Attività con droni aerei: quali mezzi e quali sensori per rilevazioni sempre più affidabili Casi Applicativi

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1 DICA - Sez. Geodesia e Geomatica Attività con droni aerei: quali mezzi e quali sensori per rilevazioni sempre più affidabili Casi Applicativi DICA, Politecnico di Milano Livio Pinto DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

2 IL GRUPPO DI LAVORO 2 Ing. Diana Pagliari Ing. Daniele Passoni Dr. Giovanna Sona Prof. Livio Pinto Arch. Roberta Fagandini

3 APR PER APPLICAZIONI GEOMETRICHE DI PRECISIONE Applicazioni con caratteristiche geometriche, che richiedono sistemi in grado di garantire una navigazione di precisione: APPLICAZIONI CIVILI: rilievi a scopi cartografici (aggiornamento di carte tecniche), ispezione di ponti e dighe, ecc. SCOPI FORESTALI: monitoraggio e classificazione della copertura vegetativa alloctona, monitoraggio incendi. BENI CULTURALI: documentazione e generazione di modelli 3D di siti archeologici ed edifici storici a partire da immagini ad alta risoluzione AGRICOLTURA DI PRECISIONE: valutazione della concentrazione di fertilizzanti (p.e. azoto), valutazione del contenuto d'acqua e dello stress derivante per le piante, applicazione di erbicidi o pesticidi a singole piante. DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

4 SOMMARIO Tecniche di rilievo 3D Il rilievo geometrico mediante immagini: la fotogrammetria I velivoli e i sensori Alcune applicazioni significative Calcolo dei volumi Rilievi architettonici e indagini strutturali Applicazioni in agricoltura Indagini geologiche e geotecniche DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

5 TECNICHE DI RILIEVO 3D A CONFRONTO (Remondino F., Nex F. - UAV for 3D mapping applications: a review) DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

6 IL METODO FOTOGRAMMETRICO DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

7 IL METODO FOTOGRAMMETRICO Le immagini acquisite da APR devono essere orientate relativamente tra loro e nello spazio. In pratica si tratta di determinare i 6 parametri di Orientamento di ciascuna immagine (Space Resection) e le coordinate dei punti osservati. Questa operazione si basa sulla misura: 1) di punti omologhi sulle immagini (estratti automaticamente), 2) di alcuni punti di coordinate note sul terreno. Si ottengono: i parametri di orientamento esterno; la nuvola di punti che descrive in modo 3D l oggetto; le precisioni di stima. DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

8 LA RESTITUZIONE DEI PRODOTTI FOTOGRAMMETRICI DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

9 I PRODOTTI FOTOGRAMMETRICI DSM/DTM ORTOFOTO MODELLI 3D DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

10 I SOFTWARE FOTOGRAMMETRICI Software aerofotogrammetrici classici (LPS, Gcarto ) Software fotogrammetrici close range (Photomodeler) Software di matrice Computer Vision: AGISOFT Photoscan, Pix4D, MICMAC,. DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

11 LE PRECISIONI ATTESE Sono valide le classiche regole della fotogrammetria: DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

12 APR PER FOTOGRAMMETRIA VANTAGGI VS SVANTAGGI costo di acquisto, manutenzione e d esercizio contenuto rispetto agli aerei tradizionali missioni svolte autonomamente assenza di pilota qualificato a bordo alta manovrabilità limitazione di peso e delle dimensioni del carico sensori di minor qualità motori di ridotta potenza e autonomia Rilievi in situazioni pericolose: siti di disastri naturali ed antropici Rilievi in aree inaccessibili: per operazioni a bassa quota e vicine ad oggetti Rilievi low-cost: quando una missione aerea sarebbe antieconomica Riduzione della qualità dell'immagine Minore accuratezza nella realizzazione del volo Limitazioni nell'altitudine raggiungibile e nella durata del volo DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

13 I VELIVOLI 13 MULTIROTORE VS ALA FISSA MULTIROTORE. ALA FISSA + Sistema aperto (camera, sensori di navigazione, ecc.) + Payload + Governo della fotocamera + Prese inclinate e ravvicinate - Autonomia di volo - Sicurezza + Autonomia di volo + Quota di volo + Copertura fotogrammetrica + Sicurezza (plana ) - Payload - Governo della fotocamera - Sistema chiuso (commerciale) DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

