L utilizzo di mezzi UAS (Unmanned Aircraft System) nella Geomatica

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1 L utilizzo di mezzi UAS (Unmanned Aircraft System) nella Geomatica Marco Dubbini

2 Principali Sensori per la Geomatica Fotogrammetrici LIDAR Termici Multispettrali Iperspettrali Camera Reflex; Camera Mirrorless Range < 100m Camere termiche (Fiyr; Optris; ecc) Sensori da 3 a n bande nm con Spectral Step < 1 nm 2

3 Tipologia di UAV di proprietà SAL Engineering Quadricottero Elettrico min MULTIROTORE Esacottero Elettrico min Ottocottero Elettrico min Elicottero Elett./ Endoter. / Turbina min Monoala Elettrico max 45 min ALA FISSA Aeroplano Elettrico max 60 min Aeroplano Endotermico 1 5 ore 3

4 Multirotore Quadricottero 4

5 Multirotore Esacottero ESAFLY A2500 Fase finale per l ottenimento del permesso di volo ENAC per sperimentazione e operazioni specializzate in zone non critiche e critiche 5

6 Multirotore Ottocottero 6

7 Multirotore Elicottero 7

8 Ala fissa Monoala 8

9 Ala fissa Monoala 9

10 Ala fissa Aereo 10

11 Ala fissa Aereo 11

12 Beni Culturali Complesso di Santo Stefano Bologna Marco Dubbini 1,2 ; Mario Gattelli 2 ; Riccardo Rivola 3 ; Isabella Toschi 3 ; Alessandro Capra 3 1 Univ. di Bologna sez. Geografia 2 SAL Engineering Modena 3 Univ. di Modena Ricostruzione tridimensionale di elementi architettonici in quota difficilmente raggiungibili Ricostruzione tridimensionale della sommità del campanile della Basilica di Santo Stefano in Bologna (Complesso delle Sette Chiese) 12

13 Metodologia (I) Acquisizione di un numero elevato di immagini da diverse angolature Tramite fotocamera reflex Canon 550D calibrata Trasportata in quota mediante Esacopter ESAFLY A

14 Metodologia (II) Applicazione di algoritmi Structure from Motion Software Open Source Mic Mac / Apero Creazione nuvola di punti Applicazione fattore di scala uniforme Applicazione texture 14

15 UAS ESAFLY A2500 SAL Engineering - Modena 15

16 Caratteristiche Tecniche (I) ESAFLY A2500 Dimensioni: diametro 100cm, altezza 30cm Peso: totale con batterie 3,3kg Max payload: 2,5Kg (gimbal stabilizzato, sincronizzatore, fotocamera reflex calibrata) Max peso al decollo 5,8kg Propulsione: 6 motori brushless 24 poli di ultima generazione 16

17 Caratteristiche Tecniche (II) ESAFLY A2500 Meccanica: completamente in carbonio con inserti in derlin Autonomia: da 12 a 20 minuti in funzione delle batterie usate e del peso al decollo Volo: manuale e/o completamente automatico attraverso waypoint con possibilità di decollo e atterraggio autonomo 17

18 Caratteristiche Tecniche (III) ESAFLY A2500 Gimbal movimentazione fotocamera professionale realizzato su 2 assi con ammortizzazione cardanica meccanica e magnetica con riferimento inerziale ad alta velocità Sistema di scatto automatico sincronizzato con gps e piattaforma inerziale professionale Sistema remoto integrato di controllo, supervisione e pianificazione voli con gestione telemetria e immagini in tempo reale 18

19 Complesso di Santo Stefano 19

20 Schema di acquisizione 20

21 3D Model Image Based (Aerial Photogrammetric) 21

22 3D Model Range Based (Terrestrial Leser Scanner) 22

23 Validazione (I) Sezioni orizzontali modello Image Based n sezioni 23

24 Validazione (II) Sezioni orizzontali modello Range Based n sezioni 24

25 Validazione (III) Sezioni a confronto 25

26 Dettagli Presentazione dell Ing. Isabella Toschi Venerdì ore 9.25 Integrazione di dati acquisiti da piattaforme UAV e terrestri per la modellazione 3D di beni culturali Isabella Toschi, Marco Dubbini, Mario Gattelli, Riccardo Rivola Alessandro Capra 26

