Valutazioni metriche di piattaforme UAV per rilievi e modellazioni 3D

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1 Valutazioni metriche di piattaforme UAV per rilievi e modellazioni 3D M. Lo Brutto, A. Garraffa Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale, Aerospaziale, dei Materiali (DICAM) Università di Palermo

2 Introduzione Il rilievo fotogrammetrico aereo di zone di media e piccola estensione (fino a qualche km 2 ) è sempre stato abbastanza problematico per la mancanza di strumenti adeguati che permettono di colmareilgaptra - i classici voli fotogrammetrici aerei - i rilievi terrestri (topografici, fotogrammetrici o laser scanner) km 200 m m 1 m

3 Vantaggi dell utilizzo dei sistemi UAV possibilità di eseguire rilievi "fotogrammetrici" costi contenutidellefasidiacquisizione risoluzione delle immagini maggiore rispetto a quella ottenibile dalla tradizionale fotogrammetria aerea (pixel <1 cm) rapidità nell esecuzione del rilievo possibilità di mappare aree difficilmente accessibili

4 I rilievi fotogrammetrici da UAV sono molto utilizzati nel - campo dei BB.CC.(soprattutto in ambito archeologico) documentazione 2D e 3D di scavi e siti archeologici, monumenti - per rilievi del«territorio» analisi e monitoraggio di frane, cave, costoni rocciosi

5 Le principali finalità del rilievo fotogrammetrico da UAV sono la realizzazione di - modellidigitalidelterreno(dtmodsm) - modelli3d - ortofoto allo stato attuale sono praticamente assenti restituzioni tridimensionali(es. cartografia vettoriale)

6 Problematiche relativamente agli aspetti fotogrammetrici - irregolarità dei blocchi - numero molto elevato di immagini Software automatici - qualità radiometrica delle immagini - accuratezza, numero, disposizione dei punti di appoggio

7 Obbiettivi Studio sulle precisioni ottenibili in relazione alle geometrie di presa del blocco fotogrammetrico Metodologia Utilizzo di diversi dataset che si differenziano per - tipologia dei velivoli utilizzati - estensione delle zone riprese

8 Metodologia Utilizzo di diversi dataset che si differenziano per - tipologia dei velivoli utilizzati quadricottero md4-200 della Microdrones velivolo ad ala fissa Swinglet CAM della Sensefly

9 I velivoli utilizzati si differenziano per operatività, autonomia di volo, quota di volo, modalità di acquisizione. Il quadricottero ha resistenza al vento inferiore e può volare a quote di volo anche molto basse(10-20 metri); ha una maggiore flessibilità in fase di acquisizione in quanto consente di effettuare prese sia nadirali che inclinate grazie alla possibilità di ruotare la camera. Il velivolo ad ala fissa invece ha resistenze al vento maggiore, vola a quote sempre superiori ai 100 metri e consente l esecuzione soltanto di prese nadirali secondo il classico schema di fotogrammetria aerea.

10 I due velivoli, pur appartenendo alla stessa grande categoria dei micro UAV, e pur avendo campi di applicazione simili, si differenziano anche relativamente ai prodotti ottenibili: - rilievi a grandissima scala (pixel 1 o 2 cm) di zone con estensione limitate nel caso del quadricottero - rilievi a grande scala (pixel circa 5 cm) di aree anche estese qualche chilometro quadrato per il velivolo ad ala fissa

11 md4-200 Swinglet CAM Peso (gr.) Diametro (cm) Payload (kg) Raggio d'azione (m) Altezza di volo (m) Autonomia (min.) Motori Camera 4 motori elettrici 1 motore elettrico Pentax Optio RZ18 Canon IXUS 125 HS GPS Si Si Auto-pilot Si Si Resistenza al vento (m/s) 4 7

12 Camera utilizzate Pentax OptioRZ18 da 16 Megapixel focale da 4.5 mm per la ripresa con microdrones md4-200 Canon IXUS 125 HS da 16 Megapixel focale da 4.4 mmper la ripresa con Sensefly Swinglet CAM

13 Metodologia Utilizzo di diversi dataset che si differenziano per - estensione delle zone riprese - due aree di piccola estensione all'interno del Parco archeologico della Valle dei Templi di Agrigento md4-200 della Microdrones - dueareedimediaegrandeestensionerelativealcretto di Gibellina e a parte del Parco archeologico di Selinunte Swinglet CAM della Sensefly

14 Tempio di Iside Quartiere Ellenistico-Romano Il rilievo da drone ha interessato soltanto una delle insulaee in particolare quella situata a sud-ovest

15 Cretto di Gibellina

16 Parco Archeologico di Selinunte Acropoli

17 Criteri scelti per la geometria dei blocchi - Prese nadirali in volo programmato - Due blocchi fotogrammetrici per ogni dataset con strisciate perpendicolari (approssimativamente andamento Nord-Sud e Est-Ovest)

