UNMANNED AERIAL SYSTEMS FOR DATA ACQUISITIONS IN

CRITICITA’ E SOLUZIONI PER IL
RILEVAMENTO IN AMBITO AMBIENTALE
CON PIATTAFORME UAV
UAV / RPAS in Italia
Piattaforme, regolamenti, applicazioni e problematiche
20-21 Febbraio 2014
Irene AICARDI, Andrea LINGUA, Francesca NOARDO, Paolo MASCHIO
Politecnico di Torino, DIATI
email: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Modena, 20-21 Febbraio 2014
SOMMARIO
- La metodologia
• la pianificazione
• l’acquisizione
• il processamento dati
- La strumentazione
• consolidata
• il futuro
- I casi studio
• peculiarità
• punti forti e criticità
• risultati
- Conclusioni
LA METODOLOGIA PROPOSTA
Pianificazione
del rilievo
Esempio di schema per l’acquisizione e il processamento
dati da UAV per un’applicazione ambientale
(3 voli  copertura ̴ 50-60 ha)
Tempo:
Acquisizioni
con UAV
2 Ore
Misurazione dei
vertici GNSS
Rilievo dei
marker
Operazioni in
laboratorio
2 Ore
Operazioni non
necessarie sul campo
Tempo:
Operazioni
sul campo
Triangolazione
fotogrammetrica
Ricostruzione
del modello 3D
Generazione di
DTM e ortofoto
Generazione di
ortofoto solide
‘Fotogrammetria diretta con UAV: attuali limiti e possibili sviluppi futuri’ – F.Chiabrando, M.Piras, A.Lingua
LA STRUMENTAZIONE
Per consentire un rilievo fotogrammetrico diretto anche in aree in cui non è possibile applicare
un volo tradizionale, il sistema proposto consiste in un mini-UAV Hexakopter (di Mikrokopter) a
basso costo equipaggiato con:
- una fotocamera digitale: Sony-NEX 5
- sensori per navigazione autonoma:
real time GNSS/IMU
- antenne per la telemetria
Caratteristiche delle antenne:
Telemetria: l’UAV è stato connesso a un computer remoto
in real time attraverso una comunicazione wireless (Xbee –
frequenza: 2,4GHz) attraverso un’antenna e comunica con
il software inviando informazioni circa la posizione,
l’orientamento, l’altezza e la velocità.
D-Link DWL-R60AT: patch antenna
Tipologia: Micro-strip Patch
Range di frequenza: 2.4-2.5 GHz
Guadagno: 6 dBi
Sirio SLP-1.7:2.5-11 : log-periodica
Tipologia : direzionale
Range di frequenza : 1.7-2.5 GHz
Guadagno : 11 dBi
LA PIANIFICAZIONE
I voli vengono pianificati usando un’immagine satellitare
georeferenziata per stabilire:
- altezza media di volo: 15-70 m
 velocità di volo
convergenza del meridiano
e declinazione magnetica
- direzione
- numero di strisciate
Obiettivo: sovrapposizioni longitudinali: 75-90%
sovrapposizioni trasversali: 60-80%
 strisciate trasversali di bordo
Pianificazione dei parametri di volo dell’UAV con
Mikrokopter Tools:
- posizione 2D dei waypoints in coordinate
geografiche
- altezza relativa rispetto a quella di partenza
- velocità di ogni percorso e direzione di volo
- area di ricerca dei waypoint
I CASI STUDIO: LA CAVA DI RORA’
Finalità: rilievo di aree non facilmente accessibili e in condizioni di non sicurezza utilizzando
fotogrammetria da drone
Peculiarità: sito con impossibilità di raggiungere alcune aree e collocare punti d’appoggio
sulla parete rocciosa
Rilievo: 5 luglio 2013
Operatori: 4
Strumentazione:
- antenna GNSS e ricevitore
- stazione totale e prisma
- UAV
- fotocamera Sony Nex
- PC per il controllo in remoto
Tesi di Antonello Croce sviluppata in collaborazione con Marilena Cardu – DIATI Politecnico di Torino
I CASI STUDIO: LA CAVA DI RORA’
Sono stati realizzati diversi voli:
- 2 con l’asse della camera orientato lungo la
direzione nadirale
- 1 orientato con camera orizzontale, per
acquisire foto della parete rocciosa
̴ 1900 immagini sono state acquisite in circa
25 minuti di volo (sovrapposizione: ̴ 95%)
Immagini
selezionate: 33
- rosa: asse orizzontale
