Guida rapida alla fotogrammetria 3D con i droni

S. Grassi - D. Santarsiero - M. Sirigu

Il volume rappresenta una manuale informativo e una guida di riferimento per chi vuole occuparsi di fotogrammetria 3D, con o senza droni, nel campo del rilevamento territoriale, architettonico o dei beni culturali.

Nel testo sono raccontate, con un linguaggio semplice e comprensibile a tutti, le tecniche da impiegare, le problematiche da affrontare, e soprattutto il filo logico o i workflow operativi da seguire per realizzare lavori professionali, pur senza avere conoscenze approfondite della materia. Ovvero, servendosi delle decine di servizi e di software ormai disponibili via web, e magari facendo un breve corso pratico sul tema.

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myGEO Edizioni Š 2019

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myGEO Edizioni © 2019 Stampa: www.kdp.amazon.com Versione colore, ISBN:9781701313026 www.amazon.it Disclaimer - tutte le immagini, i riferimenti a nomi e marchi di aziende o prodotti, sono di proprietà degli aventi diritto. Tra i riferimenti a nomi, marchi e immagini, potrebbero esserci copie diffuse via web, e pertanto disponibili a chiunque, e in tal senso sono citate o riportate nel testo.

Crediti Iª di copertina - Modello Point Cloud della Basilica di Santa Maria degli Angeli (Assisi).

Ottenuta per via fotogrammetrica con diversi voli, ed elaborata sulla piattaforma cloud GeoSDH di Geoweb (www.geosdh.com).

Su gentile concessione di LS Rilievi (www.lsrilievi.com) di Perugia.

IVª di copertina - Il rilievo Laser Scanner del nucleo storico di Castelferretti (Ancona).

Realizzato grazie al contributo di GEOMAX (www.geomax-positioning.com), e archiviato sul portale di smart storage GeoSDH di Geoweb.

Il rilievo Lidar al Tecnology For All 2018 (Roma).

Realizzato grazie al contributo di 3D Target (www.3dtarget.it), e archiviato nella gallery di GeoSDH.

QUESTO VOLUME È PUBBLICATO SECONDO LE REGOLE DEL “CREATIVE COMMONS” CHE PUOI LEGGERE SU: HTTP://CREATIVECOMMONS.ORG

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Vola solo chi osa farlo L.Sepulveda A Otello, un frego come pochi, come non ne fanno piĂš da tempo immemorabile

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INDICE Introduzione ...................................................................................................................... 07 NOZIONI DI BASE ............................................................................................................ 11 01 - Il processo sequenziale della fotogrammetria ............................................... 11 01.1 - Il sistema di ripresa ............................................................................................12 01.2 - Sistemi di volo ....................................................................................................14 01.2.1 – Ala fissa ................................................................................................15 01.2.2 – Multirotori .............................................................................................15 01.2.3 – Elicotteri ................................................................................................15 01.2.4 – VTLO .....................................................................................................16 01.3 - Il processo di elaborazione...............................................................................16 01.3.1 - Verifica del progetto di volo.................................................................18 01.3.2 - Verifica qualità immagini, caricamento e georeferenziazione......19 01.3.3 - Input dei GCP ...................................................................................... 21 01.3.4 - Elaborazione del bundle adjustment............................................... 22 01.3.5 – Generazione della nuvola densa ..................................................... 23 01.3.6 - Generazione del modello a mesh .................................................... 24 01.3.7 - Applicazione delle texture.................................................................. 26 01.3.8 - Generazione dei prodotti geospaziali e cartografici..................... 27 01.3.9 - Export verso i sistemi di disegno e restituzione ............................ 27 02 - Il processo di estrazione delle informazioni .................................................... 28 02.1 - Report generale del progetto ........................................................................ 29 02.2 - Report grafico delle strisciate ....................................................................... 29 02.3 - Dataset delle immagini orientate .................................................................. 29 02.4 - DSM, DTM e altre rappresentazioni altimetriche ...................................... 29 02.5 - Ortofoto standard e restituzione fotogrammetrica tradizionale............... 30 02.6 - Agricoltura di precisione e rilievi multispettrali ............................................ 30 02.7 - Dataset e modelli Full 3D ................................................................................ 31 03 - La digitalizzazione delle informazioni geospaziali ........................................ 32 03.1 - La digitalizzazione 2D da ortofoto ................................................................. 33 03.2 - La digitalizzazione 2.5D e 3D ......................................................................... 34 03.3 - La restituzione cartografica o disegno in modalita 2D.............................. 35 03.4 - La restituzione cartografica 2.5D .................................................................. 37 03.5 - La modellazione 3D......................................................................................... 37 03.6 - La digitalizzazione CAD, GIS, BIM................................................................ 39 03.7 - La digitalizzazione da modelli di tipo point cloud e mesh ........................ 41

