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Convegno nazionale sul corretto uso dei droni Palermo, 16 Gennaio 2016
M. LO BRUTTO - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, AMBIENTALE, AEROSPAZIALE, DEI MATERIALI - Università di Palermo
Workshop sulla Modellazione 3D da dati aerei
Mauro Lo Brutto
DICAM Laboratorio di Geomatica
http://portale.unipa.it/dipartimenti/dicam/ [email protected]
Convegno nazionale sul corretto uso dei droni Palermo, 16 Gennaio 2016
M. LO BRUTTO - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, AMBIENTALE, AEROSPAZIALE, DEI MATERIALI - Università di Palermo
Sommario
Definizione delle competenze di base
Descrizione delle fasi di lavoro
Progettazione ed esecuzione voli
Rilievo topografico
Procedure di orientamento
Produzione elaborati
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M. LO BRUTTO - DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, AMBIENTALE, AEROSPAZIALE, DEI MATERIALI - Università di Palermo
Obiettivi del workshop
Fornire informazioni
sull’uso delle tecniche fotogrammetriche per la
realizzazione di prodotti metrici e modelli tridimensionali
a partire da immagini acquisite con APR
e definire
le competenze di base necessarie
le principali procedure operative
le problematiche tipiche
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Che cosa il workshop non insegna
Specifiche tecniche e costruttive sui sistemi APR
Utilizzare un software
Info su normativa di riferimento (vedi Workshop 1)
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Definizioni
L’uso delle tecniche fotogrammetriche per la realizzazione di
prodotti metrici e modelli tridimensionali a partire da
immagini acquisite con APR rientra nel campo della Geomatica
Geomatica → insieme delle tecniche e delle metodologie per l’acquisizione, l’elaborazione, la restituzione, l’analisi e la gestione di dati di natura metrica o tematica relativi alla superficie della Terra, alle infrastrutture e al patrimonio architettonico.
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Geomatica → insieme di discipline
Definizioni
L’uso professionale dei sistemi APR per acquisire dati di natura metrica (es. modelli 3D) rientra nel campo della fotogrammetria
Geodesia Cartografia Topografia
Fotogrammetria
Telerilevamento Laser scanner
GNSS SIT
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Tipologia di APR
MULTIROTORE
Quadricottero Elettrico 10 – 20 min Esacottero Elettrico 10 – 20 min Ottocottero Elettrico 10 – 20 min Elicottero Elettrico/Scoppio/Turbina 10 – 60 min
Monoala Elettrico max 45 min Aeroplano Elettrico max 60 min Aeroplano Scoppio 1 – 5 ore
ALA FISSA
SISTEMI IBRIDI Aeroplano/Quadricottero Elettrico max 60 min (new)
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Droidworx
DraganFly OktoKopter
Aibotix
Heliprocam
NuvAero
GAUI ASCTEC
Falcon
Microdrones
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Aeromao
Pteryx
Gatewing SenseFly
SmartPlanes
Borjet Maja
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Songbird (Aerolution)
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Controllo aree inaccessibili Sicurezza Operazioni di ricerca e salvataggio
Ispezione di infrastrutture Riprese aeree cinematografiche e fotografiche (in particolare matrimoni!!!) Robotica
Tecnologia che ha molte applicazioni anche in settori NON geomatici
Dal 2011/2012 enorme diffusione dei sistemi APR per applicazioni in ambito geomatico
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
0 APR 2 APR 8 APR circa 20 APR circa 30 APR circa 40 APR Circa 45 APR +
esposizione dedicata
Presenza espositori Sistemi APR a INTERGEO
Tecnologia di acquisizione dati con notevoli potenzialità sia dal punto di vista economico sia per le possibili applicazioni.
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Campi di applicazione dei sistemi APR
Ispezioni Misure
Ispezione di infrastrutture Controllo aree inaccessibili Operazioni di ricerca e
salvataggio Controllo e sorveglianza di
aree coltivate Riprese aeree
cinematografiche
Rilievi fotogrammetrici Rilievi laser scanner Termografia Proximal sensing
Ambito geomatico
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Voli in modalità manuale (con controllo remoto del pilota) Competenze avanzate per il pilotaggio del velivolo
Voli in modalità automatica e/o manuale Competenze avanzate per la progettazione del volo e il processamento dei dati
Campi di applicazione dei sistemi APR
Ispezioni Misure
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Ispezioni impianti, valutazione dei danni in emergenza, ecc.