- blu: acquisizioni nadirali
Sovrapposizione: circa 60%
Software utilizzatI: PhotoScan di Agisoft
LPS di ERDAS
L’APPOGGIO TOPOGRAFICO
Determinazione delle coordinate 3D di una serie di
punti lungo la cava:
- 2 vertici misurati con strumentazione GNSS in
modalità statica per georeferenziare il modello
- misurazione di 27 marker a terra con stazione
totale (TS06 Leica Geosystems) sui 2 vertici
NO MARKER SULLA PARETE VERTICALE
Elaborazione: - software GEOSW
- local reference system
Rilievo topografico ed elaborazione
Tempo impiegato
Operatori
Rilievo
Elaborazione
1h
1h
2
1
PC per l’elaborazione
Lenovo S430
Sistema operativo
Windows8 Pro, 64 bit
Processore/RAM
intelCore i7/DDR3 8 GB
POST PROCESSING – Bundle Block Adjustment
Modello 3D
Tempo impiegato
2h
Operatori
1
PC per l’elaborazione
Lenovo S430
Sistema operativo
Windows8 Pro, 64 bit
Processore
intelCore i7
RAM
DDR3 8 GB
L’orientamento esterno è stato svolto collimando:
- gli stessi punti (GCPs ) su ogni immagine e
associandoli alle loro coordinate
- Tie Points (TPs ), usando riferimenti naturali,
quando I marker non erano sufficienti
- Check Points (CPs ), usati per controllare la
qualità dei risultati
Residual errors < admissible errors (5 cm)
POST PROCESSING – Creazione ortofoto solida
Creazione dell’Ortofoto Solida: immagine
generata dalla fusione tra il DTM, che
contiene le informazioni relative alla
quota, e un’ortofoto, che descrive la
rappresentazione 2D
Software STOPviewer: le
informazioni 3D possono essere
lette in “un’imagine 2D”
Un tool sviluppato dagli autori in linguaggio Visual Fortran, STOPGENerator, consente di
generare queste informazioni: è possibile creare un singolo DTM dell’intera area e,
successivamente, associate ad esso, produrre le ortofoto  strumento interdisciplinare
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
Finalità: Rilievo del letto del fiume, soggetto a rischi; confronto tra tecnica LiDAR e
fotogrammetrica per la generazione del modello e l’eventuale estrazione di informazioni
relative al fondo del fiume
Peculiarità: analisi del differente comportamento, e relativo contenuto informativo, da
sensori laser e fotogrammetrici in presenza di acqua
Stage 5x1000 per la documentazione metrica
dei principali rischi ambientali del Centro di
informazione ambientale per il recupero e la
valorizzazione dei corsi d’acqua alpini e dei
loro ecosistemi (in particolare la lontra).
Il centro è soggetto ai seguenti rischi:
- caduta massi rilasciati dalla parete rocciosa
che lo sovrasta
- esondazione del torrente Savara, nel tratto
subito a monte e limitrofo al centro e al
paese di Rovenaud
- frana immediatamente a valle del centro
Rilievi: 23-25 ottobre 2013
Operatori: Strumentazione:
- topografica/GNSS
- laser scanner Faro
- UAV
- fotocamera Sony Nex
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
Nuvola di punti da dati laser
Nuvola di punti da dati fotogrammetrici
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
cm
Nuvola di punti da laser scanner:
- la definizione della nuvola è
funzione della distanza dal punto di
presa  aumentando la distanza
diminuisce la densità della nuvola
- mancanza di informazioni in aree
con presenza di acqua
dati laser
cm
dati fotogrammetrici
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
cm
cm
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
Generazione delle sezioni nel tratto
di fiume in prossimità della cascata:
laser (Scene)
fotogrammetria
(PhotoScan)
fotogrammetria
(MicMac)
Soluzione migliore:
MicMac
Sviluppi futuri: quantificazione delle deformazioni dovute all’acqua ancora presenti
nella sezione modellata.
