Implementazione di un sistema semiautomatico per la documentazione aerea dello scavo archeologico

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1 Implementazione di un sistema semiautomatico per la documentazione aerea dello scavo archeologico Il caso dello scavo archeologico della Pieve di San Pietro in Pava a San Giovanni D'Asso (SI) Agosto 2008

2 OBIETTIVI GEOREFERENZIAZIONE SPEDITIVA produzione rapida di una copertura fotografica georeferenziata dell'area di scavo, con accuratezza sufficiente ad avere una mappatura e una contestualizzazione visiva delle entità dello scavo rappresentate in ambiente GIS GEOREFERENZIAZIONE DI PRECISIONE generazione di modelli stereoscopici e 3D dello scavo archeologico, che restituiscano fedelmente le strutture nelle loro componenti plano-altimetriche. Le immagini sono state riprese con un piccolo drone a decollo verticale, modello Microdrones MD4-200, da una fotocamera digitale compatta Pentax Optio A40, impostata per registrare le immagini alla risoluzione di 7Mp, velocità del sensore 100asa e con la stabilizzazione digitale dell'immagine disattivata. Sono stati effettuati 3 voli, rispettivamente alle quota di 25, 60 e 90 metri, che hanno richiesto pianificazione del volo differenti e che hanno dato luogo a immagini trattate in seguito con procedure e strumenti diversi.

3 Fasi Tipiche del di processo lavoro fotogrammetrico posizionamento e rilievo gps di una serie di punti (GCP) utilizzati in seguito come punti di appoggio per le successive operazioni di orientamento presa: acquisizione dei fotogrammi necessari (esecuzione del volo) orientamento: ricostruzione dell assetto spaziale dei fotogrammi restituzione: determinazione delle coordinate tridimensionali dei punti oggetto del rilievo, elaborazione di modelli 3D digitali, produzione di ortofoto

4 MICRODRONES MD4-200 Caratteristiche tecniche: STRUTTURA: fibra di carbonio water-protected PROPULSIONE: 4 motori elettrici brushless senza ingranaggi velivolo silenzioso (<63dBA a distanza di 3m) ALIMENTAZIONE: batterie Litio-polimero da 14,8 V e 2300 mah, con autonomia di volo di circa 20 minuti DIMENSIONI: peso complessivo di 900 grammi, diametro inferiore a 1 metro, massima capacità di carico di 200 grammi CAPACITÀ OPERATIVA: sviluppo massimo della rotta di circa 2 km, quota di volo massima di circa 150 m. Le velocità comprese tra 0,1 5 m/s per la traslazione rettilinea orizzontale, 0,1 3 m/s per la traslazione rettilinea verticale, deg/ s per la rotazione intorno al proprio asse

5 Camere disponibili: Pdcvc470 - videocamera diurna a colori a 470 linee TV output video composito (S-video); Pdbwwc570 - videocamera ad infrarossi b/n, a 570 linee TV output video composito (S-video). Soglia di sensibilità a 0,0003 lux, f 1.4; Ppdc10mp - fotocamera a 12 megapixel con funzione di registrazione video on-board, stabilizzazione dell immagine e controllo dello scatto I/R, scheda di memoria da 1 Gb; Ppdc videography foto/videocamera ad infrarossi ad alta definizione (848x480 pixel) con funzione di registrazione video on-board, stabilizzazione dell immagine e controllo dello scatto I/R, scheda di memoria da 1 Gb, possibilità di configurazione personalizzata di lenti, involucro e assemblaggio; MIRICLE 110K XTi - telecamera a infrarossi ultra-compatta uncooled (unstabilized) ad alta risoluzione che restituisce immagini termiche 'Mai-Blind '. La XTi fotocamera non contiene uno scatto o qualsiasi elemento che possa interrompere la visione in momenti critici, non è influenzato da vibrazioni e incorpora la più recente tecnologia micro-elettronica a bassa potenza Tutti gli apparati di ripresa sono montati sul drone con una struttura in fibra di carbonio dotata di un asse servo-assistito controllabile da radiocomando, con circa 100 di movimento che rendono possibili sia riprese nadirali che frontali.

