RILIEVO E RAPPRESENTAZIONE DEL TERRITORIO

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1 Corsi di Laurea in: - Gestione tecnica del territorio agroforestale e Sviluppo rurale - Scienze forestali e ambientali - Costruzioni rurali e Topografia RILIEVO E RAPPRESENTAZIONE DEL TERRITORIO

2 5. Fotogrammetria - Generalità FOTOGRAMMETRIA

3 5. Fotogrammetria - Generalità INTRODUZIONE ALLA FOTOGRAMMETRIA TRA I VARI METODI DI RILIEVO IN USO LA FOTOGRAMMETRIA, AFFERMATASI NELL ULTIMO CINQUANTENNIO, RAPPRESENTA IL METODO PIÙ COMPLETO E PRECISO, A PARITÀ DI COSTI E RAPIDITÀ, RISPETTO AD ALTRI METODI DI RILEVO DEL TERRITORIO. LA FOTOGRAMMETRIA, CHE OPERA SENZA DIRETTO CONTATTO CON L OGGETTO DA RAPPRESENTARE, UTILIZZA IMMAGINI FOTOGRAFICHE DELL OGGETTO PER EFFETTUARNE IL RILIEVO. LA FOTOGRAMMETRIA SI È AFFERMATA PERCHÉ CONSENTE DI RILEVARE GLI OGGETTI NELLA LORO CONTINUITÀ SPAZIALE, CONSENTENDO DI RIDURRE I TEMPI DEL RILIEVO RISPETTO AL RILIEVO CONDOTTO CON METODI E STRUMENTI CLASSICI.

4 5. Fotogrammetria - Generalità LA VISIONE STEREOSCOPICA LA FOTOGRAMMETRIA SFRUTTA IL PRINCIPO DELLA VISIONE STERESCOPICA, OVVERO LA VISIONE DELL OGGETTO DA RAPPRESENTARE DA DUE DIVERSI PUNTI DI VISTA. UTILIZZANDO DUE PROSPETTIVE CENTRALI DI UN MEDESIMO OGGETTO DA DUE DISTINTI CENTRI DI PROIEZIONE (COSÌ COME AVVIENE PER LA VISIONE UMANA), RICAVATE AD ESEMPIO DA DUE FOTO DELL OGGETTO, È POSSIBILE TROVARE LA POSIZIONE SPAZIALE DELL OGGETTO MEDESIMO.

5 5. Fotogrammetria - Generalità PRINCIPI GEOMETRICI DELLA VISIONE STREOSCOPICA Intersezione spaziale = stereoscopia prospettiva centrale oggetto Utilizzando due prospettive centrali di uno stesso punto oggetto, è possibile ricostruirne la posizione spaziale

6 5. Fotogrammetria - Generalità IL CONCETTO PIÙ INTERESSANTE DELLA VISIONE STERESCOPICA È COSTITUITO DALLA DISEGUAGLIANZA ESISTENTE TRA LE IMMAGINI ELABORATE DAI DUE PUNTI DI VISTA, CHE DETERMINA IL FENOMENO DELLA SENSAZIONE SPAZIALE TRIDIMENSIONALE, LEGATO SIA ALLA DISTANZA DEI PUNTI DI VISTA DALL OGGETTO SIA ALLA DISTANZA ESISTENTE FRA GLI STESSI PUNTI DI VISTA (DISTANZA INTERPUPILLARE). TALE FENOMENO DELLA TRIDIMENSIONALITÀ RISULTA EVIDENTE PER OGGETTI POSTI A BREVE DISTANZA DAI PUNTI DI OSSERVAZIONE E TENDE AD ANNULLARSI CON IL CRESCERE DELLA DISTANZA; CIÒ IN QUANTO TENDE A DIMINUIRE PROGRESSIVAMENTE CON LA DISTANZA LA DIFFERENZA DEGLI ANGOLI (PARALLASSE STEREOSCOPICA ANGOLARE) SOTTO I QUALI UN OGGETTO VIENE VISTO RISPETTIVAMENTE DAI DUE PUNTI DI VISTA.

