Aerofotogrammetria da drone. Principi, metodi ed usi.

La fotogrammetria da drone, o aerofotogrammetria da sUAV (small Unmanned Aerial Vehicle), è una tecnica innovativa che sfrutta droni equipaggiati con fotocamere per catturare immagini aeree ad alta risoluzione. Il fine è quello di elaborare foto per creare modelli tridimensionali dettagliati e mappe georeferenziate, per gli usi tecnici più disparati. Questo processo, che combina precisione tecnologica e pianificazione accurata, si suddivide in diverse fasi principali: pianificazione della missione di volo, acquisizione delle immagini, elaborazione dei dati e produzione di modelli e mappe in 2D o 3D.

A cosa serve l’Aerofotogrammetria da drone?

L’aerofotogrammetria da drone incontra molti settori professionali e trova soluzioni innovative e veloci per molte domande dell’attuale mercato. Si basa sul principio di Structure from Motion per raccogliere dati geospaziali e realizzare misurazioni lineari, areali e volumetriche. Che tu debba conoscere la lunghezza di un alveo strada, l’inclinazione di un versante, la superfice di un tetto, le misure di una facciata di un bene immobile, il volume di un accumulo di materiali lapidei o di un blocco di roccia, la fotogrammetria fa al caso tuo. Ma non si limita solo a questi aspetti poiché la fotogrammetria ricostruisce modelli tridimensionali di qualsiasi oggetto/area su cui tu intenda eseguire lavori.

L’aerofotogrammetria è difatti particolarmente utile in molti settori professionali. Ad esempio, nell’edilizia, consente di monitorare lo stato di avanzamento dei lavori e di pianificare interventi strutturali con maggiore precisione. Consente di individuare terreni da frazionare per delineare perimetri e confini, valutare l’andamento del terreno per capire come fondare adeguatamente una piano di fondazione su scarpate e terreni inclinati, aiuta a restituire planimetrie accurate per l’ambito architettonico di facciate di edifici.

I geologi la utilizzano anche per verifiche di stabilità dei versanti e monitorare il rischio idrogeologico. Addirittura, è possibile prendere giaciture su piani di roccia a vista ma ubicati a quote troppo elevate e non raggiungibili fisicamente dall’operatore. Questa tecnologia è fondamentale nello studio di un versante in frana, dove i modelli 3D ottenuti possono identificare movimenti del terreno e potenziali punti critici.

La fotogrammetria da drone trova riscontro anche nel settore agricolo in cui viene utilizzata per monitorare lo stato delle colture ed ottimizzare le risorse.

Pertanto, definiti i campi applicativi in cui trova riscontro questa tecnologia, entriamo nel vivo dell’argomento ed muoviamo i primi passi descrivendo le fasi operative.

Fotogrammetria da drone: Pianificazione delle Missioni di Volo

La pianificazione del volo è il primo step cruciale nella fotogrammetria da drone poichè è in questa fase che facciamo delle scelte mirate al tipo di risultato che vogliamo raggiungere. L’altezza di volo, la scelta della fotocamera e l’impostazione dei parametri, determinano la qualità e la precisione dei dati che verranno trasformati in modelli di studio. Per poter garantire un certo risultato, bisogna quindi conoscere delle nozioni fondamentali e propedeutiche al successo delle acquisizioni. Diversamente, i margini di errore saranno troppo alti ed andrà rifatto tutto da capo. Introduciamo le informazioni base:

– Payload e fotocamere per la fotogrammetria da drone:

Con il termine “Payload” si intende il carico che può essere applicato al drone che, in conformità alle disposizioni tecniche del costruttore, possono consentire il volo sicuro dell’aeromobile. Le fotocamere si configurano all’interno di questa definizione. Ne esistono di ogni tipo in commercio ma, per risultati professionali, si predilige l’uso di fotocamere a risoluzioni di 20 MP o superiori. Garantiscono immagini dettagliate, essenziali per ottenere modelli molto accurati. La scelta di sensori di grandi dimensioni (come full-frame o APS-C) e obiettivi a bassa distorsione è un’altro aspetto importante per migliorare la qualità delle immagini, specialmente in condizioni di scarsa illuminazione; si consiglia un sensore da almeno un pollice di grandezza. Infine, il tipo di otturatore da prediligere è quello meccanico. Questo poiché consente di scattare foto con il drone durante una navigazione anche spinta, senza avere problemi di distorsione delle immagini, come rappresentato di seguito.