14 I VELIVOLI: MULTIROTORE Falcon 8 - Topcon Aeromax - Microgeo GLI APR multirotore - autonomia media compresa tra i 15 e i 30 minuti e una - velocità di crociera variabile con possibilità di "hovering - rilievi con una copertura di 1-10 ha. La loro versatilità e la possibilità di ruotare la camera li rendono particolarmente adatti a rilievi architettonici o di dettaglio o per video ispezioni aeree. Anteos - Aermatica Aibotix - Leica DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

15 I VELIVOLI: ALAFISSA Sirius - Topcon GLLI APR ad alafissa - autonomia media superiore ai 45 minuti; - velocità di crociera tra i 36 e i 57 km/h - rilievi con copertura da 1 a 10 km². Ebee - Sensefly L assetto costante e la l autonomia di volo li rendono particolarmente adatti a rilievi cartografici o ad applicazioni di agricoltura di precisione. Ifly - Microgeo DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

16 I VELIVOLI: PALLONI I palloni aerostatici ad elio. rilievi con copertura da 0.5 a 3 ha Vincolati da filo (quindi esclusi dalla normativa) Ben si prestano a rilievi circoscritti a piccole zone in condizioni di rischio, ad esempio architetture urbane e attività di didattica. DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

17 I SENSORI Il sensore deve essere scelto in funzione dello scopo dell applicazione, tenendo conto dell APR a disposizione per trasportarlo. Sensore Camera digitale RGB Camera digitale NIR/falso colore Multispettrale/iperspettrale IR Termico LIDAR DRONITALY Fiera di Modena 30 settembre 2016

18 CASI APPLICATIVI

19 CALCOLO DEI VOLUMI

20 Calcolo di volumi di cava Rilievo per la misura di volumi di cava a Gossolengo (PC). (1 ha) Hexakopter Mikrokopter Polimi Immagine campione Gossolengo (PC) Inquadramento cartografico

21 Calcolo di volumi di cava Prodotti del rilievo: Ortofoto Modello 3D DSM del cumulo per calcolo volumi Comparazione di soluzioni con SW differenti Valutazione di differenti configurazioni di appoggio Modello 3D

22 Calcolo di volumi di flushing di una diga Rilievo per la misura di accumuli di fango e detriti sul fondo della diga del Fusine Hexakopter Immagine campione Grosio (SO) Inquadramento cartografico

23 Calcolo di volumi di flushing di una diga Prodotti del rilievo: Ortofoto Modello 3D DSM del cumulo per calcolo volumi Confronto delle superfici prima e dopo la pulizia dell invaso Modello 3D

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25 Calcolo del volume della coltre nevosa Rilievo realizzato per la valutazione dei volumi della coltre nevosa presso il nevaio Malghera in Valgrosina per valutazioni idrologiche. (20 ha) Sensefly swinglet CAM Terradat Rilievo estivo Immagini campione Malghera SO) Inquadramento cartografico

26 Calcolo del volume della coltre nevosa Rilievo realizzato per la valutazione dei volumi della coltre nevosa presso il nevaio Malghera in valgrosina per valutazioni idrologiche. (20 ha) Sensefly swinglet CAM Terradat Rilievo invernale Immagini campione Malghera SO) Inquadramento cartografico

27 Calcolo del volume della coltre nevosa Prodotti del rilievo: Ortofoto estiva/invernale Modelli 3D DSM estivo/invernale Calcolo del volume della coltre nevosacome differenza dei DSM Modello 3D Modello 3D

28 Calcolo del volume della coltre nevosa

29 RILIEVI ARCHITETTONICI E INDAGINI STRUTTURALI

30 Modelli 3D della Cascina Linterno (MI) Rilievo della cascina Linterno per una valutazione qualitativa e quantitativa dello stato di conservazione dei tetti (1 ha) Hexakopter Mikrokopter Polimi Volo realizzato con 4 strisciate a 40 metri di quota di lunghezza 50m e interasse 15m, GSD = 1cm Cascina Linterno (Mi) Immagine campione

31 Modelli 3D della Cascina Linterno (MI) Prodotti del rilievo: Ortofoto di precisione Modello 3D dei tetti

32 Indagine strutturale e rilievo di ponti e viadotti Rilievo di un ponte/viadotto in località «Santa Giulia» come test per l applicazione di UAV alla verifica di ponti e viadotti (0.5 ha) Hexakopter Mikrokopter Polimi Immagine campione Santa Giulia Milano (MI)

