Il rilievo dei fabbricati è una cosa complessa e che richiede tempo, specie se la produzione deve essere veloce e precisa in questo periodo in cui la mole di lavoro aumenta e i progetti vanno preparati velocemente.
Con le nuove tecniche LiDaR, è possibile rilevare interi fabbricati in poco tempo, portandosi in studio un vero e proprio “gemello digitale” del manufatto, di cui in ufficio è possibile conoscere misure, stato dei luoghi e produrre gli elaborati in breve tempo.
L’evoluzione del rilievo 3D sta vivendo un passaggio epocale. Sempre di più si sente la necessità di passare da sistemi tradizionali a quelli dotati di tecnologia Laser Scanner.
Esigenza d’altronde dettata dal mercato: è richiesta sempre più velocità nell’acquisizione dei dati laser e sempre più produttività.
Oggigiorno, infatti, i professionisti si trovano ad affrontare impegnative sessioni di rilievo che con le strumentazioni tradizionali, quali il disto e la Stazione Totale, potrebbero richiedere lunghe e numerose giornate lavorative. Senza considerare che gran parte del lavoro dovranno eseguirlo in studio disegnando manualmente sezioni e prospetti e qualsiasi altro elemento considerato utile al fine dell’intervento.
Il rilievo con tecnologie laser scanner sia statiche sia in movimento non è certamente una novità, ma il vero cambiamento è dovuto nell’utilizzo del Laser Scanner in movimento, e in assenza di segnale GPS. Tutto ciò è oggi possibile grazie alla tecnologia SLAM.
L’acronimo SLAM sta per Simultaneous Localization and Mapping, ossia Mappatura e Localizzazione Simultanee, ed è una tecnologia nata tra gli anni ’80 e ’90 nell’ambito dell’industria robotica. Gli ingegneri svilupparono un algoritmo che consentiva ai robot di mappare e navigare contemporaneamente all’interno di un ambiente chiuso senza l’ausilio del GPS.
I dispositivi come lo ZEB Horizon prendono i dati dai sensori, in questo caso una testa rotante dotata di un sensore LiDAR, per costruire un’immagine dell’ambiente che li circonda e riuscendo a posizionare gli elementi all’interno di quell’ambiente.
I dati forniti dal LiDAR e contemporaneamente da una piattaforma inerziale (IMU) all’interno dello strumento consentono di calcolare e di posizionarsi nell’ambiente circostante.
Spostando la sua posizione all’interno dell’area, tutte le geometrie dell’ambiente, cioè muri, pavimenti, pilastri, etc., assumeranno la posizione relativa al dispositivo e l’algoritmo SLAM potrà migliorarne la stima delle loro coordinate con le nuove informazioni di posizione.
Si tratta, quindi, di un processo iterativo: più iterazioni richiede il dispositivo, più accuratamente può posizionarsi all’interno di quello spazio.
Una volta capito qual è il principio di base degli strumenti GeoSLAM ci si rende immediatamente conto degli enormi vantaggi, ovvero:
Il caso riportato di seguito riguarda il rilievo di una palazzina composta da 3 piani. Per la grandezza e la tipologia di fabbricato, affrontare il rilievo con gli strumenti tradizionali costringerebbe gli operatori a ritornare più e più volte sul campo, con conseguente perdita di tempo prezioso e un ammontare di costi non previsti.
Anche l’utilizzo di strumentazioni più recenti e veloci come i Laser Scanner statici potrebbe non essere la strategia più efficace. I Laser Scanner statici, infatti, nonostante garantiscano molti vantaggi rispetto alla Stazione Totale, tra cui i tempi di acquisizione dei dati notevolmente più bassi e l’ottenimento di un modello 3D completo, in questo caso specifico impiegherebbero diversi giorni di lavoro per acquisire l’intero fabbricato compreso ogni singolo appartamento e la parte esterna.
Per questa tipologia di scenario si è deciso, quindi, di impiegare uno strumento capace di ottenere il massimo rendimento senza scendere a compromessi con la qualità del dato acquisito.
L’attività di rilievo si è tenuta con un’unica sessione di circa 20 minuti per rilevare l’intera palazzina compresi di tutti gli ambienti e la parte esterna.
Il risultato ottenuto è sotto forma della cosiddetta nuvola di punti, un elemento scalato e misurabile che può essere continuamente analizzato per ottenere informazioni fondamentali in tale ambito quali il disegno di piante, sezioni, prospetti, calcoli di aree, misure classiche, volumi e via di seguito.
In questa occasione è stato utilizzato lo strumento ZEB HORIZON, il top di gamma dell’azienda GeoSLAM, leader globale del mercato SLAM, con l’accessorio ZEB VISION, la nuova fotocamera panoramica in risoluzione 4K.
La parte hardware della GeoSLAM è accompagnata lato software da una Suite altrettanto potente e completa.
Terminata la fase di acquisizione in soli 20 minuti è stato importato il dataset all’interno della piattaforma GeoSLAM Connect.
Nel software è possibile navigare all’interno della nuvola e, grazie alle foto panoramiche ottenute dalla ZEB VISION, è possibile spostarsi all’interno delle bubble view, stile street view, dove è possibile anche prendere delle misure dirette in quanto si tratta di immagini perfettamente georeferenziate con la nuvola di punti ottenuta.
L’acquisizione delle immagini oltre ad essere di ausilio per il rilievo permette di avere traccia di quella che era la situazione al momento dei lavori. Se ad esempio il rilievo è stato eseguito durante la posa di tubature e/o cavi che inevitabilmente verranno ricoperti nella fase successiva, avere le informazioni dell’esatta posizione di questi impianti ci consentirà poi di poter compiere futuri lavori senza andare incontro a spiacevoli inconvenienti.
La suite GeoSLAM inoltre offre un modulo molto potente e interessante, GeoSLAM DRAW, che consente in maniera semplice di estrarre planimetrie e sezioni dai dati della nuvola di punti, nonché la vettorizzazione automatica degli elementi all’interno dell’ambiente rilevato.
I formati delle sezioni e planimetrie generati in DRAW possono impiegarsi senza problemi con altri software di terze parti, come quelli CAD o delle piattaforme più note in ambito BIM.
Principalmente per i seguenti fattori:
Microgeo è a disposizione per una consulenza gratuita, e consigliarti le soluzioni più adatte ed efficaci per le vostre esigenze di rilievo 3D e per il vostro budget.
L’utilizzo di più strumentazioni dotate di tecnologie diverse consente di affrontare i rilievi senza scendere a compressi con la produttività, la resa grafica e la precisione del dato.
È il caso del rilievo dimostrativo effettuato presso Piazzale Porta del Molo di Genova.
In questa occasione Microgeo ha impiegato l’innovativo Sistema Mobile Mapping ZEB HORIZON della GeoSLAM – l’azienda leader del mercato SLAM 3D- con la nuova camera ad alta risoluzione ZEB VISION e il Sistema fotogrammetrico telescopico 3D EYE.
La praticità dello ZEB HORIZON ha consentito il rilievo dell’intero piazzale in pochi minuti, mentre con il Sistema 3D EYE sono state acquisite aree di dettaglio che si sono concentrate prevalentemente sulla Porta del Molo.
La durata del rilievo SLAM in campo è stata di soli 10 minuti, mentre la parte di elaborazione compresa di colorazione della nuvola è durata 40 minuti.
Con il Sistema 3D EYE sono state scattate 84 foto e sono state allineate ed elaborate nel software di Fotogrammetria 3DF ZEPHYR ottenendo un modello 3D ad alta definizione (circa 40 minuti di elaborazione automatica).
Successivamente le due nuvole di punti provenienti da sistemi diversi (SLAM e 3D EYE) sono state unite all’interno di 3DF Zephyr utilizzando il potente algoritmo ICP presente all’interno del software, che ha consentito di scalare la nuvola fotogrammetrica su quella Laser dello ZEB HORIZON.
Infine è stata generata una mesh fotorealistica della facciata principale della struttura derivante dall’unione dei due modelli.