7 5. Fotogrammetria - Generalità La visione stereoscopica naturale si basa sulla parallasse stereoscopica angolare (g) e sulla corrispondente parallasse stereoscopica lineare (p x ). La parallasse lineare p x è la differenza tra i segmenti x 1 e x 2 intercettati dalle due visuali sul piano della visione distinta e relativa al punto P. La capacità di percepire la 3 a dimensione è legata all angolo g.

8 5. Fotogrammetria - Generalità La diversa distanza tra due punti A e B dall osservatore è valutata in funzione della differenza dell angolo di parallasse stereoscopica angolare (g a g b ). Ponendo l oggetto a distanze via via maggiori, la capacità di stima della distanza dell oggetto decade con legge quadratica della distanza (in quanto diminuisce la differenza g a g b ). distanza interpupillare

9 5. Fotogrammetria - Generalità PER POTERE NUOVAMENTE AUMENTARE, ANCHE A DISMISURA, IL CONCETTO DI PROFONDITÀ DELLO SPAZIO, OLTRE IL LIMITE NATURALE DELLA VISIONE UMANA, SI AUMENTA LA DISTANZA INTEPUPILLARE (d.i.), CIOÈ LA DISTANZA ESISTENTE FRA I DUE PUNTI DI VISTA effetto profondità effetto dell aumento della distanza interpupillare e conseguente aumento del concetto di profondità (ga gb) d.i.

10 5. Fotogrammetria - Generalità Da un punto di vista topografico della rappresentazione, la fotogrammetria serve a passare da prospettive centrali (rappresentazione legata alle immagini fotografiche) a proiezioni ortogonali IN FOTOGRAMMETRIA: Si misurano coordinate 2D di un punto P sulle immagini fotografiche Si ottengono coordinate 3D di quel punto, X p, Y P, Z p

11 5. Fotogrammetria - Generalità FASI PRINCIPALI DEL PROCESSO FOTOGRAMMETRICO PRESA: Acquisizione delle immagini (fotografiche o digitali) con opportune camere ORIENTAMENTO: Determinazione dei parametri della trasformazione da 2D a 3D RESTITUZIONE: Determinazione delle coordinate di molti punti per la ricostruzione dell oggetto o per il tracciamento della carta

12 5. Fotogrammetria - Generalità LA FOTOGRAMMETRIA PUÒ ESSERE SUDDIVISA, A SECONDA DELL UTILIZZO, IN: FOTOGRAMMETRIA TERRESTRE (close-range photogrammetry) FOTOGRAMMETRIA AEREA O AEROFOTOGRAMMETRIA (da aereo o da satellite)

13 5. Fotogrammetria terrestre Fotogrammetria terrestre Questa metodologia viene identificata come fotogrammetria dei vicini o close-range photogrammetry, quando gli oggetti interessati risultano situati ad una distanza inferiore a 300 m circa dalla camera da presa fotogrammetrica (il limite dei 300 m costituisce anche la delimitazione della quota di sicurezza per le riprese da aereo) Trova applicazioni oltre che per i rilievi architettonici anche nella descrizione di fenomeni di smottamento del terreno, di frane o a livello industriale nello studio delle deformazioni di provini sottoposti a sollecitazioni indotte a titolo sperimentale, ecc.

