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Fotogrammetria per droni, che passione!

Indice

Sommario

Come fotografare oggetti con i droni, ricostruendo la loro immagini in 3D. Il segreto è scattare più foto da diverse posizioni e combinare le loro informazioni.
Ci vogliono tempi di otturazione rapidi ed un buon chip di impressione della fotocamera, per ottenere una buona foto, ma anche altre variabili hanno ia loro importanza.
Leggendo l'articolo, si fanno nuove scoperte. L'aiuto dei riferimenti bibliografici è sempre consigliabile.

Premessa

Sono stato il 22 febbraio scorso all'università di Roma Tre ed ho partecipato al congresso Roma Drone 2018.
La manifestazione si svolgeva per due giorni, dal 21 al 22 febbraio e le giornate consistevano in una serie di conferenze, tenute nelle varie aule della Facoltà d'Ingegneria dell'Università stessa.
C'era un programma, con tutti gli orari e gli argomenti da presentare.
Sul drone c'era tutto: dalla costruzione, al suo funzionamento, alle regole per usarlo, gli aspetti di safety, quelli giuridici e tante considerazioni aerodinamiche.

Fior di professionisti, esperti e militari dell'areonautica si sono messi a disposizione per curare le conferenze nelle aule, che erano veramente delle vere e proprie lezioni tecniche e giuridiche.
Ho partecipato a qualche mini corso, ma quello che più mi ha attratto è stato quello basato sulla fotogrammetria dall'alto, per mezzo di un aeromobile o in particolare di un drone.
E per questo, vorrei metterVi a parte, del contenuto di questa lezione, che svelava i fondamenti di come fare fotografie dall'alto per rilevazioni dei terreni piani e non, oggetti ed edifici.
Come vedremo, i parametri fondamentali per ottenere una riuscita soddisfacente delle foto sono la macchina fotografica (il chip cattura immagine, con le sue dimensioni e la risoluzione in pixel, la lunghezza focale ed il tempo di esposizione), l'altezza di ripresa e le percentuali di sovrapponibilità tra due immagini successive, che sono legate al tempo tra due scatti consecutivi e le velocità dell'aeromobile (drone).
L'articolo è abbastanza sintetico, per approfondimenti si rimanda ai riferimenti, posti nell'ultimo paragrafo.

Introduzione

Il rilievo fotogrammetrico di prossimità per mezzo di aeromobili a pilotaggio remoto (vedi droni), detto anche SAPR e' finalizzato per dare un modello tridimensionale misurabile, in scala, con tutte le caratteristiche geometriche, cromatiche e materiche.
Si possono trattare immagini di edifici, terreni, mediante elaborazione SW digitale, tutti quanti georiferiti.
In breve, da esposizioni successive si notano i punti omologhi nei fotogrammi, che sono alleati e rieloborati, in modo da fornire una nuvola 3D e per questo ogni punto e' determinato da coordinate spaziali (x,y,z) e di colore RGB.
Come poi viene modellata l'immagine finale non fa parte dello scopo di questo articolo, anche se ci sono i presupposti per farne un prossimo, che descriva anche questo processo.
Per ora ci occupiamo solo della tecnica di ripresa delle situazioni da fotografare.
Per questo si parte da una schematizzazione, che è l'oggetto del prossimo paragrafo.

Dati d'ingresso del modello fotogrammetrico.

a) Fotogramma.

Non è altro che l'immagine che si ottiene dalla proiezione centrale, che ha generato la fotografia, con le distorsioni e aberrazioni ottiche eliminate.
Chiaramente, per avere un'informazione della situazione tridimensionale non basta scattare una sola foto, perché i punti dell'oggetto reale proiettati sulla lastra fotografica sono infiniti lungo la direttrice che passa per il punto principale. Invece, due fotogrammi, generati da due punti di presa differenti danno la possibilità di ricostruire univocamente la posizione dei punti dello spazio, calcolando le intersezioni dei due raggi omologhi ( vedi Fig. 1).


Fig.1. Come avere informazioni tridimensionali con due scatti (Da presentazione arch. S. Alauria)

Fig.1. Come avere informazioni tridimensionali con due scatti (Da presentazione arch. S. Alauria)


b) Misure.

Le misure devono consentire l'individuazione del punto principale di ogni fotogramma. Quindi si devono definire altri parametri, come:

-orientamento interno.

Dato da:

  • Punto principale
  • Distanza principale
  • Lunghezza focale

Questi parametri definiscono la geometria della proiezione centrale.
Sono uguali per tutti i fotogrammi scattati per le rilevazioni, in quanto dipendono solo dalla macchina fotografica.

-orientamento esterno:

che può essere:

-Relativo, quale distanza tra due punti principali di due fotogrammi consecutivi.
-Assoluto, che è la posizione dei punti principali nello spazio in un sistema di assi cartesiani arbitrario.

In caso di rilievo territoriale, ò più utile considerare un sistema di riferimento geografico: tutti i punti di riferimento e quelli del modello avranno coordinate reali.