18 Tempio di Iside Quartiere Ellenistico-Romano Acropoli di Selinunte Cretto di Gibellina

19 Tempio di Iside due voli (Nord-Sud e Est-Ovest) Quartiere ellenistico-romano quattro voli (due per ogni direzione di volo) Riprese eseguite su waypoint determinati in fase di progettazione del volo Cretto di Gibellina due voli (Nord-Sud e Est- Ovest) Acropoli di Selinunte quattro voli (due per ogni direzione di volo) Scatto delle foto in continuo (uno scatto ogni 3 secondi). Dataset Estensione [ha] Direzione voli Ricoprimento longitudinale Ricoprimento trasversale Quota relativa di volo [m] N. immagini GSD [cm/pix] Tempio di Iside Quartiere ellenisticoromano Cretto Selinunte 92 N-S 80% 70% E-O 80% 70% N-S 80% 70% E-O 80% 70% N-S 80% 80% E-O 80% 80% N-S 80% 80% E-O 80% 80%

20 Rilievo topografico GPS punti di appoggio in modalità RTK Target 20 cm x 20 cm(tempio di Iside-Quart. Ellenistico-Romano) Punti«naturali»

21 Rilievo topografico GPS punti di appoggio in modalità RTK Target30cmx40cm(CrettodiGibellina)

22 Rilievo topografico GPS punti di appoggio in modalità RTK Target30cmx40cm(AcropolidiSelinunte) Punti«naturali»

23 Tempio di Iside Quartiere Ellenistico-Romano Acropoli di Selinunte Cretto di Gibellina

24 Tempio di Iside Cretto di Gibellina

25 Procedure di Orientamento Processo automatico eseguito con il software Photoscan (Agisoft) tramite approccio Stucture from Motion Parametri di orientamento interno e di distorsione della camera ricavati durante la fase di orientamento Orientamenti eseguiti con diverse configurazioni

26 Dataset Cretto di Gibellina GCP CP

27 Dataset Cretto di Gibellina Blocco EO

28 Dataset Cretto di Gibellina Blocco NS

29 Dataset Cretto di Gibellina Blocco EO + strisciate trasversali

30 Dataset Cretto di Gibellina Blocco NS + strisciate trasversali

31 Dataset Cretto di Gibellina Blocco EO+NS

32 Dataset Cretto di Gibellina Cretto di Gibellina N. Immagini N. CGP N. CP SQM X [m] SQM Y [m] GCP SQM Z [m] SQM XYZ [m] SQM X [m] SQM Y [m] CP SQM Z [m] SQM XYZ [m] Volo EO Volo EO+St.Tr Volo NS Volo NS+St.Tr Volo NS+EO

33 Dataset Cretto di Gibellina Volo EO Volo NS

34 Dataset Cretto di Gibellina

35 Dataset Cretto di Gibellina

36 Dataset Cretto di Gibellina

37 Dataset Cretto di Gibellina

38 Dataset Cretto di Gibellina

39 Dataset Cretto di Gibellina

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41

42 Dataset Cretto di Gibellina Rilievo NRTK dei bordi degli "isolati"

43 Dataset Cretto di Gibellina

44 Dataset Cretto di Gibellina

45 Dataset Cretto di Gibellina

46 Dataset Cretto di Gibellina Confronto con rilievo LIDAR aereo

47 Dataset Cretto di Gibellina

48 Dataset Cretto di Gibellina

49 Dataset Tempio di Iside CP GCP

50 Dataset Tempio di Iside Blocco EO

51 Dataset Tempio di Iside Blocco NS

52 Dataset Tempio di Iside Blocco EO + strisciate trasversali

53 Dataset Tempio di Iside Blocco NS + strisciate trasversali

54 Dataset Tempio di Iside Blocco EO+NS

55 Dataset Tempio di Iside GCP CP Tempio di Iside N. Immagini N. CGP N. CP SQM X [m] SQM Y [m] SQM Z [m] SQM XYZ [m] SQM X [m] SQM Y [m] SQM Z [m] SQM XYZ [m] Volo EO Volo EO+St.Tr Volo NS Volo NS+St.Tr Volo NS+EO

56 Dataset Tempio di Iside Volo EO Volo NS

57 Dataset Tempio di Iside

58 Dataset Tempio di Iside

59 Dataset Tempio di Iside

60 Dataset Tempio di Iside I DSM sono stati verificati con un set di punti rilevati topograficamente in modalità RTK. Tempio di Iside N. Punti SQM [m] Media [m] Min. [m] Max [m] Volo EO Volo NS Volo NS+EO

61 Dataset Tempio di Iside I DSM sono stati verificati con un set di punti rilevati topograficamente in modalità RTK. Volo NS Volo EO Volo EO+NS

62 Conclusioni Il lavoro presentato rappresenta soltanto un primo step sull indagine delle potenzialità del rilievo tramite UAV. Alcuni primi risultati possono già essere evidenziati - blocchi fotogrammetrici con immagini riprese con differenti direzioni di volo non producono un miglioramento dell accuratezza - i prodotti realizzati(dsm e ortofoto) compatibili con grandi scale di rappresentazioni(1:500) Sviluppi futuri - Processamento ulteriori dataset - Utilizzo di differenti SW(Mic Mac, APS, Socet Set, PhotoModeler Scanner)

63 Ringraziamenti - il Consorzio Ticonzero e la Menci software per l esecuzione dei voli - l ente Parco Archeologico e Paesaggistico della Valle dei Templi di Agrigento e l ente Parco Archeologico di Selinunte e Cave di Cusa, per la disponibilità concessa ad accedere alle aree oggetto dei rilievi - l arch. Paola Meli, l arch. Fabio Di Salvo, l ing. Gianni Faraci e il dott. Marco Casella per la collaborazione alle operazioni di rilievo topografico