Fatta quindi una prima introduzione sulla strumentazione fotografica da prediligere, passiamo alle nozioni tecniche che bisogna conoscere per programmare una corretta missione di volo. Introduciamo quindi i concetti di Ground Sampling Distance e Ground Common Point.

– Ground Sampling Distance (GSD)

Il Ground Sampling Distance (GSD) rappresenta la distanza sul terreno tra i centri di due pixel consecutivi in un’immagine. Il pixel è l’unità fondamentale della foto che determina, all’interno dell’immagine stessa, parametri precisi quali posizione e colore di detta unità. Questo spiega perché risulti necessario conoscere il rapporto della distanza tra i centri di due pixel, con l’immagine acquisita. Conoscere il GSD permette di definire la risoluzione del modello finale.

Un GSD con valore più basso corrisponde a una risoluzione più alta e ad un maggiore dettaglio grafico. Detto parametro è influenzato dalla combinazione tra altezza di volo del drone e caratteristiche della fotocamera; è un valore numerico che può essere calcolato. Come? Scopriamolo insieme:

Per calcolare un GSD ottimale, è essenziale considerare la risoluzione della fotocamera e l’altezza di volo:

Il GSD è sostanzialmente connesso a due parametri:

• La Risoluzione della Fotocamera: come già anticipato, fotocamere con risoluzioni elevate consentono GSD più bassi, offrendo maggiori dettagli. Per esempio, una fotocamera da 20 MP con un sensore standard produce immagini con pixel più piccoli e dettagli più definiti.
• L’Altezza di Volo: volare a quote più basse riduce sensibilmente la GSD, aumentando la risoluzione dell’immagine. Tuttavia, è necessario bilanciare l’altezza di volo con l’area da coprire e le condizioni del terreno per cercare di eseguire un rilievo che stia nei tempi della carica delle batterie del drone (e del numero di batterie che si possiede). Altro aspetto fondamentale, è quello di mantenere un’altezza sempre equidistante dal terreno, al fine di mantenere sempre la stessa risoluzione e distanza tra i punti acquisiti. In caso di versante inclinato, il quadricottero dovrà seguire l’andamento delle pendenze, mantenendo sempre la stessa distanza di presa fotografica dal suolo.

Noti dunque i parametri che incidono sul GSD, riportiamo di seguito la formula per il calcolo:

Tutti questi parametri possono essere gestiti tramite software come Pix4D, DroneDeploy e UgCS, che consentono di pianificare voli ottimizzati in base alla GSD desiderata. Per GSD desiderata si intende la risoluzione che viene richiesta dal progetto, dalle attività attese o semplicemente dal committente.

– GCP (Ground Common Points)

I Ground Control Points (GCP) sono punti di riferimento con coordinate note che vengono fisicamente posizionati nell’area in studio. Servono a migliorare significativamente la precisione della georeferenziazione del modello 3D. Il principio è il seguente: si dispone il punto di controllo e si batte nel suo centro una posizione con un GPS, collocandolo in uno spazio noto. Quando si andrà ad elaborare al pc il modello, non farà altro che restituire quella posizione nota, per quello specifico punto, all’interno del software di Structure From Motion. Questo ci consentirà di georiferire correttamente il modello e rettificare eventuali distorsioni, vincolando alla disposizione spaziale della realtà, il modello digitale desunto. Si consiglia una disposizione uniforme di 5-10 GCP per ettaro così da minimizzare gli errori di distorsione ed aumentare la precisione finale.

Tecniche di Rilievo Topografico Associate alla fotogrammetria da drone

Per acquisire le coordinate dei GCP, si utilizzano diverse tecniche di rilievo topografico, ciascuna con i suoi vantaggi:

• GPS (Global Positioning System): Con ricevitori di alta precisione come RTK (Real-Time Kinematic) e PPK (Post-Processed Kinematic), il GPS offre coordinate con precisione centimetrica. RTK fornisce dati in tempo reale, mentre PPK permette di correggere gli errori in post-elaborazione.
• Stazione Totale: Questo strumento combina un teodolite elettronico con un distanziometro elettronico, misurando angoli e distanze per calcolare la posizione tridimensionale dei punti rilevati. È particolarmente utile in aree con scarsa copertura GPS.
• GNSS (Global Navigation Satellite System): Oltre al GPS, il GNSS utilizza altre costellazioni satellitari (GLONASS, Galileo, BeiDou) per migliorare l’accuratezza e la disponibilità del segnale, garantendo una maggiore affidabilità.