La sperimentazione presentata costituisce la prima fase di una ricerca interdisciplinare finalizzata alla codificazione di procedure di controllo e analisi non distruttiva dello stato di conservazione di manufatti del patrimonio culturale per orientare azioni di conservazione preventiva.
Lo studio è coordinato dal prof. Massimiliano Campi, dalla prof.ssa Antonella di Luggo e dall’arch. Valeria Cera del Dipartimento di Architettura dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, nell’ambito dell’Accordo di Collaborazione Scientifica tra il Centro Interdipartimentale di Ricerca Urban\Eco della Federico II e la Diocesi di Teggiano-Policastro, nella figura del Vicario Generale, Don Giuseppe Radesca.
L’indagine è stata condotta sulla chiesa di San Michele Arcangelo a Padula interessata da fenomeni di distacco dell’intonaco di alcuni affreschi del 1954, localizzati all’intradosso dei sistemi voltati, dai quali risultano ora visibili le tracce di pitture antecedenti.
Il lavoro è stato condotto con il supporto dell’azienda MicroGeo, coinvolta allo scopo di relazionare le componenti morfo-metriche acquisite con tecniche di rilievo strumentale ad aspetti cognitivi e tecnici quali dati microclimatici, termici, materici e di scostamento geometrico, al fine di rendere il modello tridimensionale del rilievo architettonico un supporto per la simulazione di scenari connessi a programmi di prevenzione conservativa.
Per tale motivo, dopo aver effettuato un rilievo TLS con un Faro Focus3D X330 della chiesa, sono state acquisite informazioni di dettaglio delle parti ammalorate degli affreschi attraverso un rilievo con termocamera.
Impiegando una camera termica TESTO890, sono state scattate immagini termiche e, allo stesso tempo, sono state registrate anche fotografie nel campo del visibile con una camera reflex CanonEos1300D collocata sullo stesso treppiede in modo da far coincidere i centri ottici dei due sensori nella fase di processamento. All’interno del software 3DF Zephyr, sono stati dapprima orientati e processati i fotogrammi reflex. Sfruttando la coincidenza dei centri ottici, sono state selezionate poi le immagini termiche come origine del dato. A partire dalla nuvola densa precedentemente ricostruita, le informazioni sul comportamento termico delle superfici sono state proiettate sui singoli punti della nuvola ottenendo un modello 3D discreto in cui per ogni punto alla posizione nello spazio risulta aggregato anche il valore di temperatura e il dato di colore.
Con riferimento alla cupola di copertura del transetto, l’analisi degli stati termici ha evidenziato la presenza di 4 aree fredde discendenti dalla lanterna verso l’imposta, con una temperatura più bassa (di 0.8 o 1.9 gradi a seconda della stagione) rispetto alle zone circostanti.
La lettura incrociata dei dati termici con quelli geometrici e fotografici ha restituito l’insistenza di una condizione patologica di forte umidità in 4 spicchi che sono molto più estesi rispetto alle parti che visivamente risultano intaccate.
Una ispezione visiva condotta all’estradosso, ha consentito in effetti di ricondurre tali porzioni ai punti liberi della superficie della cupola, non interessati dall’intersezione con il sistema di copertura dell’aula e del transetto. Qui, in effetti, non era presente una adeguata coibentazione, oggi messa in opera.
Grazie quindi ai dati provenienti dalla termocamera è stata ravvisata la presenza di umidità che non è visibile in superficie e, per questo, da monitorare per ovviare alla manifestazione di ulteriori fenomeni di degrado, comportanti distacchi di intonaco in aree più grandi.
Chiaramente, le analisi e le relative valutazioni critiche definiscono la base di partenza per indirizzare alcune azioni di intervento diretto e, al tempo stesso, orientare le scelte più opportune per successivi approfondimenti diagnostici, più ristretti e mirati, riducendo i danni al patrimonio storico.
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Questa fase di progetto ha visto il supporto degli arch. Michele Sanseviero, Alessandro Cancellaro e Marika Falcone nonché il contributo degli architetti Giovanni Angrisani e Lorenzo Bisceglia.
Il lavoro è stato, inoltre, condotto con la competente collaborazione di Michele Cirignano e il sostegno dell’azienda MicroGeo che si ringraziano per aver messo a disposizione della ricerca la termocamera TESTO890 e il software 3DF Zephyr per il processamento dei dati.
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Per ulteriori approfondimenti, si rimanda alla lettura di alcuni contributi scientifici:
Cera Valeria (2022). Multisensor Data Fusion for Cultural Heritage Assets Monitoring and Preventive Conservation. ISPRS International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLVI-2/W1-2022, pp.151-157. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLVI-2-W1-2022-151-2022, 2022.
Cera Valeria (2021). La manipolazione di modelli discreti per orientare l’indagine diagnostica per il restauro. In Rosa Anna Genovese (Ed.), Il patrimonio culturale tra la transizione digitale, la sostenibilità ambientale e lo sviluppo umano. Cultural Heritage in digital transition, environmental sustainability and human development, pp. 167-190. Napoli: Giannini Editore. ISBN 978-88-6906-196-7.
Sostanzialmente ci sono 3 tipologie di laser scanner: TOF (a tempo di volo), a differenza di fase ed a triangolazione.
La tecnologia laser scanner a Tempo di Volo permette di generare la nuvola di punti tramite il calcolo del tempo impiegato dal raggio laser a percorrere la distanza dall’emettitore al soggetto colpito e viceversa, sapendo che la velocità di propagazione del fascio laser è paritetica a quella della luce. Conoscendo l’angolo verticale ed orizzontale dell’emissione del raggio potremo definire la coordinate del punto misurato. Questi laser scanner si caratterizzano per l’abilità di rilevare dati molto distanti, arrivando addirittura a 6 km di raggio.
Nei laser scanner a differenza di fase la distanza è calcolata comparando la differenza di fase tra l’onda trasmessa e quella ricevuta, questa tecnica richiede dedicati algoritmi di calcolo per generale le informazioni delle coordinate nello spazio. Questi laser scanner si caratterizzano per una velocità di acquisizione molto rapida e per una elevata densità di dato acquisito che può arrivare fino a 0.6 mm tra un punto e l’altro ad una distanza di 10 metri.
La tecnologia dei laser scanner a triangolazione si basa sull’acquisizione da parte di un sensore IR di un pattern di punti infrarossi in un determinato spazio, i proiettori IR ad oggi permettono di proiettare fino a 300.000 raggi 60 volte al secondo permettendo acquisizione 3D in movimento ed in tempo reale. Questi laser scanner si caratterizzano per la maneggevolezza d’uso e per l’abilità di scansionare zone d’ombra non rilevabili con i laser scanner precedenti..
L’evoluzione del rilievo 3D sta vivendo un passaggio epocale. Sempre di più si sente la necessità di passare da un Laser Scanner Terrestre a un Laser Scanner in movimento.
Esigenza d’altronde dettata dal mercato: è richiesta sempre più velocità nell’acquisizione dei dati laser e sempre più produttività.
Il rilievo in movimento non è certamente una novità, ma il vero limite nell’utilizzare questa tecnologia è vincolata alla presenza del segnale GPS, oltre ai costi elevati di questi sistemi.
Il passaggio epocale nell’utilizzo del Laser Scanner in movimento in assenza di segnale GPS oggi è possibile grazie alla tecnologia SLAM.
Senza entrare troppo nello specifico si tratta di una tecnica dove lo strumento che si muove in un ambiente sconosciuto costruisce in “tempo reale” la mappa di tale ambiente.
SLAM è l’acronimo di Simultaneous Localisation And Mapping e i leader indiscussi di questa tecnologia è la società inglese GeoSLAM.
Oltre ad ottimizzare l’algoritmo SLAM si sono spinti a creare hardware e software estremamente versatili e unici.
Ecco le 5 principali unicità:
… ma vediamole nel dettaglio queste unicità
Modularità dei sistemi Laser
GeoSLAM produce strumenti per tutte le tasche e per tutte le applicazioni.
