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TOPOGRAFIA, AEROFOTOGRAMMETRIA, BATIMETRIA


3DeFFe - TOPOGRAFIA, AEROFOTOGRAMMETRIA, BATIMETRIA

USO DI STRUMENTAZIONE AEREA ALTERNATIVA AGLI UAV, INTEGRAZIONE DEI DATI E ANALISI DEI RISULTATI

KEY WORDS: #fotogrammetria, #topografia, #batimetria, #GIS, #Geografic #Information #System #drone #3DeFFe #rilievo3D.


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ABSTRACT

Negli ultimi anni lo sviluppo della tecnologia di rilevamento UAV ha condotto a risultati sorprendenti in molti ambiti professionali: dall’edilizia alla geologia, dall’agricoltura di precisione al controllo del territorio, dall’archeologia alla valorizzazione dei beni culturali ed ambientali.

Lo sviluppo di sensoristica sempre più performante, di sistemi di sicurezza sempre più affidabili e di mezzi UAV sempre più versatili ha stimolato la ricerca scientifica nonché lo sviluppo professionale di attività dalle enormi potenzialità. Occorre tuttavia porre l’accento anche sulle tecnologie e sulle strumentazioni di ripresa alternative agli UAV che possono essere di importanza basilare, per esempio, qualora ci si trovi a dover effettuare un rilievo aereo in zona non autorizzata.

Questo è il caso che presenteremo nel seguito: il rilievo aereo di una scogliera in zona critica e la necessità di integrare le informazioni metriche ed altimetriche estrapolate dal modello tridimensionale georiferito con quelle derivanti dalla batimetria di prossimità.


Software utilizzati: Agisoft PhotoScan, QGis.

INTRODUZIONE

L’obiettivo del progetto è stato il rilievo di una scogliera e la batimetria di prossimità del fondale marino adiacente fino ad una profondità di 10 metri, il tutto in formato cad da sovrapporre alla cartografia tecnica regionale e catastale locale. La superficie rilevata è pari a circa 700 mq distribuiti in una fascia costiera stretta e lunga. La richiesta di inserimento del rilievo in cartografia tecnica regionale ha imposto la necessità di georeferenziare la mappa finale.

Il percorso formativo specialistico intrapreso dalla 3DeFFe, con la dotazione

L’area, in riferimento alla normativa italiana che regola l’utilizzo professionale dei mezzi UAV, è ritenuta critica per il suo carattere urbano.di strumentazione di rilievo aereo, l’acquisizione di competenze nella elaborazione fotogrammetrica in particolare modo con il software Photoscan e la costruzione di una solida rete di professionisti tra cui topografi di fiducia, ha permesso di pianificare ed eseguire il rilievo aerofotogrammetrico di precisione dell’area con impiego di sistemi ad alto contenuto tecnologico.

La post-elaborazione dei dati acquisiti ha prodotto in breve tempo l’ortofoto ad alta definizione ed il modello DEM che, inseriti in GIS, hanno permesso di estrapolare il piano quotato completo e di integrarlo con le misurazioni derivanti dalla batimetria.

Nel seguito i dettagli del procedimento completo.

RILIEVO TOPOGRAFICO


Il rilievo topografico è stato eseguito preliminarmente alle operazioni di riprese aeree e rilievo batimetrico. Esso è stato indispensabile in fase di post-elaborazione per orientare e scalare il modello tridimensionale, per georeferenziarlo nel Sistema di Riferimento Geografico richiesto dalla committenza e sovrapporlo alle cartografie tecniche regionali e catastali. Al fine di localizzare con la maggiore precisione possibile l’ortofoto finale inoltre sono stati acquisiti dei capisaldi IGM.


FASE 1: Posizionamento a terra di 20 GCP (Ground Control Point) formato A4 (29,7 x 21 cm.) e individuazione in sito di altri 10 GCP coincidenti con spigoli, gradini, tombini ritenuti utili in funzione della post-elaborazione. I GCP utilizzati in questo caso erano di cartoncino plastificato onde resistere all’umido ed alla salsedine del sito: sono stati fissati sul terreno con silicone. La grafica dei CGP era di colore giallo e nero per essere meglio riconoscibili in post produzione ed evitare l’effetto riflettente del bianco. Vista l’estrema irregolarità del terreno pietroso si è posta attenzione al posizionamento dei CGP sulla superficie di pietre piane. Data la conformazione stretta ed allungata del sito da rilevare, i GCP sono stati disposti a zig-zag lungo tutta la striscia di terra.

