2011_12_BajRossi Tesi Droni Fotogrammetria Uav

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POLITECNICO DI MILANOScuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale

POLO REGIONALE DI COMO Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria per lAmbiente e il Territorio

VALIDAZIONE GEOMETRICA DELLORIENTAMENTO DI UN BLOCCO DI IMMAGINI DA DRONE CON SOFTWARE COMMERCIALI

Relatore: Prof. ssa Giovanna Sona Tesi di laurea di: Andrea Baj Rossi matr. 750512

Anno Accademico 2010-2011

POLITECNICO DI MILANOScuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale

POLO REGIONALE DI COMO Master of Science in Environmental and Land Planning Engineering

GEOMETRIC VALIDATION OF AERIAL TRIANGULATION ON IMAGES FROM UAV WITH COMMERCIAL SOFTWARE

Supervisor: Prof. ssa Giovanna Sona

Master Graduation Thesis by: Andrea Baj Rossi Student Id. number: 750512

Academic Year 2010-2011

Sommario

SOMMARIO .................................................................................................. 2 INTRODUZIONE ............................................................................................. 4 CAPITOLO 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 LA FOTOGRAMMETRIA E LE NUOVE TECNOLOGIE ...................... 7

I nuovi sistemi di rilievo: gli UAV ................................................. 10 Campi di applicazione................................................................. 11 Vantaggi degli UAV .................................................................... 13 Problematiche e svantaggi degli UAV ........................................ 14 I differenti modelli di UAV in Italia ............................................... 16 Aermatica ............................................................................. 17 Alenia Aeronautica ............................................................... 18 Agri - Art ............................................................................... 20 Zenit ..................................................................................... 21 IL CASO STUDIO: MEDOLAGO ............................................... 24

1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 CAPITOLO 2 2.1 2.2

Selezione dellarea test e progetto del rilievo ............................. 24 Esecuzione del rilievo: presa delle immagini e rilievo dei punti di

appoggio .............................................................................................. 28 2.3 2.4 Processo di calibrazione ............................................................. 31 Riconoscimento dei Ground Control Points e Tie Points ............ 35 PHOTOMODELER: PROCEDURA E ANALISI DEI RISULTATI ........ 38

CAPITOLO 3 3.1 3.2

La procedura .............................................................................. 38 Analisi dei parametri di orientamento esterno e delle coordinate

dei GCP/CP.......................................................................................... 43 3.2.1 3.2.2 Caso 1: medo_gcp.pmr ........................................................ 44 Introduzione dei Control Points: medo_ch1.pmr,

medo_ch2.pmr, medo_ch3.pmr e medo_ch4.pmr ............................ 50

Sommario

3

3.2.3 3.3

Osservazioni e conclusioni................................................... 57

Analisi dei DSM .......................................................................... 60 Osservazioni sui risultati delle differenze dei DSM variando il

3.3.1

metodo di interpolazione................................................................... 60 3.3.2 Osservazioni sui risultati delle differenze dei DSM per

linterpolazione IDW .......................................................................... 63 CAPITOLO 4 4.1 4.2 LPS: PROCEDURA E ANALISI DEI RISULTATI ........................... 69

La procedura .............................................................................. 69 Analisi dei parametri di orientamento esterno e delle coordinate

dei GCP/CP.......................................................................................... 76 4.2.1 4.2.2 Caso 1: medo_all.blk............................................................ 76 Introduzione dei Control Points: medo_ch1.blk, medo_ch2.blk,

medo ch3.blk e medo_ch4.blk .......................................................... 81 4.2.3 4.2.4 4.3 Modifica dei parametri opzionali di orientamento ................. 85 Osservazioni e conclusioni................................................... 90

Estrazione dei DSM: analisi e conclusioni .................................. 92 CONFRONTO TRA I SOFTWARE E ANALISI DEI RISULTATI .......... 98

CAPITOLO 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Progetti caratterizzati solo dai GCP ............................................ 98 Primo set di CP: medo_ch1.pmr e medo_ch1.blk ..................... 102 Secondo set di CP: medo_ch2.pmr, medo_ch2.blk .................. 104 Terzo set di CP: medo_ch3.pmr, medo_ch3.blk ....................... 106 Quarto set di CP: medo_ch4.pmr, medo_ch4.blk e ulteriori

sviluppi in LPS.................................................................................... 108 5.6 Conclusioni e sviluppi futuri ...................................................... 111