In generale, poiché nella fotogrammetria non è facile individuare i punti di ripresa (possibile solo al momento attuale con i sistemi RTK o Real Time Cinemayic, dai costi molto elevati e ancora in sperimentazione), gli orientamenti di cui sopra sono trovati con l'ausilio del SW, mediante la ricostruzione "al contrario" delle proiezioni centrali; i parametri d'ingresso di questo SW sono le coordinate di punti sull'oggetto, detti Ground Control Point o GPC).
Quest'ultimi quindi, consentono la ricostruzione della prospettiva centrale e la determinazione del punto principale nello spazio, oltre all'orientamento e il dimensionamento dell'oggetto rilevato.
I GPC sono dei punti strategici sull'oggetto, di cui si conoscono del coordinate reali, che possono essere rilevate con tecniche topografiche e/o di rilievo metrico diretto o indiretto, ossia:

-stazione totale o mediante altri strumenti di misurazione della distanza, se si considerano riferimenti cartesiani.
-GPS (Global Position System)
-Qualsiasi altro sistema di misurazione, che individui le coordinate XYZ dei punti e delle distanze.

Bisogna sempre verificare che queste misure abbiano un altro grado di precisione, per non inficiare la precisione seguente del modello che si andrà ad elaborare.

Pianificazione del volo sul SAPR

I parametri necessari per un rilievo fotogrammetrico di prossimità da SAPR sono:

-Tempo di scatto (in secondi): e' la velocità di otturazione dell'obbiettivo di una macchina fotografica. Poiché le foto sono riprese in movimento, è necessario che esse siano nitide e per questo il tempo di scatto sarà rapido.

-Frequenza di scatto(numero di foto al secondo); è la quantità di foto scattate dalla fotocamera durante il tempo di volo.

-Velocità di volo del SAPR (metri/secondo)

Gli ultimi due parametri saranno calcolati in funzione della percentuale di sovrapposizione delle immagini. Tale sovrapposizione può essere vista come uno spazio percorso in un certo tempo e all'inizio ed alla fine di questo spazio viene acquisita una immagine dalla fotocamera.
Per un buon riconoscimento dati da parte del SW, dei punti omologhi tra due foto successive ed ottenere la completa copertura dell'oggetto di rilievo, è necessario che la sovrapposizione tra due fotogrammi sia almeno del 60-80% in senso longitudinale e del 30-50% in senso trasversale.

Un calcolo caratteristico sui tempi di scatto e la velocità dell'aeromobile è riportato in Fig. 2.

Fig. 2.Tempi di scatto fotogrammi in funzione della sovrapposizione  sull

Fig. 2.Tempi di scatto fotogrammi in funzione della sovrapposizione sull'oggetto (Da presentazione dell'arch. S. Alauria)

Il Ground Simple Distance (GSD).

In una ortofoto, il GSD rappresenta la distanza dal centro di due pixel successivi consecutivi, in misura territoriale: semplicemente è la 'quantità di terreno' contenuta in un pixel di ortofoto espressa in metri.

Questo significa che una certa misura di metri su un pixel vuol dire che ogni pixel dell'immagine sulla fotocamera contiene quella stessa misura in metri.
Esiste quindi, un rapporto di proporzionalità inversa tra il valore del GSD e la definizione (risoluzione) di un'immagine, perché più è grande il pixel e minore il dettaglio dell'immagine o viceversa, quanto è più piccolo il GSD e tanto migliore è l definizione della stessa immagine.
Il GSD dipende dall'altezza di volo/distanza di presa e dalle caratteristiche della fotocamera impiegata, ma soprattutto dall'obbiettivo del rilievo e dal dettaglio richiesto.
Per quanto detto vale la seguente proporzione della fotogrammetria classica.

dimensione pixel : dimensione oggetto=distanza focale : quota di presa.,

ossia riferendoci alla Fig. 3 si può scrivere

d:D (GSD) =f:H

Fig, 3. Geometria di calcolo del GSD (Da presentazione dell

Fig, 3. Geometria di calcolo del GSD (Da presentazione dell'architetto S. Alauria)

Esempi

Vediamo alcuni esempi di applicazioni con il GSD,

Esempio 1. Caso di un sito pianeggiante

In questa situazione i parametri impostati sono stati i seguenti:

  • Sensore full frame 24x36 mm
  • Risoluzione 6016x4016 pixel
  • Focale fissa 24 mm
  • Quota di volo 30 metri
  • Dimensione pixel 5,98159 μ

GSD progettato=0,748 cm/pixel
GSD effettivo=0,669 cm/pixel

Esempio 2.Rilievo di una facciata regolare.

I parametri utilizzati sono:

  • Sensore 22,3x14,9 mm
  • Risoluzione 5184x3456 pixel
  • Focale fissa 24 mm
  • Distanza media 8 metri
  • Dimensione pixel 4,4036mm

GSD progettato 0,1434 cm/pixel
GSD effettivo 0,1431 cmm/pixel

Esempio 3.Sito irregolare con forti dislivelli.

Caso a)

Caso a)

Caso b)

Caso b)

Caso a)
L'acquisizione di fotogrammi a quota costante, eseguibile con volo automatico, può comportare GSD molto diversificati tra loro all'interno del modello.

Caso b)
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.

Riferimenti, articoli e web.

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