Come si orienta un blocco fotogrammetrico

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1 Come si orienta un blocco fotogrammetrico Marica Franzini DICAR Università degli Studi di Pavia Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 1 a 45

2 La misura fotogrammetrica La misura fotogrammetrica si basa sul principio di collinearità il quale afferma che punto immagine, centro di presa e punto oggetto sono tra loro allineati Requisito fondamentale per effettuare la misura fotogrammetrica è la conoscenza della posizione e dell assetto della camera al momento dello scatto di ogni immagine Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 2 a 45

3 Parametri di orientamento esterno - 1 I parametri di orientamento esterno sono le informazioni che esprimono la posizione e l assetto (l orientamento) della camera al momento dello scatto I parametri sono sei: 3 parametri di posizione: x, y, z 3 angoli di orientamento: ω, φ, κ La posizione è espressa in metri mentre gli assetti hanno unità angolari, tipicamente gradi sessadecimali (degree) o centesimali (grad o gon) Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 3 a 45

4 Esempio di parametri Nelle colonne: ID dell immagine, 3 parametri di posizione (Est, Nord, h), 3 parametri di orientamento (omega, phi, kappa) Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 4 a 45

5 Parametri di orientamento esterno 2 Chi fornisce i parametri di orientamento esterno? Esistono due possibili strategie: tramite una procedura, definita triangolazione aerea, che si basa sulla conoscenza di un certo numero di punti aventi coordinate oggetto note tramite l utilizzo di alcuni sensori, montati a bordo del vettore, capaci di registrare direttamente i parametri durante la fase di volo Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 5 a 45

6 1 - Fotogrammetria diretta Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 6 a 45

7 Fotogrammetria diretta - 1 I sistemi GNSS e i sensori inerziali (IMU) permettono di determinare direttamente i 6 parametri di orientamento esterno: i sistemi GNSS registrano la posizione della camera i sensori IMU memorizza gli angoli di assetto In questo modo, in linea teorica, non è necessario disporre di alcuna informazione a terra ed è possibile effettuare direttamente la misura fotogrammetrica: si parla di fotogrammetria diretta Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 7 a 45

8 Fotogrammetria diretta 2 La fotogrammetria diretta funziona: se la soluzione GNSS/IMU è sufficientemente accurata se i parametri di calibrazione interna della camera sono sufficientemente stabili I sensori GNSS/IMU e le camere adottate in fotogrammetria aerea da diversi anni assicurano in linea teorica entrambe le condizioni Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 8 a 45

9 Fotogrammetria diretta 3 Per quanto riguarda l impiego di sistemi GNSS/IMU su droni, il mercato è in evoluzione e alcune soluzioni sono state presentate sul mercato Esistono tuttavia delle criticità: la stabilità ottica/meccanica delle camere (nel caso di camere compatte) richiede una calibrazione dei parametri interni per ogni volo la qualità con cui vengono determinati i parametri esterni non è ancora sufficiente per gli scopi fotogrammetrici (GNSS e sistemi inerziali mass market ) costi Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 9 a 45

10 2 - Orientamento tramite punti di appoggio Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 10 a 45

11 Triangolazione aerea 1 Quando non è possibile determinare direttamente tutti e sei i parametri di orientamento esterno si ricorre a un procedimento chiamato triangolazione aerea (TA). L uso delle coordinate memorizzate dal GNSS a bordo del drone è sufficiente per bypassare la TA? NO Anche se le posizioni fossero determinate con sufficiente accuratezza (utilizzo di GNSS a doppia frequenza con soluzioni NTRK), e la camera avesse dei parametri di calibrazione stabili, non si avrebbero informazioni relative all orientamento delle immagini Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 11 a 45

12 Triangolazione aerea 2 La TA è il metodo tradizionale per determinare l orientamento esterno di un blocco di fotogrammi. Si base sulla compensazione di alcune osservazioni: le coordinate immagine sui fotogrammi le coordinate oggetto a terra (la posizione dei centri di presa se si dispone di un sistema GNSS) Basandosi sul principio della collinearità si costruisce un sistema di equazioni che mette in relazione queste osservazioni per determinare i parametri di orientamento esterno Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 12 a 45

