DOTTORATO DI RICERCA IN INFRASTRUTTURE E TRASPORTI SCHEDA PER L AMMISSIONE AL III ANNO DI CORSO. SEZIONE A Ricerca di Dottorato

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1 DOTTORATO DI RICERCA IN INFRASTRUTTURE E TRASPORTI SCHEDA PER L AMMISSIONE AL III ANNO DI CORSO Dottorando Martina Mormile Ciclo XVII Curriculum Infrastrutture Tutor Valerio Baiocchi SEZIONE A Ricerca di Dottorato 1 Aggiornamento del programma logico e cronologico delle attività L attività di dottorato è incentrata sull elaborazione d immagini acquisite tramite velivoli a guida remota (anche detti UAV, UAS o droni) allo scopo di estrarre feature tridimensionali e DEM o DSM. In particolare, in questa fase, il lavoro è basato sulla realizzazione di un software in ambiente C++ in grado di ottimizzarne il piano di volo, restituendo i waypoint, punti sui quali il velivolo deve stazionare per un rilievo efficiente ed ottimizzato. Non è infatti attualmente disponibile un software generalmente accettato e validato per tali progettazioni. Tra i parametri che vengono presi in considerazione dal software troviamo la scala nominale del prodotto restituito che si vuole ottenere e le caratteristiche ottiche della camera; in funzione di questi ed altri parametri viene calcolato in automatico il piano di volo più efficiente. La necessità di questo software è stata sottolineata e lo sviluppo è stato stimolato, da alcune società operanti nel settore. All interno del software si stanno man mano sviluppando nuove funzioni come la pianificazione per acquisizioni stereo e mono e la possibilità di progettare prese di facciate. Tali sviluppi sono stati suggeriti da una costante sperimentazione sul campo in un ambiente particolarmente adatto allo sviluppo di queste tecnologie quale quello post sismico. In questi scenari è infatti molto importante acquisire le facciate degli edifici totalmente o parzialmente distrutti, al fine di una corretta progettazione della ricostruzione. Tra le altre si stanno sviluppando anche funzioni di controllo e sicurezza del volo come ad esempio quella che consente di verificare, disponendo di un DSM, se le quote previste nei waypoints di fatto sono idonee. Gli sviluppi futuri prevedranno l implementazione di tutte queste funzioni in ambiente open GIS e lo studio delle possibilità di modellizzare correttamente la geometria delle acquisizioni di altri sensori che acquisiscono in campi differenti dal visibile ed infine l individuazione delle tecniche più rigorose per l estrazione delle informazioni metriche e tematiche da questo tipo di rilievi. 2 Attività di ricerca realizzata nei primi due anni Nel corso di questi primi due anni sono state studiate le possibilità offerte dagli Unmanned Aerial Vehicle (UAV) per il rilievo di caratteristiche geometriche e l estrazione di informazioni tematiche con approfondito studio delle applicazioni di aggiornamento cartografico e di quick damage assessment per scenari di emergenza. Considerando come riferimento il caso di una classica acquisizione aerofotogrammetria, è ben noto che le varie acquisizioni debbono sottostare a precise condizioni geometriche reciproche per poter garantire la ricopertura mono o stereoscopica dell area da rilevare. La sovrapposizione tra gli scatti consecutivi (60-80% longitudinalmente e 20-30% trasversalmente è fondamentale per garantire la visione stereoscopica e quindi vincola la geometria di presa, il numero delle acquisizioni e, di conseguenza, le rotte da seguire per il velivolo. Dall accurato lavoro bibliografico svolto è emerso che, allo stato attuale, tali considerazioni non vengono seguite se non raramente all atto della progettazione e dell esecuzione di rilievi con UAV.