6 Funzionamento: Il volo segue una serie di waypoints in corrispondenza dei quali ha luogo una serie di eventi programmati: semplice transito, stazionamento, variazione di quota e azimuth, osservazione di un punto fisso in rotta circolare, scatto, regolazione dello zoom e dell'assetto della camera. Sono previste 2 modalità di lavoro: teach-in: i waypoints e le azioni eseguite in un primo volo pilotato manualmente dall operatore vengono registrati nella memoria interna del drone e possono essere utilizzate per ripetere lo stesso volo automaticamente planned fly: tramite una web application appositamente sviluppata si pre-impostano i waypoints e i centri di scatto. Questa modalità è ottimale per per minimizzare i tempi di intervento e programmare nei minimi particolari riprese complesse oppure rotte circolari intorno a un punto definito (è questo il caso tipico di inquadratura di un manufatto, non solo nella parte superiore ma anche in tutti i suoi lati) ENTRAMBE GARANTISCONO LA RIPETIBILITÀ DEL VOLO E LA POSSIBILITÀ DI EFFETTUARE INDAGINI MULTITEMPORALI

7 Ricevitore gps, magnetometro e accelerometri, situati nella calotta, permettono al drone di eseguire automaticamente un piano di volo pre-impostato e di mantenere la propria posizione, contrastando l azione del vento in assenza di comandi da parte dell operatore, migliorando la stabilità dell apparecchio e la qualità delle riprese. Gli apparati di posizionamento fanno riferimento, a discrezione dell'operatore, a coordinate relative espresse in ECEF, oppure in LLH (Latitude, Longitude, Height). Tutti i movimenti del drone sono gestibili in modalità manuale o automatica a seguito di programmazione.

8 PIANIFICAZIONE DEI VOLI: ELEMENTI COMUNI Area di interesse = 55 x 52 m Buffer considerato = 15 m L'MD4-200 è stato programmato per il volo automatico (utilizzando Zenit Flight Planner 1.0) in modo che le immagini avessero l'80% di overlap (tra fotogrammi adiacenti) e il 40% di sidelap (tra strisciate adiacenti) Camera utilizzata: Pentax Optio A40 Specifiche: risoluzione di 7 Mp (3072 x 2304 pixel), focale 8.03 mm, sensore 1/1.7'' (7.600mm, 5,700mm), pixel micron, velocità del sensore 100asa, stabilizzazione digitale dell'immagine disattivata Parametri di calibrazione: FOCAL LENGTH = 8,03711 PRINCIPAL POINT X = 3,5806 PRINCIPAL POINT Y = 2,7303 RADIAL LENS DISTORTION: K1 = 0, , K2 = -0, PIXEL SIZE X = 2,4736 PIXEL SIZE Y = 2,4736

9 Pianificazione del volo a 90m

10 Pianificazione del volo a 60m

11 Pianificazione del volo a 25m

12 Orario del volo nella pianificazione si è tenuto conto dei potenziali fattori di disturbo della stabilità del drone e della qualità delle immagini: vento sempre presente durante le ore pomeridiane, con intensità crescente verso sera termica già dal mattino, dal terreno surriscaldato si levavano correnti ascensionali di non trascurabile intensità posizione del sole luce e lunghezza delle ombre presenza di persone e attrezzature Tenuto conto che Zenit ha operato tra il 28 luglio e il 2 agosto, i voli che hanno dato i risultati migliori in termini di qualità delle immagini sono quelli effettuati di primo mattino, all'incirca tra le ore 7 e le 8

13 I voli sono stati eseguiti a tre diverse quote: 90m utilizzato solo come inquadramento generale visivo 60m utilizzato per la restituzione fotogrammetrica in ERDAS 25m utilizzato per la restituzione fotogrammetrica in due modalità: Con ERDAS in test applicativo Con Photomodeler Scanner per l'estrazione del modello L'area dello scavo Il volo a 90m

14 I voli sono stati eseguiti a tre diverse quote: 90m utilizzato solo come inquadramento generale visivo 60m utilizzato per la restituzione fotogrammetrica in ERDAS 25m utilizzato per la restituzione fotogrammetrica in due modalità: Con ERDAS in test applicativo Con Photomodeler Scanner per l'estrazione del modello Il volo a 60m Il volo a 25m