Essenzialmente, la scelta della strumentazione ricade su aspetti quali il budget a disposizione, il contesto morfologico che può favorire o meno la visibilità delle costellazioni satellitari ed il tipo di lavoro che si intende affrontare.

Elaborazione della Pointcloud

Le immagini raccolte vengono caricate in software specializzati come Agisoft Metashape o Pix4D, che utilizzano algoritmi di Structure from Motion (SfM) per allineare le immagini e creare una nuvola di punti iniziale. Una nuvola di punti è un insieme di punti disposti in uno spazio 3D, ognuno caratterizzato da coordinate spaziali (x, y, z) ben definite. 

Le nuvole di punti sono utilizzate come base di partenza per la creazione di modelli 3D dettagliati e descrivono la superficie del terreno e gli oggetti presenti durante le riprese.

La nuvola di punti viene successivamente densificata, migliorando la risoluzione ed i dettagli del modello. Da qui si possono generare vari prodotti finali, come modelli 3D, mappe topografiche e modelli digitali di elevazione (DEM), utili per la mappatura delle pendenze, la vettorializzazione delle superfici ed il monitoraggio dei cambiamenti nel tempo di un’area. Ma arrivati a questo punto, ci sorge spontanea una domanda…

A cosa serve la fotogrammetria da drone e la Point Cloud?

La fotogrammetria da drone è uno strumento strategico per costi e velocità di realizzazione, che consente ai tecnici incaricati a tali mansioni, di restituire dei modelli tridimensionali o delle planimetrie accurate. Può essere applicato per rilevare ettari di terreno per studi di riperimetrazione, per acquisirne lo stato dei luoghi o semplicemente per creare un modello su cui costruire un progetto edilizio. Ma i suoi usi non finiscono qui, infatti questa tecnica di acquisizione può consentire anche studi ambientali o di mitigazione del rischio idrogeologico, acquisendo le aree per modelli da interrogare tramite la creazione delle curve di livello.

Le curve di livello sono desumibili da DTM e DEM, due tipologie di modelli di elevazione differenti provenienti dalla Dense Point Cloud. Tengono in considerazione le peculiarità del terreno (inteso come piano di calpestio) nel primo caso, e della vegetazione e/o urbanizzazione, per il secondo. Sono strumenti fondamentali per individuare problemi di acque ruscellanti, accumuli, agli impluvi, o semplicemente per valutare la risagomatura di un versante inclinato. La fotogrammetria trova anche riscontro sullo studio di beni culturali ed architettonici; in quest’ultimo caso, in occasione dei “bonus facciata”, sono molti gli edifici che hanno realizzato detti studi per migliorare l’aspetto del proprio condominio. Altro aspetto interessante è lo studio di tetti e coperture che, acquisiti con il metodo della fotogrammetria, permette di osservare aree non raggiungibili. Consente, in tale ambito, di preventivare rapidamente interventi di manutenzioni ordinarie e straordinarie.

Considerazioni e conclusioni

La fotogrammetria da drone rappresenta una tecnologia versatile per la mappatura del territorio, capace di fornire dati geospaziali in tempi brevi ed a costi contenuti. Tuttavia, il successo di questa tecnica dipende da una pianificazione accurata, dall’uso di strumentazioni avanzate, dalla competenza nella gestione delle missioni di volo. Insomma, deve essere gestita da personale esperto, munito dei titoli opportuni per poter condurre in sicurezza un drone in contesti urbani ed extraurbani. La normativa di riferimento per condurre un drone in sicurezza ed ai sensi di legge, viene gestita da ENAC e la puoi consultare cliccando qui. I risultati sono adatti a molteplici applicazioni che vanno dall’ambito edilizio alla pianificazione urbana. Fotogrammetria e geologia, sono un connubio perfetto per una risposta tecnica, sicura, celere ed esaustiva a quella che è la richiesta del mercato.

Lo Studio SANFELICE esegue questa tipologia di servizi e per ulteriori informazioni non esitare a contattarci.