Infatti se devo effettuare rilievi principalmente in interno il prodotto più adatto è lo ZebGO. Il sistema è anche implementabile con un Tablet qualora si avesse la necessità di vedere direttamente in campagna il risultato.
Inoltre, è possibile inserire una video camera oppure con una fotocamera panoramica.
Se i rilievi si svolgono in esterno fino a 30 m è possibile utilizzare sempre lo Zeb Go, ma per distanze superiori lo strumento più idoneo è lo Zeb Horizon.
Quest’ ultimo in particolare è estremamente versatile. La GeoSLAM, ad esempio, produce una staffa dedicata per il posizionamento su drone e su auto.
È possibile espandere il sistema a mezzo di uno zaino dedicato con una macchina fotografica sferica ad alta risoluzione qualora per esempio l’oggetto del rilievo è un centro abitato, o addirittura integrare sempre nello zaino anche un’antenna GPS.
Laser in grado di rilevare con qualsiasi inclinazione
Questo è un aspetto per nulla trascurabile. Sono presenti sul mercato Laser Scanner sempre con tecnologia SLAM che non possono essere inclinati per acquisire in quanto si bloccano nella fase di acquisizione.
Questo non avviene con GeoSLAM, tant’è che una delle applicazioni è proprio quella del rilievo dei pozzi. In questi particolari contesti viene prodotta un’asta per calare il sistema nei pozzi o per portare lo strumento in quota.
Lavora anche in assenza di luce
Altro aspetto fondamentale, a differenza di altri sensori SLAM sul mercato che utilizzano le fotocamere per “vedere” dei punti e correggere la traiettoria, i prodotti GeoSLAM lavorano anche totalmente al buio perché sono in grado di riconoscere le geometrie degli oggetti acquisiti.
Possibilità di acquisire punti di controllo
Questa caratteristica rende il Laser Scanner GeoSLAM uno strumento topografico.
A mezzo di una piastra alloggiata alla base dello strumento è possibile acquisire punti di coordinate note siano essi orizzontali e verticali. In post-processamento dei dati, quindi, è possibile effettuare una roto – traslazione rigida e non rigida migliorando ulteriormente il calcolo della traiettoria.
Ri – processamento dei dati laser
Questo è un aspetto che non ha prezzo. Molto probabilmente ti starai chiedendo perché potresti avere la necessità di riprocessare i dati.
Prendiamo ad esempio che nella zona di rilievo non sono presenti sufficienti superfici di collegamento tali da permettere al software di svolgere il calcolo con i parametri standard, e questa mancanza di superfici la scopriamo solamente quando si elaborano i dati.
Questo significa non eseguire il rilievo o dover ritornare ed effettuare le misure.
Avere la possibilità di intervenire sull’elaborazione per modificare per esempio il parametro di sovrapposizione della superficie in comune, oppure aumentare o diminuire il numero di punti utili per definire una geometria e altri parametri, garantisce di non bloccarsi in campagna e concludere sempre il lavoro.
I Laser Scanner sono strumenti in grado di misurare ad altissima velocità la posizione di centinaia di migliaia di punti i quali definiscono la superficie degli oggetti circostanti. Il risultato dell’acquisizione è un insieme di punti molto denso comunemente denominato “nuvola di punti”.
Possiamo definire i laser scanner come sistemi di misura diretta permettendo di ottenere misurazione correlate ad una precisione strumentale definita da un certificato di calibrazione.
Come funziona il laser scanner?
Prima di avviare la nostra scansione per ottenere la già citata “nuvola di punti” occorre impostare i parametri della stessa. Infatti la velocità e il passo delle rotazioni possono essere impostate dall’operatore, il quale agendo su questi parametri determina la risoluzione della scansione, cioè la densità della griglia di punti rilevati ad una certa distanza, e la qualità del dato acquisito, tipicamente più alta per rotazioni più lente. I due parametri determinano quindi anche la durata della scansione che può variare da circa trenta secondi fino a varie decine di minuti per scansioni complete a 360°.
Durante l’acquisizione lo strumento archivia, per ciascun punto rilevato, la distanza calcolata e gli angoli orizzontale e verticale in base alla posizione del corpo e dello specchio. Oltre a queste informazioni, viene acquisito anche il valore di riflettanza della superficie colpita dal laser che sarà tanto più alto quanto la superficie tenderà al colore bianco.
Inoltre esistono laser scanner 3D che montano una fotocamera digitale integrata che, dopo la fase di acquisizione dei dati geometrici, viene utilizzata attraverso procedure automatiche per l’acquisizione di immagini dello spazio rilevato. Le foto così acquisite saranno successivamente mosaicate dai software di elaborazione dei dati e applicate alle nuvole di punti per arricchirle delle informazioni di colore.
Come funziona il Laser Scanner Mobile?
Oltre al laser scanner terrestre esistono sistemi laser che acquisiscono dati in movimento, i cosiddetti laser scanner mobili.
Essi possono essere integrati a bordo di autoveicoli, veicoli su rotaie, imbarcazioni, aerei, elicotteri o droni.
Questi scanner sono molto utili per rilevare grandi aree in tempi brevi.
Le applicazioni principali possono essere:
Durante lo spostamento questi scanner acquisiscono il dato e lo registrano in tempo reale; il sistema di stabilizzazione IMU e il posizionamento tramite GPS aiutano lo strumento in questa fase.
Scanner Mobile con tecnologia SLAM
Esistono, inoltre, sistemi di scansione in movimento che non fanno uso del GPS ma utilizzano la tecnologia SLAM.
Per SLAM (dall’inglese Simultaneous Localization And Mapping) si intende il processo per cui uno strumento si muove in un ambiente sconosciuto, costruisce la mappa di tale ambiente ed è capace di localizzarsi all’interno di quella mappa.
I dispositivi come gli strumenti GeoSLAM prendono i dati dai sensori, in questo caso un Laser Scanner, per costruire un’immagine dell’ambiente che li circonda e riuscendo a posizionare gli elementi all’interno di quell’ambiente. I dati forniti dal Laser Scanner e contemporaneamente da una piattaforma inerziale (IMU) all’interno dello strumento consentono di calcolare e di posizionarsi nell’ambiente circostante.
Le attuali strumentazioni per il rilievo 3D forniscono possibilità e prospettive di valorizzazione e conservazione nell’ambito dei Beni Culturali e Archeologici che fino a pochi anni fa erano impensabili.
Diventa cruciale oggigiorno fornire gli strumenti che consentano a chiunque di poter ammirare anche solo virtualmente i reperti, quali sculture, monumenti e manufatti di pregevole fattura che le civiltà del mondo antico ci hanno lasciato in eredità.
In questo contesto Microgeo è in grado di dare il suo contributo, fornendo gli strumenti più appropriati grazie alla propria esperienza pluriennale nel rilievo 3D.
Nell’ambito del progetto ENI CBC MED Programme 2014-2020 dal titolo: “iHERITAGE. Mediterranean Platform for UNESCO Cultural Heritage”, che si sta conducendo presso il Dipartimento di Architettura dell’Università degli Studi di Palermo (Coordinatore del PP9-UNIPA Prof.ssa Rossella Corrao), il gruppo di ricerca che vede coinvolti -oltre al coordinatore- anche i Proff. Francesco Di Paola e Calogero Vinci, sta indagando le complesse e diffuse opere ipogee nascoste nel sottosuolo realizzate nel corso dei secoli a Palermo, che costituiscono un’evocativa testimonianza della storia e del culto-cultura dell’acqua nella città storica: i qanāts.
Grazie al Sistema Mobile Mapping ZEB Horizon e ai potenti e affidabili algoritmi sviluppati dall’azienda GeoSLAM i ricercatori dell’Università degli Studi di Palermo, con il supporto dell’Azienda Microgeo, sono riusciti a riprodurre un gemello digitale di un tratto di queste inestimabili opere ipogee, altrimenti impossibile, considerando le difficili e complesse condizioni di presa, utilizzando sia i metodi tradizionali sia altre strumentazioni di tecnologia più recente, quali i Laser Scanner Statici e le Stazioni Totali.