FASE 2: Rilievo con GPS rover dei GCP posizionati, previa calibrazione dello strumento sulla base dei capisaldi IGM acquisiti. Restituzione grafica dei punti rilevati in cad GIS con impostazione del Sistema di Riferimento richiesto e sovrapposizione alle Carte Tecniche Regionali locali in formato raster e vettoriale. Ottenuto l’inquadramento geografico del sito in cad sono state tracciate graficamente le quattro sezioni batimetriche richieste, acquisite in GIS le coordinate iniziali e finali di ciascuna e riportate sullo strumento, pronte per la successiva fase di rilievo batimetrico.



Inserimento dei GCP e dei punti rilevati in GIS e tracciamento delle sezioni batimetriche

Restituzione grafica cad dei punti e dei GCP rilevati

RILIEVO AEROFOTOGRAMMETRICO ED ELABORAZIONE DATI


Dirigibile per esecuzione riprese aeree con reflex full frame Nikon

FASE 1: La scogliera è situata in area urbana che, ai sensi della vigente normativa ENAC, è considerata zona critica per l’uso del drone. Il rilievo aereo è stato effettuato con l’impiego di dirigibile ad elio controllato via cavo da operatore a terra. Si è impiegata una fotocamera Nikon D600 full HD, focale fissa 24 mm, montata su gimbal stabilizzata e radiocomandata. Le foto sono state acquisite in nadirale.

Le foto sono state acquisite da una altezza costante di 30 metri con attenzione ad ottenere una sovrapposizione delle immagini del 70% in entrambe le direzioni. Nei pressi dei CGP la sovrapposizione è stata anche maggiore per garantire una buona ridondanza dei fotogrammi. Sono state acquisite in totale 250 fotogrammi dai quali ne sono stati processati 180.


FASE 2: La fase di elaborazione fotogrammetrica (unico Chunk) e ottenimento del modello tridimensionale si è svolta con software Agisoft PhotoScan. Il Batch Process è stato così impostato:

Allineamento delle 180 immagini con accuratezza elevata e opzione “Pair Preselection” disabilitata in quanto le foto, data la tecnologia di ripresa impiegata, sono state acquisite in maniera manuale. Già dal primo allineamento si è potuta verificare l’intera ricopertura dell’area rilevata. Le immagini selezionate sono state allineate tutte con il riconoscimento di circa 22.000 Tie Point.

  • Allineamento delle 180 immagini con accuratezza elevata e opzione “Pair Preselection” disabilitata in quanto le foto, data la tecnologia di ripresa impiegata, sono state acquisite in maniera manuale. Già dal primo allineamento si è potuta verificare l’intera ricopertura dell’area rilevata. Le immagini selezionate sono state allineate tutte con il riconoscimento di circa 22.000 Tie Point.

Sparse Cloud e riconoscimento dei GCP
  • Importazione del file xml contenente i GCP rilevati ed inserimento delle loro coordinate georiferite nel Sistema di Riferimento prescelto; riconoscimento di 20 GCP sulle immagini e individuazione dei rispettivi omologhi. L’elevata definizione delle immagini ha consentito di riconoscere graficamente il centro dei GCP con precisione tale da contenere l’errore complessivo medio sul posizionamento dei Marker nelle tre direzione X, Y, Z entro i 0,2 pix (1 pix = 0.006 um circa).

Distribuzione dei posizione dei punti di presa dei fotogrammi e sovrapposizione delle immagini
  • Elaborazione della Dense Cloud in alta qualità e con opzione “Depth Filtering” impostata su Moderate. Sulla base della Dense Cloud così ottenuta, composta da 126 milioni di punti, si è passati alla elaborazione della mesh in alta definizione e “Surface Type: Height Field”. Il che ha consentito di accorciare notevolmente i tempi di elaborazione della mesh dando prevalenza alla definizione dei dettagli sul piano XY.

  • Elaborazione della texture che ha permesso di ottenere una ortofoto georeferenziata con una risoluzione pari a 0.7 cm/pix: in altre parole ogni pixel dell’immagine rappresenta 0,7 cm. al suolo.

  • Definizione idonea ad offrire dettagli in una rappresentazione grafica in scala finale 1:100 del rilievo.Vettorializzazione dell’ortofoto e sua sovrapposizione in GIS ai layer precedentemente impostati.