Campi di applicazione dei sistemi APR
Ispezioni Misure
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Rilievi fotogrammetrici Rilievi laser scanner
Termografia Proximal sensing
Misure dati metrici
Misure caratteristiche fisiche
Campi di applicazione dei sistemi APR
Ispezioni Misure
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Il rilievo fotogrammetrico aereo di zone di media e piccola estensione (fino a qualche km2) è sempre stato abbastanza problematico per la mancanza di strumenti adeguati che permettono di colmare il gap tra - i classici voli fotogrammetrici aerei - i rilievi fotogrammetrici terrestri
500-700 km
1 m
10-20 m
200 m
I sistemi APR per la fotogrammetria
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Con i sistemi APR è possibile • eseguire rilievi aerei fotogrammetrici a bassa quota
(generalmente in un range tra i 20 e i 200 metri) • acquisire dati metrici e qualitativi di dettaglio
[Eisenbeiss, 2004] [Bitelli et al., 2003] [Dequal et al., 2007] [Whittlesley, 1970] [Wester-Ebbinghaus, 1980]
Problematica non nuova in fotogrammetria (utilizzo piattaforme non-convenzionali)
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Principali prodotti delle acquisizioni da APR in ambito fotogrammetrico
Modelli 3D ("nuvole di punti" e mesh) DSM/DTM Ortofoto Mappe tematiche Controlli e monitoraggi
allo stato attuale sono praticamente assenti restituzioni
tridimensionali per produzione di cartografia vettoriale ⇒ una delle principali finalità della fotogrammetria aerea
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Principali vantaggi delle acquisizioni da APR in ambito fotogrammetrico Possibilità di eseguire rilievi «fotogrammetrici» Risoluzione delle immagini maggiore rispetto a quella
ottenibile dalla tradizionale fotogrammetria aerea (pixel <1 cm)
Rapidità nell’esecuzione del rilievo Costi contenuti delle fasi di acquisizione Possibilità di mappare aree difficilmente accessibili Diverse soluzioni software user-friendly e low-cost
per il processamento delle immagini
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Problematiche delle acquisizioni da APR Autonomia di volo Payload Stabilità in condizioni meteo non ottimali Irregolarità delle riprese Numero e disposizione punti di appoggio Disponibilità di ampi spazi per l’atterraggio (per APR
ad ala fissa) Limiti normativi
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Problematiche relativamente agli aspetti fotogrammetrici Configurazione blocco fotogrammetrico Precisione punti di appoggio Calibrazione camera Filtraggio dati Orientamento diretto
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Progettazione ripresa fotogrammetria Tutte le volte che si esegue un rilievo fotogrammetrico è necessario progettare con attenzione l’esecuzione della ripresa. Nel caso di rilievi da APR due differenti condizioni - prese stereoscopiche nadirali - prese inclinate convergenti
Multirotori
Multirotori
Ala fissa
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Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ la ripresa deve essere eseguita imponendo un ricoprimento tra le immagini
Ricoprimento longitudinale Ricoprimento trasversale
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Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ il risultato della progettazione è definito blocco fotogrammetrico
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- la distanza di presa
Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ progettate tenendo in considerazione due parametri
- il ricoprimento long. e trasv. tra le immagini
Va stabilita caso per caso in relazione alla precisione che si vuole ottenere, al livello di dettaglio delle immagini, all’estensione della zona di rilievo, alla tipologia di APR, alle condizioni logistiche
Parametro abbastanza costante; per prese da APR valori tra 70%÷80% (ric. long.) e 40% ÷70% (ric. trasv.)
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Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ La distanza di presa consente di calcolare - la scala media (S) dell’immagine secondo la relazione
Dc
nS ==
1
D = distanza di presa
In fotogrammetria aerea con camere analogiche parametro fondamentale.
