Vittorio Casella. Laboratorio di Geomatica - DICAR Università di Pavia vittorio.casella@unipv.it

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1 Vittorio Casella Laboratorio di Geomatica - DICAR Università di Pavia vittorio.casella@unipv.it L'impiego dei droni per lo svolgimento delle attività professionali. Qualità e affidabilità delle misure fotogrammetriche effettuate con SAPR Dronitaly, ottobre Assago, Milano

2 Scaletta Premessa... Che cos'è la Fotogrammetria Analogie fra Fotogrammetria e Topografia classica Il problema principale della Fotogrammetria: orientare il blocco I parametri che governano la qualità di un blocco La precisione delle misure fotogrammetriche Conclusioni Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 2 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

3 1 - Che cos'è la Fotogrammetria Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 3 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

4 Come si schematizza una camera fotogrammetrica Ai fini geometrici, la camera (macchina fotografica) può essere schematizzata con un triangolo a- vente come parametri significativi dimensione dell'area sensibile (del negativo) l lunghezza focale (distanza fra il centro dell'obiettivo e il piano dell'immagine): c angolo di apertura c o c Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 4 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

5 L'equazione della fotografia Idea: piazzo una camera in cielo, in un certo punto e con un certo assetto; scatto una foto I punti-oggetto generano per proiezione i puntiimmagine (sull'immagine) Valgono le leggi dell'ottica geometrica, cioè vi è collinearità fra il puntooggetto A, il centro dell'obiettivo O e il punto-immagine A' C c D F B A º E C º D Piano focale O E F A B DZ [presa_fotogrammetrica_1.cdr] Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 5 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

6 Servono almeno due immagini Il punto-oggetto è individuato come l'intersezione delle due rette omologhe, individuate per collinearità P 1 P 2 O 1 O 2 Misura fotogrammetrica P Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 6 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

7 Il volo fotogrammetrico: fotogrammi ricoperti 1 Per fare misure fotogrammetriche è necessario che ogni punto del territorio che si vuole misurare compaia in almeno due fotogrammi. Come si fa? Sopra: fotogrammi giustapposti Sotto: fotogrammi ricoperti Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 7 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

8 Il volo fotogrammetrico: blocco e strisciate - 1 Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 8 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

9 Esempio di blocco Esempio di piccolo blocco fotogrammetrico. Sono visibili le strisciate, i singoli fotogrammi, i ricoprimenti longitudinale e trasversale, i punti di appoggio (i triangoli) e i punti di legame (punti). Concetti di ricoprimento longitudinale: 60%-80% Ricoprimento trasversale: 20%/30% - 80% Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 9 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

10 Che cosa si misura con la fotogrammetria Punti singoli, punti ben precisi Superfici: non importa che punti vengano misurati, purchè abbiano la densità richiesta Possibilità di automatizzare il processo Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 10 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

11 Ortofoto Ortofoto: immagine che ha l'aspetto di una fotografia e il contenuto metrico di una carta. Generazione ortofoto fortemente automatizzabile. Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 11 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

12 2 - Analogie fra Fotogrammetria e Topografia classica Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 12 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

13 Intersezione in avanti A e B punti noti; C incognito y C La misura fotogrammetrica ha forti analogie con intersezione in avanti con misure di soli angoli A B x La precisione delle misure dipende da abilità del rilevatore qualità dello strumento geometria del problema; base piccola, cattivi risultati Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 13 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

14 Rilevamenti radiali/punti lanciati A e B punti noti Collimo i punti C e misuro angoli e distanze y A C 1 C 2 Faccio i calcoli i ottengo le coordinate dei punti C B C 3 Come posso conoscere le incertezze delle coordinate dei punti C? C 4 x Con uno schema del genere, non posso determinare direttamente la qualità delle misure Posso quantificarla per analogia, tenendo conto di operatore, strumento, geometria del problema, esperienze precedenti Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 14 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

15 Rilevamenti iso- e iperdeterminati Rilievo isodeterminato: il numero delle misure acquisite è quello strettamente necessario y A C 1 C 2 I calcoli mi forniscono le coordinate dei punti incogniti B C 3 L'incertezza delle coordinate è quantificabile per analogia C 4 x Rilievo iperdeterminato: il numero delle misure acquisite è significativamente superiore a quello necessario. y A C 1 C 2 La compensazione determina direttamente le coordinate e la loro incertezza B C 4 C 3 x Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 15 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

16 I tre stadi della qualità Buone pratiche operatore capace e formato qualità dello strumento geometria del problema Qualità per analogia Qualità determinata direttamente - iperdeterminazione La Fotogrammetria è naturalmente iperdeterminata Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 16 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

17 3 - Il problema principale della Fotogrammetria: o- rientare il blocco Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 17 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

18 Il concetto di orientamento esterno Per effettuare la misura fotogrammetrica devo conoscere devo conoscere la posizione dei centri di presa O1 e O2 e l'orientamento delle camere P 1 P 2 O 1 O 2 P Centro di presa - 3 coordinate Orientamento - 3 angoli Il complesso dei 6 parametri per un'immagine: orientamento esterno Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 18 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

19 Come si determina OE di un blocco La triangolazione aerea determina OE di tutti i fotogrammi di un blocco Ingrediente essenziale sono i punti di appoggio (GCP in inglese): punti misurati sul terreno con topografia o GNSS Punti che devono essere riconoscibili nelle immagini Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 19 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

20 4 - I parametri che governano la qualità di un blocco Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 20 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

21 Lunghezza focale Sony Nex-5 c o c Dimensione sensore: 4912 x 3264 pixel Dimensione sensore: 23,5 x 15,6 mm Lunghezza focale: 16 mm Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 21 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