Il gruppo di ricerca ha presentato ad Expo Dubai 2020 i primi risultati delle attività di ricerca relativi al progetto, nell’ambito del convegno organizzato dall’Assessorato Turismo, Sport e Spettacolo della Regione Siciliana (capofila) nella sala Accademia del Padiglione Italia in occasione della “Travel & Connectivity week”.
Credits:
– Gruppo Speleologico C.A.I. di Palermo http://www.gscaipalermo.com/gruppo-speleologico-cai-palermo/).
– UNIPA_Università degli Studi di Palermo/DARCH_Dipartimento di Architettura https://www.unipa.it/dipartimenti/architettura
– Progetto “iHERITAGE. ICT Mediterranean Platform for UNESCO Cultural Heritage” (finanziato dall’ENI CBC MED Programme 2014-2020), Coordinatore del PP9-UNIPA: Prof.ssa Rossella Corrao; Gruppo di Ricerca Proff.: Francesco Di Paola, Calogero Vinci). https://www.enicbcmed.eu/projects/iheritage
– Corrao, R., Di Paola, F., Termini, D., Vinci, C., “Investigation of the underground building heritage and the mechanism of water flowing in Qanāts in Palermo through innovative surveying techniques”, The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XLVI-M-1-2021, ISSN:1682-1777, pagg.147-154, Doi:10.5194/Isprs-Archives-Xlvi-M-1-2021-147-2021.
Visto il fatto che i droni stanno diventando degli strumenti di riferimento per i professionisti della topografia, quale può essere il drone più adatto per iniziare ad utilizzare questa nuova metodologia?
Poiché accuratezza ed affidabilità sono due elementi essenziali per chi fa’ topografia, è comprensibile che molti professionisti abbiano esitato ad adottare la tecnologia dei droni. I metodi tradizionali funzionano e non sempre e’ il caso di correre rischi inutili adottando tecnologie non ancora completamente assimilate.
Esistono però dei preconcetti che possono condurre a questo scetticismo. Infatti moltissimi progetti possono essere portati a termine grazie alla precisione che la tecnologia dei droni riesce ad offrire. Dove la precisione che queste applicazioni forniscono non soddisfa a pieno le esigenze del lavoro, il drone può comunque
integrare il lavoro fatto con i metodi tradizionali, questa unione di tecnologie diverse offre comunque un enorme risparmio in termini di tempo, di costi e di rischi per chi opera sul cantiere.
I droni sono diventati un nuovo strumento di lavoro in una vasta gamma di settori. Questo vale anche per il modo della topografia, anche se i metodi tradizionali avranno comunque sempre una posizione di rilievo nel workflow delle operazioni, e in alcuni casi, rappresenteranno anche l’unica soluzione possibile.
Perché i topografi cominciano ad utilizzare la tecnologia dei droni?
Il risparmio di tempo, di costi, il miglioramento della sicurezza collettiva, rappresentano i principali vantaggi che i droni apportano nei diversi settori in cui vengono utilizzati. Tutto cio’ influenza in modo positivo le applicazioni topografiche.
Prendiamo l’esempio di Altametris, una societa’ di raccolta e analisi dei dati che appartiene al gigante ferroviario francese SNCF.
Confrontando i diversi metodi di acquisizione del dato durante l’indagine di un tratto di ferrovia metropolitana, il team ha scoperto che il binomio Matrice 300 e Zenmuse P1 riduce notevolmente i tempi di start up del lavoro. La tecnologia GNSS RTK integrata nel Matrice 300 ed il sensore full-frame della Zenmuse P1 hanno fornito dati sufficienti per poter ridurre drasticamente il numero di punti di controllo topografici necessari alla elaborazione di tutto il rilievo.
Secondo i calcoli fatti dai tecnici di Altametris, per poter contare su una precisione di rilievo di 3 cm servirebbe materializzare e misurare circa 40 punti di controllo a chilometro quadrato e spesso non sarebbe sufficiente nemmeno l’uso della sola tecnologia GNSS.
Oltre ad impegnare le squadre per diverso tempo, questi metodi comportano la dispendiosa movimentazione delle attrezzature di rilievo nell’area ferroviaria del cantiere. L’introduzione del rilievo da drone ha significato meno ore di stazionamento del personale nell’area ed una drastica riduzione dei rischi per le squadre topografiche, tutto cio’ avviene inoltre senza sacrificare l’accuratezza e l’affidabilita’ del rilievo. C’e’ da considerare inoltre che la nuova camera Zenmuse P1 ha dato risultati eccellenti anche in condizioni di scarsa illuminazione.
La riduzione del numero dei punti di controllo necessari per le missioni di rilievo fotogrammetrico, consente di far risparmiare agli operatori un’enorme quantità di tempo. Ma è probabilmente nel rilievo di aree inaccessibili o pericolose che la tecnologia dei droni fa la differenza con i metodi tradizionali.
Le aree ferroviarie sono solo un esempio di un ambiente di lavoro poco agevole per gli operatori che utilizzano dei metodi tradizionali di rilievo, questi cantieri sono piu’ idonei per applicazioni di rilievo automatizzato.
L’utilizzo dei droni con particolari payload come per esempio la Zenmuse P1, fornisce inoltre una grandissima mole di dati.
Nonostante i tempi di rilievo e l’intervento umano in campo siano ridotti notevolmente, il dato prodotto porta con se’ una grande quantita’ di informazioni e di dettagli. Produrre questa mole di dati con i metodi tradizionali comporterebbe un investimento molto piu’ oneroso in termini di costi e di tempi di intervento.
Quali tipi di progetti di rilevamento sono ideali per l’utilizzo congiunto di droni e di strumenti di rilevamento tradizionali ?
Nonostante i vantaggi offerti dai droni rispetto ai metodi di rilevamento classici, ci sono situazioni in cui i metodi tradizionali ricoprono ancora una larga parte del processo produttivo topografico.
La prima cosa da considerare è il grado e il tipo di accuratezza che il nostro progetto richiede, e’ qui che la differenza tra precisione relativa e precisione assoluta è importante.
Per molte applicazioni l’accuratezza relativa ovvero l’accuratezza della misura tra i vari elementi è tutto ciò che conta. Il risultato di questi progetti può essere ricostruito adottando modelli creati con nuvole di punti 3D o con ortofoto. Quando la precisione assoluta del posizionamento delle entita’ rilevate assume invece un ruolo fondamentale, è necessario adottare un processo di rilevamento che fornisca all’operatore un dato georiferito oltre che dettagliato.
Misurare degli oggetti rispetto a dei riferimenti noti è un modo semplice per valutare con precisione volumi, distanze e variazioni di altezza. Ma se questi dati devono essere combinati con ulteriori livelli informativi e se occorra sovrapporre il rilievo ad una cartografia preesistente, allora tutte le entita’ misurate e catalogate dovranno essere riferite ad un sistema di coordinate tramite l’utilizzo di punti di controllo materializzati a terra, in alternativa occorre supportare la rilevazione del drone con un posizionamento GNSS corretto in tempo reale (RTK Real-Time Kinematic). Questo tipo di posizionamento di alta precisione e’ gia’ implementato sui droni ed opera grazie all’ausilio di una stazione GNSS di terra, questo procedimento consente di geotaggare con precisione le immagini riprese in volo dai diversi sensori fotografici.
Generalmente i lavori che richiedono precisioni topografiche (1-2 cm), dovranno essere sempre gestiti con metodi di rilevazione piu’ tradizionali (stazioni totali, sistemi GNSS, livelli di precisione, etc), una campagna di misura effettuata con un drone puo’ garantire precisioni di circa 5 cm sia da un punto di vista planimetrico che anche altimetrico, i progetti che richiedono una precisione massima di 1- 2 cm se non addirittura una precisione milllimetrica dovranno essere gestiti con i metodi di rilevazione classici.
Rilievi di interni o aree sotterranee
L’utilizzo dei droni non e’ adatto nelle aree in cui il segnale satellitare GNSS non e’ disponibile o limitato, ed in tutti gli ambienti in cui ci sono condizioni di scarsa illuminazione, nei sotterranei e nelle aree interne.