- l’abbracciamento (L) dell’immagine secondo la relazione
cDlL =
l = dimensione sensore
c = distanza focale della camera
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Progettazione ripresa fotogrammetria Prese stereoscopiche nadirali ⇒ La distanza di presa consente di calcolare il GSD (Ground Sampling Distance o Dimensione del pixel sull’oggetto) secondo la relazione
⋅=
cd
DGSD pix
dpix = dimensione del pixel della camera
Nella fotogrammetria aerea con camere digitali parametro fondamentale.
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GSD
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Progettazione ripresa fotogrammetria La progettazione delle prese stereoscopiche nadirali può essere eseguita nei sistemi professionali tramite procedure guidate
In funzione della quota di volo
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Progettazione ripresa fotogrammetria La progettazione delle prese stereoscopiche nadirali può essere eseguita nei sistemi professionali tramite procedure guidate
In funzione del GSD
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Progettazione ripresa fotogrammetria La progettazione delle prese stereoscopiche nadirali può essere eseguita nei sistemi professionali tramite procedure guidate
Piano di volo
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Progettazione ripresa fotogrammetria Prese inclinate convergenti ⇒ schema di presa tipico della fotogrammetria terrestre
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Progettazione ripresa fotogrammetria Prese inclinate convergenti ⇒ è necessario determinare con precisione le posizioni di presa e l’inclinazione della camera
Prese con forti variazioni di scala!!
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Progettazione ripresa fotogrammetria Prese inclinate convergenti ⇒ è necessario determinare con precisione le posizioni di presa e l’inclinazione della camera
Prese con forti variazioni di scala!!
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Progettazione ripresa fotogrammetria La progettazione delle prese inclinate convergenti può essere eseguita nei sistemi professionali tramite procedure guidate ⇒ procedura più complessa
Piano di volo
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Esecuzione ripresa fotogrammetria L’esecuzione della ripresa fotogrammetrica deve tener conto
Circa 10-12 min. effettivi di volo con sensori a bordo
Circa 30-40 min. effettivi di volo con sensori a bordo
Autonomia di volo Payload
Parametri correlati
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Esecuzione ripresa fotogrammetria L’esecuzione della ripresa fotogrammetrica deve tener conto
Autonomia di volo Payload
Parametri correlati
Compatte ∼200 gr
Mirrorless ∼ 450 gr
Reflex ∼ 900 gr
Action Camera ∼100 gr
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Esecuzione ripresa fotogrammetria Nel caso di prese stereoscopiche nadirali eseguite con multicottero è possibile valutare due procedure
Prese eseguite su waypoints Scatto in continuo
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Esecuzione ripresa fotogrammetria Nel caso di prese stereoscopiche nadirali eseguite con multicottero è possibile valutare due procedure
Prese eseguite su waypoints Scatto in continuo
Procedura più affidabile per rilievi fotogrammetrici. Consente di seguire meglio lo schema di progetto e di ottenere foto migliori. Tempi di volo più lunghi!
Procedura meno accurata. Diverse problematiche (qualità immagine, sensibilità alle condizioni di vento, numero di immagini eccessive) Tempi di volo ridotti!
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Rilievo topografico Per eseguire correttamente un rilievo fotogrammetrico è indispensabile effettuare la misura topografica dei punti di appoggio.
Materializzazione Numero Disposizione Tecnica di misura (Stazione totale/GPS) Modalità di rilievo (Rete topografica, poligonale, GPS
statico, GPS RTK, GPS NRTK)
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Rilievo topografico Per eseguire correttamente un rilievo fotogrammetrico è indispensabile effettuare la misura topografica dei punti di appoggio.