I CASI STUDIO: IL FIUME DI ROVENAUD
Generazione delle sezioni nel tratto
di fiume in prossimità della cascata:
laser (Scene)
fotogrammetria
(PhotoScan)
fotogrammetria
(MicMac)
Soluzione migliore:
MicMac
I CASI STUDIO: ANTENNE DI MEDICINA
Finalità: valutazione della possibilità di aumentare le precisioni partindo da riprese
fotogrammetriche da UAV
Peculiarità: pianificazione del rilievo in funzione delle precisioni attese
Test site: Medicina (BO)
Caratterizzazione di antenne per
radioastronomia attraverso l’utilizzo di droni.
Collaborazione con IRA-INAF e CNR-IEIIT per il
progetto SKA (Square Kilometer Array)
Altezza di volo: 20 m
Rilievo: 16 ottobre 2013
Operatori: 2
Strumentazione: - stazione totale e prisma
- UAV
- fotocamera Sony Nex
- PC per il controllo in remoto
I CASI STUDIO: ANTENNE DI MEDICINA
Parametri iniziali:
- dimensione del pixel: 5,10 µm
- lunghezza focale: 15,9757 mm
- punto principale: x0 = - 0,0113, y0 = 0,0210 mm
LPS di ERDAS
Parametri inseriti:
- coordinate 3D di 37 GCP
- UTM ETRF2000 WGS84 fuso 32N
- parametri di orientamento esterno sconosciuti
Posizionamento di marker,
appositamente creati, sul
centro di ogni antenna
Migliore individuazione del
centro stesso in fase di
elaborazione  maggior
precisione di collimazione
I CASI STUDIO: ANTENNE DI MEDICINA
Residui sui Check Points
Point ID
rE [m]
rN [m]
rh [m]
106
0.0058
-0.0026
-0.0189
100
0.0052
-0.0045
-0.0198
103
0.0060
-0.0048
-0.0190
Modello 3D
Tempo impiegato
Operatori
Rilievo
Elaborazione
1h
30 min
2
1
PC per l’elaborazione
Lenovo S430
Sistema operativo
Windows8 Pro, 64 bit
Processore/RAM
intelCore i7/DDR3 8 GB
Possibilità di utilizzare marker codificati?
I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE
Finalità: test con camera multispettrale al fine di definire la tipologia di modello ottenibile e
caratterizzare la fotocamera stessa
Peculiarità: utilizzo di dati diversi dal campo del visibile
Rilievo: 16 luglio 2013
Operatori: 3
Strumentazione:
- antenna GNSS e ricevitore
- UAV
- fotocamera TetraCam ADC Lite
- PC per il controllo in remoto
Un ringraziamento a Enrico Borgogno, Livio Pinto e Daniele Passoni per le analisi relative alla camera multispettrale
I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE
TetraCam ADC Lite fotocamera digitale nel visibile e nell’infrarosso
Autocalibrazione: (LPS di ERDAS)
- poligono Laboratorio di Geomatica
- 26 marker 8x8 cm
- riprese fotografiche da camera
Parametri iniziali:
- dimensione del sensore: 6,59 x 4,90 mm
- dimensione del pixel: 3,18 µm
Risultati dell’autocalibrazione
Red
c
[mm]
ξ0
[mm]
Ƞ0
[mm]
8,1608
-0,0042
-0,0237
Green
8,1610
-0,0626
-0,1456
Nir
8,5027
0,2225
-0,1652
k1
-2,29E-03 -3,18E-03
-1,85E-03
k2
8,93E-05
1,10E-04
1,33E-04
c [mm]
corretta
8,089
8,057
8,458
10,00
20,00
5,00
5,00
10,00
0,00
0,00
0,00 00
-5,00
0
-10,00
-10,00
-5,00
-15,00
-20,00
-20,00
-10,00
-30,00
-25,00
-40,00
-30,00
-15,00
-50,00
-35,00
-40,00
-20,00
-60,00
-12,699x
yy==-8,8498x
y = -5,2933x
R²
=
0,7736
R² = 0,7813
R² = 0,8516
0,5
0,5
0,5
1
1
1
1,5
1,5
1,5
2
2
2
2,5
2,5
2,5
3
3
3
C.distorsione
C.distorsione
C.distorsione
C.distorsione
C.distorsione
corretta
corretta
C.distorsione
corretta
Lineare
Lineare
(C.distorsione)
(C.distorsione)
Lineare
(C.distorsione)
I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE
Problemi:
- trascinamento del pixel tra le bande
- modelli molto “rumorosi”
Software: - PhotoScan
- MicMac
I CASI STUDIO: CAMERA MULTISPETTRALE
Problemi:
- trascinamento del pixel tra le bande
- modelli molto “rumorosi”
Software: - PhotoScan
- MicMac
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Finalità: applicazione di tre software diversi sullo stesso test site: studio delle procedure
