I DRONI AL SERVIZIO DEI GEOMETRI
Il costante sviluppo tecnologico ha portato computer sempre piu potenti ed un rapido diffondersi di ogni tipo di droni, sempre piu performanti ed affidabili. Questi nuovi mezzi offrono possibilità di utiizzo anche a noi geometri.
Vediamo in dettaglio le principali caratteristiche dei droni e le possibili applicazioni nel nostro campo.
CENNI DI FOTOGRAMMETRIA
La fotogrammetria è una tecnica di rilievo che permette di ottenere dati metrici di un oggetto tramite l’acquisizione di una coppia di fotogrammi stereometrici.
Questa tecnica viene utilizzata in cartografia, topografia ed in architettura. La branca della fotogrammetria che riguarda il rilievo architettonico prende il nome di fotogrammetria architettonica. La fotogrammetria che riguarda il rilievo tramite acquisizioni aeree prende il nome di aereofotogrammetria.
La fotogrammetria in generale, quindi, permette di identificare la posizione spaziale di tutti i punti di interesse dell’oggetto considerato. Questa tecnica. per quanto originariamente nata per essere utilizzata nel rilievo architettonico. è attualmente utilizzata in massima parte per il rilevamento topografico del territorio, principalmente nella forma di fotogrammetria aerea.
Uno degli ostacoli che fino a qualche anno fa non ne hanno permesso completo utilizzo, è stato sicuramente il costo delle attrezzature necessarie alla fotogrammetria.
Oggi i computer potenti e la grafica computerizzata, ne hanno permesso un utilizzo sempre più ampio, in modo semplice e con costi minori.
L’avvento di queste tecnologie, ha reso obsolete le vecchie apparecchiature e la fotogrammetria è ora utilizzata anche in ambiti dove prima non trovava spazio.
Attualmente rappresenta una delle tecniche di acquisizione dei dati del territorio tra le più affidabili, economiche e precise.
Le basi della nascita della futura fotogrammetria dunque, furono gettate con la scoperta della prospettiva e delle sue leggi per legare la posizione spaziale di un punto alla sua posizione in un’immagine. Nel 1759 Johann Heinrich Lambert, definì le leggi matematiche su cui ancora si basa la fotogrammetria, ma bisogna aspettare il 1883 per avere il primo studio sulle relazioni tra geometria proiettiva e fotogrammetria. (Wikipedia).
Il concetto è molto semplice: un punto ripreso da un’immagine ha coordinate x e y sull’immagine stessa. Lo stesso punto ripreso in un’altra immagine, ha altre coordinate x e y sull’altra immagine. Ebbene, tramite un’equazione le quattro coordinate coordinate x1, x2, y1, y2, restituiscono le coordinate nello spazio del punto xp, yp, zp.
I DRONI OGGI
I sistemi aerei a pilotaggio remoto, ovvero SAPR, o volgarmente droni, hanno oggi un mercato ed una diffusione crescente.
Non parleremo dei droni prettamente ludici o acrobatici, ma esclusivamente di quelli multirotore utilizzabili in campo tecnico.
Faremo un elenco delle caratteristiche che distinguono i SAPR in base a ciò che si vuole ottenere, alla qualità del prodotto finale, all’affidabilità ed alla possibilità di upgrade.
GPS
Sebbene sia possibile ricavare delle immagini anche con scatti manuali da volo comandato dal pilota, l’uso del gps rende possibile la pianificazione a tavolino della missione di acquisizione e permette all’APR di seguire automaticamente un percorso indicato e di scattare immagini automaticamente nelle posizioni corrette.
I SAPR più evoluti e precisi, possono anche montare gps di tipo rtk, con posizionamento centimetrico.
Il gps, oltre alla possibilità di pianificare un volo automatico, è in grado di correggere la posizione del drone in caso di vento.
