L'evoluzione delle tecniche di rilevamento: dai metodi tradizionali al GPS e alle nuove tecnologie mediante l'impiego di SAPR

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1 L'evoluzione delle tecniche di rilevamento: dai metodi tradizionali al GPS e alle nuove tecnologie mediante l'impiego di SAPR Vittorio Casella, Marica Franzini - Università degli Studi di Pavia Giovanna Sona - Politecnico di Milano

2 Le radici dell'evoluzione - 1 La topografia ha radici molte antiche. Testimonianze su rilievi topografici si hanno fin dall'antico Egitto e, ovviamente, molte cose sono cambiate da allora. Come per altri settori, gli ultimi 40 anni hanno rappresentato un periodo di rapido e profondo mutamento le cui origini vanno ricercate principalmente in due elementi: l'elettronica l'informatica L'evoluzione è stato così profonda che è stato necessario coniare un nuovo termine - GEOMATICA - per racchiudere tutte le diverse tipologie di rilievo oggi esistenti.

3 Le radici dell'evoluzione - 2 Questo mutamento non si è limitato ad alcuni aspetti ma ha coinvolto: strumenti/sensori tecniche (di rilievo e di processamento) prodotti La relazione si focalizzerà principalmente sui primi due punti.

4 La Topografia Iniziamo dalla disciplina più antica soffermandoci però sulla storia più recente. Negli anni '60 il rilievo topografico era una disciplina pienamente matura anche grazie alla presenza di strumenti ottico-meccanici di elevata qualità. Quando si parla di strumento topografico ci si riferisce ad un dispositivo capace di misurare: angoli (azimutali e zenitali) distanze Se per gli angoli non si sono mai avuti problemi, la misura della distanza ha rappresentato per molti anni un grosso ostacolo.

5 Misure di distanza Agli inizi la distanza veniva determinata sulla base misure angolari. Ad esempio mettendo in relazione: l'angolo al vertice tra due collimazioni effettuate su una stadia verticale la lettura effettuate sulla stadia stessa Tali misure erano di scarsa qualità (anche con un buon teodolite l'errore risulta superiore a 25 cm su 100 m) e per rilievi di precisione ci si basava unicamente su misura angolari (triangolazioni).

6 Nascita degli EDM Risalgono alla fine degli anni '50 i primi esperimenti per determinare la distanza percorsa da un fascio di luce basandosi sulla differenza di fase tra l'onda emessa e quella riflessa. Nascono i dispositivi EDM - Electronic Distance Measurement Nel 1968, Zeiss combina per la prima volta un teodolite con un distanziometro elettronico dando vita di fatto alla prima "Stazione Totale" (Zeiss ELTA 46). Un primo traguardo importante è stato raggiunto: effettuare misure di distanza di qualità.

7 Con o senza prisma? I primi distanziometri richiedevano però che sul punto da misurare fosse presente un elemento altamente riflettente - il prisma. Questo costituiva un limite soprattutto in relazione alla produttività. Il progredire dell'elettronica ha permesso la nascita delle misure senza prisma - reflectorless; nasce nel 1986 il primo distanziometro senza prisma (WILD Dior).

8 La Topografia moderna Nella topografia classica più recente l'evoluzione si è avuta grazie: alla capacità di misurare la distanza con elevata qualità alla possibilità di misurare la distanza senza l'ausilio di prismi Questo ha influito : sul rilievo - una maggiore produttività sul processamento dei dati - possibilità di effettuare rilievi con sole misure di distanza (trilaterazioni) La nascita dei distanziometri elettronici ha avuto, come vedremo, anche ricadute al di fuori del settore topografico; essa ha portato alla nascita di una nuova tipologia di sensori legati unicamente alla misura di distanza: i laser scanner.

9 Topografia satellitare Nello stesso periodo: la topografia tradizionale evolveva fino a raggiungere l'attuale configurazione maturava un sistema di posizionamento capace di rivoluzionare totalmente il modo di effettuare il rilevamento Nel 1960 la NASA, il DoT (Department of Trasportation) e il DoD (Department of Defence) cominciano a pensare ad un sistema di posizionamento globale. Nel 1977 nasce il programma NAVSTAR GPS. L'avvento del GPS ha avuto ricadute in tutte tutti i settori del rilevamento, terrestre ed aereo.

