Segni individuati su immagini digitali dell’oggetto

Marker riconoscibili posizionati sul terreno

Marker riconoscibili posizionati sulla superficie dell’oggetto

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In che quantità e con che criterio devono essere posizionati i GCP? Criteri fondamentali: - 2 punti individuano una direzione, 3 punti un piano, 4 punti uno spazio - più se ne rilevano meglio è - distribuzione uniforme sull’oggetto, condizioni al contorno permettendo. Eventuali punti in eccesso possono essere usati nell’elaborazione come verifica della precisione del modello finale.

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Come devono essere rilevati i GCP? Tradizionali tecniche topografiche e di rilievo metrico: - Stazione Totale o altra strumentazione di misurazione delle distanza se il modello deve essere inserito in un sistema di riferimento cartesiano locale; - GPS se il modello deve essere posizionato in un sistema di riferimento geografico (UTM, Gauss Boaga, ecc…) e/o rielaborato in GIS.

Indipendentemente dalla strumentazione impiegata per il rilievo, fondamentale è la verifica della precisione delle misure: se è vero che la tecnica fotogrammetrica consente di acquisire una quantità molto inferiore di misure sul campo rispetto al tradizionale rilievo metrico diretto o indiretto, è altrettanto vero che le misure devono essere molto precise e, se necessario, verificate con doppia strumentazione. 11


Per ottenere una corretta elaborazione, ossia il completo riconoscimento di tutti i punti omologhi che compongono l’oggetto ed il preciso riconoscimento dei GCP di coordinate note le «strisciate di volo» devono garantire la totale ricopertura dell’oggetto con una adeguata sovrapposizione nelle due direzioni. Percentuale di sovrapposizione delle immagini - 60 – 80 % LONGITUDINALE - 30 – 50 % TRASVERSALE

Esempio di set fotografico acquisito da dirigibile, senza piano di volo. Sovrapposizione media 70% 12


Esempi di corretta sovrapposizione dei fotogrammi Rilievo aereo scogliera

Rilievo aereo cava

Rilievo aereo vigneto

Rilievo facciata

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Alla luce di quanto sopra è chiaro quindi come nel caso della aerofotogrammetria gli elementi di orientamento esterno (distanza tra i punti principali e quota di volo) sono strettamente connessi a: - TEMPO DI PRESA (sec.) - VELOCITA’ DI VOLO DEL SAPR (m/s) PIANIFICAZIONE DEL VOLO - FREQUENZA DI SCATTO (foto/sec.) Esempio - Sensore full frame 24x36mm, - focale fissa 50mm, - quota di volo 30 mt. La superficie ricoperta a terra da un solo fotogramma, per la similitudine tra triangoli, ha lato maggiore L = 0,036mt. x 30mt. / 0,050mt. = 21,6 mt. Per avere una sovrapposizione del 70% significa che la distanza B tra due punti di presa successivi deve essere pari a 6,48 mt. Impostando un timelaps sulla fotocamera di 2sec. Ottengo che la velocità di volo, alla quota media di 30 metri da terra, deve essere V = 6,48 mt. / 2 sec. = 3,24 mt/sec.

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NECESSITA’ DI UNA PROGETTAZIONE DEL RILIEVO AEROFOTOGRAMMETRICO Il rilievo va pianificato in relazione alle informazioni che devono essere ricavate dal modello, ossia in relazione alla sua «navigabilità». Parametro primario da definire è la SCALA DI RESTITUZIONE del modello

Ground Sample Distance (GSD)

SCALA ARCHITETTONICA O ARCHEOLOGICA DI DETTAGLIO

SCALA AMBIENTALE E TERRITORIALE

SCALA URBANA

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Ground Sample Distance (GSD) Il GSD è la distanza tra il centro di due pixel consecutivi espressa in unità di misura territoriale. Il GSD è la “quantità di terreno contenuta” in un pixel, essendo la misura del pixel espressa in metri.

Il GSD è inversamente proporzionale alla definizione di una immagine: quanto più grande è il pixel tanto minore è il suo livello di dettaglio.

Es. GSD = 3cm/pix significa che ogni pixel dell’immagine contiene (= rappresenta) 3 cm. di oggetto reale rilevato.

GSD

Quanto più piccolo è il GSD, tanto più precisa e definita è l’informazione contenuta nel relativo pixel.

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Come si calcola il GSD? Il GSD dipende dalla quota di volo e dalle caratteristiche della fotocamera. Va va definito a priori in funzione dell’obiettivo del rilievo del dettaglio richiesto. dim. pixel (mm sensore/n. pix): Dim. oggetto = focale : quota di presa d

d : D (GSD) = f : H Se il dettaglio del rilievo fotogrammetrico deve essere elevato si può agire sulla quota di presa, diminuendola, o sulla focale, aumentandola e viceversa, tenendo sempre conto delle dimensioni effettive del sensore in mm.