2 E inoltre emerso che i più accreditati pacchetti per fotogrammetria non hanno ancora sviluppato specifiche funzionalità per le peculiari caratteristiche dell UAV; si consideri ad esempio la difficile ricostruzione del modello di un edificio nella sua totalità, ovvero facciate e tetto, attualmente di non facile realizzazione in un unico ambiente. Il software si pine quindi anche come scopo quello di creare metodologie originali e/o in appoggio a quelle esistenti, per poter correttamente gestire tali dati. Il software, attualmente,a partire da questi primi dati in ingresso calcola la quota di volo, la quale viene proposta all utente libero con possibilità di modifica E, successivamente, indicati i valori di ricoprimento longitudinale e trasversale in modo da rendere possibile il calcolo dell interasse e della base di presa si passa alla progettazione del piano di volo vera e propria; si passa infatti al calcolo dei waypoints (punti di stazionamento) e delle aree della porzione di terreno presente in ogni fotogramma. In output il software restituisce, oltre ad un file report, i file vettoriali dei waypoints, dei poligoni che descrivono le aree della porzione di terreno presente in ogni fotogramma e della traiettoria di volo. In alcune applicazioni, come in uno scenario postsismico, tale software, da anche la possibilità di progettare l acquisizione di facciate di edifici. In questo caso l interazione con l utente è leggermente diversa ad esempio viene richiesta in input la dimensione finale del pixel che si vuole ottenere. Nel corso delle sperimentazioni eseguite sono stati quindi ottenuti dei DSM di più aree test rilevate e sono state eseguite campagne di misure a terra, GPS e Laser Scanning, per validare l accuratezza plano-altimetrica ottenibile da tali risultati. Alcuni primi confronti sono anche stai eseguiti rispetto a rilievi LIDAR disponibili. Contestualmente all attività strettamente connessa al tema di tesi, la candidata si è anche interessata di sviluppare altre tematiche tra cui: -lo studio dei sistemi geodetici storici per l inquadramento delle cartografie realizzate nei secoli XX XIX e XVIII per l estrazione di informazione geometricamente correte in collaborazione con il Centro studi per ROMA (CROMA) dell Università degli studi Roma3 e con l ISPRA -lo sviluppo delle tecniche Multiconstellation per il pretrattamento di dati GPS-GNSS -tecniche di estrazione di features con metodologie pixel based ed object orienteed con la collega Ing. Maria Vittoria Milone -realizzazione di una base geometricamente corretta da immagini satellitari World View 2 per l intero territorio del comune di Roma e per alcuni territori limitrofi in collaborazione con il Centro -studi per ROMA (CROMA) dell Università degli studi Roma3 -studio delle trasformazioni di coordinate così come implementate nella maggior parte dei software attualmente utilizzati in collaborazione con diverse Università nazionali ed europee. 3 Esame delle problematiche emerse e degli aspetti critici L attuale crescente interesse verso gli UAV, ha stimolato diversi operatori e aziende a sviluppare soluzioni software ed hardware per la gestione dei voli UAV stessi. Se, per quanto riguarda l hardware ed i velivoli stessi lo sviluppo sta ampliando le possibilità di applicazione di mese in mese, per quanto riguarda il software che permetta il vero utilizzo fotogrammetrico delle immagini lo sviluppo non può considerarsi a tutt ora soddisfacente e la disponibilità di soluzione complete è praticamente inesistente. Il contenuto payload della maggior parte degli UAV attualmente impiegati, infatti, non permette di installare classiche camere fotogrammetriche, il peso risulta infatti un elemento dirimente e tecnicamente limitante. Per questa ragione molti utenti di UAV montano camere non professionali ed, in alcuni casi, senza focale fissa. La qualità fotogrammetrica di tali acquisizioni è tutta da verificare e validare. Inoltre, come già esposto, la maggior parte di pacchetti software più accreditati

