Strumenti innovativi a basso costo per l acquisizione di informazioni territoriali

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1 POLITECNICO DI TORINO Dipartimento di Ingegneria dell Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture Strumenti innovativi a basso costo per l acquisizione di informazioni territoriali Andrea LINGUA Marco PIRAS

2 Sommario 1. Introduzione 2. Low Cost Mapping Mobile System Il sistema e l acquisizione dei dati Elaborazione e visualizzazione dei dati Un esempio applicativo: HAITI Integrazione con LiDAR Il video solido 3. Low Cost UAV VTOL multirotore Hexakopter di Mikrokopter L acquisizione dei dati L elaborazione dei dati L ortofoto solida di precisione Un esempio applicativo: Aquileia 4. Considerazioni conclusive

3 1. Introduzione In commercio sono presenti numerose soluzioni ambito sia terrestre che aereo: - sistemi molto raffinati e costosi - procedure di elaborazione complesse e spesso «chiuse» e poco controllabili - software di utilizzo dei dati complessi per specializzati in geomatica Molti ambiti applicativi richiedono caratteristiche spesso differenti: - Flessibilità e trasportabilità; - Rapidità e semplicità di utilizzo; - Accuratezza e precisione speditive; - Costi iniziali e di gestione limitati; - Multidisciplinarità ovvero semplice estrazione di informazioni dai dati acquisiti. E necessario proporre strumenti, metodi e prodotti innovativi per colmare questa lacuna

4 2.1 Mapping Mobile System Strumenti per il rilevamento ad alta redditività del territorio da automezzo Sono dotati di numerosi sensori: GPS/GNSS piattaforme inerziali foto-videocamere digitali odometri LiDAR per acquisire in modo rapido e con precisione controllata (subdecimetrica) dati spaziali tridimensionali Costo K scarsa flessibilità (veicolo dedicato) personale altamente qualificato pre-post elaborazione a scatola chiusa

5 2.2 Super Low Cost MMS fino a 4 webcam commerciali, ( Quickcam Logitech C905 con ottica Carl Zeiss, 100 /cadauna) orientabili; 1 ricevitore GPS a basso costo U-Blox AEK 4T Antaris (misure di fase in L1, registrazione dati grezzi, 300 ); 1 ricevitore GPS navigazionale (SiRF3 e connessione bluetooth, 100 ) 1 PC portatile quadcore come unità di controllo (1100 ) In totale meno di 2000

6 2.3 L acquisizione dei dati E stato implementato il software GEOWASP realizzato da ITHACA (Balbo et al.,2009), organizzazione noprofit del Politecnico di Torino (SiTI) e Fondazione San Paolo che permette di: registrare le tracce dal ricevitore GPS navigazionale (NMEA) Associate tempo GPS e tempo PC; Acquisire le immagini delle webcam con il tempo PC inserire commenti georiferiti (TAG) Se è necessario, si può in parallelo registrare i dati grezzi del ricevitore U-Blox mediante il software U-Blox Center

7 2.4 L estrazione delle informazioni Pos Image (software implementato in Visual Fortran + GINO routine) è possibile elaborare in modo automatico i dati acquisiti generando una struttura di file subito disponibile al visualizzatore

8 2.5 L esempio di Haiti

9 2.6 L evoluzione X-sens e LiDAR ) 2) 3) 4) LiDAR Sick LMS 100 (<4000 ) Logitech QuickCam Pro (100 ) GPS/INS - X-sens Mti-G (<5000 ) 1 ricevitore GPS navigazionale (SiRF3, bluetooth, 100 ) 5) Ricevitori GNSS (solo verifica) In totale meno di 10000

10 2.7 Un applicazione stradale Lettura immagini RGB Conversione in toni di grigio e relativo stretching Edge Extraction con Canny filter Utilizzo della trasformata di Hough e riconoscimento dei picchi Ricostruzione delle linee estratte Classificazione e decimazione robusta (LMS) Georeferenziazione delle features