In questi contesti il rilevamento topografico classico eseguito con stazioni totali (integrazione di tacheometro e distanziometro) rappresenta la metodologia di rilievo per eccellenza, anche l’uso di laser scanner terrestri o le recenti tecnologie SLAM (simultaneous location and mapping) di rilievo a nuvola di punti offrono risultati migliori e risoluzioni elevatissime.
Alcune aziende hanno gia’ iniziato a sviluppare applicazioni che coinvolgono simultaneamente i droni utilizzati come vettore di trasporto di sensori SLAM e Lidar (Light Detection and Ranging). Con questo tipo di configurazione e’ possibile rilevare un dato 3D anche in cavita’ sotterranee. In un prossimo futuro questo insieme di tecnologie verra’ utilizzato in maniera piu’ massiva per il rilievo “underground”.
I rilievi da drone possono presentare delle difficoltà a causa di eventuali ostruzioni dovute alla presenza di edifici o di zone con vegetazione ed alberatura imponente.
Queste problematiche sono ancora più critiche quando gli ostacoli nascondono dei cambi di quota del terreno. Un sensore Lidar infatti può perforare il fogliame più leggero ma non e’ in grado di rilevare i punti a terra quando la vegetazione è molto densa.
Il tempo è denaro. Uno dei maggiori vantaggi del rilievo con i droni è la drastica riduzione del tempo necessario per completare il lavoro.
Tuttavia, quando esistono condizioni di giusto equilibrio tra la precisione richiesta ed i tempi per svolgere la missione, puo’ essere utile arricchire i dati del drone con una campagna di misura topografica dei punti di controllo e la loro materializzazione.
Il rilievo topografico in aree difficoltose o l’ispezione di alcune tipologie di infrastrutture possono creare delle difficolta’ agli operatori che eseguono il lavoro con metodi tradizionali, in molte di queste condizioni il drone puo’ rappresentare la soluzione ideale.
Torri di antenne cellulari, parchi solari ed eolici, e tutte le aree difficilmente raggiungibili sono solo alcuni degli elementi in cui l’utilizzo di un drone puo’ dare dei vantaggi evidenti.
Le applicazioni di rilievo tradizionale possono comportare a volte delle difficolta’ per gli operatori se non addirittura dei rischi, esistono situazioni come sopraelevazioni, aree di cantiere instabili, argini ripidi e linee ferroviarie in cui il personale potrebbe incorrere in situazioni critiche di pericolo, in questi contesti un drone puo’ supportare le squadre fornendo eccellenti risultati.
Uno dei vantaggi significativi che il rilevamento aereo offre è la vastita’ di informazioni che i diversi sensori installati sullo stesso drone possono offrire ai professionisti.
Nell’ agricoltura di precisione le camere multispettrali possono fornire dei dati preziosi per valutare la salute delle colture e dei terreni; i sensori Lidar e le rilevazioni fotogrammetriche possono fornire dei modelli 3d a nuvole di punti utilissimi per una successiva progettazione o stimare velocemente le volumetrie di materiali in un cantiere; un drone puo’ assolvere a tutti questi compiti in maniera molto semplice, senza peraltro esporre gli operatori ad inutili rischi.
Quali sono gli argomenti da valutare nella scelta di un drone per applicazioni di rilievo topografico?
Per cominciare, un parametro chiave da valutare è la risoluzione del dato restituito, questo parametro e’ definito come GSD, Ground Sampling Distance.
Il GSD dipende dalla risoluzione del sensore fotografico, dalla sua lunghezza focale dalla quota e dalla velocita’ di volo. I primi due elementi dipendono chiaramente dall’hardware mentre i rimanenti fattori di acquisizione sono invece gestiti dall’operatore.
Il DJI Phantom 4 RTK è una soluzione completa, pronta all’uso e molto produttiva. La camera fotografica utilizza un sensore CMOS da 20 megapixel della grandezza di un pollice. Il suo otturatore meccanico consente una veloce acquisizione delle immagini con una distorsione minima rispetto ad altre camere fotografiche. L’obiettivo grandangolare con la lunghezza focale di 24 mm offre delle immagini chiare e geometricamente coerenti.
Il sistema GNSS di navigazione e posizionamento offre una precisione centimetrica e supporta sia i metodi di correzione RTK (Real Time Kinematic) che PPK (Post Processing Kinematic). Il sensore GNSS è supportato dai segnali GPS L1 L2, GLONASS L1 L2, Galileo E1 E5a e BeiDou B1 B2. Queste tecnologie possono ridurre drasticamente la quantità dei punti di controllo necessari al rilievo.
Prevedendo comunque alcuni GCP di controllo misurati a terra il risparmio in termini di tempo che il P4 RTK consente di ottenere rappresenta almeno il 75% sul totale.
Il P4 RTK opera con tecnologia TimeSync per coordinare il dato della telecamera e del ricevitore RTK, ogni immagine catalogata possiede informazioni geospaziali accurate.
Il P4 RTK ha batterie sostituibili a caldo, un tempo di volo di circa 30 minuti ed una velocità massima di oltre 48 km orari, consente di rilevare con estrema facilita’ grandi estensioni di territorio. L’applicazione DJI GS RTK installata sul controller con monitor integrato consente di pianificare missioni di volo in 2d e 3d, voli lineari con waypoint, che tengono in considerazione anche le variazioni altimetriche del terreno.
Il rilievo con il Phantom 4 RTK restituisce moltissimi elementi.
I prodotti esportabili potenzialmente includono:
Ogni Ortofoto che il P4 RTK acquisisce durante un volo contiene le informazioni geospaziali e viene elaborata e corretta tenendo conto della potenziale distorsione dell’obiettivo, dell’inclinazione della fotocamera e delle variazioni altimetriche del terreno.
L’Ortofoto ad alta definizione del rilievo rappresenta uno dei prodotti piu’ utilizzati dagli operatori, seguendo infatti un processo fotogrammetrico moderno tutte le immagini riprese dal sensore vengono elaborate ed il modello 3D cosi creato puo’ essere anche trasformato in una proiezione ortografica bidimensionale facilmente interpretabile dai progettisti.
L’elaborazione delle foto scattate con il P4 RTK possiedono un sistema di coordinate tridimensionale (inizialmente Latitudine Longitudine e Quota WGS84), di ogni pixel dell’immagine restituita possiamo conoscere le sue tre coordinate, quindi il prodotto finale rappresenta un modello 3D di altissima qualità.
Questi modelli realistici e coinvolgenti combinano delle immagini ad alta definizione con riferimenti geografici accurati. Il risultato è un modello misurabile di facile interpretazione utile per la progettazione.
Il primo prodotto ottenuto è un DSM Digital Surface Model, fornisce una ricostruzione delle geometrie e del modello 3D dell’oggetto ed offre un prodotto facile da esplorare. Quindi il DTM Digital Terrain Model, creato con gli stessi dati di partenza usati per la creazione del DSM, ma successivamente “depurati” dagli oggetti artificiali e dalle strutture presenti nell’area osservata.
Il focus dell’elaborazione punta sempre alla ricostruzione del terreno, il DEM Digital Terrain Model vuole infine rappresentare la distribuzione delle quote di un territorio, senza entità artificiali e senza entità naturali, i modelli DEM sono utilizzati ad integrazione e corredo delle mappe topografiche.
Il P4 RTK può raccogliere i dati necessari alla creazione di modelli tridimensionali necessari al calcolo di volumi del materiale di costruzione di un cantiere o di un’area in costruzione. Grazie al sistema P4 RTK questo tipo di dato viene calcolato in maniera molto precisa.
Il gruppo RNV (Rhein-Neckar-Verkehr GmbH) gestisce il trasporto pubblico nella regione Rhein-Neckar in Germania. L’azienda controlla una linea di tram di 301 km e una linea di autobus di 827 km, linee che vengono utilizzate da 370.000 passeggeri ogni giorno.