Punti «naturali» Punti pre-segnalizzati
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Rilievo topografico
GPS NRTK
GPS STATICO
GPS RTK
Misure GPS in modalità RTK o NRTK ⇒ precisione delle coordinate 2÷5 cm
Misure GPS in modalità statica o con stazione totale ⇒ precisione delle coordinate circa 1 cm o sub-centimetrica
STAZIONE TOTALE
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Rilievo topografico I punti di appoggio rappresentano il vincolo metrico fondamentale per la precisione del rilievo. Alcune problematiche - dimensioni minime dei target (non minori di 5 GSD) - superfici omogenee con notevole contrasto
(attenzione al bianco) - misura (circa) contemporanea al volo
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Rilievo topografico
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Procedure di orientamento Se si vuole effettuare un rilievo fotogrammetrico le immagini acquisite da sistemi APR devono avere un contenuto metrico. Si devono pertanto determinare ⇒ i parametri di Orientamento Interno della camera (distanza
principale, posizione del punto principale) e i parametri di distorsione dell’obiettivo
⇒ i parametri di Orientamento Esterno delle immagini (posizione e assetto delle immagini)
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Questa operazione si basa sulla misura: 1) di punti omologhi (tie points) sulle immagini, calcolati automaticamente 2) di punti di appoggio (punti di coordinate note) misurati manualmente sulle immagini Il prodotti finali del processo di orientamento sono: i parametri di orientamento esterno ed interno di tutte le
immagini la "nuvola di punti" sparsa che descrive in modo
approssimato l’oggetto in 3D i parametri per la stima delle precisioni del rilievo
Procedure di orientamento
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Individuazione automatica di punti sulle immagini
Procedure di orientamento Diverse strategie di calcolo per la ricerca automatica dei punti di legame (tie points) e l’orientamento delle immagini, attualmente la più utilizzate deriva dalla Computer Vision ⇒ Structure From Motion (SFM)
Ricerca dei corrispondenti punti sulle altre immagini
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Individuazione automatica di punti sulle immagini
Procedure di orientamento Diverse strategie di calcolo per la ricerca automatica dei punti di legame (tie points) e l’orientamento delle immagini, attualmente la più utilizzate deriva dalla Computer Vision ⇒ Structure From Motion (SFM)
Ricerca dei corrispondenti punti sulle altre immagini
Calcolo posizione ed assetto della camera, stima dei parametri di orientamento interno, calcolo coordinate 3D dei punti
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Procedure di orientamento I programmi di fotogrammetria eseguono anche una procedura di Triangolazione fotogrammetrica (Bundle Block Adjustment) ⇒ procedura di calcolo rigorosa ai minimi quadrati consente una stima più accurata dei parametri di
orientamento interno ed esterno consente il calcolo di parametri statistici di precisione
In alcuni software è denominata procedura di "ottimizzazione"!!!!
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Procedure di orientamento
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Procedure di orientamento
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Procedure di orientamento
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Procedure di orientamento
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Procedure di orientamento
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Procedure di orientamento
Lo s.q.m. sui punti di appoggio fornisce una indicazione sulla qualità della procedura di orientamento rispetto ai dati di input ⇒ attendibilità del calcolo
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Procedure di orientamento
L’attendibilità effettiva (accuratezza) della determinazione delle coordinate tridimensionali dei punti è data dal calcolo degli scarti rispetto a punti noti non utilizzati per determinate i parametri di orientamento esterno
Check Point ⇒ derivano dal rilievo topografico
Teoricamente si dovrebbe ottenere
cpxyzgcpxyz mqsmqs ..... ≅
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Produzione elaborati
I modelli 3D sono calcolati tramite procedure di dense image matching (autocorrelazione) ⇒ consentono la misura automatica di "nuvole di punti" 3D ad altissima densità (1 punto ogni 2÷5 pixel dell’immagine) Processo totalmente automatico!!
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Produzione elaborati
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Produzione elaborati
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Produzione elaborati
Le "nuvole di punti" possono essere convertite in mesh con o senza texture
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Produzione elaborati
Le "nuvole di punti" possono essere convertite in mesh con o senza texture
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Produzione elaborati
Le "nuvole di punti" possono essere convertite in mesh con o senza texture
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Produzione elaborati
E’ possibile convertire la "nuvole di punti" in DSM e calcolare l’ortofoto
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Produzione elaborati
E’ possibile convertire la "nuvole di punti" in DSM e calcolare l’ortofoto
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GRAZIE PER L’ATTENZIONE Mauro Lo Brutto
DICAM
Laboratorio di Geomatica http://portale.unipa.it/dipartimenti/dicam/