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Domande Frequenti

1. In quali lavori è vantaggioso usare la fotogrammetria da drone?

Per rispondere diamo un pò di contesto. Immagina di dover rilevare delle misure su elementi verticali, aree non facilmente percorribili, a scarsa visibilità o con interferenze nel mezzo degli spazi da dover misurare per poter realizzare computi metrici, preventivi e per poter pianificare operazioni di cantiere. Qui entra in gioco la fotogrammetria. Con i droni puoi supervisionare aree enormi e complesse nell’arco di pochissimo tempo, acquisire tutte le informazioni attraverso delle fotografie a noto passo di campionamento e con criteri specifici di acquisizione, per poi gestire tutte le informazioni comodamente da un pc.
E quindi, trova riscontro nei seguenti ambiti:
– interventi in facciate di edifici sia storici che ordinari;
– interventi in copertura di edifici non percorribili;
– interventi su versanti in frana;
– interventi su aggregati edilizi;
– interventi su strade ed infrastrutture.

2. Cosa posso misurare con la fotogrammetria da drone?

Tutto. Aree, perimetri, misure lineare, misure puntiformi nelle tre dimensioni x, y e z (altezza, larghezza e profondità). Esempio: devi stabilire il volume di un cumulo di terra, detriti o di materiali di sfrido da movimentare? Devi misurare i dettagli architettonici lineari di una facciata verticale di un fabbricato? Devi valutare l’entità volumetrica di un cumulo di frana? La fotogrammetria permette questo ed altro.
Inoltre, visto che la fotogrammetria non fa altro che scomporre la realtà acquisita dalle foto in punti noti in uno spazio definito, dalla nuvola di punti densa è possibile anche effettuare studi geomeccanici su roccia, calcolando parametri di Dip e Dip direction che sono importanti nella caratterizzazione di ammassi rocciosi in quota non altrimenti raggiungibili se non con dei rocciatori esperti geologi (figure non facilmente reperibili e, in caso, le fasi di acquisizione su corda comporterebbero tempi molto più lunghi di consegna del datum).

3. La fotogrammetria aerea da drone può essere eseguita ovunque?

Dipende dal tipo di output che si necessita, ovvero dal tipo di informazioni che si vuole ottenere. Se è necessaria una semplice ortofoto, immagine nadirale che guarda al suolo risultato di interpolazione di più foto messe insieme, allora in quel caso potremmo azzardare un sì secco. Ovviamente facendo sempre riferimento alle norme dettate da ENAC ed ai relativi scenari di volo stabiliti dall’ENTE.
Se invece si intende ottenere immagini nadirali ad elementi verticali come facciate di immobili, scarpate verticali di versante ed affini, allora si necessita di uno spazio minimo in cui poter manovrare in sicurezza il drone. Quindi, in questi casi la logistica è importante per stabilire se proseguire con questa scelta di acquisizione oppure no.
Il problema non si pone invece su aree naturali aperte, soprattutto se prive di vegetazione alta e media ed in contesti di cantieri molto ampi.

4. Quanto costa un rilievo aerofotogrammetrico?

Il costo di un rilievo da drone parte da 350€ e dipende dalla complessità e dalla dimensione del rilievo da dover eseguire. Dipende inoltre dal tipo di output che si intende ricevere, che sia un ortofoto, un DSM, un DTM, o un DEM generico. Questo aspetto è cruciale poiché determina le operazioni di pianificazione del volo, studio che comporta un certo tempo da investire in una fase che precede il rilievo. Questa fase è fondamentale in quanto è qui che si decide la risoluzione del modello finale e quindi, il buon esito del rilievo che altrimenti dovrà essere eseguito ex novo.

5. Quanto dura un rilievo aerofotogrammetrico?

Il rilievo può durare 30min come può durare anche 2 ore. Talvolta, se l’area da rilevare è estremamente grande (parliamo di ettari di terreno) può essere ripartito anche in più di una giornata (anche se è configura un caso raro). Il bello della fotogrammetria è proprio questo, rilievo tecnico estremamente preciso con consegna dei risultati in tempi rapidi e ad un costo sicuramente più contenuto di rocciatori, personale su funi, noleggio di carelli elevatori, montaggio di ponteggi e manovalanza varia.