In un esperimento condotto con esperti di topografia del gruppo Vermessungbüro Wolfert GmbH (Heidelberg) e con il supporto dello staff di DJI Enterprise, RNV ha confrontato le prestazioni del P4 RTK con i metodi tradizionali (stazioni totali) durante il rilevamento di un tratto di binari ferroviari.
Il confronto ha comportato il sorvolo di una sezione della pista, la raccolta di immagini e la loro elaborazione prima di prendere misure dal modello 3D generato. I risultati sono stati poi valutati insieme ai modelli di misurazione standard di RNV.
Osservando il prodotto CAD del rilievo eseguito con Stazione Totale con i dati creati con il P4RTK, è apparso evidente la grande differenza in termini quantitativi (ma sempre nel rispetto delle tolleranze richieste) delle informazioni fornite dal drone rispetto alla metodologia tradizionale, il dato aereo consente anche di produrre ortofoto che possono essere orientate e manipolate nella fase di pianificazione del progetto.
La quantità di dettaglio fornita dalle applicazioni Uav è particolarmente utile quando si esaminano le fondazioni e le strutture di un percorso ferroviario. A livello di precisione del dettaglio, e’ stata confrontata l’accuratezza dei due metodi di misurazione, confrontando il dato aereo con quello della stazione totale e’ stata stimata la precisione fornita dal sistema P4RTK: essa e’ risultata essere di circa 1,5 cm.
Probabilmente i maggiori vantaggi nell’utilizzo dei droni per questa attivita’ erano sostanzialmente di praticita’ e semplicita’ nel workflow delle operazioni. Durante un progetto di rilievo tradizionale, i team infatti sono costretti a lavorare intorno ai binari che devono essere fuori esercizio per tutta la durata del rileivo. La prima cosa che RNV ha osservato è che le indagini aeree dall’alto hanno ridotto i rischi per le squadre a terra e hanno permesso al servizio di metropolitana di continuare il suo esercizio.
Oltre a ridurre i tempi di rilievo, le misurazioni che di solito vengono portate avanti tra i vari passaggi dei convogli possono essere prese con maggiore facilità.
Un altro vantaggio e’ la molteplicita’ degli output elaborati con il P4 RTK. Con una precisione comparabile, le osservazioni aeree dell’area forniscono una serie vastissima di parametri per un’indagine approfondita dell’area di lavoro.
Tuttavia, il team di ingegneri ha sottolineato che alcune aree non possono essere rilevate dall’alto, ad esempio le aree sotto il fogliame denso. Per questo motivo, un’azione congiunta di rilevazione aerea e tradizionale puo’ fornire dei dati completi ed esaustivi dell’area da esaminare.
Un singolo volo con un Phantom 4 RTK può fornire i dati necessari per generare delle ortofoto e dei modelli 3D molto dettagliati e precisi. Vuoi saperne di più? Approfondisci nel nostro rapporto sull’accuratezza del P4 RTK o ordina il tuo tramite il rivenditore DJI Enterprise .
Per i professionisti del rilievo e della mappatura, i sistemi LiDAR e fotogrammetrici sono da tempo strumenti del mestiere necessari. Ma i recenti progressi nella tecnologia dei droni hanno cambiato in meglio il modo in cui i dati vengono acquisiti.
Rispetto al tradizionale rilevamento aereo, che si basava quasi esclusivamente su velivoli con equipaggio, i droni offrono un’alternativa sicura, precisa e più conveniente. Il risultato è stata la democratizzazione delle soluzioni di rilevamento. Ora, i progetti in agricoltura, edilizia, conservazione, estrazione mineraria, ricostruzione di scene di incidenti e altro possono beneficiare di nuvole di punti dettagliate, mappe accurate e modelli 3D ad alta definizione,
Sia i topografi affermati e sia coloro che sono nuovi nel campo si domanderanno se conviene lavorare con LiDAR o con la Fotogrammetria.
In questo articolo, ti illustreremo i pro e i contro di entrambi i metodi. Prima di tutto non esiste una tecnologia “migliore” tra le due o una preferenza di parte. La decisione giusta dipende invece dal compito specifico da svolgere, dalle capacità dell’operatore in questione e, come sempre, dal budget con cui stai lavorando.
Innanzitutto, cosa si intende per LiDAR? LiDAR è l’abbreviazione di “light detection and raging”. I sensori LiDAR funzionano emettendo impulsi di luce e misurano il tempo necessario affinché si riflettano da terra, insieme all’intensità con cui lo fanno. Sebbene sia in circolazione da decenni, è solo negli ultimi anni che la tecnologia LiDAR si è miniaturizzata da integrarsi in un carico che un drone può trasportare.
Il sensore LiDAR rappresenta solo una compente di un sistema più ingegnoso. Per raccogliere i dati necessari per costruire una nuvola di punti che rifletta accuratamente il terreno e la sua topografia, i Sistemi LiDAR incorporano altri sistemi ad alta precisione: posizionamento satellitare (dati GNSS) e un’unità di misura inerziale (IMU).
L’aspetto positivo più noto dell’utilizzo di LiDAR è la sua accuratezza. Nella pratica cosa significa?
Innanzitutto, è importante considerare cosa significa accuratezza per te e il tuo progetto. Stai dando la priorità alla precisione relativa o assoluta? In altre parole, hai bisogno che il tuo prodotto finale sia accurato in termini di caratteristiche in relazione tra loro o le sue caratteristiche in relazione alla sua posizione nel mondo? Il LiDAR è la strada giusta da percorrere per la precisione assoluta ed è in genere la scelta migliore quando l’obiettivo è un modello realistico del terreno (DTM). Questo perché è il metodo migliore per tenere conto dell’altitudine, della vegetazione e delle condizioni a portata di mano. L’integrazione di LiDAR con i dati GNSS e il fatto che si ottiene una misurazione diretta – che emette migliaia di impulsi laser al secondo – assicurano che la mappa del terreno digitale finale abbia un’estrema precisione verticale.
La vegetazione può impedire ai metodi di rilevamento basati su foto di ottenere dati concreti del terreno. Gli impulsi luminosi del LiDAR penetrano negli spazi tra foglie e rami, raggiungendo il terreno sottostante e migliorando la precisione delle misurazioni. Inoltre, il LiDAR è preferibile anche se le condizioni di luce dell’ambiente del rilievo non sono ottimali. Se desideri effettuare rilievi notturni o missioni in bassa visibilità, il LiDAR può gestire l’attività senza la necessità di una fonte di luce esterna.
Infine, questa tecnologia consente di acquisire dettagli di piccolo spessore e diametro. Un ottimo esempio di questo sono i cavi elettrici. Grazie al campionamento del punto ad alta densità e all’approccio alla misurazione diretta, è possibile utilizzare LiDAR per mappare accuratamente i cavi.
I contro dell’utilizzo dei Sistemi LiDAR
Sicuramente la prima obiezione che viene sollevata nei confronti dei sensori LiDAR è loro il costo. A causa della maggiore complessità operativa (e della necessità di componenti e sensori più sofisticati), è possibile anche spendere centinaia di migliaia di euro per una soluzione di rilevamento completa.
È anche importante tenere a mente che tradizionalmente i sensori LiDAR sono più ingombranti delle semplici fotocamere. Con i droni che stanno diventando sempre più popolari per il rilevamento aereo, la necessità di un drone più grande per gestire un carico utile più pesante può aumentare una spesa già significativa.
Tutto questo prima dell’avvento del sensore DJI ZENMUSE L1, che risulta non solo essere tra i sensori più economici in commercio ma anche il più leggero.
L’ultimo aspetto negativo della scelta di LiDAR è probabilmente il suo più grande punto di forza: il fatto che sia lo strumento migliore per il lavoro in situazioni molto specifiche. Per molte applicazioni sarà sufficiente la sola Fotogrammetria.
La Fotogrammetria è la materia che permette di misurare la realtà attraverso almeno una coppia di immagini.
Queste fotografie, oggigiorno, vengono elaborate utilizzando un software specializzati per generare modelli accurati e realistici del mondo, anche definiti come Structure for Motion (sfm). Le mappe ortomosaiche e i modelli 3D hanno una varietà di applicazioni.
