CRITICITA E SOLUZIONI PER IL RILEVAMENTO IN AMBITO AMBIENTALE CON PIATTAFORME UAV

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1 CRITICITA E SOLUZIONI PER IL RILEVAMENTO IN AMBITO AMBIENTALE CON PIATTAFORME UAV UAV / RPAS in Italia Piattaforme, regolamenti, applicazioni e problematiche Febbraio 2014 Irene AICARDI, Andrea LINGUA, Francesca NOARDO, Paolo MASCHIO Politecnico di Torino, DIATI irene.aicardi@polito.it, andrea.lingua@polito.it, francesca.noardo@polito.it, paolo.maschio@polito.it Modena, Febbraio 2014

2 SOMMARIO - La metodologia la pianificazione l acquisizione il processamento dati - La strumentazione consolidata il futuro - I casi studio peculiarità punti forti e criticità risultati - Conclusioni

3 Tempo: 2 Ore Pianificazione del rilievo LA METODOLOGIA PROPOSTA Acquisizioni con UAV Operazioni in laboratorio Operazioni sul campo Misurazione dei vertici GNSS Operazioni non necessarie sul campo Esempio di schema per l acquisizione e il processamento dati da UAV per un applicazione ambientale (3 voli copertura ha) Rilievo dei marker Triangolazione fotogrammetrica Tempo: 2 Ore Ricostruzione del modello 3D Generazione di DTM e ortofoto Generazione di ortofoto solide Fotogrammetria diretta con UAV: attuali limiti e possibili sviluppi futuri F.Chiabrando, M.Piras, A.Lingua

4 LA STRUMENTAZIONE Per consentire un rilievo fotogrammetrico diretto anche in aree in cui non è possibile applicare un volo tradizionale, il sistema proposto consiste in un mini-uav Hexakopter (di Mikrokopter) a basso costo equipaggiato con: - una fotocamera digitale: Sony-NEX 5 - sensori per navigazione autonoma: real time GNSS/IMU - antenne per la telemetria Telemetria: l UAV è stato connesso a un computer remoto in real time attraverso una comunicazione wireless (Xbee frequenza: 2,4GHz) attraverso un antenna e comunica con il software inviando informazioni circa la posizione, l orientamento, l altezza e la velocità. Caratteristiche delle antenne: D-Link DWL-R60AT: patch antenna Tipologia: Micro-strip Patch Range di frequenza: GHz Guadagno: 6 dbi Sirio SLP-1.7: : log-periodica Tipologia : direzionale Range di frequenza : GHz Guadagno : 11 dbi

5 LA PIANIFICAZIONE I voli vengono pianificati usando un immagine satellitare georeferenziata per stabilire: convergenza del meridiano e declinazione magnetica - altezza media di volo: m velocità di volo - direzione - numero di strisciate Obiettivo: sovrapposizioni longitudinali: 75-90% sovrapposizioni trasversali: 60-80% strisciate trasversali di bordo Pianificazione dei parametri di volo dell UAV con Mikrokopter Tools: - posizione 2D dei waypoints in coordinate geografiche - altezza relativa rispetto a quella di partenza - velocità di ogni percorso e direzione di volo - area di ricerca dei waypoint

6 I CASI STUDIO: LA CAVA DI RORA Finalità: rilievo di aree non facilmente accessibili e in condizioni di non sicurezza utilizzando fotogrammetria da drone Peculiarità: sito con impossibilità di raggiungere alcune aree e collocare punti d appoggio sulla parete rocciosa Rilievo: 5 luglio 2013 Operatori: 4 Strumentazione: - antenna GNSS e ricevitore - stazione totale e prisma - UAV - fotocamera Sony Nex - PC per il controllo in remoto Tesi di Antonello Croce sviluppata in collaborazione con Marilena Cardu DIATI Politecnico di Torino

7 I CASI STUDIO: LA CAVA DI RORA Sono stati realizzati diversi voli: - 2 con l asse della camera orientato lungo la direzione nadirale - 1 orientato con camera orizzontale, per acquisire foto della parete rocciosa 1900 immagini sono state acquisite in circa 25 minuti di volo (sovrapposizione: 95%) Immagini selezionate: 33 - rosa: asse orizzontale - blu: acquisizioni nadirali Sovrapposizione: circa 60% Software utilizzati: PhotoScan di Agisoft LPS di ERDAS

8 L APPOGGIO TOPOGRAFICO Determinazione delle coordinate 3D di una serie di punti lungo la cava: - 2 vertici misurati con strumentazione GNSS in modalità statica per georeferenziare il modello - misurazione di 27 marker a terra con stazione totale (TS06 Leica Geosystems) sui 2 vertici NO MARKER SULLA PARETE VERTICALE Elaborazione: - software GEOSW - local reference system Rilievo topografico ed elaborazione Rilievo Elaborazione Tempo impiegato 1 h 1 h Operatori 2 1 PC per l elaborazione Sistema operativo Processore/RAM Lenovo S430 Windows8 Pro, 64 bit intelcore i7/ddr3 8 GB

