I Droni nella Produzione di Cartografia a Grande Scala

L'articolo valuta le potenzialità dell'utilizzo dei droni per rilievi aero-fotogrammetrici finalizzati alla restituzione di punti e alla generazione di DSM. 

a cura di: Marina Santise, il Team di STAF s.r.l. di Parma e Marco Ruffino.

L'aerofotogrammetria è la tecnica di rilievo più utilizzata nella produzione di cartografia tecnica, grazie all'elevata produttività e alla precisione di restituzione, uniforme su tutta l’area rilevata. A tal scopo, oggigiorno stanno avendo grande diffusione soluzioni alternative all'aeroplano: i droni. Essi sono velivoli telecomandati o pilotati manualmente, su cui è possibile montare sensori per l'acquisizione d'informazioni radiometriche o infrarosse. Ciò che li rende vantaggiosi rispetto all'aereo sono i minori costi fissi di gestione, la trasportabilità in sito, la grande flessibilità d'impiego. Al contrario hanno ridotta autonomia di volo (15÷20 minuti), limitata operatività in caso di vento e lo svantaggio di costare di più per unità di superficie da rilevare, ciò significa che non sono adatti a rilevare superfici estese. La diffusione di questi strumenti ha spinto ENAC a pubblicare, il 16 dicembre 2013, il regolamento "Mezzi Aerei a Pilotaggio Remoto", primo punto di riferimento in Italia sull'utilizzo a scopo civile dei droni, entrato in vigore il 14 febbraio 2014. ( ndr: entrata in vigore prorogata al 30 Aprile 2014 )

Le potenzialità ottenibili da questi strumenti a scopi cartografici hanno suscitato interesse tra gli addetti ai lavori, sia orientati alla ricerca sia alla produzione. Da ciò nasce la collaborazione tra il DICATeA (Dipartimento di Ingegneria Civile, dell'Ambiente e del Territorio e Architettura dell'Università di Parma) e Staf S.r.l., azienda che da decenni opera nel campo della produzione cartografica, per il caso di studio di questo lavoro: il rilievo del Campus Universitario. L'intento della collaborazione è valutare il livello di accuratezza della restituzione, e della generazione di DSM (Digital Surface Model), permessa dall'utilizzo dei droni in rilievi finalizzati alla produzione di cartografia a grande scala.

PROGETTO DEI RILIEVI
Il lavoro si sviluppa dall'elaborazione e analisi di due voli di ripresa condotti all'interno del Campus Universitario di Parma: il primo effettuato a una quota relativa di circa 140 m su un'area di oltre 23 ettari (indicata in giallo in Figura 1), il secondo ad una quota relativa di 70 m su un'area di 5 ettari (indicata in blu in Figura 1), contenuta nella prima.

Figura 1 - In giallo l'area oggetto del rilievo condotto a 140 m contenente l’area in blu oggetto del volo a 70m.

Il drone impiegato nel rilievo è un ASCTEC FALCON 8 (mostrato in Figura 2), un optacottero con sistema di navigazione basato sulla ricezione del segnale GPS. È stato pilotato seguendo i way points indicati nel piano di volo numerico progettato ad hoc. La fotocamera di cui è munito è una SONY NEX-5.

Figura 2 - Il drone ASCTEC FALCON 8, per gentile concessione di GEOGRAPHIKE S.r.l.

I piani di volo, per ogni rilievo, sono stati progettati secondo le regole dell'aerofotogrammetria tradizionale: i fotogrammi (di cui sono mostrati i punti di scatto nelle Figure 3 e 4) sono stati acquisiti in strisciate parallele al lato maggiore dell'area da rilevare, con ricoprimento longitudinale del 60% e trasversale del 40%.

Figura 3 – R1: Posizione dei centri di presa dei fotogrammi del volo a 140 m.

Figura 4 – R2: Posizione dei centri di presa dei fotogrammi del volo a 70 m.

