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LiDAR e Fotogrammetria: cosa scegliere per il tuo rilievo da Drone?

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).

I vantaggi del LiDAR

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. 

Cos’è  la 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.

Gli svantaggi della Fotogrammetria

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.

Quando scegliere il LiDAR

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.

Ricapitolando. Scegliere i Sistemi LiDAR per:

  • Mappatura di terreni di difficile accesso e complessi;
  • Per catturare i dettagli di strutture sottili, come linee elettriche o bordi del tetto
  • Progetti dove il dettaglio e la precisione sono le priorità

Quando scegliere la Fotogrammetria

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:

  • Scansioni ricche di elementi in zone accessibili e che richiedono una post-elaborazione e un’esperienza minime;
  • Per la creazione di mappe e modelli 3D facili da capire per occhi inesperti;
  • Set di dati che richiedono una valutazione visiva che solo la foto può dare.

LiDAR VS Fotogrammetria: qual è il più accurato?

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.

LiDAR  VS Fotogrammetria: il dato

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.

Le soluzione DJI per la Fotogrammetria

Phantom 4 RTK

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.

Matrice 300 RTK + ZENMUSE P1

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.

Le soluzioni DJI per i LiDAR

Matrice 300 RTK + ZENMUSE L1

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.

Conclusioni

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.

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