14 5. Fotogrammetria terrestre Nella fotogrammetria terrestre, per l acquisizione delle immagini dell oggetto da documentare, si impiega generalmente una coppia di fotocamere speciali (camere metriche) 1. Fotocamera metrica Wild P31 2. Fotocamere metriche Zeiss SMK 3. Fotocamera metrica digitale Rollei DB 44

15 5. Fotogrammetria terrestre ESEMPI DI FOTOCAMERE TERRESTRI

16 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) Fotogrammetria aerea o Aerofotogrammetria La fotogrammetria aerea si fonda sulla stesso principio della parziale sovrapposizione delle immagini fotografiche che è proprio della stereoscopia. Differiscono ovviamente le modalità operative della acquisizione: si usano camere metriche di tipo diverso, montate su aeromobili. Impieghi della fotogrammetria aerea La fotogrammetria aerea serve per produrre cartografia di qualsiasi tipo, da quelle generali a scala piccola, a quelle a scala media fino alle carte tecniche a grande scala. Il tipo di prodotto realizzabile dipende da molteplici fattori, tra cui la quota di volo ed il tipo di camera utilizzata.

17 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) VANTAGGI DEL PROCEDIMENTO FOTOGRAMMETRICO RISPETTO AL RILIEVO DIRETTO DEL TERRITORIO consente di rilevare oggetti senza avere contatto fisico con l'oggetto (in tal senso è un tipo di telerilevamento) è un rilievo simultaneo di molti punti (gran quantità di informazioni) le misure vengono eseguite a posteriori, in una fase successiva al rilievo e quindi possono essere ripetute, modificate, controllate Rispetto al rilievo diretto per produrre cartografia, risulta avere caratteristiche di: - maggiore produttività (soprattutto per grandi estensione e scale medio- piccole) -rapidità - economicità (grazie all alta produttività) - uniformità di precisione

18 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) Fotogrammetria aerea o Aerofotogrammetria Nella fotogrammetria aerea si impiegano camere metriche di tipo diverso montate su aeromobili. Il territorio è ripreso con sequenze di fotogrammi (chiamate strisciate o strip), scattati automaticamente a intervalli regolari - mantenendo velocità di volo uniforme lungo traiettorie rettilinee e a quota costante (per ragioni di sicurezza non inferiore ai trecento metri dal suolo) - utilizzati a coppie e tali che ciascun fotogramma si sovrapponga per circa il 60% con quelli adiacenti (sovrapposizione longitudinale o overlap) e ciascuna strisciata si sovrapponga per il circa 15% con quelle adiacenti (sovrapposizione laterale o sidelap).

19 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) rotta dell aereo o linea di volo strisciata aerofotogrammetrica strisciata aerofotogrammetrica

20 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) sovrapposizione (ricoprimento) longitudinale R (overlap) sovrapposizione (ricoprimento) trasversale r (sidelap) H = quota di volo f = focale dell obiettivo della camera di presa R = overlap; r = sidelap L = lato del quadrato di territorio inquadrato l = lato del quadrato della pellicola fotografica (23 cm)

21 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) Piano di volo Per la ricostruzione completa del territorio occorrono molti fotogrammi parzialmente sovrapposti, che determineranno il cosiddetto piano di volo

22 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) Fotogramma Ciascun fotogramma riporta, oltre ai codici identificativi del lavoro, della strisciata, del fotogramma, anche l immagine di livella, orologio, altimetro (quota di volo), distanza focale dell obiettivo della fotocamera, numero del fotogramma. Su ciascun fotogramma sono presenti 4 reperes al centro di ogni lato, o 4 marche in corrispondenza degli spigoli. Collegando le due coppie di reperes contrapposti, o le due coppie di marche contrapposte, le linee si intersecano nel centro del fotogramma (punto principale), origine di un sistema cartesiano di riferimento locale al fotogramma.