Il numero di immagini necessarie per una fotogrammetria efficace può variare da centinaia a migliaia di foto. Tutto dipende dalle dimensioni del sito in questione e dalla profondità e precisione che vuoi ottenere. I piloti di droni dovranno determinare l’altitudine di volo ottimale per ottenere la distanza di campionamento al suolo necessaria. Dovrai anche impostare una sovrapposizione su ciascuna immagine per assicurarti che il tuo software possa unire le tue immagini senza problemi.
I vantaggi della Fotogrammetria
Il principale vantaggio di lavorare con la fotogrammetria è la sua accessibilità. L’ascesa della tecnologia dei droni e dei software ha semplificato i flussi di lavoro e ha portato mappe e modelli 3D accurati alla portata di qualsiasi organizzazione con una fotocamera da drone decente. A parte la calibrazione del sensore, la pianificazione di volo di base e la tracciatura dei punti di controllo a terra, svolgere una missione di mappatura e trasformare quei dati in qualcosa di utile è relativamente semplice. Ci sono innumerevoli scenari in cui questo processo produce risultati tangibili, in settori diversi come l’edilizia, i Beni Culturali, l’estrazione mineraria e l’agricoltura. È importante sottolineare che anche i risultati sono accessibili. Mappe e modelli con caratteristiche e colori riconoscibili sono immediatamente intuitivi, il che li rende un ottimo strumento di collaborazione e qualcosa su cui le parti interessate possono lavorare senza perdere troppo tempo a manipolare i dati.
Un’altra grande parte del fascino della Fotogrammetria è quanto sia conveniente. Come abbiamo accennato, iniziare significa investire qualche migliaio di euro su un drone fotografico professionale e molto meno sul software di cui avrai bisogno per elaborare i tuoi dati. Infine, la fotogrammetria offre un approccio più flessibile. A seconda dell’attività da svolgere, puoi avere un maggiore controllo sul compromesso tra velocità, altitudine e precisione della missione.
Ci sono alcuni aspetti negativi dei metodi di rilevamento basati sulla fotogrammetria. Il primo è che l’accuratezza delle mappe e dei modelli dipende in larga misura dalla qualità della fotocamera del tuo drone e dal drone stesso. Le dimensioni del sensore, l’apertura, la risoluzione e la lunghezza focale influiscono sulla distanza di campionamento del suolo (GSD) insieme all’altitudine a cui stai volando. Inoltre, farai fatica a produrre risultati con assoluta precisione senza l’utilizzo di punti di controllo a terra (GCP) presi con strumentazioni terze quali la Stazione Totale o il ricevitore GNSS o un drone abilitato RTK o PPK.
Il secondo tempo da non sottovalutare è il tempo. O, per essere più precisi, le condizioni di luce. Oscurità, nuvolosità, polvere e altro possono influire negativamente sulla qualità dei risultati del rilevamento. Quando si tratta di elaborazione dei dati, puoi misurare solo ciò che puoi vedere chiaramente. Ciò significa che i voli con visibilità limitata, a causa della vegetazione, delle ombre o dell’ora del giorno, produrranno meno punti a terra e mappe e modelli meno accurati.
Il LiDAR è consigliato se stai mappando un terreno complesso con un’alta percentuale di copertura vegetale. Grazie alle sue misurazioni dirette che penetrano tra foglie, rami e alberi, è possibile creare accurate nuvole di punti con i dati risultanti. La tecnologia è ideale anche per misurare con precisione oggetti come i cavi, che sono generalmente troppo sottili per essere riconosciuti con qualsiasi altro metodo. Il LiDAR dovrebbe anche essere il tuo metodo preferito se l’attività di rilevamento richiede soprattutto precisione. Anche se questo non è privo di sfide, che si presentano sotto forma di costi e dell’esperienza richiesta per dare vita ai dati.
L’economicità della Fotogrammetria la rende un’opzione preferibile per coloro che non conoscono il rilevamento con i droni. Sebbene essere più economico di LiDAR non sia il suo unico vantaggio. In effetti, molte applicazioni sarebbero meglio realizzate utilizzando la fotogrammetria. Questo è particolarmente vero quando si desidera lavorare su piani utilizzando ortofoto, o per fornire aggiornamenti accessibili dello stato di avanzamento del progetto a un costo relativamente basso.
E’ consigliabile scegliere la Fotogrammetria per:
Il LiDAR tende a produrre scansioni con maggiore dettaglio e precisione rispetto alla Fotogrammetria. Inoltre, poiché può funzionare bene nonostante le sfide ambientali – in scarsa visibilità o con molta vegetazione – è l’ideale per gli scenari in cui apprezzi la precisione sopra ogni altra cosa. Le nuvole di punti LiDAR possono essere incredibilmente dense, e una precisione sull’asse Z inferiore a tre centimetri. Con un’elevata densità di punti ottieni un set di dati più robusto, che a sua volta offre maggiore versatilità quando si tratta di elaborare i risultati. Questo non vuol dire che la fotogrammetria sia intrinsecamente imprecisa. Se il tuo terreno è relativamente semplice e privo di fitta vegetazione, puoi comunque costruire mappe e modelli altamente dettagliati, in particolare se stai utilizzando anche un modulo di posizionamento RTK.
Il LiDAR e la Fotogrammetria sono metodi fondamentalmente diversi di raccolta dei dati. Con LiDAR si ottengono migliaia di punti dati che formano una nuvola di punti 3D che delinea il terreno indagato. Dovrai incorporare il colore da set di dati separati per trasformarlo in qualcosa di visivamente accessibile. Con la fotogrammetria, si ottengono centinaia o migliaia di immagini che devono essere elaborate e unite per produrre qualcosa di valore: che si tratti di una nuvola di punti 3D, di una mappa o di un modello navigabile. L’elaborazione LiDAR basata su cloud non è così diffusa o accessibile come il software di fotogrammetria basato su cloud. Ciò significa che dovrai avere uno specialista in loco in grado di trasformare quei dati grezzi in qualcosa di fruibile, insieme al software adatto.
Il Phantom 4 RTK offre ai professionisti un equilibrio ideale tra prezzo, precisione e accessibilità. Con il suo sensore RTK (Real Time Kinetic) integrato, le foto vengono georeferenziate automaticamente e corrette rispetto ai punti di controllo a terra con una precisione di un centimetro. Il Phantom 4 RTK rappresenta un investimento iniziale perfetto per le tue esigenze di rilevamento.
Questa combinazione è la soluzione di fotogrammetria di punta di DJI. Il P1 è un avanzato payload fotogrammetrico con un sensore full frame e obiettivi intercambiabili a fuoco fisso. Un otturatore meccanico globale e funzionalità software, tra cui Smart Oblique Capture, lo rendono ideale per i voli fotogrammetrici su larga scala. Sfruttando le piene potenzialità del M300 RTK, il P1 consente ai professionisti di coprire 3 km2 in un unico volo e ottenere risultati accurati di 3 cm in orizzontale / 5 cm in verticale senza GCP.
Zenmuse L1 comprende tutto ciò che serve per un’acquisizione LiDAR da drone: include un modulo Lidar, un’IMU ad alta precisione e una fotocamera con un CMOS da 20mpixel, il tutto su un gimbal stabilizzato a 3 assi. Se utilizzato con Matrice 300 RTK e DJI Terra, l’L1 costituisce una soluzione completa che fornisce dati 3D in tempo reale per tutto il giorno, catturando in modo efficiente i dettagli di strutture complesse e fornendo modelli ricostruiti particolarmente precisi.