15 Georeferenziazione speditiva L'obiettivo era produrre nel più breve tempo possibile una copertura fotografica georeferenziata dell'area di scavo. L'accuratezza necessaria è quella sufficiente ad avere una mappatura speditiva e una contestualizzazione visiva delle entità rappresentate nel GIS dello scavo. Prima del volo sono stati posizionati e localizzati con GPS differenziale submetrico 20 target principali (dischi di alluminio d-bond da 30 cm di diametro a scacchi bianchi e neri) e 175 target secondari (fogli bianchi A6).

16 Georeferenziazione speditiva La distanza media tra i GCP è di 2.2 m, vale a dire circa il 9% della quota media di volo; il numero medio di GCP ripresi per ciascuna immagine è di 47,5 (min 32, max 69). Ogni immagine è stata processata con PT Lens per correggere la distorsione radiale; PT Lens è un software commerciale che corregge la disorsione radiale, la vignettatura, l'aberrazione cromatica e la prospettiva. Per correggere le immagini il programma legge i dati EXIF per determinare il modello di fotocamera, le ottiche e la focale. Questi dati vengono utilizzati per cercare i coefficienti di correzione in un database e correggere automaticamente le immagini. Non è stata condotta alcuna calibrazione specifica della fotocamera per questa fase della lavorazione, data la successiva introduzione di una maggiore approssimazione con le procedure di splining. Va osservato che il controllo finale ha confermato questa osservazione preliminare.

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19 La rettifica in spline di ArcGIS calcola la superficie che meglio approssima la posizione di tutti i GCP usati. Per questa applicazione sono stati usati tutti i GCP.

20 Le procedure operative sono piuttosto semplici e ripetitive: in una view di ArcMap ogni GCP viene identificato prima con un click sull'immagine e poi legato al corrispettivo nello shapefile restituito dal GPS.

21 La georeferenziazione speditiva può essere effettuata al ritmo di 20 immagini al giorno con un'accuratezza di 15 pixel. Questo significa che il giorno successivo al volo è possibile avere una copertura fotografica di buona risoluzione da utilizzare in un GIS per un'area come quella dello scavo della Pieve di San Pietro in Pava. Il limite principale di questa procedura è la massima altezza rappresentabile per i manufatti; per questa applicazione si è osservato che deve essere contenuta entro il 3%-7% della quota di ripresa. Piazzando dei GCP sulla parte superiore dei manufatti più alti è ragionevole credere che si possa eccedere il 7% della quota di ripresa.

22 Estrazione di un modello digitale 2D e ½ Obiettivo era produrre un modello digitale del terreno che rappresentasse nella maniera più accurata possibile quanto ripreso dall'alto. L'approccio con tecniche GIS (anche se non confinato ai soli strumenti GIS), limita la rappresentazione al c.d. 2D e ½, assegnando ad ogni punto a terra una quota, mediante rappresentazione raster (ESRI GRID) o vettoriale (TIN). Sono state seguite due tecniche: - con ERDAS mediante estrazione di un Digital Elevation Model: le immagini riprese con l'md4-200 alla quota di 60m sono state trattate secondo le procedure previste per l'elaborazione delle più consuete immagini aeree o satellitari - con Photomodeler Scanner: applicando le tecniche di estrazione di una nuvola di punti e di meshing previste per la modellazione semi-automatica in 3D di oggetti normalmente di dimensioni più contenute.

23 generazione dei tie points di ogni tie point sono riportate le immagini in cui ricade e le coordinate immagine espresse in pixel in seguito alla triangolazione ad ogni tie points sono attribuiti automaticamente le coordinate in x,y,z

24 Ortofoto del voloa 60 m mosaicate in ERDAS IMAGINE 8.6

25 scala carta =1/n scala fotogramma =1/m h = quota volo f = focale B = base aerea h=f*m n PAVA PAVA RELAZIONI GEOMETRICHE m FOTOGRAMMETRIA h ( f = 150 mm) m m m m m m m DRONE h ( f = 8,03 mm)