23 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) SCALA MEDIA DEL FOTOGRAMMA La scala di un fotogramma è data dal rapporto l/l fra la dimensione di un elemento lineare sul fotogramma (l) e la corrispondente dimensione dell'elemento sul terreno (L) Considerando sia il il terreno sia il il fotogramma giacenti in piani orizzontali e paralleli, il il fascio dei raggi ottici che convergono nell'obiettivo dà luogo alla relazione di similitudine tra triangoli dalla quale si desume la scala 1/n del fotogramma: f H 11 nn == 11 LL ll H Denominatore di scala: l L == 11 ff b n = H F In questo caso ideale esisterebbe un rapporto di similitudine costante tra tutti i punti del terreno e quelli del fotogramma e la scala del fotogramma sarebbe costante su tutto il il fotogramma f

24 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) SCALA MEDIA DEL FOTOGRAMMA Nel caso reale, in generale, l'oggetto fotografato non è né piano né ortogonale all'asse della camera e l obiettivo è reale: ciò produce variazioni di scala nei vari punti del fotogramma. Quindi i particolari presenti in fotografia sono rappresentati a scala variabile al contrario di ciò che è rappresentato in cartografia che è a scala costante. f Influenza dell'altimetria sulla posizione ì del punto immagine Scala media di un fotogramma aereo

25 5. Fotogrammetria aerea ( aerofotogrammetria ) SCALA MEDIA DEL FOTOGRAMMA Nel caso reale si parla pertanto di scala media del fotogramma, intendendo dire che il rapporto l/l tra un elemento l sul fotogramma e il corrispondente elemento L preso sul terreno varia da punto a punto e se ne assume il valore medio: è equivalente al rapporto tra la costante della camera e la distanza media dell oggetto fotografato. La definizione di scala media di un fotogramma non è pertanto rigorosa e può essere indicata grossolanamente o come la media delle scale estreme, dovute alle quote massime e minime del terreno o oggetto fotografato oppure come la scala dovuta alla quota prevalente nell'area in esame. Detta Q la quota di volo assoluta e q la quota media del terreno, entrambe espresse nella stessa unità di misura, la scala media del fotogramma risulta dalla relazione: (1/n) m = f/(q q) (1/n) m = f/h m = l/l Se fissiamo la scala del fotogramma, è evidente che ad ogni variazione di f deve corrispondere una variazione di H m e viceversa.

26 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione RESTITUZIONE IL PROCESSO CHE CONDUCE ALLA POSIZIONE DELL OGGETTO ATTRAVERSO L ELABORAZIONE DI DUE FOTO DELLO STESSO VIENE DETTO RESTITUZIONE FOTOGRAMMETRICA LA RESTITUZIONE AVVIENE CON L IMPIEGO DI PARTICOLARI STRUMENTI DETTI RESTITUTORI, OGGI IN PARTE SOSTITUITI DA COMPUTER E CONGEGNI AUSILIARI SPECIFICAMENTE DEDICATI

27 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Ricostruzione del modello stereoscopico Il modello (modello ottico o stereoscopico) è ottenuto con la parte comune dei due fotogrammi della coppia stereoscopica (ricoprimento possibilmente superiore al 60%). P 1 P 2 Fotogramma 1 Fotogramma 2 FOTO 1 FOTO 2

28 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Ricostruzione del modello stereoscopico Sfruttando la visione stereoscopica sarà possibile riconoscere su ciascuno dei due fotogrammi la posizione relativa e l altezza di punti del territorio. Questa possibilità è condizionata però al fatto che si riesca ad orientare i due fotogrammi in modo da ricomporne la posizione relativa al momento dello scatto (ed in pratica ricostruendo la posizione e l orientamento assunti dall aereo e dalla macchina fotografica nei momenti corrispondenti allo scatto dei due fotogrammi). Tale operazione, finalizzata alla ricostruzione del modello stereoscopico, parte dalla individuazione su ciascun fotogramma di particolari ben riconoscibili, ottenendone le coordinate locali in ciascun fotogramma (espresse nel sistema cartesiano locale del fotogramma).

29 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Orientamento interno punto principale Per ciascun fotogramma si procede all orientamento interno ricavando, per ciascun fiducial mark (o per i 4 reperes posti al centro di ciascun lato), le coordinate nel sistema di riferimento locale con origine nel Punto Principale (quello al centro del fotogramma, individuato dalla intersezione delle diagonali passanti per i fiducial mark ). In questo modo abbiamo definito per ciascun fotogramma un suo sistema di riferimento cartesiano. A tale sistema di riferimento potremo successivamente ricorrere per esprimere le coordinate di particolari visibili nell immagine.