3 gestiscono solo nominalmente le caratteristiche specifiche del volo UAV che per sua natura è profondamente e concettualmente diverso da un acquisizione mediante le classiche piattaforme aeree e satellitari. Gli elementi caratterizzanti il lavoro di ricerca svolto negli ultimi due anni sono stati certamente lo sviluppo del software nato per la gestione delle immagini UAV, in particolare, per l ottimizzazione del piano di volo in un ambiente C++ e le sperimentazioni eseguite per poter valutare se una camera, non fotogrammetrica, possa permettere di ottenere risultati del tutto comparabili con quelli necessari per una cartografia a grande scala. Considerato quindi che sui velivoli senza pilota non possono essere installate delle camere fotogrammetriche classiche, si sono comunque prese come linee guida quelle dettate dalla fotogrammetria classica, e forse uno degli aspetti più critici è proprio stato quello di dover trovare quanto della fotogrammetria classica ancora può essere valido per le acquisizioni effettuate tramite UAV. 4 Potenzialità di conseguire un impatto scientifico significativo A distanza di circa quaranta anni dai primi UAV, grazie ai progressi tecnologici introdotti dallo sviluppo di micro e di nanotecnologie dei dispositivi di controllo e delle telecomunicazioni gli UAV per uso civile, hanno avuto un notevole incremento, sia nella progettazione di nuove soluzioni, sia nella costruzione di macchine più sofisticate. Questa crescita attualmente non è sempre supportata da una corretta impostazione fotogrammetrica e da una corretta verifica e validazione dei risultati metrici. L ottimizzazione della progettazione delle acquisizione porterebbe ad una maggior efficienza di particolare importanza in considerazione della ridotta autonomia della maggior parte dei velivoli UAV della classe micro attualmente tra i più utilizzati. Le maggiori capacità operative di rilievo potrebbero rendere gli UAV compatibili con rilievi attualmente eseguiti da aereo con ovvio impatto sui costi e, di conseguenza sulle possibilità di aggiornamento cartografico in intervalli sempre più ridotti. L estensiva sperimentazione e validazione in un area post sismica come quella dell Aquila ha evidenziato le notevoli possibilità di applicazioni in simili scenari. Si consideri la possibilità di utilizzare gli UAV in una prima fase di ricognizione per individuazioni di danni e/o vittime la cui importanza ci viene confermata dalla richiesta di collaborazione su questo specifico punto dall Agenzia Spaziale dei Paesi Bassi (NLR). Gli UAV, nel corso delle nostre sperimentazioni, sono risultati anche lo strumento ideale per valutare alcune caratteristiche di danno degli edifici interessati nella successiva fase di valutazione del danno strutturale; anche in questo caso l attualità ci viene confermata da una richiesta di collaborazione da parte della Geo- Information Science and Earth Observation Faculty (ITC) di Enschede per sviluppare tali argomenti. SEZIONE B Attività di collaborazione e supporto; formazione ed acquisizione di capacità evolute 1 Partecipazione alle attività di didattica presso la struttura di afferenza Correlatrice nelle tesi di Laurea: Magistrale sede di Roma: Ugo Milone Studio di un innovativo approccio di pre-trattamento dei dati GNSS - 18/01/ Relatore Prof. Valerio Baiocchi Magistrale sede di Latina: Antonio Ceglia - Progettazione di un database georiferito per la tutela ambientale a scala provinciale - 24/05/ Relatore Prof. Valerio Baiocchi Triennale sede di Latina: Roberta Ialongo - Uso di immagini satellitari ad alta risoluzione in uno scenario postsismico - 13/11/ Relatore Prof. Valerio Baiocchi

4 Maria Grazia Dei Giudici Calibrazione di camere per velivoli a guida remota - 28/05/ Relatore Prof. Valerio Baiocchi Piccaro Chiara - Estrazione e validazione di DSM da stereocoppie EROS-B- novembre Relatore Prof. Valerio Baiocchi Tutor per i corsi di Topografia e Geomatica presso il polo distaccato (Latina) dell'università "La Sapienza" nell'anno accademico , Prof. Valerio Baiocchi Tutor per i corsi di Topografia e Geomatica presso il polo distaccato (Latina) dell'università "La Sapienza" nell'anno accademico , Prof. Valerio Baiocchi Tutor per il corso di Laboratorio di progettazione e gestione della sicurezza dell'università "La Sapienza", corso di Laurea Magistrale in Ingegneria della sicurezza nell'anno accademico , Prof. Valerio Baiocchi 2 Attività di formazione Corsi speciali Marzo CASPUR- Corso di "calcolo scientifico e tecnico in linguaggio C" corso di lingua inglese tecnica presso la Facoltà di Ingengeria dell Università La Sapienza