L’utilizzo di mezzi UAS
(Unmanned Aircraft System)
nella Geomatica
Marco Dubbini
[email protected]
Principali Sensori per la
Geomatica
Fotogrammetrici
LIDAR
Termici
Multispettrali
Iperspettrali
2
Camera Reflex; Camera Mirrorless
Range < 100m
Camere termiche (Fiyr; Optris; ecc)
Sensori da 3 a n bande
500-900 nm con Spectral Step < 1 nm
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Tipologia di UAV
di proprietà SAL Engineering
Quadricottero
Elettrico
10 – 20 min
Esacottero
Elettrico
10 – 20 min
Ottocottero
Elettrico
10 – 20 min
MULTIROTORE
Elicottero Elett./ Endoter. / Turbina 10 – 60 min
ALA FISSA
3
Monoala
Elettrico
max 45 min
Aeroplano
Elettrico
max 60 min
Aeroplano
Endotermico 1 – 5 ore
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Multirotore
Quadricottero
4
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Multirotore
Ottocottero
6
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Multirotore
Elicottero
7
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Ala fissa
Monoala
8
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Ala fissa
Monoala
9
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Ala fissa
Aereo
10
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Ala fissa
Aereo
11
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Beni Culturali
Complesso di Santo Stefano – Bologna
Marco Dubbini1,2; Mario Gattelli2; Riccardo Rivola3; Isabella Toschi3; Alessandro Capra3
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Metodologia (I)
• Acquisizione di un numero elevato di immagini
da diverse angolature
• Tramite fotocamera reflex Canon 550D calibrata
• Trasportata in quota mediante – Esacopter ESAFLY
A2500
13
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
UAS
ESAFLY A2500
SAL Engineering - Modena
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MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
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MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
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MODENA
20-21 Febbraio 2014
Complesso di Santo Stefano
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MODENA
20-21 Febbraio 2014
Schema di acquisizione
20
MODENA
20-21 Febbraio 2014
3D Model Image Based
(Aerial Photogrammetric)
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MODENA
20-21 Febbraio 2014
3D Model Range Based
(Terrestrial Leser Scanner)
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MODENA
20-21 Febbraio 2014
Validazione (I)
Sezioni orizzontali modello Image Based
n sezioni
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MODENA
20-21 Febbraio 2014
Validazione (II)
Sezioni orizzontali modello Range Based
n sezioni
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MODENA
20-21 Febbraio 2014
Validazione (III)
Sezioni a confronto
25
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Sito Archeologico di BURNUM
(Croazia)
1,3 Marco
Dubbini; 1,3 Lucia Irene Curzio;
2,3 Alessandro Campedelli
di Bologna – sez. Geografia
2 Univ. di Bologna – sez. Archeologia
3 SAL Engineering - Modena
1 Univ.
• Produzione di un Modello Digitale
di Superficie (DSM) dell’area del
castrum romano di Burnum
• Produzione di Ortofoto della stessa
area
• Sperimentazione
di
tecnologie
nell’ambito
fotogrammetria
27
nuove
della
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Area Studio
28
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Sito Archeologico di BURNUM
Archi della Basilica forense
Panorama sulla Krka
Anfiteatro
29
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
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MODENA
20-21 Febbraio 2014
Traiettorie realizzate
31
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Processo fotogrammetrico
Fotogrammetria
classica
32
MODENA
Computer Vision
e algoritmi
Structure From Motion
20-21 Febbraio 2014
Acquisizione PFA
Acquisizione dati GNSS
Processamento dati
33
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Creazione Modello 3D
Ricostruzione del modello tridimensionale
1.
2.
3.
4.