10 Cos'è il GPS? Il GPS è un sistema di posizionamento satellitare globale. E costituito da una costellazione di satelliti che emettono incessantemente dei segnali elettromagnetici verso la Terra. Tali segnali i vengono captati, memorizzati ed elaborati da speciali ricevitori al fine di determinare, con elevata precisione, la posizione occupata. Lo scopo è permettere: in ogni istante, in ogni luogo e con ogni condizione climatica il posizionamento tridimensionale di oggetti sia fermi che in movimento

11 Rivoluzione GPS Perché il GPS è stato una rivoluzione? Perché andava, in alcuni casi, a scardinare alcune principi su cui la topografia classica si poggiava: il vincolo dell'intervisibilità tra punti il rilievo basato su osservazioni relative il rilievo di punti statici

12 Intervisibilità tra i punti TOPOGRAFIA: è basata sulla collimazione di punti e si può misurare solo ciò che si può vedere GPS: permette di determinare la posizione reciproca tra due punti senza che essi siano intervisibili Un esempio per calcolare la posizione relativa di due punti distanti, poniamo 20 Km, è sufficiente mettere in stazione due ricevitori sui due punti per circa un'ora un lavoro analogo, se svolto con metodi topografici classici, richiederebbe probabilmente, su un territorio come quello italiano, molti giorni di lavoro

13 Posizionamento assoluto e rilievo cinematico TOPOGRAFIA: effettua misure relative di angoli e distanze GPS: determina direttamente le coordinate in un sistema di riferimento assoluto TOPOGRAFIA: tradizionalmente le misure vengono fatte verso punti fermi sul territorio GPS: se posiziono un ricevitore GPS su un veicolo in movimento è possibile determinare la traiettoria seguita del veicolo stesso Quest'ultimo aspetto, forse poco importante, nell'ottica di un rilievo terrestre tradizionale, costituisce invece la chiave di volta per l'adozione del GPS nel rilievo da mezzi in movimento (aerei, elicotteri, etc).

14 L'evoluzione del GPS Al di là della rivoluzione apportata dal GPS nell'ottica del rilievo in generale, il GPS stesso ha visto internamente profonde evoluzioni: nelle caratteristiche dei segmenti (satelliti, stazioni di controllo, ricevitori) nel soluzioni di processamento (tipologie di segnale) nelle tecniche di posizionamento (assoluto, relativo, differenziale) Come già citato le spinte verso tali mutamenti sono sostanzialmente legate all'elettronica del sistema e all'elaborazione dei dati (informatica).

15 Il posizionamento satellitare Il posizionamento GPS si basa sulla capacità del ricevitore di determinare la distanza che lo separa del satellite. Tale distanza viene ottenuta dal tempo di volo. Il passaggio tra il tempo e la distanza viene banalmente ottenuto come: d = tempo velocità Le posizioni sono determinate combinando le informazione di distanza satellite-ricevitore e la posizione di punti noti (nel nostro caso i satelliti). Questa tecnica è chiamata trilaterazione. P x P z y x

16 Tecniche di posizionamento Esistono tre tecniche di posizionamento : posizionamento assoluto (m) posizionamento relativo (mm) posizionamento differenziale (cm) Quale scegliere? Dipende dalle finalità del rilievo. Per le finalità topografiche solo il posizionamento relativo e differenziale possono essere presi in considerazione. Questa considerazione, che pare tutto sommato scontata, è un punto chiave per l'evoluzione che il processamento dei dati GPS sta avendo nell'ambito del rilievo da drone.

17 Il posizionamento relativo Due ricevitori posizionati su due vertici distinti effettuano misurazioni simultanee verso uno stesso set di satelliti I dati raccolti vengono differenziati al fine di eliminare le principali fonti di errore comuni Questa tecnica porta al calcolo delle componenti del vettore che unisce i due punti Dalla conoscenza della posizione di un vertice è possibile determinare l'altro; la caduta del vincolo di intervisibilità rende questa operazione agevole

18 Il posizionamento differenziale La posizione del punto viene ricavata da osservazioni contemporanee effettuate presso una stazione fissa - Master, di posizione nota, ed un ricevitore mobile - Rover Il Master, partendo da queste osservazioni, calcola delle correzioni da applicare alle misure effettuate dal Rover al fine di migliorarne la precisione Se i due ricevitori sono connessi tra loro, questa operazione può essere effettuata in tempo reale