Gennaio nd Advanced course on Radar Polarimetry, presso la sede di Frascati dell ESA Convegni e Workshop Novembre Parma (Italia) - 15 Conferenza Nazionale ASITA Dicembre Roma (Italia) - I ecognition Day Marzo Roma (Italia) - ACS on Campus Survey Maggio Mykonos (Grecia) - 32 nd EARSeL Symposium Giugno Palermo (Italia) - Seminario SIFET: La Geomatica per il monitoraggio delle strutture e del territorio Giugno Cluj-Napoca (Romania) - International Symposium "Historical maps in Environmental Geosciences" Novembre 2012 Vicenza (Italia) - 16 Conferenza Nazionale ASITA Aprile 2013 Firenze (Italia) 2GG Geomatica Giugno 2013 Ho Chi Minh (Vietnam) ICCSA 2013 Settembre 2013 Rostock (Germania) UAV-g 2013 Settembre 2013 Edimburgo (Scozia) - ESA Living Planet Symposium 2013 Settembre Roma (Italia) SAFE Settembre Roma (Italia) 8 th International Workshop_Digital Approaches to Cartograpic Heritage Settembre Roma (Italia) PCI Day Settembre Roma (Italia) II ecognition Day 3 Collaborazione a studi, ricerche, programmi strutturati progetto CosmoCoast sull impiego delle immagini CosmoSkyMed ( principal Investigator Prof. Valerio Baiocchi) finanziato dall Agenzia Spaziale Italiana (ASI) attività del progetto nazionale di ricerca Prin- COFIN 2008 per la ricerca dal titolo Le immagini satellitari ad alta risoluzione a supporto delle emergenze: modelli di orientamento e procedure di classificazione ed estrazione di elementi antropici (Responsabile Scientifico

5 dell Unità di Ricerca prof. Valerio Baiocchi, coordinatore scientifico nazionale Piero Boccardo del Politecnico di Torino Partecipazione in collaborazione con il professor Luca Rizzetto e l'ing. Maria Vittoria Milone al CosmoSkyMed Project per la distribuzione di immagini radar da utilizzare nell'ambito della ricerca. Capitolo I - Il sistema UAV I.1 Definizioni I.2 Cenni storici I.3 Il sistema UAV I.4 Applicazioni e vantaggi degli UAV I.5 Classificazione degli UAV ALLEGATO I Schema di impostazione della Tesi finale di Dottorato Capitolo II - Il software UP23d per l ottimizzazione del piano di volo II.1 Introduzione II.2Il principio di funzionamento del Planning Algorithm II.2.1 Il path planning algorithm Capitolo III - Test del simulatore e risultati III.1 Introduzione III.2 Sperimentazioni eseguite III.2.1 Risultati ottenuti III.2.2 Validazione dei risultati ottenuti III.2.3 Analisi dei risultati ottenuti Conclusioni Bibliografia ALLEGATO II Pubblicazioni durante il dottorato [1] Baiocchi V., Giannone F., Milone M.V., Mormile M., Pietrantonio G. (2010), "Applicabilità dell'approccio 'Multiconstellation' in condizioni operative di rilievo GNSS" Atti della XIV Conferenza Nazionale Asita [2] D. Dominici, A. Gregori. M. Elaiopoulos, M.V. Milone, M. Mormile M.Alicandro. (2012) Innovative Methodologies For Structural Control Of Masonry Monumental Buildings Under Preservation Or Reconstruction Using Geomatic And Topographical Techniques in proceedings

6 First International Conference on Architecture and Urban Design, Tirana, Albania, April 19-21, 2012 [3] Baiocchi V., Giannone F., Milone M.V., Mormile M., Pietrantonio G. (2012)," Innovative Methodology for GNSS Data Processing in proceedings FIG Working Week 2012 Knowing to manage the territory, protect the environment, evaluate the cultural heritage Rome, Italy, 6-10 May 2012 [4] Baiocchi V., Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012) DSM extraction from PRISM stereopairs and triplet in proceedings Conference '32nd EARSeL Symposium and 36th General Assembly [5] Baiocchi V., Del Frate F., Dominici D., Latini D., Lelo K., Minchella A., Milone M.V., Mormile M., Palazzo F., Remondiere S. (2012 ) Observing coastlines with satellite data: a casestudy in Abruzzo (Italy) in proceedings Conference '32nd EARSeL Symposium and 36th General Assembly [6]* Baglioni R., Baiocchi V., Dominici D, Milone M.V., Mormile M. (2013): "Historic cartography of L Aquila city as a support to the study of earthquake damaged buildings" Geographia Technica; p. 1-9, ISSN: [7] *Baiocchi V., Lelo K., Milone M.V., Mormile M. (2013) : " Accuracy of different georeferencing strategies on historical maps of Rome", Geographia Technica; p , ISSN: [8]* Baiocchi V., Lelo K., Milone M.V., Mormile M., Tanga E. (2013): "Knowing the past for managing the present: a comparison between historical