9 POST PROCESSING Bundle Block Adjustment Modello 3D Tempo impiegato 2 h Operatori 1 PC per l elaborazione Lenovo S430 Sistema operativo Windows8 Pro, 64 bit Processore intelcore i7 RAM DDR3 8 GB L orientamento esterno è stato svolto collimando: - gli stessi punti (GCPs ) su ogni immagine e associandoli alle loro coordinate - Tie Points (TPs ), usando riferimenti naturali, quando I marker non erano sufficienti - Check Points (CPs ), usati per controllare la qualità dei risultati Residual errors < admissible errors (5 cm)

10 POST PROCESSING Creazione ortofoto solida Creazione dell Ortofoto Solida: immagine generata dalla fusione tra il DTM, che contiene le informazioni relative alla quota, e un ortofoto, che descrive la rappresentazione 2D Software STOPviewer: le informazioni 3D possono essere lette in un imagine 2D Un tool sviluppato dagli autori in linguaggio Visual Fortran, STOPGENerator, consente di generare queste informazioni: è possibile creare un singolo DTM dell intera area e, successivamente, associate ad esso, produrre le ortofoto strumento interdisciplinare

11 I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD Finalità: Rilievo del letto del fiume, soggetto a rischi; confronto tra tecnica LiDAR e fotogrammetrica per la generazione del modello e l eventuale estrazione di informazioni relative al fondo del fiume Peculiarità: analisi del differente comportamento, e relativo contenuto informativo, da sensori laser e fotogrammetrici in presenza di acqua Stage 5x1000 per la documentazione metrica dei principali rischi ambientali del Centro di informazione ambientale per il recupero e la valorizzazione dei corsi d acqua alpini e dei loro ecosistemi (in particolare la lontra). Il centro è soggetto ai seguenti rischi: - caduta massi rilasciati dalla parete rocciosa che lo sovrasta - esondazione del torrente Savara, nel tratto subito a monte e limitrofo al centro e al paese di Rovenaud - frana immediatamente a valle del centro Rilievi: ottobre 2013 Operatori: - Strumentazione: - topografica/gnss - laser scanner Faro - UAV - fotocamera Sony Nex

12 I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD Nuvola di punti da dati laser Nuvola di punti da dati fotogrammetrici

13 I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD cm Nuvola di punti da laser scanner: - la definizione della nuvola è funzione della distanza dal punto di presa aumentando la distanza diminuisce la densità della nuvola - mancanza di informazioni in aree con presenza di acqua dati laser dati fotogrammetrici cm

14 I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD cm cm

15 I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD Generazione delle sezioni nel tratto di fiume in prossimità della cascata: laser (Scene) fotogrammetria (PhotoScan) fotogrammetria (MicMac) Soluzione migliore: MicMac Sviluppi futuri: quantificazione delle deformazioni dovute all acqua ancora presenti nella sezione modellata.

16 I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD Generazione delle sezioni nel tratto di fiume in prossimità della cascata: laser (Scene) fotogrammetria (PhotoScan) fotogrammetria (MicMac) Soluzione migliore: MicMac

17 I CASI STUDIO: ANTENNE DI MEDICINA Finalità: valutazione della possibilità di aumentare le precisioni partindo da riprese fotogrammetriche da UAV Peculiarità: pianificazione del rilievo in funzione delle precisioni attese Test site: Medicina (BO) Caratterizzazione di antenne per radioastronomia attraverso l utilizzo di droni. Collaborazione con IRA-INAF e CNR-IEIIT per il progetto SKA (Square Kilometer Array) Altezza di volo: 20 m Rilievo: 16 ottobre 2013 Operatori: 2 Strumentazione: - stazione totale e prisma - UAV - fotocamera Sony Nex - PC per il controllo in remoto

18 I CASI STUDIO: ANTENNE DI MEDICINA Parametri iniziali: - dimensione del pixel: 5,10 µm - lunghezza focale: 15,9757 mm - punto principale: x0 = - 0,0113, y0 = 0,0210 mm LPS di ERDAS Parametri inseriti: - coordinate 3D di 37 GCP - UTM ETRF2000 WGS84 fuso 32N - parametri di orientamento esterno sconosciuti Posizionamento di marker, appositamente creati, sul centro di ogni antenna Migliore individuazione del centro stesso in fase di elaborazione maggior precisione di collimazione

19 I CASI STUDIO: ANTENNE DI MEDICINA Residui sui Check Points Point ID re [m] rn [m] rh [m] Modello 3D Rilievo Elaborazione Tempo impiegato 1 h 30 min Operatori 2 1 PC per l elaborazione Lenovo S430 Sistema operativo Windows8 Pro, 64 bit Processore/RAM intelcore i7/ddr3 8 GB Possibilità di utilizzare marker codificati?