13 Tipologia di punti Esistono due categorie di punti: punti di legame (TP Tie Point): punti di cui si conoscono solo le coordinate immagine punti di appoggio (GCP Ground Control Point): punti di cui si conoscono sia le coordinate immagine sia le coordinate oggetto Attenzione: tutti punti, TP e GCP, devono essere visibili su più immagini! Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 13 a 45

14 Triangolazione aerea 3 Chi fornisce le informazioni: coordinate immagine dei TP: vengono misurate in modo automatico (prima manuale/semiautomatico) coordinate immagine dei GCP: vengono misurate manualmente dall operatore andando a riconoscerli sui singoli fotogrammi coordinate oggetto dei GCP: vengono misurate per via topografica Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 14 a 45

15 3 - Punti di appoggio Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 15 a 45

16 Punti di appoggio (GCP) - 1 Caratteristiche: punti che devono essere ben visibili e identificabili su più immagini punti di coordinate oggetto note I GCP possono essere di due tipologie diverse: punti naturali: dettagli del terreno o di manufatti già esistenti punti artificiali: bersagli artificiali pre-segnalizzati in modo temporaneo o permanente Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 16 a 45

17 Esempi di punti di appoggio Alcuni esempi di punti di appoggio fotogrammetrici. Punto artificiale permanente per volo fotogrammetrico aereo Punto naturale per volo fotogrammetrico aereo Punto artificiale amovibile per volo fotogrammetrico da drone Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 17 a 45

18 Coordinate dei GCP - 1 Le coordinate dei GCP vengono abitualmente determinare per via topografica. E possibile estrarre questo tipo di informazione anche da prodotti cartografici esistenti (cartografie tecniche o ortofoto). In questo caso occorre prestare particolare attenzione alla qualità delle misure effettuate. La qualità delle coordinate oggetto dei GCP è importante e influisce fortemente il risultato finale dell orientamento. Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 18 a 45

19 Coordinate dei GCP - 2 Un rilievo topografico con Stazione Totale può portare ad accuratezze di 1 cm Un rilievo GNSS in modalità NRTK porta ad un accuratezza dell ordine di 2 5 cm Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 19 a 45

20 4 - Esempio sperimentale Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 20 a 45

21 Area della sperimentazione L area oggetto della sperimentazione è una cava di sabbia localizzata in prossimità di Pavia. Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 21 a 45

22 Descrizione del blocco Descrizione del blocco: n. immagini: 337 immagini quota media di volo: 77 m GSD medio: 1.9 cm Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 22 a 45

23 Il drone E stato utilizzato un esacottero equipaggiato con una camera Sony alpha ILCE-6000 (24 MP) dotata di obbiettivo a 16mm. Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 23 a 45

24 Punti di appoggio e loro distribuzione Nell area sono stati posizionati 18 punti di appoggio costituiti da pannelli infissi nel terreno. Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 24 a 45

25 Rilievo topografico dei punti di appoggio I punti sono stati rilevati con metodo topografico tradizionale. La precisione del rilievo derivante dalla compensazione topografica è di 1 cm. Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 25 a 45

26 Esempi dell influenza dei GCP sull orientamento del blocco Con i dati a disposizione sono stati effettuati diverse ipotesi per meglio comprendere quale è l influenza: della numerosità dei GCP della collocazione dei GCP Prima di osservare i risultati occorre capire come è possibile valutare la qualità dell orientamento calcolato. Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 26 a 45

27 GCP e CKP - 1 Qualsiasi software fotogrammetrico, al termine della procedura di triangolazione aerea, mostra una statistica di qualità sui GCP introdotti. Il software effettua una differenza tra le coordinate oggetto introdotte (ricavate dalla topografia) e quelle ricavate dalla misura fotogrammetrica. Tanto più piccolo è lo scarto ottenuto, tanto migliore è l orientamento esterno calcolato. Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 27 a 45