cartography and satellite images for the study of Rome s city centre", Geographia Technica; p , ISSN: [9] Baiocchi V., Milone M.V., MORMILE M. (2012). "ALOS PRISM Stereopair and triplet for extraction of digital elevation model". In: Sentinel-2 Preparatory Symposium ESA-ESRIN, Frascati, Italy [10] Baiocchi Valerio, Milone Maria Vittoria, MORMILE M. (2012). PRISM TRIPLET AND STEREOPAIRS TO BUILD DIGITAL SURFACE MODELS. In: -. Frascati (RM), April 2012, Noordwijk: ESA European Space Agency, vol. 1, p. ---, ISBN/ISSN: [11] Baiocchi V, Lelo K., Milone M.V., Mormile M. (2012): Comparaison de méthodes de géoréférencement de plants anciens, Géomatique Expert, vol. 88; p , ISSN: [12] Baiocchi V, Lelo K., Milone M.V., Mormile M., Tanga E. (2012): Connaître le passé puor gérer le présent: une comparaison entre la cartographie historique et les images satellites du centre de Rome, Géomatique Expert, vol. 88; p , ISSN: [13] Baiocchi V, Lelo K., Milone M.V., Mormile M. (2012): " Conoscere il passato per governare il presente:un confronto tra cartografia storica e moderna per lo studio del centro di Roma", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN:

7 [14] Baiocchi V, Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012): " Estrazione di DSM da stereocoppie e triplette PRISM", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN: [15] Baiocchi V, Milone M.V., Mormile M. (2012): " Accuratezza e precisione di modelli di georeferenziazione applicati alle cartografie storiche", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN: [16] Baiocchi V., Ceglia A., Liso L., Milone M.V., Mormile M., Camuccio P. (2012): " Progettazione di database georiferito a scala provinciale per la tutela ambientale", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN: [17] Baiocchi V, Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012): " Estrazione della linea di riva istantanea da immagini satellitari ad alta risoluzione ottiche e radar", in proceedings of the XVI National Conference Asita 6-9 novembre, Vicenza, ISBN/ISSN: [18] Baiocchi V., Brigante R., Dominici D., Milone M.V., Mormile M., Radicioni F. and Rosciano E. (2012): "Earthquake damage assessment using EROS B and Worldview II data: the example of L Aquila", in proceedings of MIMOS 2012, 9-11 Ottobre Roma [19] Baiocchi V., Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012): Extraction du trait instantané de côte à partir d images optiques satellites haute-résolution et radar, Géomatique Expert, vol. 89; p , ISSN: [20] Baiocchi V., Milone M.V., Mormile M., Palazzo F. (2012): Extraction de MNT à partir de paires ou triplets PRIMS, Géomatique Expert, vol. 89; p , ISSN: [21] Baiocchi V., Dominici D., Milone M.V., Mormile M. (2013): Experimentation of different techniques to extract DSM from EROS B imagery in a post seismic scenario in proceedings of 33rd EARSeL Symposium [22] Baiocchi V., Dominici D., Elaiopoulos M., Massimi V., Mormile M., Rosciano E. (2013): UAV flight plan software: first implementation of UP23d in proceedings of 33rd EARSeL Symposium [23] *Baiocchi V., Dominici D., Milone M.V., Mormile M. (2013): Development of a software to plan UAVs stereoscopic flight: an application on post earthquake scenario in L Aquila city", Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) 7974 LNCS (PART 4), pp [24]*Baiocchi V., Dominici D., Milone M.V., Mormile M. (2013): DSMs extraction methodologies from EROS-B pseudo-stereopairs, PRISM stereopairs in coastal and post-seismic areas, Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) 7974 LNCS (PART 4), pp [25]*Baiocchi V., Dominici D., Mormile M. (2013): UAV application in post seismic environment in proceeding of UAV-g [26] *Baiocchi V., Dominici D., Mormile M. (2013): Unmanned Aerial Vehicle for post seismic and other hazard scenarios in proceeding of SAFE 2013

8 [27] Baiocchi V., Dominici D., Milone M.V., Mormile M. (2013): Improvement of different techniques for DSM extraction from EROS B stereopair of a post seismic scenario in proceeding of ESA Living Planet Symposium 2013 [28] Baiocchi V., Lelo K., Milone M.V., Mormile M. (2013): Georeferencing historic cartographies: methods and accuracies evaluation in proceeding of 8th International Workshop_Digital Approaches to Cartograpic Heritage. *Articoli indicizzati su database ISI e Scopus