33 Indagine strutturale e rilievo di ponti e viadotti Modello 3D e DSM superfici Prodotti del rilievo: Ortofoto di precisione del ponte da vista nadirale Ortofoto di precisione del ponte da vista laterale Modello 3D del ponte DSM di spalle e superficie asfaltata Analisi dello stato dell asfalto Analisi stato conservativo della struttura

34 APPLICAZIONI IN AGRICOLTURA

35 Rilievo RGB + NIR multitemporale in agricoltura di precisione Rilievo multispettrale-multitemporale su un area coltivata a mais al fine di valutare il vigore delle piante in funzione del tipo di concimazione e di irrigazione (5 ha) Hexakopter Mikrokopter Polimi Immagini campione Zona test: Landriano (Lo)

36 Rilievo RGB + NIR multitemporale in agricoltura di precisione Rilievo multispettrale-multitemporale su un area coltivata a mais al fine di valutare il vigore delle piante in funzione del tipo di concimazione e di irrigazione (5 ha) Hexakopter Mikrokopter Polimi Immagini campione Zona test: Landriano (Lo)

37 Ortofoto NIR Ortofoto RGB Rilievo RGB + NIR multitemporale in agricoltura di precisione Prodotti del rilievo: Ortofoto Mulisensore/Multitemporali Modello 3D DSM NDVI multispetrale/multitemporale Suolo nudo Mais

38 Rilievo RGB + NIR multitemporale di aree boscate Rilievo multispettrale-multitemporale su 10 aree al fine di valutare la presenza di specie arboree alloctone all interno del parco Adda Nord da immagini RGB+NIR (100 ha) Sensefly swinglet CAM Terradat Immagini campione Parco Adda Nord Inquadramento cartografico

39 I VOLI Parco Adda Nord Zona da rilevare e punti di appoggio rilevati con strumentazione GPS + piano di volo

40 TRIANGOLAZIONE DEI BLOCCHI Per ogni stagione i due blocchi di immagini RGB e NIR-GB sono stati simultaneamente orientati mediante Agisoft Photoscan

41 MODELLI 3D Dai blocchi RGB dei voli estivi (massimo di copertura fogliare) sono ricavati i DSM.

42 Rilievo RGB + NIR multitemporale di aree boscate Prodotti del rilievo: Ortofoto Mulisensore/Multitemporali Modello 3D DSM Analisi multispettrale/multitemporale per il riconoscimento automatico di specie alloctone Ortofoto NIR

43 INDAGINI GEOLOGICHE E GEOTECNICHE

44 Ricostruzione stratigrafica di un versante Rilievo di una scarpata franosa presso le rive dell Adda in località Tirano (Valtellina) Hexakopter Mikrokopter Polimi Immagine campione Tirano Inquadramento cartografico

45 Ricostruzione stratigrafica di un versante Prodotti del rilievo: Modello 3D Ortofoto del versante Calcolo delle quote delle fratture del terreno Modello 3D

46 Ricostruzione multitemporale dell evoluzione morfologica di un ghiacciaio Rilievo del Ghiacciaio del Belvedere (Macugnaga VCO) finalizzato allo studio dell evoluzione del ghiacciaio a fronte dei cambiamenti climatici in atto (300 ha) Sensefly ebee POLITO Immagine campione Inquadramento geografico

47 Ricostruzione multitemporale dell evoluzione morfologica di un ghiacciaio Prodotti del rilievo: Modello 3D Ortofoto del ghiacciaio Evoluzione del ghiacciaio nel tempo

48 ..E MOLTO ANCORA DA INVENTARE

49 Rilievo da pallone di fontana monumentale in piazza Leonardo da Vinci Balloon starter kit gonfiato ad elio. Raggio di operatività (lunghezza cavo ancoraggio) : 500m payload: Nikon Coolpix Modello 3D Rilievo con finalità didattiche realizzato durante il corso di fotogrammetria con attrezzatura «lowcost». Piazza Leonardo da Vinci Milano (MI) Inquadramento cartografico Immagine del rilievo

50 UAV: Un Altro punto di Vista GRAZIE PER L ATTENZIONE!!