22 Altezza relativa volo D Z altezza relativa di volo C A l/2 B c Rapporto di scala medio del fotogramma 1 c n D Z O DZ DZ 70m n 4400 Impronta a terra del fotogramma: 103 x 69 m F D L/2 [rapporto_scala_fotogramma.cdr, wmf] E Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 22 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

23 Ricoprimento e base di presa RL 80% B m 14m c c B O 1 O 2 B=(1-R )*L L L R *L L B=(1-R )*L L Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 23 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

24 Risoluzione sull'immagine e sul terreno Si intende la dimensione del pixel Dimensione del pixel sul sensore d 23.5mm / 4912 =4.8 micron Dimensione del pixel a terra D nd 21mm d l c Dz Pixel da pensare come tessere di un mosaico L D Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 24 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

25 5 - La precisione delle misure fotogrammetriche Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 25 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

26 Teoria degli errori nel caso normale DZ X Y c DZ 1 Z 2 c B DZ incertezza delle coordinate immagine; si pone d 4.8 mm c Z O 1 1 =( x 1, y 1 ) 01 =( 0,0,-c) 02 =( B,0,-c) P =(0,Y,Z) B P=(X,Y,Z) 2 =( x 2, y 2 ) O 2 c X P =(B,Y,Z) Errore nelle componenti planimetriche delle coordinate misurate con la fotogrammetria 21 mm X Y D Errore nella componente altimetrica 105mm Z Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 26 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

27 Teoria degli errori nel caso normale mm X Y D 105mm Z Queste stime devono essere considerate come i migliori risultati possibili, che raramente si raggiungono. La componente Z è generalmente peggio delle altre; questa volta è significativamente peggio perchè il ricoprimento scelto è grande (80%) e dunque la base è corta All'errore dovuto alla dimensione delle tessere se ne aggiungono altri: incertezza delle coordinate dei GCP (se misuro male i GCP tutto peggiora) problemi di calibrazione della camera Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 27 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

28 La precisione della fotogrammetria da droni in letteratura In planimetria: 1-3 volte il pixel In altimetria: circa 2 volte la planimetria Fotogrammetria è affidabile, nel senso che i risultati sono ripetibili e non contengono errori grossolani se si agisce correttamente. La precisione della fotogrammetria non è certo quella del GPS ma è compatibile con molte applicazioni. Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 28 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

29 Come stimare in modo rigoroso la qualità delle coordinate ottenute dalla fotogrammetria Con l'uso di CKP, punti di controllo. Quando si misurano con topografia/gps i punti di appoggio (6/8), bisogna misurare anche 8/10 altri punti, ben distribuiti, da non usare per il calcolo della TA. Una volta orientato il blocco, si misurano le coordinate dei CKP con la fotogrammetria e si confrontano con quelle GPS Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 29 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

30 Come stimare in modo rigoroso la qualità delle coordinate ottenute dalla fotogrammetria - 2 Coordinate da GPS Coordinate da Fotogrammetria Residui X [m] Y [m] Z [m] X [m] Y [m] Z [m] DX [m] DY [m] DZ [m] PV_NGCP_ , , , , , ,316-0,004-0,197 0,288 PV_NGCP_ , , , , , ,802-0,017 0,105 0,071 PV_NGCP_ , , , , , ,232 0,067 0,096 0,260 PV_NGCP_ , , , , , ,223 0,098-0,122 0,158 PV_NGCP_ , , , , , ,877 0,079-0,578 0,714 PV_NGCP_ , , , , , ,079-0,021 0,019 0,201 PV_NGCP_ , , , , , ,148-0,049-0,174-0,002 PV_NGCP_ , , , , , ,055-0,101 0,152 0,046 PV_NGCP_ , , , , , ,811-0,043-0,245 0,065 PV_NGCP_ , , , , , ,381 0,044 0,065 0,012 Se i CKP sono stati scelti bene e sono in numero ragionevole, si può pensare che le misure svolte su altri punti abbiano la stessa qualità. Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 30 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/ Media 0,000 0,008 0,042 sqm 0,105 0,157 0,289 eqm 0,105 0,157 0,292

31 Uso di SW poco fotogrammetrici Ci sono SW che svolgono le seguenti funzioni importazione delle immagini calibrazione della camera (non necessariamente a questo punto della sequenza) misura sulle immagini dei GCP calcolo TA generazione automatica del DTM/DSM generazione ortofoto E la restituzione, cioè la misura fotogrammetrica di punti singoli? In alcuni programmi non è prevista, oppure richiede un modulo aggiuntivo. Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 31 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

32 Uso di SW poco fotogrammetrici: è un problema? E' un problema? Per tante applicazioni può non esserlo: uso l'ortofoto come sfondo dentro a un CAD e disegno i particolari che mi interessano. Se mi servono i volumi (sterro, riporto,...) devo interrogare il DTM. E la validazione? Cerco i CKP nell'ortofoto per avere le loro X e Y fotogrammetriche; interpolo il DTM per avere la Z. Uso la tabella nella stessa maniera. Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 32 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

33 Conclusioni Abbiamo discusso i principali parametri che governano la qualità del lavoro fotogrammetrico Le misure fotogrammetriche sono affidabili e hanno una precisione compatibile con molte applicazioni E' raccomandabile l'uso di 8/10 CKP per validare in modo indipendente i risultati Un ruolo chiave è giocato dalle buone pratiche e dunque dalla competenza del personale che esegue il lavoro. La formazione delle persone ha un ruolo centrale Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 33 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -

34 Grazie per la cortese attenzione! Vittorio Casella DronItaly 2014 Pag. 34 of 34 slide_dronitaly_sabato_casella_3.docx 24/10/2014 -