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Rilievo con drone o con metodi topografici tradizionali: Per quali applicazioni di misura sono più adatti i droni ?

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 gestiti con metodi tradizionali di misura topografica

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”.

Rilievi in aree difficoltose

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.

Progetti che non hanno scadenze troppo impellenti…

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.

Le Applicazioni “ideali” per i droni

Le Aree inaccessibili

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.

Aree pericolose

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.

Quando la densità del dato è importante

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.

Perchè il Phantom 4 RTK può essere il drone ideale per iniziare

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.

Phantom 4 RTK Data Outputs

Il rilievo con il Phantom 4 RTK restituisce moltissimi elementi.

I prodotti esportabili potenzialmente includono:

Ortofoto:

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.

Superficie 3D, terreno e DTM

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.

Indagini volumetriche

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.

Droni in azione: utilizzo del P4 RTK per rilevare le infrastrutture dei trasporti

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.

Pronto ad utilizzare il Phantom 4 RTK?

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 .

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