20 I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE Finalità: test con camera multispettrale al fine di definire la tipologia di modello ottenibile e caratterizzare la fotocamera stessa Peculiarità: utilizzo di dati diversi dal campo del visibile Rilievo: 16 luglio 2013 Operatori: 3 Strumentazione: - antenna GNSS e ricevitore - UAV - fotocamera TetraCam ADC Lite - PC per il controllo in remoto Un ringraziamento a Enrico Borgogno, Livio Pinto e Daniele Passoni per le analisi relative alla camera multispettrale

21 I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE c [mm] ξ0 [mm] Ƞ0 [mm] TetraCam ADC Lite fotocamera digitale nel visibile e nell infrarosso Autocalibrazione: (LPS di ERDAS) - poligono Laboratorio di Geomatica - 26 marker 8x8 cm - riprese fotografiche da camera Parametri iniziali: - dimensione del sensore: 6,59 x 4,90 mm - dimensione del pixel: 3,18 µm Risultati dell autocalibrazione Red Green Nir 8,1608 8,1610 8,5027-0,0042-0,0626 0,2225-0,0237-0,1456-0,1652 k1-2,29e-03-3,18e-03-1,85e-03 k2 8,93E-05 1,10E-04 1,33E-04 c [mm] corretta 8,089 8,057 8,458 10,00 20,00 5,00 5,00 10,00 0,00 0,00-5,00 0,00-10,00-5,00-20,00-15,00-20,00-10,00-30,00-25,00-40,00-30,00-15,00-50,00-35,00-60,00-40,00-20,00 0 0,5 0,5 1 1,5 1,5 2 2,5 2, ,5 1 1,5 2 2,5 3 y = -8,8498x -12,699x R² R² = 0,7813 0,7736 y = -5,2933x R² = 0,8516 C.distorsione C.distorsione C.distorsione corretta C.distorsione corretta Lineare (C.distorsione) Lineare (C.distorsione)

22 I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE Problemi: - trascinamento del pixel tra le bande - modelli molto rumorosi Software: - PhotoScan - MicMac

23 I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE Problemi: - trascinamento del pixel tra le bande - modelli molto rumorosi Software: - PhotoScan - MicMac

24 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Finalità: applicazione di tre software diversi sullo stesso test site: studio delle procedure applicative, tempi e risultati ottenibili Tesi di laurea magistrale Ingegneria Edile: Daniele Moia Software utilizzati: - MicMac - Pix4UAV - Correlator3D Rilievo: 16 luglio 2013 Operatori: 3 Strumentazione: - antenna GNSS e ricevitore - stazione totale e prisma - UAV - fotocamera TetraCam ADC Lite - PC per il controllo in remoto Tesi sviluppata in collaborazione con Filiberto Chiabrando DAD/DIATI Politecnico di Torino

25 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall IGN. Ad oggi il software è principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows. Tipologie di orientamento: - relativo - con Ground Control Points - con coordinate GPS dei centri di presa

26 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall IGN. Ad oggi il software è principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows. Tipologie di orientamento: - relativo - con Ground Control Points - con coordinate GPS dei centri di presa

27 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall IGN. Ad oggi il software è principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows. Tipologie di orientamento: - relativo - con Ground Control Points - con coordinate GPS dei centri di presa

28 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall IGN. Ad oggi il software è principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows. Tipologie di orientamento: - relativo - con Ground Control Points - con coordinate GPS dei centri di presa

29 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall IGN. Ad oggi il software è principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows. Tipologie di orientamento: - relativo - con Ground Control Points - con coordinate GPS dei centri di presa

30 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Pix4UAV : software sviluppato da Pix4d per l elaborazione di immagini aeree, che consente di combinare un grande numero di immagini, acquisite da piattaforme volanti leggere in mappe 2D e modelli 3D accurati. Pix4UAV permette di automatizzare quasi totalmente il processo fotogrammetrico. Unico requisito richiesto: localizzazione GPS approssimata delle immagini

31 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Pix4UAV : software sviluppato da Pix4d per l elaborazione di immagini aeree, che consente di combinare un grande numero di immagini, acquisite da piattaforme volanti leggere in mappe 2D e modelli 3D accurati. Pix4UAV permette di automatizzare quasi totalmente il processo fotogrammetrico. Unico requisito richiesto: localizzazione GPS approssimata delle immagini