PESO
Oggi si trovano in commercio droni da poche centinaia di grammi fino ad oltre 15 kg. Più un APR è piccolo e più facilmente è trasportabile, però dall’altra parte, più è leggero e più è sensibile al vento ed ha mediamente meno autonomia e meno possibilità di trasportare sensori di qualità.
PAYLOAD
Il Payload è la capacità di carico di un drone. In generale più il drone è grosso e pesante e più peso può trasportare in quanto ha motori (di solito da 4 a 8) più potenti. Ci sono droni che possono portare piccole fotocamere native con sensori molto piccoli e spesso con qualità scadente (ad esempio le vecchie go-pro con il classico difetto di curva all’orizzonte), mentre salendo con la capacità di carico, si possono avere fotocamenre sempre più performanti, anche fino a 100 mp, con sensori full-frame ed obiettivi di ogni tipo.
Su droni più importanti si possono montare più sensori in contemporanea, ad esempio, fotocamere, videocamere professionali con definizione fino ad 8k, termocamere, sensori iperspettrali e multispettrali, laserscanner lidar, ecc.
PRODOTTI DI MARCA O ASSEMBLATI
Il mondo dei SAPR si divide in prodotti cosi detti commerciali, realizzati in serie oppure autocostruiti, o comunque costruiti a doc in base alle proprie necessità, di qualità più o meno elevata.
Il vantaggio dei SAPR autocostruiti è che si possono progettare e far realizzare esattamente come lo si desidera, con le caratteristiche specifiche adatte a compiere il lavoro richiesto, magari utilizzando sistemi gps, centraline di navigazione, di controllo, gestione e telecomandi di marche diverse.
Il vantaggio dei sistemi prodotti in serie è che sono il risultato di studi approfonditi, ricerche, test di massa, ricerca continua, verifica dell’integrazione dei vari componenti, aggiornamenti continui di firmware, portati anche da numerosi feedback dei clienti.
QUALITA’ DEI SENSORI
Chiaramente la fotogrammetria, lavorando su immagini, produrrà risultati diversi in base alla qualità dei sensori e delle lenti utilizzate. Le variabili sono la grandezza del sensore (1”, 2/3, APSC, full-frame, ecc), il numero dei megapixel, la qualità dell’obbiettivo, la presenza di aberrazioni.
RIDONDANZA
I droni di qualità più elevata, sono dotati di sistemi ridondanti, come due o più unità gps, due o più bussole elettroniche, due o più accellerometri (IMU), sistemi per la terminazione del volo, paracadute, ecc.
Tali sistemi superiori portano ad un’inevitabile maggior sicurezza ed affidabilità del mezzo.
APPLICAZIONE DEI SAPR
Oltre alle classiche fotografie, ispezioni e video di ogni tipo, scendendo nel campo più tecnico, con i SAPR è possibile eseguire rilievi più diversi.
La prima fase è l’acquisizione di immagini con qualità idonea e con la corretta sovrapposizione longitudinale e trasversa in modo da avere ogni punto ripreso da un alto numero di fotogrammi (overlap).
L’acquisizione può essere fatta in modo zenitale (ad esempio per la creazione di ortofoto), in modo inclinato (ad esempio per modelli 3D), in modo orizzontale (ad esempio per fronti di scavo, scarpate e prospetti di fabbricati).
Le immagini devono essere quindi “date in pasto” ad un software che effettui l’operazione di “structure from motion”. In sostanza il software, effettuando pesanti calcoli, riconosce i punti uguali di ogni immagine (punti omologhi) e con equazioni relativamente semplici, li posiziona con le coordinate esatte nello spazio, ottenendo cosi una nuvola di punti (prima sparsi ed in seconda fase più o meno densi).
La nuvola di punti può essere poi importata in software in grado di gestirla, oppure può essere ulteriormente elaborata in modo da creare delle mesh, ovvero delle facce triangolari che uniscono i punti nello spazio. La mesh può essere utilizzata per creare piani quotati, sezioni, profili, calcoli di volumi, sterri e riporti, modelli digitali del terreno, DEM o DSM.