26 Stereocoppie attive e area di sovrapposizione in % estrazione del DTM dalle aree di sovrapposizione delle stereocoppie

27 Distribuzione dei punti utilizzati per l' estrazione del DTM Punti noti in x,y,z utilizzati per l' estrazione del DTM: tie points e GCP

28 8 punti utilizzati per la triangolazione

29 Tie points generati automaticamente con algoritmo di correlazione AREA BASED MATCHING (riconoscimento di toni di colore simili) e FEATURE BASED MATCHING (riconoscimento di forme simili)

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34 Porzione del TIN generato con ERDAS a partire dalle immagini a 60m Il modello appare immediatamente di bassa risoluzione, inferiore anche alle attese. Si noti in alto a sx il notevole scattering generato in corrispondenza della bacheca. L'algoritmo di estrazione del DEM utilizzato da ERDAS non sembra sufficientemente adattabile alle esigenze di questo progetto.

35 Porzione del TIN generato con ERDAS a partire dalle immagini a 60m Il drappeggio sul modello delle ortofoto estratte evidenzia comunque la possibilità di ottenere immagini ad alto impatto comunicativo, ancorché scarsamente utilizzabili a fini scientifici. Le ortofoto in sè, per quanto ottenute da un modello non ottimale, sono di precisione sufficiente all'uso in un GIS.

36 Elaborazione con Photomodeler Scanner Il procedimento: - importazione delle immagini (38 delle 112 immagini riprese a 25m) - calibrazione della fotocamera - orientamento delle immagini (sono stati utilizzati tutti i Ground Control Point visibili in ogni foto) - idealizzazione del progetto (=elaborazione delle immagini ad eliminare la distorsione radiale)

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39 Elaborazione con Photomodeler Scanner Il procedimento: - determinazione delle migliori coppie disponibili (su base angolare, secondo i parametri di default del programma)

40 Elaborazione con Photomodeler Scanner Il procedimento: - elaborazione delle coppie ad estrarre le nuvole di punti quotati

41 Elaborazione con Photomodeler Scanner Il procedimento: - esportazione a tabella di solo testo delle coordinate - importazione in un File Geodatabase di ArcGIS - decimazione dei punti su base puramente ordinale - interpolazione dei punti con algoritmo Inverse Distance Weight tra i 32 punti più vicini e pesando col quadrato della distanza

42 I punti esportati da Photomodeler, contro i punti rilevati con GPS evidenziano: - distanza massima tra omologhi 43mm - media 17mm - deviazione standard 9mm

43 I punti esportati da Photomodeler, contro i punti rilevati con GPS evidenziano: - distanza massima tra omologhi 43mm - media 17mm - deviazione standard 9mm

44 Il modello estratto con elaborazione in Photomodeler e ArcGIS a partire dalle immagini a 25m Il modello appare immediatamente segnato dalle tracce ben riconoscibili dei punti ai bordi delle coppie, le cui quote calcolate da Photomodeler sono affette da errore indotto dalla eccessiva distorsione radiale delle immagini.

45 Il modello estratto con elaborazione in Photomodeler e ArcGIS a partire dalle immagini a 25m La risoluzione sembra comunque buona, pur essendo questo un modello calcolato con ArcGIS a partire da 1/10 dei punti quotati disponibili, con algoritmo IDW (32 punti max, distanza al quadrato).

46 Il modello estratto con elaborazione in Photomodeler e ArcGIS a partire dalle immagini a 25m E' anche evidente lo scattering indotto dal fatto di aver elaborato tutte le coppie con gli stessi parametri di taratura del sw. Zone con pattern ripetitivi (il telone a lato dello scavo, ad es.) vanno elaborate tenendo conto di questa particolarità.

47 Implementazione di un sistema semiautomatico per la documentazione aerea dello scavo archeologico Il caso dello scavo archeologico della Pieve di San Pietro in Pava a San Giovanni D'Asso (SI) Agosto 2008 Daniele Sarazzi Oscar Taufer Zenit srl, via Molino , Busto Arsizio (VA) tel daniele.sarazzi@zenit-sa.com oscar.taufer@zenit-sa.com oppure info@zenit-sa.com