Vittorio Casella. Laboratorio di Geomatica - DICAR Università di Pavia

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1 Vittorio Casella Laboratorio di Geomatica - DICAR Università di Pavia Come si pianifica un rilievo fotogrammetrico da drone Dronitaly, settembre 2015 ATA Hotel EXPO Fiera Milano Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 1 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

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 La calibrazione della camera Conclusioni Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 2 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

3 1 - Che cos'è la Fotogrammetria Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 3 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

4 Come si schematizza una camera fotogrammetrica Ai fini geometrici, la camera (macchina fotografica) può essere schematizzata con un triangolo avente 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 2015 Pag. 4 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

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 punti-immagine (sull'immagine) Valgono le leggi dell'ottica geometrica, cioè vi è collinearità fra il punto-oggetto A, il centro dell'obiettivo O e il punto-immagine A' B F A º E C º D Piano focale c O E F D C A B [presa_fotogrammetrica_1.cdr] DZ Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 5 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

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 2015 Pag. 6 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

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 2015 Pag. 7 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

8 Il volo fotogrammetrico: blocco e strisciate - 1 Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 8 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

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 2015 Pag. 9 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

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 2015 Pag. 10 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

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 2015 Pag. 11 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

12 Ortofoto 2 Le fotografie non sono metriche il rapporto di scala dipende dalla posizione gli angoli sono deformati Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 12 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

13 2 - Ridondanza e qualità delle misure Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 13 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

14 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 2015 Pag. 14 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

15 I tre livelli 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 2015 Pag. 15 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

16 3 - Il problema principale della Fotogrammetria: orientare il blocco Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 16 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

17 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 2015 Pag. 17 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

18 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 2015 Pag. 18 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

19 Misura diretta del OE Aibotix MAVinci Sirius Pro Ricevitore GNSS di alta qualità che consente di determinare le coordinate dei centri di presa con incertezza di pochi cm: si può fare TA con pochi o nessun GCP Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 19 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

20 4 - I parametri che governano la qualità di un blocco Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 20 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

21 Lunghezza focale Sony Alpha-6000 c o c Dimensione sensore: 6000 x 4000 pixel Dimensione pixel: 3.9 micron Dimensione sensore: 23,5 x 15,6 mm Lunghezza focale: 16 mm Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 21 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

22 Altezza relativa volo DZ 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 4375 Impronta a terra del fotogramma: 103 x 69 m F D L/2 [rapporto_scala_fotogramma.cdr, wmf] E Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 22 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

23 Ricoprimento e base di presa RL 80% B m 14m c c B O 1 O 2 Rapporto base altezza B DZ 0.2 B=(1-R )*L L L R *L L B=(1-R )*L L Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 23 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

24 Risoluzione sull'immagine e sul terreno Si intende la dimensione del pixel Dimensione del pixel sul sensore d 23.5mm / 6000 =3.9 micron Dimensione del pixel a terra D nd 17 mm d l c Dz Pixel da pensare come tessere di un mosaico L D Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 24 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

25 5 - La precisione delle misure fotogrammetriche Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 25 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

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 3.9 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 17.1 mm X Y D Errore nella componente altimetrica 121 mm Z Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 26 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

27 Teoria degli errori nel caso normale mm X Y D 121 mm Z 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 2015 Pag. 27 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

28 Voli altamente ricoperti, con elevata ridondanza 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 2015 Pag. 28 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

29 Esempio di molteplicità Volo particolare, ricoprimento elevatissimo, molteplicità elevata Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 29 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

30 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 2015 Pag. 30 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

31 6 - La distorsione della camera e la calibrazione Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 31 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

32 Proiezione centrale ideale e reale c o c Distorsione della camera; nella camere amatoriali può essere molto forte Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 32 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

33 Distorsione della camera Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 33 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

34 Calibrazione della camera Calibrazione: determinazione di un modello matematico della distorsione, in modo da neutralizzarla Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 34 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

35 Calibrazione come? Con i droni si usano anche camere molto economiche, che non hanno elevata qualità ottico/meccanica Si fotografano prima o dopo il volo dei pannelli secondo precise strategie La geometria della camera resta la stessa fra il colo e la calibrazione? Si usano le capacità di auto-calibrazione dei programmi: si stima la calibrazione della camera insieme con la TA La qualità dipende fortemente dalla struttura del blocco, disposizione dei GCP, ecc La calibrazione delle camera è delicata e può essere fonte di problemi Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 35 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

36 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 2015 Pag. 36 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

37 Comunicazione Seminario I Droni per il Monitoraggio del Territorio e dell Ambiente Università di Pavia, 9 ottobre Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 37 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

38 Grazie per la cortese attenzione! Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 38 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

39 Vittorio Casella DronItaly 2015 Pag. 39 of 39 slide_dronitaly_2015_casella_v3.docx 25/09/2015 -

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