D

GSD = H x d /f [cm/pix] 17


Attenzione: il calcolo del GSD deve essere costante rispetto alle caratteristiche dell’oggetto rilevato! L’affidabilità del nostro «documento metrico» finale, ossia del modello, è funzione esclusiva della rigorosità con la quale viene mantenuta la costanza del suo rapporto di scala rispetto agli elementi rappresentati. 1. Il GSD deve essere il più possibile costante per tutte le riprese 2. Il GSD «di progetto» è un calcolo medio

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Caso di sito pianeggiante: GSD di progetto simile a GSD effettivo

-

Sensore full frame 24x36mm Risol. 6016x4016 pix Focale fissa 24mm Quota di volo 30 mt. Dim. pix 5.98159 um GSD progetto = 0,748 cm/pix

GSD effettivo = 0,669 cm/pix

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Caso di facciata regolare: GSD di progetto simile a GSD effettivo In condizioni di regolarità dell’oggetto da rilevare la differenza tra GSD di progetto e GSD effettivo può influire sulla definizione risultante del modello

canon

Canon EOS 550D - Sensore 22,3 x 14,9mm - Risol. 5184 x 3456 pix - Focale fissa 24mm - Distanza media 8 mt. - Dim. pix 4,4036 um

sony

Sony RX100 Miii - Sensore 13,2 x 8,8mm - Risol. 4864 x 3648 pix Focale fissa 8,8mm eq. 24mm - Distanza media 8 mt. - Dim. pix 2,60928 um

GSD progetto = 0,1434 cm/pix

GSD progetto = 0,2467 cm/pix

GSD effettivo = 0,1431 cm/pix

GSD effettivo = 0,2112 cm/pix 20


Caso di sito irregolare e con forti dislivelli: cosa evitare

L’acquisizione di fotogrammi a quota costante (facilmente eseguibile con volo automatico) può comportare valori di GSD molto scostanti tra loro all’interno dello stesso modello. 21


Caso di sito irregolare e con forti dislivelli: linee guida Set di riprese zenitali per quote costanti Set di riprese oblique per distanze costanti

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. 22


Navigabilità metrica dei modelli elaborati La fotogrammetria digitale consente l’automazione dei principali processi di elaborazione del metodo: orientamento interno ed esterno, riconoscimento delle coppie di fotogrammi stereoscopici e dei punti omologhi, orientamento e dimensionamento sulla base di GCP rilevati strumentalmente, creazione della nuvola di punti tridimensionale.

Ogni punto del modello è univocamente caratterizzato da: Coordinate spaziali x, y, z Caratteristiche di colore RGB Quindi ogni punto può essere interrogato e può dare informazioni sull’oggetto: il modello è quindi NAVIGABILE. 23


NavigabilitĂ metrica dei modelli elaborati Ambito architettonico

- Elaborazione fotopiani, prospetti, sezioni - Rilievo tessitura muraria, dissesto e degrado delle murature - Analisi fasi storiche - Studio vulnerabilitĂ 24


NavigabilitĂ metrica dei modelli elaborati Ambito strutturale - Elaborazione sezioni in zone pericolose o insicure e quindi non rilevabili con le tradizionali metodologie - Rilievo del dissesto - Misurazione e monitoraggio nel tempo delle deformazioni, - Calcolo di volumi di crollo

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Navigabilità metrica dei modelli elaborati Ambito ambientale

ORTOFOTO GEOREF.

Nuova sovrapposiz. Del piano quotato con l’ortofoto georeferenziata

DEM e quote puntuali a terra non rilevate da strumento

PIANO QUOTATO DEL SITO IN FORMATO VETTORIALE

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Conclusioni - La fotogrammetria è il metodo di rilevamento che consente di ottenere informazioni metriche e materiche di un oggetto da un suo modello elaborato a partire da immagini fotografiche. - I dati di input del metodo sono di tipo fotografico e metrico e vanno acquisiti con precisione usando apposita strumentazione a seconda dell’obiettivo del rilievo. - Il metodo aerofotogrammetrico, in particolare, richiede una progettazione preliminare del processo di acquisizione dei dati che parte dalla definizione del GSD di progetto e richiede attenzione della programmazione del volo in funzione delle caratteristiche del sito. - Il modello fotogrammetrico ottenuto è «navigabile» nel senso che è sempre interrogabile e costituisce un database di informazioni metriche, cromatiche e materiche sull’oggetto; - Il modello fotogrammetrico contiene e può restituire una enorme quantità di dati. La lettura di questi dati deve essere demandata a professionisti specialisti che sappiano darne la corretta interpretazione. Interdisciplinarietà è pertanto alla base del metodo di rilievo fotogrammetrico. 27


www.3deffe.com

Grazie per l’attenzione!

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