32 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Pix4UAV : software sviluppato da Pix4d per l elaborazione di immagini aeree, che consente di combinare un grande numero di immagini, acquisite da piattaforme volanti leggere in mappe 2D e modelli 3D accurati. Pix4UAV permette di automatizzare quasi totalmente il processo fotogrammetrico. Unico requisito richiesto: localizzazione GPS approssimata delle immagini

33 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Pix4UAV : software sviluppato da Pix4d per l elaborazione di immagini aeree, che consente di combinare un grande numero di immagini, acquisite da piattaforme volanti leggere in mappe 2D e modelli 3D accurati. Pix4UAV permette di automatizzare quasi totalmente il processo fotogrammetrico. Unico requisito richiesto: localizzazione GPS approssimata delle immagini

34 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Correlator3D : software sviluppato da SimActive. Anche quest applicazione richiede la conoscenza dei centri di presa delle immagini. Altro requisito richiesto: modello digitale del terreno. Procedura iterativa nello svolgimento del Bundle Adjustment : - Camera Calibration - Boresight Calibration - Full External Orientation Boresight Calibration Errore: 100 pixel Full External Orientation Errore: 50 pixel Full External Orientation Errore: <1 pixel

35 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Correlator3D : software sviluppato da SimActive. Anche quest applicazione richiede la conoscenza dei centri di presa delle immagini. Altro requisito richiesto: modello digitale del terreno. Procedura iterativa nello svolgimento del Bundle Adjustment : - Camera Calibration - Boresight Calibration - Full External Orientation Boresight Calibration Errore: 100 pixel Full External Orientation Errore: 50 pixel Full External Orientation Errore: <1 pixel

36 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Correlator3D : software sviluppato da SimActive. Anche quest applicazione richiede la conoscenza dei centri di presa delle immagini. Altro requisito richiesto: modello digitale del terreno. Procedura iterativa nello svolgimento del Bundle Adjustment : - Camera Calibration - Boresight Calibration - Full External Orientation Boresight Calibration Errore: 100 pixel Full External Orientation Errore: 50 pixel Full External Orientation Errore: <1 pixel

37 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Correlator3D : software sviluppato da SimActive. Anche quest applicazione richiede la conoscenza dei centri di presa delle immagini. Altro requisito richiesto: modello digitale del terreno. Procedura iterativa nello svolgimento del Bundle Adjustment : - Camera Calibration - Boresight Calibration - Full External Orientation Boresight Calibration Errore: 100 pixel Full External Orientation Errore: 50 pixel Full External Orientation Errore: <1 pixel

38 I CASI STUDIO: LERI CAVOUR Pix4UAV : risultati migliori Poche operazioni: - inserimento centri di presa - specificazione sistema di riferimento - collimazione GCP No necessità certificato di calibrazione Possibilità di lavorare in Cloud Software a pagamento MicMac : risultati da affinare Possibilità di selezione del metodo di triangolazione. Inserimento manuale dei parametri di orientamento interno ove non presenti. Software open source

39 CONCLUSIONI Vantaggi: - sistemi a basso costo e facilmente trasportabili - sicurezza in aree difficilmente accessibili e instabili - acquisizioni rapide sul campo e con tempi di elaborazione relativamente brevi - possibilità di ottenere facilmente prodotti 2D e 3D misurabili - opportunità di generare prodotti utili come basi per nuove analisi - adattabilità della tecnica al singolo caso studio - possibilità di indagine del sito con diversi sensori, complementari e confrontabili. Svantaggi: - necessità di operatori esperti - problema di payload: talvolta è necessario svolgere più voli per coprire l intera area NON SEMPRE LA SOLUZIONE MIGLIORE RISIEDE NELL APPLICAZIONE DI UN UNICA TECNICA SPESSO E DA CONSIDERARE L INTEGRAZIONE DI APPROCCI/SOLUZIONI DIVERSE Sviluppi futuri: - sviluppo hardware/software - integrazione multisensoristica: informazioni oltre il visibile (termiche, Nir..) - implementazione di algoritmi di pre-selezione/elaborazione dei dati - verifica delle modalità applicative, operative e le criticità dei vettori basati su ala fissa - continuazione dei test sui software

40 RINGRAZIAMENTI PRIN , Research programs Tecniche geomatiche innovative ed emergenti di rilievo, telerilevamento e WEBGIS per la mappatura del rischio in tempo reale e la prevenzione del danno ambientale Un ringraziamento particolare a Enrico Borgogno, Livio Pinto e Daniele Passoni per le analisi relative alla camera multispettrale Antonello Croce e Marilena Cardu per la collaborazione sulla cava di Rorà IRA-INAF e CNR-IEIIT per la collaborazione relativa al progetto SKA Un ringraziamento speciale ad Antonia Spanò, Filiberto Chiabrando, Piero Boccardo e tutto il gruppo di studenti 5X1000 per le analisi realizzate a Rovenaud