34
Software: Photoscan
Individuazione punti omologhi e creazione della nuvola di punti sparsa
Ricostruzione della geometria dell’oggetto
Adjustment del modello tramite PFA
Texturizzazione del modello geometrico
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Prodotti finali (I)
35
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Prodotti finali (II)
36
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Analisi
37
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Classificazione e Validazione
Confronto DSM da UAV e DTM da misure GNSS Stop and Go a terra con
passo 5m
Caratteristica
Punti
Totale
3207
dZ<-0,8
751
-0,8<dZ<0,8
2293
dZ>0,8
164
DTM GNSS - DSM UAV classificato
250
200
150
100
50
0
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
numero di punti
DTM GNSS – DSM UAV
Media=-0.403 m SQM=1.042 m
differenze di quota (metri)
Media = -0.131 m SQM = 0.375 m
38
MODENA
20-21 Febbraio
2014
Validazione DEM da UAS
F. Mancini1 M. Dubbini2,3 M. Gattelli3 F. Stecchi4 S. Fabbri4 G. Gabbianelli4
1 Politecnico
di Bari
2 Univ.
di Bologna sez. Geografia
3SAL
Engineering – Modena
4Univ.
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
ESACOTTERO ESAFLY A2500
39
Camera EOS 5500 Reflex calibrata
Produttore: SAL Engineering
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Area di studio
Geomatica
DICAM –
40
Università di Palermo
MODENA
20-21 Febbraio 2014
22.11.2013
Misure GNSS di riferimento
41
MODENA
20-21 Febbraio 2014
DEM (0.20m) – LST
Risultati
Note sul rilevo:
Durata: 3 ore circa
# fotogrammi: 18
# target: 6
42
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Sistema UAS
43
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
DEM (0.04m) – UAS
45
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Risultati
DEM (0.04m) – UAS
46
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Dettagli
DEM (0.04m) – UAS
47
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Dettagli
UAV – LST Point Clouds Difference
48
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Confronti UAV-GNSS e TLS-GNSS
49
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Considerazioni e Dettagli
Poster esposto presentato da
dott. Francesco Mancini
Articolo pubblicato su
Remote Sensing 2013, 5(12), 6880-6898;
ISSN: 2072-4292 doi: 10.3390/rs5126880
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Dissesto Idrogeologico
Frana di Capriglio (PR)
Marco Dubbini; Mario Gattelli; Giacomo Uguccioni
Univ. di Bologna sez. Geografia & SAL Engineering - Modena
51
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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 0.01-0.02m
• Definizione delle coordinate dei centri di presa con accuratezza 0.01-0.02m
52
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Dissesto Idrogeologico (III)
Frana di Capriglio (PR)
53
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Distacco Roccioso
M.te Sorapiss (BL)
56
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Distacco Roccioso
M.te Sorapiss (BL)
57
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Distacco Roccioso
M.te Sorapiss (BL)
58
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Distacco Roccioso
M.te Sorapiss (BL)
59
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Distacco Roccioso
M.te Sorapiss (BL)
60
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Creazione Modello 3D
Ricostruzione del modello tridimensionale
1.
2.
3.
4.
63
Software: 3D Zephyr
Individuazione punti omologhi e creazione della nuvola di punti sparsa
Ricostruzione della geometria dell’oggetto
Adjustment del modello tramite PFA
Texturizzazione del modello geometrico
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Modello 3D da UAS
64
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
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
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Modello 3D pre-frana
68
MODENA
20-21 Febbraio 2014
DSM pre-frana
Da foto Aeree Regione Veneto
69
MODENA
20-21 Febbraio 2014
DSM post-frana
Da UAV
70
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Calcolo Volumi
DSM pre frana – DSM post frana
71
MODENA
20-21 Febbraio 2014
Calcolo Volumi
Area di frana rilevata = 0.03 Km2
Errore stimato volumetrico dovuto
al DSM derivante da foto aeree
del 2006: (2σ) ~20%
Calcolo dei volumi:
•UAV-DSM pre = 2.119,37 m3
Volume complessivo stimato:
~ 4.700,00 m3
72
MODENA
20-21 Febbraio 2014
L’utilizzo di mezzi UAS
(Unmanned Aircraft System)
nella Geomatica
Marco Dubbini
[email protected]