30 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Orientamento relativo Avendo operato l orientamento interno per ciascun fotogramma, possiamo a questo punto individuare punti facilmente riconoscibili sia sul primo che sul secondo fotogramma, derivandone le corrispondenti coordinate lastra nei due sistemi di riferimento. In genere si scelgono sei punti per fotogramma, disposti come nell immagine a fianco. E possibile, a questo punto, ricavare un sistema di equazioni, basate sulla coincidenza dei punti espressi nei due sistemi di coordinate. Ciò consentirà, su un apposito strumento, di ricostruire il modello stereoscopico. Il fatto che abbiamo ricostruito l orientamento relativo dei due fotogrammi, lungi dal consentirci di calcolare le coordinate terreno di un punto di cui misuriamo la posizione nel modello, ci permette comunque di realizzare una visione stereoscopica (ovvero tridimensionale) del territorio fotografato.

31 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Orientamento assoluto Se di alcuni dei punti (punti di inquadramento: gli stessi utilizzati per l orientamento relativo o altri differenti) individuati sulle immagini conosciamo anche le coordinate (ad esempio ottenute mediante rilievi topografici), siamo in grado di ricavare l orientamento assoluto del nostro modello stereoscopico. L orientamento assoluto ci consente di calcolare le coordinate di un qualsiasi punto di cui misuriamo le coordinate lastra (nel modello stereoscopico, ovvero su ciascuno dei due fotogrammi, essendo noi in grado di esprimere le coordinate di un punto in uno qualsiasi dei sistemi di riferimento). C è da sottolineare che mentre i due sistemi cartesiani locali dei fotogrammi sono bidimensionali, il sistema di riferimento che otteniamo dopo l orientamento relativo, ed a maggior ragione quello ottenuto dopo l orientamento assoluto, sono tridimensionali. In pratica, dopo l orientamento assoluto, siamo in grado di ricavare le 3 coordinate terreno di qualsiasi punto rilevabile sulle immagini.

32 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione I RESTITUTORI FOTOGRAMMETRICI Il restitutore è quello strumento che consente di ricostruire il modello stereoscopico e, a partire da questo, di digitalizzare le entità (oggetti) inquadrate nei fotogrammi. Storicamente, a seconda degli strumenti utilizzati, la fotogrammetria ha subito una forte evoluzione e, conseguentemente, anche il relativo processo di restituzione, dando luogo ai seguenti principali tipi: Restituzione analogica (anni 50 e 60) Restituzione analitica (anni 70 a 90) (Fotogrammetria analitica) Restituzione automatica (anni 2000) (Fotogrammetria digitale)

33 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Restituzione analogica Il nome deriva dal fatto che si ricorre ad una analogia tra ripresa e restituzione. Impiega apparecchi ottico-meccanici complessi detti del I e del II ordine (a seconda del livello di precisione) e universali, mediante i quali vengono ricreate a scala ridotta le condizioni di presa di una coppia sterescopica e si costruisce un modello ottico tridimensionale del terreno effettuandone la rappresentazione cartografica. Restitutori analogici

34 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Restituzione analitica Impiega strumenti detti comparatori, con i quali si prendono misure sul piano delle lastre fotografiche con la precisione di 1 o 2 millesimi di millimetro. Con tale procedimento ciascun punto considerato viene rappresentato, invece che graficamente, analiticamente ossia mediante le tre coordinate geometriche che ne identificano la collocazione spaziale. I dati confluiscono in un calcolatore elettronico che li elabora fornendo una restituzione numerica la quale, mediante un plotter, può essere resa anche graficamente. plotter Restitutori analitici