11 2.7 Il video solido O d L immagine solida è una immagine digitale con parametri di orientamento (interno ed esterno) noti che associa ad ogni pixel la distanza dal centro di presa e il punto oggetto rappresentato. C Il video solido è una sequenza di immagini solide georeferenziate mediante sensori di navigazione (GNSS/IMU) Il prodotto finale è completo, corretto, generato automaticamente (economico) e indipendente dallo strumento di acquisizione

12 3.1 Unmannhed Aerial Vehicle LiDAR e fotogrammetria digitale consolidata da piattaforma aerea (aereo o elicottero) con pilota: - Costi elevati per la strumentazione e di gestione UAV nascono con scopi militari (ricognizione e altre questioni belliche): non per la geomatica e il rilevamento del territorio Per applicazione civili, soluzioni costose senza il software di post-processing

13 3.2 HexaKopter di Mikrokopter Vendita in kit (< 2000 ) Ricevitore GPS integrato U-Blox Flight Control integra MEMs e bussola elettr. (assetto angolare) Camera Sony Nex 5 (sensore DX 14 Mpixels, ottica fissa 16 mm, 600 ) montata su supporto servo assistito (2 rotazioni) Trasmissione video analogica in real time (2.4 GHz) Trasmissione telemetria in real time via XBee

14 3.3 Il volo I primi voli: Lo stream video in tempo reale La telemetria Il volo

15 3.4 L acquisizione dei dati Fissata la quota, è possibile attivare la navigazione automatica per mezzo di Way Point

16 3.5 L elaborazione dei dati La procedura è stata implementata in ambiente MATLAB e Visual Fortran. Si rimanda alla letteratura scientifica per i riferimenti agli algoritmi citati: Wallis filter: Wallis, 1976 SIFT: Lowe, 1999, 2004 SURF: Bay et al., 2006 LMS: Rousseuw and Leroy, 1987 MIGC3: Zhang, 2005 S2MF: Lingua, Marenchino, 2009 OP: Dequal, Lingua et al, 1998 OSP: Dequal, Lingua et al Parametri OE approx Immagini acquisite Image enhancement (Wallis Filter) Feature recognition (SURF e/o SIFT) Triangolazione Fotogr. (LMS e MQ) DSM approx Parametri OE finali Generazione DDSM (GIC3) e filtraggio (S2MF) Generazione Ortofoto di Precisione Ortofoto Solida di Precisione

17 3.6 L ortofoto solida di precisione Z X Y L OSP è la fusione del contenuto metrico bidimensionale e cromatico dell ortofoto di precisione (OP) con l informazione tridimensionale di un DDSM dell oggetto rappresentato La tradizionale struttura a matrici RGB delle immagini digitali è facilmente integrabile attraverso l aggiunta di una nuova matrice nella quale sono inserite le informazioni delle quote. Il DDSM è già stato generato per produrre l OP (semplice riorganizzazione dei dati, costo limitato, automatica).

18 3.7 Scavo archeologico in Aquileia

19 3.8 Immagini GSD medio 5-7 mm

20 3.9 Elaborazione per Aquileia L elaborazione è stata svolta in collaborazione con FBK (Francesco NEX) mediante MICMAC

21 3.10 Il prodotto finale

22 4. Considerazioni conclusive Usando strumenti a basso costo è possibile acquisire dati georeferenziati ad alta risoluzione: In modo rapido e completo; Con grande flessibilità operativa anche in situazioni d emergenza; con accuratezza controllata legata all applicazione. L efficacia di questi strumenti è garantita da software dedicati che rendono: semplice il loro utilizzo in fase di acquisizione; agevole il post-processing in larga parte automatizzato; immediato il passaggio dai dati ai prodotti finali. La definizione di prodotti nuovi (video georeferenziato, Video Solido, OSP) e dei relativi strumenti software di visualizzazione e interrogazione consente: In ambito multidisciplinare Per utenti non esperti in geomatica In pratica senza formazione il passaggio immediato dai dati alle informazioni.

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