ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA SCUOLA DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE, CHIMICA, AMBIENTALE E DEI MATERIALI CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA CIVILE TESI DI LAUREA in Fotogrammetria Applicata APPLICAZIONE DI SISTEMI UAV (UNMANNED AERIAL VEHICLE) E DI TECNICHE GEOMATICHE INTEGRATE PER LA DOCUMENTAZIONE DEI BENI CULTURALI CANDIDATO Lorenzo Cericola RELATORE Chiar.mo Prof. Antonio Zanutta CORRELATORI Gabriele Bitelli Marco Dubbini Valentina Alena Girelli Anno Accademico 2013/2014 Sessione II
DOCUMENTAZIONE BENI CULTURALI BURNUM FOTOGRAMMETRIA DIGITALE LASER SCANNER DRONE SISTEMI UAV OPEN SOURCE MICMAC MODELLAZIONE 3D PAROLE CHIAVE
INTRODUZIONE Nella seguente Tesi sono state utilizzate diverse tecniche geomatiche integrate tra loro, allo scopo di realizzare e confrontare in modo rigoroso il rilievo degli Archi romani di Burnum (Croazia, 14-17 d.c.), tra queste; 1. Rilievo archi con FOTOGRAMMETRIA TERRESTRE; 2. Rilievo archi con FOTOGRAMMETRIA AEREA DA UAV; 3. Rilievo archi con LASER A SCANSIONE TERRESTRE. A questo proposito si è deciso di utilizzare per la generazione del modello tridimensionale, il software open source gratuito MICMAC, che permette di estrarre la nuvola di punti da immagini orientate. Si è poi voluto verificare l attendibilità metrica della nuvola generata dal software open source MICMAC, rispetto al sistema di laser a scansione. 1
Archi di Burnum (Lato Nord Ovest) Archi di Burnum (Lato Sud) 2
RILIEVO DEGLI ARCHI CON LA FOTOGRAMMETRIA TERRESTRE Il rilievo fotogrammetrico terrestre degli archi di Burnum è stato eseguito utilizzando la camera Canon EOS 5D Mark II. I set di foto sono così costituiti: - LATO NORD: N 3 Fotogrammi per ogni strisciata; Totale fotogrammi acquisiti: 27; Formato: JPEG; - LATO SUD: Stesso procedimento 3
RILIEVO DEGLI ARCHI CON LA FOTOGRAMMETRIA AEREA DA UAV Il sistema UAV utilizzato è di tipo VTOL (Vertical Take Off and Landing); si tratta di un esacottero modello ESAFLY A2500, prototipo progettato e prodotto dalla SAL Engineering e dotato della camera digitale Canon EOS 550D. 4
Modello Micro - drone Hexacopter Produttore S.A.L. Engineering - Modena Dimensioni D = 100 cm ; h = 30 cm Peso 3,3 kg (con batterie) Max carico 2,5 kg (gimbal + Canon EOS 550D) Max peso al decollo 5,8 kg Propulsione 6 motori elettrici Brushless Meccanica Carbonio con inserti in derlin Autonomia da 12 a 20 minuti Volo Manuale e/o automatico Il set di foto è così costituito: Totale fotogrammi acquisiti: 173; Formato CR2 (RAW); Tempo di volo: 6 minuti 5
RILIEVO DEGLI ARCHI CON LASER SCANNER Un ulteriore rilievo degli archi di Burnum è stato effettuato tramite laser scanner, anche allo scopo di disporre di un modello con cui confrontare i prodotti generati tramite la fotogrammetria. Nel caso oggetto di studio lo strumento utilizzato per il rilievo è il Leica ScanStation 2. 6
IL SOFTWARE MICMAC Il software opera attraverso tre principali fasi consecutive: 1. ESTRAZIONE PUNTI OMOLOGHI E ORIENTAMENTO RELATIVO DELLE IMMAGINI 2. ORIENTAMENTO DELLE IMMAGINI NEL SISTEMA LOCALE CON GCP 3. GENERAZIONE NUVOLA DI PUNTI MICMAC può essere installato su differenti sistemi operativi quali Windows, ios e Ubuntu (Linux); è stato preferito utilizzare la versione su Ubuntu poiché essendo questa sviluppata per prima dai programmatori è quella sempre più testata ed aggiornata. I comandi del software sono stati eseguiti attraverso riga di comando. TEMPI COMPUTAZIONALI (min) Punti omologhi 320 Orientamento locale 105 Generazione nuvola 30 Totale 500 min 8 ore Le nuvole di punti ottenute, potranno essere visualizzate all interno del software open source CloudCompare. 7
Lato Nord Lato Sud Modello tridimensionale ottenuto attraverso le immagini catturate da UAV e da Terra 8
CONFRONTO MODELLI TRIDIMENSIONALI La Figura mostra le due viste della mappa di deviazione, ottenute dal confronto tra la nuvola ottenuta con MICMAC e la nuvola di riferimento del laser in CloudCompare. Lato Nord Lato Sud Mappa di deviazione massima tra la nuvola ottenuta con Micmac e la nuvola di riferimento ottenuta con Laser Scanner 9
Osservando la scala, si osserva che la maggiore parte dei punti del modello ottenuto con MICMAC presenta uno scostamento dal modello di riferimento LASER di un valore tra 0,022 mm e 19 mm, ovvero uno scarto nell ordine di qualche centimetro, errore che, per le dimensioni dell oggetto, è assolutamente accettabile. Risulta inoltre che gli errori maggiormente gravosi sembrano dovuti principalmente a quattro motivi: - Piccoli solchi tra i mattoni; - Presenza di ostacoli nella presa; - Zone scure o in ombra; - Bordi dei muri. 10
CONCLUSIONI Si può affermare che il MICMAC è un ottimo open source 3D modeling tool poiché l accuratezza metrica raggiunge l ordine del cm. Inoltre si ha la possibilità di avere un processamento del dato: - veloce: l automazione delle procedure di calcolo permette di processare e creare il modello in breve tempo; - economico: il software oltre che essere open source è gratuitamente scaricabile dal web. Il laser scanner ha purtroppo ancora un costo molto più elevato rispetto agli strumenti utilizzati in fotogrammetria: oramai negli ultimi anni sono in commercio fotocamere e computer ad elevate prestazioni e a costi relativamente economici; il fattore di proporzione tra i costi è di 10/1. 11