28 GCP e CKP 2 Problema: la TA è una procedura ai Minimi Quadrati e, per sua natura, tende a minimizzare gli scarti Avere degli scarti sui GCP piccoli ci informa del fatto che l algoritmo ha funzionato correttamente e i dati introdotti non presentano fenomeni anomali. Ma è anche corretto affermare che la TA ha determinato dei parametri di orientamento esterno che si adattano il meglio possibile alle informazioni introdotte. Per effettuare una validazione rigorosa occorre introdurre dei punti di coordinate oggetto note che non entrino però nel calcolo della TA: CKP (Check Point). Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 28 a 45

29 GCP e CKP 3 GCP: punti aventi coordinate oggetto note e che contribuiscono a determinare i parametri di orientamento esterno all interno della TA CKP: punti aventi coordinate oggetto note che non contribuiscono alla TA e che possono essere utilizzati per validare l orientamento Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 29 a 45

30 4.1 - Caso ideale Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 30 a 45

31 Caso ideale - 1 GCP distribuiti in modo uniforme sull intera area numero adeguato di GCP (7) Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 31 a 45

32 Caso ideale 2 Residui sui GCP E [m] N [m] h[m] Media Dev. Std EQM Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 32 a 45

33 Significato dei numeri E [m] N [m] h [m] Media Dev. Std EQM La media è una figura statistica che evidenzia la presenza di fenomeni sistematici La deviazione standard mostra invece la dispersione dei dati L errore quadratico medio (EQM) è un indice sintetico che riassume entrambi i fenomeni Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 33 a 45

34 Caso ideale 3 Residui sui CKP E [m] N [m] h[m] Media Dev. Std EQM Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 34 a 45

35 Caso ideale 4 E [m] N [m] h[m] Media Dev. Std EQM Come giudico la qualità dei risultati? Abitualmente si confronta la qualità dei risultati ottenuti dalla TA con il GSD. Il risultato atteso è dell ordine di 1-3 GSD in planimetria e 2 l errore planimetrico per la quota Nel nostro caso il GSD è circa 2 cm ed il risultato è ottimo: un frazione di GSD in planimetria e 1 GSD in altimetria Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 35 a 45

36 4.2 - Numero minimo di GCP Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 36 a 45

37 Numero minimo di GCP - 1 GCP distribuiti in modo uniforme sull intera area numero minimo di GCP (3) Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 37 a 45

38 Numero minimo di GCP 2 Residui sui GCP E [m] N [m] h[m] Media Dev. Std EQM Residui sui CKP E [m] N [m] h[m] Media Dev. Std EQM Un appoggio più debole porta ad un peggioramento della qualità finale (soprattutto in quota) Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 38 a 45

39 4.3 - GCP mal distribuiti Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 39 a 45

40 GCP mal distribuiti - 1 GCP distribuiti in modo NON uniforme sull intera area numero adeguato di GCP (6) Tipicamente questo problema può avvenire quando ci sono problemi di accessibilità Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 40 a 45

41 GCP mal distribuiti 2 Residui sui GCP E [m] N [m] h[m] Media Dev. Std EQM Residui sui CKP E [m] N [m] h[m] Media Dev. Std EQM Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 41 a 45

42 GCP mal distribuiti 3 Valori mediamente più alti sui punti più lontani. Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 42 a 45

43 GCP mal distribuiti 3 Collocazione dei punti con scarti in quota maggiori Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 43 a 45

44 Conclusioni L orientamento dei fotogrammi di un blocco avviene tramite una procedura chiamata triangolazione aerea. La misura accurate di un buon numero di GCP e CKP permette di determinare parametri di orientamento esterno di buona/ottima qualità. Il numero e la distribuzione dei punti di appoggio influenza la qualità dei parametri di orientamento calcolati dalla TA. Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 44 a 45

45 Grazie per l'attenzione! Marica Franzini - Università degli Studi di Pavia Marica Franzini DRONITALY settembre 2015 Milano - Pag. 45 a 45