27 Sito Archeologico di BURNUM (Croazia) 1,3 Marco Dubbini; 1,3 Lucia Irene Curzio; 2,3 Alessandro Campedelli 1 Univ. di Bologna sez. Geografia 2 Univ. di Bologna sez. Archeologia 3 SAL Engineering - Modena Produzione di un Modello Digitale di Superficie (DSM) dell area del castrum romano di Burnum Produzione di Ortofoto della stessa area Sperimentazione di nuove tecnologie nell ambito della fotogrammetria 27

28 Area Studio 28

29 Sito Archeologico di BURNUM Archi della Basilica forense Panorama sulla Krka 29 Anfiteatro

30 Acquisizione Immagini Disegno del piano di volo Software: Mission Planner Caratteristiche: 6 voli di circa 7 l uno a quota costante di 60m Ogni volo costituito da 6 strisciate da circa 160m Sidelap superiore al 60% per non incorrere in buchi tra le immagini a causa di traiettorie non rettilinee 30

31 Traiettorie realizzate 31

32 Processo fotogrammetrico Fotogrammetria classica Computer Vision e algoritmi Structure From Motion 32

33 Acquisizione PFA Acquisizione dati GNSS Processamento dati 33

34 Creazione Modello 3D Ricostruzione del modello tridimensionale Software: Photoscan 1. Individuazione punti omologhi e creazione della nuvola di punti sparsa 2. Ricostruzione della geometria dell oggetto 3. Adjustment del modello tramite PFA 4. Texturizzazione del modello geometrico 34

35 Prodotti finali (I) 35

36 Prodotti finali (II) 36

37 Analisi 37

38 DTM GNSS DSM UAV numero di punti Classificazione e Validazione Confronto DSM da UAV e DTM da misure GNSS Stop and Go a terra con passo 5m Media= m SQM=1.042 m Caratteristica Punti Totale 3207 dz<-0, ,8<dZ<0, dz>0, DTM GNSS - DSM UAV classificato differenze di quota (metri) Media = m SQM = m 38 MODENA Febbraio 2014

39 Validazione DEM da UAS F. Mancini 1 M. Dubbini 2,3 M. Gattelli 3 F. Stecchi 4 S. Fabbri 4 G. Gabbianelli 4 1 Politecnico di Bari 2 Univ. di Bologna sez. Geografia 3 SAL Engineering Modena 4 Univ. di Bologna - BiGeA Rilevamento simultaneo della duna con TLS, GPS e UAS: Confronto DEM-UAV con profili GPS; Confronto prestazioni di DEM-UAV e DEM-TLS; Qualità DEM-UAV con diverse soluzioni di orientamento e compensazione del modello aerofotogrammetrico 39 ESACOTTERO ESAFLY A2500 Camera EOS 5500 Reflex calibrata Produttore: SAL Engineering

40 Area di studio Geomatica DICAM Università di Palermo

41 Misure GNSS di riferimento 41

42 DEM (0.20m) LST Risultati Note sul rilevo: Durata: 3 ore circa # fotogrammi: 18 # target: 6 42

43 Sistema UAS 43

44 DEM UAS IL VOLO Note sul volo: Durata: 10 min. circa Vel. media: 4 m/s circa Vel. decollo/att. : 1.2 m/s # fotogrammi utilizzati: 880 Tempo di scatto: 1 sec. Quota volo: 40 m 44

45 DEM (0.04m) UAS Risultati 45

46 DEM (0.04m) UAS Dettagli 46

47 DEM (0.04m) UAS Dettagli 47

48 UAV LST Point Clouds Difference 48

49 Confronti UAV-GNSS e TLS-GNSS 49

50 Considerazioni e Dettagli Poster esposto presentato da dott. Francesco Mancini Articolo pubblicato su Remote Sensing 2013, 5(12), ; ISSN: doi: /rs Mancini F., Dubbini M., Gattelli M., Stecchi F., Fabbri S., Gabbianelli G. Using Unmanned Aerial Vehicles (UAV) for high resolution reconstruction of topography: the Structure from Motion approach an coastal environments 50