Considerando la finalità dei rilievi volta alla produzione di cartografia tecnica in scala 1:1000, si è verificato che i piani di volo consentissero il rispetto delle relative tolleranze plano-altimetriche imposte da capitolato per una probabilità d'errore del 95%, riferita a due volte lo scarto quadratico medio, consistenti in 40 cm.

Tabelle 2 - Gli errori attesi nella restituzione e le tolleranze imposte da capitolato.

Si è definita la disposizione dei punti d'appoggio da materializzare nelle aree di rilievo secondo le imposizioni dei capitolati per rilievi di aerofotogrammetria tradizionale: uno ogni 3 modelli con ricoprimento longitudinale del 60%. Essi sono stati materializzati con marker appositamente costruiti. In totale si sono rilevati 40 punti d'appoggio (mostrati in Figura 5): 20 solo per il rilievo a 140 m, 12 solo per il volo a 70m, 8 in comune ai due. Ogni punto d'appoggio è stato misurato con un rilievo GPS statico, della durata di 15 minuti, compiuto due volte, per una maggiore precisione.

Figura 5 - Disposizione punti d'appoggio: in blu solo quelli del rilievo a 140 m, in rosso solo quelli del rilievo a 70 m, in giallo i punti in comune.

Per valutare l'accuratezza della restituzione, sono stati rilevati punti di controllo, materializzati sia da particolari naturali che da marker appositamente creati; sono stati rilevati 82 punti per studiare l'accuratezza di restituzione del primo rilievo, mentre 35 per valutare l'accuratezza di restituzione del secondo. Infine, per verificare l'accuratezza della generazione dei DSM delle aree oggetto di rilievo sono stati rilevati punti su diversi tipi di superficie, misurati con rilievo GPS cinematico: 1590 punti per collaudare il modello dell'area più estesa, 77 per collaudare il modello dell'area più piccola.

Figura 6 - Disposizione punti di controllo e tipologia della superficie su cui sono stati rilevati

Sono di seguito descritte le tipologie di superficie su cui sono stati rilevati i punti per valutarne l'accuratezza della restituzione e della generazione dei DSM.

•  Particolari Naturali. Particolari riconoscibili, inequivocabilmente collimabili;
•  Punti su Edifici. Punti sulla copertura di alcuni edifici, materializzati con marker;
•  Pavimentazione. Punti misurati su superficie pavimentata;
•  Rilevati in Terra. Punti misurati su rilevati in terra;
•  Zone erbose. Punti rilevati su prati;
•  Profili. Punti allineati in aree a marcata variazione altimetrica (dossi, rampe). 
 

ELABORAZIONI E RISULTATI 
Tutte le elaborazioni sono state condotte con Agisoft PhotoScan; la calibrazione della macchina fotografica è invece avvenuta secondo la procedura prevista dal software EOS Sistem PhotoModeler. L'accuratezza della restituzione, dei punti di controllo considerati, si è ottenuta analizzando i valori di Errore Quadratico Medio (EQM) delle differenze tra coordinate stimate dal software e coordinate ottenute da rilievo GPS. Riguardo il primo rilievo, le accuratezze delle coordinate dei punti restituiti sono migliori di quelle attese:

Tabelle 2 - Accuratezze dei punti restituiti nel rilievo condotto a quota 140 m.

Gli EQM delle coordinate mostrano valori bassi, compresi tra una e due volte la dimensione del pixel a terra, che è 4,5 cm per il volo condotto a 140 m e 2 cm per quello condotto a 70 m. Ciò perché la quota di volo, molto bassa rispetto a quella di un volo tradizionale, permette di acquisire immagini con alta risoluzione a terra e ciò ha effetti benefici sulla qualità della collimazione e della conseguente restituzione. Le analisi riguardanti il secondo rilievo confermano le valutazioni condotte col primo:

Tabelle 3 - Accuratezze dei punti restituiti nel rilievo condotto a quota 70 m.