Il rilievo è stato perfezionato con l’elaborazione in PhotoScan della DEM georeferenziata. Tale mappa è stata fondamentale in quanto, inserita in GIS, si sono potute estrapolare le quote di tutti i punti necessari al completamento del piano quotato del sito.

Si è potuto così verificare l’attendibilità del modello e delle mappe di output prodotte. Infatti, interrogando la DEM in corrispondenza dei GCP rilevati con GPS in sito e di altri GCP rilevati, ma non inseriti nella modellazione di Photoscan, le coordinate restituite evidenziano un errore medio pari a 2 cm. Questa discrepanza, in funzione dell’obiettivo del rilievo, è accettabile. La stessa strumentazione GPS ha restituito le coordinate rilevate con lo stesso margine di errore.


RILIEVO BATIMETRICO

FASE 1: L’impostazione del rilievo batimetrico di prossimità è stata fatta prima di tutto trasferendo sulla strumentazione GPS le coordinate dei punti iniziale e finale delle quattro sezioni batimetriche tracciate in GIS.

La sovrapposizione della cartografia regionale in formato vettoriale con le isobate a 5 – 10 – 15 metri dalla linea di costa ha consentito di individuare il limite di profondità di 10 metri a cui spingere il nostro rilievo di prossimità e, successivamente, ha fornito una base di verifica finale delle quote del fondale da noi acquisite.


rilievo batimetrico

FASE 2: Rilievo batimetrico di prossimità con sonar single beam su imbarcazione guidata da sistema GPS base – rover sulla base delle coordinate estratte dal GIS e dei marker fissati a terra. Il segnale è stato rilevato ogni 50 cm. di dislivello in profondità.

Data l’instabilità del rover per rollio e beccheggio dell’imbarcazione si è preferito operare con base GPS posizionata in riva alla stessa scogliera. In questo modo si sono evitati anche i possibili errori derivanti da un eventuale scarso collegamento con la rete GSM locale. I punti rilevati sono poi stati trasferiti in CAD elaborando le sezioni alla scala richiesta ed inseriti in GIS completando così il piano quotato del sito anche con le misure derivanti dal rilievo batimetrico. La precedente elaborazione del modello metrico tridimensionale del sito ha consentito, infine, di prolungare le sezioni batimetriche sul terreno estrapolando in ogni punto le rispettive coordinate Z e completando la grafica delle sezioni anche sulla superficie della scogliera.

CONCLUSIONI

La metodologia di rilievo seguita, conclusasi complessivamente in due giornate di operazioni in sito e circa tre di processamento immagini ed estrapolazione dati, ha permesso di ottenere un rilievo cad finale del terreno supportato da una ortofoto georeferenziata in alta definizione. Il tutto basato sul rilievo topografico preliminare di soli 40 punti tra GCP, capisaldi e punti IGM di calibrazione. Ogni punto del cad e ogni punto dell’ortofoto finale hanno, quindi, coordinate reali inserite nel Sistema di Riferimento prescelto.

Entrambi gli elaborati sono stati inseriti e post elaborati in ambiente GIS dove sono stati sovrapposti alla cartografia tecnica regionale locale.

L’ulteriore elaborazione in PhotoScan della DEM del modello ha permesso l’estrapolazione delle coordinate Z e quindi delle quote di tutti gli altri punti necessari alla definizione ed al completamento del piano quotato del sito.

Sulla base del Sistema geografico di Riferimento prescelto sono stati infine collegati il rilievo aerofotogrammetrico con il rilievo batimetrico di prossimità ottenendo un unico piano quotato completo delle quote sul terreno e delle quote del fondale marino fino ad una profondità di 10 metri, corrispondenti ad una distanza dalla linea di costa di circa 300 metri.

L’esperienza ha dimostrato l’affidabilità della tecnologia aerofotogrammetrica, l’importanza della precisione nel rilievo topografico preliminare e del GIS per l’inquadramento cartografico dell’area oggetto di studio in particolare se i dati vanno integrati con database differenti provenienti da metodologie diverse.

Sotto il profilo del processamento delle immagini si è dimostrato, inoltre, l’efficacia del software PhotoScan nella elaborazione di fotogrammi provenienti da un “volo manuale”, quindi non perfettamente allineate tra loro e con sovrapposizione non del tutto costanti.

La 3DeFFe ha avuto l’onore di presentare l’articolo qui riportato alla giornata di formazione “Droni e Geomatica” organizzata da FIAPR Academy il 16 ottobre 2015 a Piacenza in collaborazione con le Università di Piacenza e Ferrara. 


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