19 GNSS Sempre più spesso viene adottato l'acronimo GNSS quando si sta parlando di posizionamento satellitare. GNSS sta per Global Navigation Satellite System (sistemi di navigazione satellitare globale). Il GNSS più noto è GPS ma non è l'unico. Altri sistemi di posizionamento globale esistenti o in programma sono: Glonass - Russia Compass (Beidou) - Cina Galileo - Europa Tutti i sistemi hanno caratteristiche diverse ma si basano sostanzialmente sulla stessa architettura e sui medesimi principi di posizionamento appena illustrati.

20 Topografia classica e satellitare Il GPS ha evidenziato immediatamente le sue potenzialità nel rilevamento terrestre affiancando in breve tempo le tecniche topografiche classiche in quello che viene diffusamente chiamato rilievo integrato. GPS: coordinate tridimensionali assolute di elevata qualità superamento del vincolo di intervisibilità Topografia: capacità di misurare la posizione di punti non stazionabili capacità di misurare punti situati al chiuso o in zone con scarsa visibilità dei satelliti

21 GPS per la determinazione di veicoli in movimento Nell'ambito del rilevamento, la capacità di poter determinare la posizione, e la traiettoria, di oggetti in movimento, ha reso il GPS un valido supporto per molte tecniche: fotogrammetria aerea laser scanner aereo (Lidar) droni MMV - Mobile Mapping Vehicle Affrontiamo a questo punto l'evoluzione che hanno avuto le tecniche di rilevamento da aereo cominciando da quella che, parallelamente alla topografia, è stata una protagonista principale nell'ultimo secolo: la Fotogrammetria.

22 La Fotogrammetria - 1 Le tecniche topografiche, classiche e GPS, sono caratterizzate: da un'elevata qualità da una bassa produttività Produrre cartografia di un centro storico significa misurare le coordinate di decine o centinaia di migliaia di vertici. La topografia misurando un solo punto alla volta richiederebbe: tempi lunghissimi costi elevatissimi

23 La Fotogrammetria - 2 Un immagine aerea cattura in un solo istante la posizione di innumerevoli punti. E' possibile ricostruire le coordinate che un oggetto ha nel mondo a partire dalla posizione che occupa nelle immagini. Nasce la FOTOGRAMMETRIA. E' una disciplina più giovane rispetto alla topografia, ma vanta un storia centenaria: 1867 viene per la prima volta utilizzato il termine in una pubblicazione 1910 nasce l'isprs

24 Principio di collinearità Un medesimo punto oggetto P può essere visto su due distinte fotogrammi su cui avrà formato i punti immagine P1 e P2. Durante la fase di restituzione, la posizione di P viene individuata come intersezione delle due rette omologhe determinate tramite il principio di collinearità. Occorrono almeno due immagini per realizzare la restituzione fotogrammetrica.

25 L'evoluzione in fotogrammetria La fotogrammetria ha, nel corso degli anni, subito importanti evoluzioni in diversi settori: nei sensori utilizzati per l'acquisizione negli strumenti usati per la restituzione fotogrammetrica nelle procedure di calcolo per la determinazione degli parametri di orientamento esterno dei fotogrammi Le tecnologie attualmente utilizzata nel rilievo da drone hanno avuto origine dalle evoluzioni che la fotogrammetria aerea a avuto nel recente passato.

26 La Fotogrammetria analogica Come per la topografia, fin dagli anni '70 esistono camere aeree di alta qualità. Le camere producono immagini su pellicola della dimensione di 23 x 23 cm. Le prime importanti evoluzioni che la fotogrammetria ha subito negli anni recenti sono legate agli strumenti di restituzione.

27 Restitutore analogico e analitico Restitutore analogico: fino agli anni '70, le immagini acquisite venivano poste in restitutori analogici che determinavano le coordinate tramite dispositivi ottico meccanici Restitutore analitico: lo sviluppo e la diffusione dei computer ha permesso di accoppiare a restitutori di tipo ottico-meccanico la potenzialità di calcolo di un PC

28 Restitutore digitale La capacità di digitalizzare i fotogrammi con appositi scanner a reso il processo completamente digitale: nascono le DPW - Digital Photogrammetric WorkStation. Esse sono soprattutto caratterizzate da un alto grado di automatismo.

