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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],
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
PC per l’elaborazione Lenovo S430
Sistema operativo Windows8 Pro, 64 bit
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
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
Nuvola di punti da dati laser
Nuvola di punti da dati fotogrammetrici
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
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
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
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
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
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
I CASI STUDIO: ANTENNE DI MEDICINA
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
I CASI STUDIO: ANTENNE DI MEDICINA
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
PC per l’elaborazione Lenovo S430
Sistema operativo Windows8 Pro, 64 bit
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
Rilievo: 16 luglio 2013Operatori: 3Strumentazione: - antenna GNSS e ricevitore
- 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
I CASI STUDIO: 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
C.distorsionecorretta
Lineare(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
C.distorsionecorretta
Lineare(C.distorsione)
I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE
Software: - PhotoScan- MicMac
Problemi: - trascinamento del pixel tra le bande- modelli molto “rumorosi”
I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE
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
Rilievo: 16 luglio 2013Operatori: 3Strumentazione: - antenna GNSS e ricevitore
- 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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