51 Dissesto Idrogeologico Frana di Capriglio (PR) Marco Dubbini; Mario Gattelli; Giacomo Uguccioni Univ. di Bologna sez. Geografia & SAL Engineering - Modena 51

52 Dissesto Idrogeologico (II) Frana di Capriglio (PR) Caratteristiche di volo: 5 strisciate da 200m circa Overlap 60% Quota di volo 65m Risoluzione finale 4cm Accuratezza: 3-6cm Control Point: GPS geodetico doppia frequenza (L1/L2) a bordo del drone Frequenza di campionamento 10Hz Post-processing del dato in modalità cinematica con risultato di traiettoria con accuratezza m Definizione delle coordinate dei centri di presa con accuratezza m 52

53 Dissesto Idrogeologico (III) Frana di Capriglio (PR) 53

54 Dissesto Idrogeologico (IV) Frana di Capriglio (PR) Caratteristiche di volo: 5 strisciate da 200m circa Overlap 60% Quota di volo 65m Risoluzione finale 4cm Accuratezza: 3-6cm 54

55 Distacco Roccioso M.te Sorapiss (BL) Marco Dubbini; Mario Gattelli; Lucia Irene Curzio; Salvatore Agosta; Giacomo Uguccioni Univ. di Bologna sez. Geografia & SAL Engineering - Modena 55

56 Distacco Roccioso M.te Sorapiss (BL) 56

61 Acquisizione dati (II) UAV ESAFLY A2500 Caratteristiche di volo: 4 strisciate da 180m circa Overlap 60% Quota di volo 75m Risoluzione finale senza ricampionamento: 4cm Accuratezza finale senza ricampionamento: 3-6cm 61

62 Acquisizione PFA Target plastificati posizionati nell area individuabili sulle immagini Sistema di riferimento Datum geodetico: ITRF2008 Datum altimetrico: ellissoidico Coordinate cartografiche UTM, fuso 33N Metodo di acquisizione GPS geodetico: L1/L2 Topcon GB500 Rapido-statico: 5 min con Master Station a max 500m Allacciamento alla rete geodetica della Regione Veneto, stazione di Borca di Cadore BORC (IERS DOMES 19515M001) 62

63 Creazione Modello 3D Ricostruzione del modello tridimensionale Software: 3D Zephyr 1. Individuazione punti omologhi e creazione della nuvola di punti sparsa 2. Ricostruzione della geometria dell oggetto 3. Adjustment del modello tramite PFA 4. Texturizzazione del modello geometrico 63

64 Modello 3D da UAS 64

65 Modello Digitale della Superficie Modello della superficie risoluzione ricampionata 0.5m Accuratezza su modello ricampionato = 0.18 m Curve di livello (equidistanza 1 m), create mediante interpolazione dei dati altimetrici. 65

66 Ortofoto Ortoimmagine dell area creata mediante ortorettifica differenziale dalle immagini fotogrammetriche Sovrapposizione delle curve di livello (equidistanza 1 m) create mediante interpolazione dei dati altimetrici 66

67 Calcolo Volume di Distacco Confronto tra superfici tridimensionali pre e post frana Superfici pre-frana: DSM da foto aeree Regione Veneto (risoluzione 2,6 m) Superficie post-frana: DSM da UAV (risoluzione ricampionata a 0,5 m) I due set di dati non sarebbero confrontabili per via della diversa accuratezza e risoluzione, tutta via il DSM della Regione risulta essere l unico dato pregresso che si è ottenuto in tempi brevissimi dopo l evento. Si vuol mostrare la metodologia di confronto e valutazione dei volumi 67

68 Modello 3D pre-frana 68

69 DSM pre-frana Da foto Aeree Regione Veneto 69

70 DSM post-frana Da UAV 70

71 Calcolo Volumi 71 DSM pre frana DSM post frana

72 Calcolo Volumi Area di frana rilevata = 0.03 Km 2 Errore stimato volumetrico dovuto al DSM derivante da foto aeree del 2006: (2σ) ~20% Calcolo dei volumi: UAV-DSM pre = 2.119,37 m 3 Volume complessivo stimato: ~ 4.700,00 m 3 72

73 L utilizzo di mezzi UAS (Unmanned Aircraft System) nella Geomatica Marco Dubbini