29 Camere aeree digitali Rispetto al mondo della fotografia amatoriale, sono recentemente (ultimo decennio) la fotogrammetria aerea diviene totalmente digitale con la comparsa delle prime camere aeree digitali. Nonostante gli sviluppi tecnologici, a tutt'oggi, queste camere non permettono ancora l'acquisizione di immagini di dimensioni simile a quelle analogiche. La necessità di mantenere la produttività simile a quella garantita fino a questo momento ha portato le case produttrici ad adottare diverse strategie di acquisizione: a matrice a linee

30 Acquisizione a matrice La camera dispone di più obbiettivi che acquisiscono porzioni diverse di terreno garantendo però zone di ricoprimento. L immagine finale viene ottenuta come composizione delle immagini acquisite dai singoli sensori.

31 Acquisizione a linee La camera ha un unico obbiettivo e sul piano focale sono disposti numerosi sensori CCD a linee. Le immagini vengono acquisite da almeno tre angolazioni diverse.

32 I sensori multispettrali Le camere aeree digitali permettono di avere una vasta gamma di immagini diverse: immagini multi ed iperspettrali. Le camere digitali acquisiscono le immagini registrando la radianza emessa dagli oggetti in diversi intervalli dello spettro; tipicamente le tre bande relative allo spettro visibile sono il rosso, il verde e il blu. "Impacchettando" le tre immagini è possibile formare l'immagine così come noi la vediamo.

33 I sensori iperspettrali Le camera iperspettrali operano in modo analogo registrando: una maggior porzione di spettro (non solo il visibile) suddividendo lo spettro in intervalli più piccoli L'immagini finale è l'"impacchettamento" di tutte le immagini registrare; spesso si parla di "cubo iperspettrale". Se inserisco in un grafico il valore di riflettenza registrato per ognuno degli intervalli spettrali è possibile identificare gli elementi presenti in un immagine. Creo la cosiddetta "firma spettrale".

34 Esempio Immagine di immagine pancromatica, multi-spettrale e a falso colore acquisita contestualmente da una camera Leica ADS40 (SH52).

35 La determinazione dei parametri di orientamento E' possibile effettuare la misura fotogrammetrica una volta noti i parametri di orientamento esterno dei singoli fotogrammi. Questo significa conoscere: la posizione del centro di presa (X, Y, Z ) l'orientamento della camera (ω, φ, κ ) Questi 6 numeri sono definiti parametri di orientamento esterno ed esistono 6 parametri di orientamento per ogni fotogramma acquisito.

36 Triangolazione aerea - 1 In passato non era possibile determinare direttamente tali parametri e il problema veniva risolto con un procedimento chiamato triangolazione aerea. L'operatore doveva effettuare la misura sulle immagini al alcuni punti; essi erano divisi in due grandi categorie; punti di legame (TP): punti di cui si conoscono solo le coordinate immagine misurate punti di appoggio (GCP): punti di cui si conoscono le coordinate immagine misurate e le coordinate in un sistema di riferimento assoluto

37 Triangolazione aerea - 2 Basandosi sul principio della collinearità si costruisce un sistema di equazione che mette in relazione: le coordinate immagine di TP e GCP - note le coordinate oggetto dei GCP - note i parametri di orientamento esterno - incogniti La risoluzione di questo sistemata di equazione permette di determinare i parametri di orientamento di ogni fotogramma. Per risolvere il problema in questo modo occorre conoscere e quindi rilevare preliminarmente per via topografica le coordinate oggetto dei GCP.

38 Fotogrammetria diretta - 1 Il GPS e i sensori inerziali (IMU) hanno comportato l'ultima importante evoluzione nel campo della fotogrammetria aerea. Il GPS permette di determinare la posizione della camera. Il sistema IMU permette di determinare gli angoli di assetto. In questo modo, in linea teorica, non è necessario effettuare alcuna triangolazione aerea. Si parla in questo caso di fotogrammetria diretta.