Diminuendo la quota di volo, diminuiscono anche gli errori da cui sono affette le coordinate dei punti a terra. Da notare che, per entrambi i rilievi, gli errori in altimetria hanno sempre entità confrontabile a quelle in planimetria; ciò è dovuto all’approccio multimmagine del software che, utilizzando tutti i fotogrammi nella fase di orientamento, permette di ottenere un elevato numero di raggi d'intersezione dei punti. Infine, è stato generato un modello digitale di superficie per ognuna delle aree oggetto di rilievo; il modello dell'area più grande, R1, è stato interpolato da una maglia regolare con passo di 35 cm, il DSM dell'area più piccola R2 ha una maglia con passo di 15 cm.

Figura 7 - DSM dell'area oggetto del rilievo R1 a 140 m.

Il collaudo del DSM dell'area R1 (Tabella 4) ha mostrato accuratezze di ricostruzione migliori per punti corrispondenti a particolari o giacenti su superficie pavimentata, e accuratezze peggiori per zone erbose e rilevati in terra, dove, solitamente, interessa restituire punti e generare DSM con minore dettaglio. Il modello dell'area più piccola (Tabella 5), grazie all'elevata densità di punti con cui è stato generato, mostra accuratezze di restituzione ovunque elevate.

CONCLUSIONI
Questo lavoro rappresenta un'analisi metrica approfondita dei prodotti ottenibili da un rilievo fotogrammetrico con drone, e ha permesso di concludere che i droni possono rappresentare una valida alternativa all'aereo nella produzione di cartografia a grande scala.

Con un appoggio eseguito come nei blocchi tradizionali, le accuratezze della restituzione da UAV sono ben superiori alle tolleranze cartografiche in scala 1:1.000 e rispettano anche quelle della restituzione 1:500 in virtù dell’elevata risoluzione al suolo. Ai fini della produzione di DTM (Digital Terrain Model), le accuratezze sono compatibili anche con i capitolati per la realizzazione delle opere in terra d'infrastrutture stradali. Per gli edifici, il potenziale di precisione potrebbe consentire una restituzione vettoriale direttamente dal modello 3D.

A parità di superficie da rilevare, un rilievo con drone comporta l'acquisizione di molti più fotogrammi, e la materializzazione e misura di molti più punti d'appoggio di quelli necessari nel caso aero-fotogrammetrico tradizionale. Questo influenza il costo del rilievo e fa sì che, per superfici oltre una certa estensione, sia più economico l'utilizzo dell'aereo. È pertanto auspicabile, in un futuro prossimo, la definizione empirica di un valore di estensione-limite della superficie di rilievo, che rappresenti uno strumento di sostegno alla scelta dello strumento da utilizzare per condurre il rilievo.

ABSTRACT
Drones are replacing airplanes for aerial photogrammetric survey about surface of small extension. The article describes a work, result of a partnership between Department of Civil Engineering of University of Parma and STAF S.r.l., aims to study the restitution's accuracy of UAV-based survey. The work consists of two surveys, carried out at two different heights (140 and 70 meters) and on two areas of different extension (23 and 5 ha) both within the university campus. With geometry of photogrammetric block and check-point distribution designed in the same way of a traditional aerial survey, the accuracy of restitution shows a RMS of 6~7 cm for the highest survey, and 4~5 cm for the lowest one. These values are better than the expected ones, and it let to conclude that UAVs can be considered a viable alternative to airplanes in photogrammetric survey about surface of small extension.

AUTORI
Marina Santise DICATeA Università di Parma, Viale delle Scienze 181/a, 43124 Parma – marina.santise@studenti.unipr.it
Luca Ghiretti e Renato Finardi 
STAF S.r.l. - Studio Topografico AeroFotogrammetrico Via F.lli Bandiera 5,43125 Parma info@stafparma.it
Marco Ruffino marco.ruffino2@gmail.com