applicative, tempi e risultati ottenibili
Tesi di laurea magistrale Ingegneria Edile:
Daniele Moia
Software utilizzati: - MicMac
- Pix4UAV
- Correlator3D
Rilievo: 16 luglio 2013
Operatori: 3
Strumentazione:
- antenna GNSS e ricevitore
- stazione totale e prisma
- UAV
- fotocamera TetraCam ADC Lite
- PC per il controllo in remoto
Tesi sviluppata in collaborazione con Filiberto Chiabrando – DAD/DIATI Politecnico di Torino
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall’IGN. Ad oggi il software è
principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows.
Tipologie di orientamento:
- relativo
- con Ground Control Points
- con coordinate GPS dei centri di
presa
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall’IGN. Ad oggi il software è
principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows.
Tipologie di orientamento:
- relativo
- con Ground Control Points
- con coordinate GPS dei centri di
presa
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall’IGN. Ad oggi il software è
principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows.
Tipologie di orientamento:
- relativo
- con Ground Control Points
- con coordinate GPS dei centri di
presa
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall’IGN. Ad oggi il software è
principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows.
Tipologie di orientamento:
- relativo
- con Ground Control Points
- con coordinate GPS dei centri di
presa
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
MicMac (Interfaccia grafica): software Open Source sviluppato dall’IGN. Ad oggi il software è
principalmente operativo su Linux e Mac..si sta implementando la parte Windows.
Tipologie di orientamento:
- relativo
- con Ground Control Points
- con coordinate GPS dei centri di
presa
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Pix4UAV : software sviluppato da Pix4d per l’elaborazione di immagini aeree, che consente di
combinare un grande numero di immagini, acquisite da piattaforme volanti leggere in mappe
2D e modelli 3D accurati. Pix4UAV permette di automatizzare quasi totalmente il processo
fotogrammetrico.
Unico requisito richiesto: localizzazione
GPS approssimata delle immagini
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Pix4UAV : software sviluppato da Pix4d per l’elaborazione di immagini aeree, che consente di
combinare un grande numero di immagini, acquisite da piattaforme volanti leggere in mappe
2D e modelli 3D accurati. Pix4UAV permette di automatizzare quasi totalmente il processo
fotogrammetrico.
Unico requisito richiesto: localizzazione
GPS approssimata delle immagini
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Pix4UAV : software sviluppato da Pix4d per l’elaborazione di immagini aeree, che consente di
combinare un grande numero di immagini, acquisite da piattaforme volanti leggere in mappe
2D e modelli 3D accurati. Pix4UAV permette di automatizzare quasi totalmente il processo
fotogrammetrico.
Unico requisito richiesto: localizzazione
GPS approssimata delle immagini
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Pix4UAV : software sviluppato da Pix4d per l’elaborazione di immagini aeree, che consente di
combinare un grande numero di immagini, acquisite da piattaforme volanti leggere in mappe
2D e modelli 3D accurati. Pix4UAV permette di automatizzare quasi totalmente il processo
fotogrammetrico.
Unico requisito richiesto: localizzazione
GPS approssimata delle immagini
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Correlator3D : software sviluppato da SimActive. Anche quest’applicazione richiede la
conoscenza dei centri di presa delle immagini. Altro requisito richiesto: modello digitale del
terreno.