39 Fotogrammetria diretta - 2 L'uso dei parametri di orientamento esterno ricavati da un sistema GPS/IMU no ci salvaguarda però dell'introduzione di eventuali errori che possono influenzare il dato finale. La fotogrammetria diretta funziona: se la soluzione GPS/IMU è sufficientemente accurata se i parametri di calibrazione interna della camera sono sufficientemente stabili I sensori GPS/IMU e le camere adottate in fotogrammetria aerea assicurano in linea teorica entrambe le condizioni. Vedremo che per il rilievo da drone la situazione è un po' più complicata.

40 Lidar - 1 Il Lidar aereo è nato poiché: si ha la capacità di misurare la distanza senza l'ausilio di un prisma esistono i dispositivi GPS/IMU E' basato sulla scansione del territorio sorvolato da un aereo o da un elicottero per mezzo di un telemetro laser. Esso misura la distanza fra il punto A, materializzato dal telemetro stesso, e il punto di riflessione B, che rappresenta il generico punto appartenente al terreno.

41 Lidar - 2 Il lidar non si limita solo a misurare la distanza fra i punti A e B ma fornisce anche le coordinate del punto B. Perché questo sia possibile occorre conoscere: la posizione dell aereo in ogni istante l assetto dell aereo in ogni istante Questo vi da' la possibilità di determinare la posizione tridimensionale dei punti colpiti.

42 Produttività Un buon topografo impiega pochi secondi a effettuare una misura con stazione totale. I nuovi sistemi Lidar aerei hanno una produttività tra 500 e 1000 khz; ciò significa determinare la posizione tridimensionale di 1'000'000 di punti al secondo. Questa capacità permette di avere una descrizione estremamente particolareggiata del terreno sorvolato.

43 Rilievo da drone Il rilievo da drone rappresenta l'ultima evoluzione delle tecniche di rilevamento aereo. Quanto visto fino ad adesso è il punto di partenza (l'esperienza)su cui si basano i sistemi di rilevamento da drone. Gli ultimi anni hanno mostrato l'introduzione sul mercato di sempre maggiori soluzioni: in relazione al vettore (droni ad alla fissa o a rotore di varie dimensioni e payload) in relazione ai sensori montati a bordo in relazione alle metodologie di processamento dei dati

44 Fotogrammetria aerea vs droni Il confronto tra la fotogrammetria aerea e da drone viene spontaneo. Se da un lato esistono innumerevoli punti di contatto... tipologia di sensori tipologia di processamento delle immagini tipologia di prodotti... dall'altro alcune peculiarità rendono le due tecniche ancora sostanzialmente diverse flessibilità produttività calibrazione orientamento

45 Flessibilità e produttività A differenza della fotogrammetria aerea, che richiede operazioni di progettazione ed esecuzione del volo affidate a poche ditte specializzate, il rilievo da drone è "teoricamente" estremamente flessibili: volo quando voglio volo con limitato preavviso La fotogrammetria aerea vanta una maggiore produttività connessa: alle altezze di volo: m vs m alla risoluzione delle camere utilizzate: 190 MP vs 24 MP Queste caratteristiche, altre alla limitata autonomia di volo, rende il rilievo da drone più sensibile rispetto all'estensione dell'area da acquisire.

46 Calibrazione Le camere aerea vengono costruite e calibrate in moda da fornire una geometria praticamente perfetta; esse sono inoltre estremamente stabili nel tempo e nello spazio. Le camera montate a bordo dei droni sono invece più deboli da questo punto di vista e richiedono un'attenta fase di calibrazione interna per ottenere i risultati attesi.

47 Orientamento La nascita dei sistemi GPS/IMU ha ricoperto un ruolo importante nell'evoluzione della determinazione dell'orientamento delle immagini acquisite. Alcuni sistemi, come il Lidar e le camere aeree a linee, non esisterebbero senza l'esistenza di sensore GPS/IMU. La loro importanza è evidente anche nel caso da rilievo da drone dove: agevolano le operazioni di acquisizione del volo pianificato possono costituire l'orientamento esterno iniziale per le successive fase di processamento La loro qualità non è tuttavia ancora sufficiente per effettuare una fotogrammetria diretta.

48 Grazie per l'attenzione! Vittorio Casella, Marica Franzini - Università degli Studi di Pavia Giovanna Sona - Politecnico di Milano