Considera il LiDAR e la Fotogrammetria come due metodi di acquisizione dati concorrenti non è l’approccio più istruttivo. Come abbiamo accennato, non è che uno sia necessariamente migliore dell’altro. In definitiva, è il compito da eseguire che determinerà la soluzione migliore. Se il contrasto, l’illuminazione, il soggetto e le condizioni sono a tuo favore, la fotogrammetria è probabilmente più che adeguata per il tuo lavoro. Ma per progetti di mappatura impegnativi in cui sono fondamentali l’accuratezza, le strutture complesse o il terreno parzialmente coperto, il LiDAR è probabilmente la strada da percorrere. Naturalmente, anche il costo e l’esperienza degli operatori giocheranno un ruolo importante in qualsiasi decisione tra i due. Sebbene gli ultimi payload di DJI, P1 e L1 sono la testimonianza della crescente convenienza e accessibilità della tecnologia di rilevamento. In definitiva, i professionisti del settore dovranno diventare abili nell’utilizzo di entrambe le tecnologie.
Ogni volta che è necessario creare un modello dettagliato di un’area, per il rilevamento, la ricostruzione di un incidente o per qualsiasi altro scopo, la creazione di una nuvola di punti può essere il modo migliore per portare a termine il lavoro.
Un modello di nuvola di punti 3D accurato, dettagliato e ad alta risoluzione è un elemento importante per la creazione di un modello 3D accurato. Se la tua organizzazione è alla ricerca di un nuovo modo per creare ricostruzioni digitali di spazi o strutture fisiche, i droni in grado di generare nuvole di punti potrebbero essere lo strumento perfetto per te.
Imparando di più sulle nuvole di punti – cosa sono, come le generi, diversi approcci e casi d’uso – potrai capire come integrare al meglio questi strumenti digitali nei tuoi flussi di lavoro.
La tecnologia LiDAR ha consentito alla polizia stradale di raccogliere i dati della nuvola di punti di questo incidente nonostante le condizioni di scarsa illuminazione notturna
Nuvole di punti: è tutta una questione di prospettiva
Che cos’è esattamente una nuvola di punti? È una raccolta di punti dati mappati in tre dimensioni. Ogni punto ha i suoi valori X, Y e Z in base a dove si trova nello spazio. Alcune nuvole di punti possono avere una risoluzione eccezionalmente alta, a centinaia di singoli punti per metro quadrato, per mostrare esattamente cosa c’è in uno spazio 3D.
Nuvola di punti di due torri di raffreddamento realizzate in preparazione della loro demolizione in sicurezza
I punti insieme denotano le superfici degli oggetti e le caratteristiche del terreno all’interno di un’area, il che consente a topografi o ispettori di creare mappe 3D e modelli estremamente accurati di tali aree. Tuttavia, la nuvola in sé non è la mappa. È necessario un altro set di dati oltre ai punti dati di elevazione per creare un modello più completo.
Per generare queste nuvole di punti, hai bisogno dell’attrezzatura adeguata e di una nuova prospettiva della tua area di destinazione: vale a dire, una veduta aerea. Volando con un veicolo aereo senza equipaggio (UAV) sulla tua area prescelta, puoi raccogliere le informazioni necessarie su elevazione e topografia.
I droni avanzati dotati dei più recenti sensori di rilevamento e rilevamento della luce (LiDAR) possono creare nuvole di punti in un unico passaggio. Un drone che utilizza un sistema di fotocamere fotogrammetriche può assemblare una nuvola di punti come uno degli output dell’immagine tridimensionale risultante. In entrambi i casi, la nuvola risultante è un’immagine dettagliata e accurata dell’area scansionata.
Come funzionano le nuvole di punti
Come funziona esattamente il processo di creazione della nuvola di punti? Mentre i dettagli esatti dipendono dal fatto che il tuo drone sia dotato di sensori LiDAR o apparecchiature di fotogrammetria, la procedura è la stessa.
Il tuo UAV sorvola un’area prescelta, scansionando con il suo carico utile di sensori. Le informazioni sui punti rilevati vengono quindi assemblate in una forma utilizzabile tramite un software di elaborazione delle nuvole di punti, come DJI Terra.
Per ottenere il risultato di una nuvola di punti 3D, il software aggiungerà contesto a un vasto numero di punti rilevati da impulsi laser o genererà punti basati su una raccolta di foto scattate da più angolazioni. Questo dipende dalla scelta di LiDAR o fotogrammetria, e questo a sua volta sarà deciso dal tipo di rilevamento o mappatura che stai facendo.
La differenza tra nuvole di punti LiDAR e nuvole di punti fotogrammetriche
I due metodi principali per creare una nuvola di punti dai dati UAV, LiDAR e fotogrammetria, hanno ciascuno i loro casi d’uso ideali. Potresti finire per usare entrambi in vari momenti.
Le aziende che mappano frequentemente aree complesse e ricche di vegetazione possono gravitare verso il LiDAR, mentre le aziende che si occupano di visuali chiare e che necessitano di una soluzione a basso costo possono iniziare con la fotogrammetria, ma la decisione non può essere ridotta a uno o due problemi. Confrontare le tecnologie fianco a fianco è un esercizio utile per decidere come equipaggiare i tuoi UAV.
La scansione LiDAR emette impulsi laser ad altissima velocità che “battono” su una superficie e tornano all’emettitore. Utilizzando la misurazione inerziale e i dati di posizionamento satellitare, il sensore LiDAR del drone determina esattamente dove si trova un punto nello spazio.
I punti raccolti diventano una nuvola di punti LiDAR quando vengono assemblati da un software specializzato per nuvole di punti. Questo è un metodo di scansione ad alta precisione, anche se deve essere abbinato ad altri dati per aggiungere più dettagli alle mappe, incluso il colore.
Il sistema LiDAR è ottimo per mappare elementi troppo piccoli per essere rilevati con altri metodi. Ad esempio, se devi mappare cavi sottili o linee elettriche come parte della tua nuvola di punti, puoi farlo raccogliendo dati LiDAR. La tecnologia funziona anche in condizioni di scarsa illuminazione e può raggiungere il suolo attraverso strati di fogliame.
Inoltre, poiché le nuvole di punti LiDAR sono misurazioni dirette, le dimensioni dei file sono relativamente più piccole rispetto alle fotografie ad alta risoluzione utilizzate per la fotogrammetria. Ciò significa che la post-elaborazione dei dati LiDAR è più veloce dell’estrazione delle nuvole di punti dai modelli di fotogrammetria e questo può essere un fattore importante per i clienti che danno priorità all’efficienza o che hanno missioni urgenti.
Fotogrammetria
La fotogrammetria assembla proiezioni di dati da fotografie. Si tratta di un approccio economico e diretto al rilevamento e alla mappatura; e il software necessario per lavorare con i dati di fotogrammetria è disponibile tramite un semplice modello basato su cloud.
L’uso della fotogrammetria è flessibile. Puoi decidere quanto velocemente far volare il drone, a seconda del livello di dettaglio necessario per le mappe o le nuvole di punti 3D che stai generando per il progetto in corso.
A seconda del livello di dettaglio che scegli e delle dimensioni dell’area che stai rilevando, la fotocamera UAV scatterà centinaia o migliaia di fotografie. Queste immagini sono colorate e, oltre a diventare nuvole di punti 3D, possono essere assemblate in una mappa o in un modello 3D.
Poiché la fotogrammetria si basa sulla fotografia, per funzionare è necessaria una fonte di luce, naturale o artificiale. Detto questo, la generale facilità d’uso del metodo può supplire all’inconveniente di cercare le giuste condizioni. Le barriere relativamente basse all’ingresso possono rendere questo un ottimo primo metodo per un’azienda che ha appena iniziato a creare nuvole di punti 3D o altri modelli di dati.
Usi della modellazione della nuvola di punti
Una volta generate le nuvole di punti 3D, per cosa le usi?
Le applicazioni saranno diverse in base al tuo settore, ma tutte si concentrano sulla necessità di modelli 3D accurati.
Dopo aver determinato l’ambito applicativo per un’accurata nuvola di punti 3D, devi semplicemente trovare il drone giusto e il sensore migliore per raccogliere le informazioni.
I droni e i payload da utilizzare nei diversi casi
Con che tipo di drone volerà la tua squadra nel tuo prossimo incarico di generazione di nuvole di punti e quale sarà il sensore?
Quando lavori con DJI hai molte opzioni, tra cui:
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