Procedura iterativa nello svolgimento del ‘Bundle Adjustment’: - Camera Calibration
- Boresight Calibration
- Full External Orientation
Boresight Calibration
Errore: 100 pixel
Full External Orientation
Errore: 50 pixel
Full External Orientation
Errore: <1 pixel
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Correlator3D : software sviluppato da SimActive. Anche quest’applicazione richiede la
conoscenza dei centri di presa delle immagini. Altro requisito richiesto: modello digitale del
terreno.
Procedura iterativa nello svolgimento del ‘Bundle Adjustment’: - Camera Calibration
- Boresight Calibration
- Full External Orientation
Boresight Calibration
Errore: 100 pixel
Full External Orientation
Errore: 50 pixel
Full External Orientation
Errore: <1 pixel
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Correlator3D : software sviluppato da SimActive. Anche quest’applicazione richiede la
conoscenza dei centri di presa delle immagini. Altro requisito richiesto: modello digitale del
terreno.
Procedura iterativa nello svolgimento del ‘Bundle Adjustment’: - Camera Calibration
- Boresight Calibration
- Full External Orientation
Boresight Calibration
Errore: 100 pixel
Full External Orientation
Errore: 50 pixel
Full External Orientation
Errore: <1 pixel
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Correlator3D : software sviluppato da SimActive. Anche quest’applicazione richiede la
conoscenza dei centri di presa delle immagini. Altro requisito richiesto: modello digitale del
terreno.
Procedura iterativa nello svolgimento del ‘Bundle Adjustment’: - Camera Calibration
- Boresight Calibration
- Full External Orientation
Boresight Calibration
Errore: 100 pixel
Full External Orientation
Errore: 50 pixel
Full External Orientation
Errore: <1 pixel
I CASI STUDIO: LERI CAVOUR
Pix4UAV : risultati migliori
Poche operazioni: - inserimento centri di presa
- specificazione sistema di riferimento
- collimazione GCP
No necessità certificato di calibrazione
Possibilità di lavorare in Cloud
Software a pagamento
MicMac : risultati da affinare
Possibilità di selezione del metodo di triangolazione.
Inserimento manuale dei parametri di orientamento
interno ove non presenti.
Software open source
CONCLUSIONI
Vantaggi:
- sistemi a basso costo e facilmente trasportabili
- sicurezza in aree difficilmente accessibili e instabili
- acquisizioni rapide sul campo e con tempi di elaborazione relativamente brevi
- possibilità di ottenere facilmente prodotti 2D e 3D misurabili
- opportunità di generare prodotti utili come basi per nuove analisi
- adattabilità della tecnica al singolo caso studio
- possibilità di indagine del sito con diversi sensori, complementari e confrontabili.
Svantaggi:
- necessità di operatori esperti
- problema di payload: talvolta è necessario svolgere più voli per coprire l’intera area
NON SEMPRE LA SOLUZIONE MIGLIORE RISIEDE NELL’APPLICAZIONE DI UN’UNICA TECNICA
 SPESSO E’ DA CONSIDERARE L’INTEGRAZIONE DI APPROCCI/SOLUZIONI DIVERSE
Sviluppi futuri:
- sviluppo hardware/software
- integrazione multisensoristica: informazioni oltre il visibile (termiche, Nir..)
- implementazione di algoritmi di pre-selezione/elaborazione dei dati
- verifica delle modalità applicative, operative e le criticità dei vettori basati su ala fissa
- continuazione dei test sui software
RINGRAZIAMENTI
PRIN 2010-2011, Research programs “Tecniche geomatiche innovative ed emergenti di rilievo,
telerilevamento e WEBGIS per la mappatura del rischio in tempo reale e la prevenzione del danno ambientale”
Un ringraziamento particolare a Enrico Borgogno, Livio Pinto e
relative alla camera multispettrale
Daniele Passoni per le analisi
Antonello Croce e Marilena Cardu per la collaborazione sulla cava di Rorà
IRA-INAF e CNR-IEIIT per la collaborazione relativa al progetto SKA
Un ringraziamento speciale ad Antonia
Spanò, Filiberto Chiabrando, Piero Boccardo e
tutto il gruppo di studenti 5X1000 per le analisi realizzate a Rovenaud