Andando ancora oltre è possibile applicare alla mesh le informazioni relative al colore ed ottenere così una mesh con texture. Quest’ultima visivamente è la condizione più simile alla realtà. Può essere utilizzata per creare modelli 3D spaziali, interattivi, addirittura navigabili con la tecnologia VR.
Ai fini tecnici è tuttavia fondamentale, per avere un risultato metrico accettabile e misurabile, posizionare dei target. Ovvero delle mire che il drone ritroverà nelle immagini e che verranno “battute” da gps o stazioni totali. Ciascuno quindi dotato delle rispettive coordinate spaziali assolute (o relative). Tali punti verranno utilizzati dal software per vincolare il modello creato ed adattarlo alla situazione reale, georeferenziando il risultato. Altri target possono essere utilizzati come punti di controllo, al fine di poter verificare e misurare lo scarto ottenuto dall’elaborazione.
Si sottolinea che l’utilizzo dei SAPR non è alternativo e non sostituisce la topografia, come spesso si legge sui vari blog, ma in molte situazioni può esserne una valida integrazione e completamento.
Sintetizzando, si propone un elenco non esaustivo dei risultati ricavabili da drone:
– Fotografie e video dall’alto per documentazione, ispezioni, verifiche, ecc.
– Ortofoto e fotopiani.
– Curve di livello
– Modelli digitali del terreno, dove ad ogni colore corrisponde una certa quota.
– Sezioni, profili longitudinali
– Calcolo di volumi, sterri e riporti
– Restituzione di prospetti di fabbricati
– Modelli 3D interattivi
– Nuvole di punti importabili in software 3D e Bim
– Rilievi 3D in zone non accessibili (siti archeologici, alvei di fiumi, zone a rischio geologico o crolli, zone pericolose, terremoti, ecc)
– Verifica e controllo di pendii del terreno, fronti di scavo, smottamenti, ecc
SITUAZIONE NORMATIVA
I sistemi aerei a pilotaggio remoto (SAPR), sono equiparati ad aeromobili e come tali sono soggetti alla normativa dell’Ente Nazionale di Aviazione Civile (ENAC).
Tutti i SAPR ad uso tecnico, sopra i 300 grammi, che effettuano operazione specializzate, devono essere riconosciuti o autorizzati da Enac in base alla tipologia di operazioni da svolgere. In riferimento al luogo, si dividono in “operazioni specializzate non critiche” ed “operazioni specializzate critiche”.
L’operatore SAPR deve quindi ufficializzare il possesso del proprio mezzo in base all’utilizzo voluto. Le flotte di APR devono avere copertura assicurativa verso terzi con i massimali previsti da ogni tipo di operazione. Diversa dalla figura dell’Operatore SAPR c’è la figura del pilota, il quale deve seguire appositi corsi, aver eseguito una visita medica specifica. Oltre a ciò deve avere un brevetto specifico che si divide in “Pilota per operazioni non critiche” o “Pilota per operazioni critiche”, per la rispettiva classe di peso. ovvero da 300 gr a 4 kg (Very Light), oppure tra i 4 kg ed i 25 kg (Light).
Le sanzioni in caso di inosservanza della normativa Enac sono molto pesanti e raggiungono spesso molte migliaia di euro.
Il campo normativo italiano è purtroppo ancora in fermento e siamo in attesa che anche l’Italia recepisca il nuovo regolamento Europeo, ma ne riparleremo forse tra un paio d’anni.
CONCLUSIONI
La fotogrammetria applicata ai droni rappresenta oggi una risorsa in contante crescita e sviluppo. La sua sempre maggior diffusione ed applicazione in campo soprattutto tecnico e professionale è la conseguenza del miglioramento di tecnologie sempre più sofisticate ed affidabili. Essa rappresenta una valida integrazione in campo topografico, architettonico, urbanistico, archeologico, geologico.
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