35 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Restituzione automatica e Fotogrammetria digitale La restituzione automatica viene eseguita mediante un complesso computerizzato di strumenti in grado di assicurare lo svolgimento automatico di tutte le operazioni necessarie, dalla analisi dei fotogrammi sino al tracciamento cartografico. La principale differenza tra la fotogrammetria analitica e la fotogrammetria digitale risiede nella diversa natura del dato primario, le immagini: Fotogrammetria analitica immagini fotografiche Fotogrammetria digitale immagini digitali

36 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Differenze fra fotogrammetria analitica e fotogrammetria digitale Differenze operative In fotogrammetria analitica l operatore osserva, interpreta l immagine e ne estrae informazioni, scegliendo i punti necessari alle operazioni di orientamento e di restituzione, e collimandoli ne misura le coordinate. In fotogrammetria digitale i punti, dati in termini di coordinate pixel i,j, possono essere scelti da un operatore, ma l individuazione dei punti e la collimazione precisa può essere automatica Differenze negli strumenti La differenza nel dato primario comporta una semplificazione degli strumenti: il restitutore analitico è una integrazione di stereocomparatore, stereoscopio e h/w s/w necessari per orientamento e restituzione il restitutore digitale è principalmente costituito da Software :

37 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione L immagine digitale Immagini digitali: il contenuto fotografico (radiometria) viene registrato sotto forma di numeri. Rappresentazione RASTER: si divide l immagine fotografica in elementi di dimensioni finite (pixel) e si associa a ognuno di essi il numero che rappresenta la radiometria della porzione di immagine contenuta.

38 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione Risoluzione dell immagine digitale Risoluzione geometrica: dimensione del pixel sul terreno Risoluzione radiometrica: numero di bit per pixel

39 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione APPLICAZIONI DIGITALI Restituzione di modelli 3D e di modelli solidi

40 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione APPLICAZIONI DIGITALI Cartografia raster Cartografia vettoriale

41 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione NUOVE TECNOLOGIE APPLICAZIONI DIGITALI Cartografia numerica e database topografici

42 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione NUOVE TECNOLOGIE APPLICAZIONI DIGITALI DTM (Digital terrain models), DEM (Digital elevation models) DSM (digital surface Models): Modelli digitali del terreno

43 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione LA ORTOFOTO Se la quota di ogni punto è nota attraverso il DTM per ogni punto di un immagine digitale è possibile determinare il punto oggetto corrispondente anche disponendo di una sola immagine

44 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione LA ORTOFOTO Produzione di ortofoto

45 5. Fotogrammetria - Processo di restituzione LA ORTOFOTO Ortofoto digitale

46 5. Fotogrammetria - Nuove tecnologie NUOVE TECNOLOGIE Camere digitali aeree, sensori di nuova generazione Algoritmi di correlazione automatica delle immagini Sensori GPS

47 5. Fotogrammetria - Nuove tecnologie NUOVE TECNOLOGIE I sensori laser scanner (anche detti laser 3D) sono strumenti che consentono il rilevamento di modelli tridimensionali di oggetti a scale e risoluzioni differenti. La caratteristica essenziale della tecnologia laser-scanning è quella di permettere l acquisizione autonoma di milioni di punti 3D in brevissimo tempo. I sistemi laser a scansione offrono nuove ed interessanti possibilità nel rilievo topografico. Si tratta di dispositivi ottico-meccanici capaci di emettere un impulso elettromagnetico (laser) e di ricevere il segnale riflesso dal terreno, misurando l intervallo di tempo intercorso (tempo di volo), e quindi la distanza tra il centro dello strumento ed il punto rilevato. Al calcolo del tempo di volo viene associata anche un misura angolare di precisione che permette di collocare i punti in un sistema di riferimento locale, riferito al centro ottico dello strumento. Per ogni misurazione, oltre alle coordinate cartesiane (x, y, z), il sistema fornisce l intensità del segnale di ritorno e definisce la risposta radiometrica della superficie rilevata.