ALLEGATI ................................................................................................ 114 BIBLIOGRAFIA.......................................................................................... 132

Introduzione

Negli ultimi anni si avuta unevoluzione della fotogrammetria: questa evoluzione non legata ad un singolo aspetto, ma tocca ogni componente del processo di lavoro: velivoli, camere e sensori e software utilizzato per implementare le varie fasi del lavoro. Levoluzione per non si ferma ad una pura questione tecnologica, ma riguarda anche lobiettivo del rilievo fotogrammetrico, ossia quale sar loutput della nostra lavorazione. Infatti, fino a qualche tempo fa, un progetto fotogrammetrico prevedeva lestrazione, dalle coppie stereoscopiche di fotogrammi, di un DSM e/o di un DTM, la creazione di unortofoto e la restituzione cartografica. Alle tecniche di fotogrammetria, possiamo affiancare oggigiorno le tecniche di telerilevamento che permettono di caratterizzare il territorio: grazie ad immagini prese con sensori multi o iperspettrali si possono creare mappe tematiche o classificare le tipologie di suolo e di piante in funzione del differente segnale registrato dal sensore.

Negli ultimi mesi pi gruppi di lavoro si sono focalizzati su questo tipo di ricerca e tra questi vi anche un gruppo di ricercatori e professori del dipartimento DIIAR (Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Ambientale, Infrastrutture Viarie, Rilevamento) del Politecnico di Milano, che partecipa al progetto denominato FOGLIE: Fruition of goods landscape in interactive environment (Fruizione dei beni del paesaggio in un ambiente interattivo) finanziato da Regione Lombardia con fondi della Comunit Europea. Il progetto partito nellOttobre 2010 e oltre al Politecnico di Milano, sono parte del progetto altre realt industriali come Magnetic Media Network, Coclea, Como Next, Volovisione e Zenit. Gli obiettivi del progetto sono differenti: creazione di un prototipo di cartografia digitale georeferenziata (ortofotocarta), finalizzata alla fruizione da parte dellutenza nonch al monitoraggio, del Parco dellAdda; restituzione

Introduzione

5

fotogrammetrica e realizzazione del modello 3D digitale delle emergenze culturali del parco; creazione di un modello quantitativo di classificazione delle immagini per la stima della superficie boschiva e del volume di legno tagliato. Il progetto FOGLIE punta alla creazione di uno strumento che permetta allutente e, allo stesso tempo al gestore del Parco dellAdda, di conoscere e gestire ci che li circonda. Le immagini e i dati multispettrali utilizzate per lo sviluppo del progetto sono stati ottenuti mediante una nuova tipologia di velivolo, che rientra nella categoria degli Unmanned Aerial Vehicles (UAV) e chiamato pi comunemente drone. Il velivolo che stato utilizzato per raccogliere i dati per il progetto caratterizzato da dimensioni ridotte e una capacit di carico (payload) molto basso, pari a circa 200 grammi: per questo motivo non si potuto montare contemporaneamente pi sensori, ma sono stati effettuati differenti voli montando camere digitali che acquisiscono immagini nel visibile e nel vicino IR.

Per questa tesi sono state utilizzate le immagini prese con la camera Pentax A40 per valutare laccuratezza geometrica di due differenti software fotogrammetrici in commercio: PhotoModeler usato per fotogrammetria in close range; LPS, invece, utilizzato maggiormente per progetti aerei. Sono stati implementati diversi progetti, modificando i set di dati, variando la numerosit dei Ground Control Points (GCP o punti di appoggio) e dei Check Points (CP). Oltre ad orientare lintero blocco di immagini, si deciso di proseguire nel processo fotogrammetrico con la restituzione del modello digitale della superficie (DSM).

Nel primo capitolo verranno presentate alcune tipologie di drone commercializzate in Italia, facendo una breve descrizione delle loro caratteristiche tecniche e dei sensori che possono essere montati sui nuovi velivoli: que-

Introduzione

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sta analisi cercher di evidenziare vantaggi e svantaggi dellutilizzo degli UAV in campo fotogrammetrico.

Nel secondo capitolo, invece, si parler della scelta di unarea test e sulla progettazione del rilievo. In questa fase si dovr valutare la tipologia di camera da impiegare, la traiettoria da seguire durante il volo, che funzione di vari parametri quali quota di volo, area da coprire e sovrapposizione tra fotogrammi e strisciate. Sempre in questo capitolo verranno trattate le fasi di calibrazione della camera e di individuazione dei punti sulle immagini.