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03.8 - Gli strumenti per il disegno............................................................................. 42 APPROFONDIMENTI ...................................................................................................... 44 04 - Scegliere il sistema di volo, la camera e i sensori.......................................... 44 05 - Pianificare i rilievi fotogrammetrici e il volo...................................................... 47 05.1 - Pianificare il volo passo passo ....................................................................... 49 05.2 - La pianificazione del volo praticamente ...................................................... 50 06 - Dai modelli alle informazioni ................................................................................. 52 07 - Il rilievo 3D per il mondo del costruito e dell’architettura ............................ 55 08 - Dal GIS al BIM, alla stampa 3D............................................................................. 58 09 - I punti di controllo. Tecniche e problematiche operative ............................ 61 09.1 - La determinazione dei punti di controllo a terra.......................................... 63 09.2 - Come distribuzione i punti di controllo......................................................... 65 09.3 - Le coordinate dei punti di controllo............................................................... 65 10 - Conclusioni ................................................................................................................. 68 11 - Tabella delle sigle, degli acronimi e della terminologia ................................ 71 12 - Note e riferimenti....................................................................................................... 85 13 - Bibliografia e riferimenti web ............................................................................... 90 14 - Riferimenti software e standard .......................................................................... 92 14.1 - Sistemi per la pianificazione del volo............................................................. 92 14.2 - Generazione di modelli 3D ..............................................................................93 14.3 - Modellazione 3D............................................................................................... 95 14.4 - Stereoplotting e fotogrammetria standard ................................................. 96 14.5 - CAD/GIS/BIM/altro........................................................................................... 98 14.6 - Gestione nuvole di punti...................................................................................99 14.7 - Standard, formati e progetti di riferimento ................................................. 101 14.8 - Note sugli autori .............................................................................................. 104

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INTRODUZIONE Una guida rapida al rilievo fotogrammetrico è un lavoro ambizioso, prima ancora che un titolo di per sé. A ben osservare è anche una contraddizione in termini, considerato che la sola fotogrammetria richiederebbe una trattazione separata, corrispondente alle decine di migliaia di pagine che sono state scritte dai suoi preludi ad oggi. È di fatto complesso sintetizzare, in una guida rapida, le mille informazioni necessarie a gestire il processo della fotogrammetria applicata all’uso dei droni. In questo contesto sono coinvolte differenti tecnologie, e al tempo stesso anche diverse conoscenze, funzionalità e competenze. Fotografia e stereoscopia, topografia di appoggio, sistemi di volo, tecniche di elaborazione, elettronica e pianificazione cartografica. Un ambito articolato, reso semplice dalla disponibilità di software in grado di agevolarci in tutto. Anche nell’uso di sperimentate procedure di fotogrammetria non standard, costate anni e anni di ricerche e sperimentazioni nel campo della computer vision e di altre tecniche di ricostruzione delle forme, dello spazio, e della rappresentazione 3D. Al di la di queste considerazioni, appare evidente che la fotogrammetria è stata, fino ad alcuni anni fa, una tecnica specialistica impiegata unicamente da professionisti esperti. Con l’avvento della fotogrammetria digitale, la diffusione e la relativa semplificazione, ha permesso il diffondersi di sistemi “desktop” alla portata di tutti. Ma indubbiamente, la rivoluzione ultima del settore è in corsa da pochi anni, ed è un nuovo pianeta che possiamo definire come fotogrammetria di quarta e quinta generazione, qualcosa che mette insieme la fotogrammetria propria, e la foto modellazione, con ogni genere di riprese.

La spinta a realizzare questo volume nasce invece dall’esigenza diffusa di fare chiarezza sull’avvento della fotogrammetria nell’era dei sistemi di volo UAV/APR o droni, come vengono comunemente chiamati.

Compito assolutamente non facile visto che la parola chiave fotogrammetria sembra essere diventato anche una componente motivazionale per la promozione di droni professionali e non. Piccoli e grandi sistemi UAV frequentemente pubblicizzati e blasonati, ma che non somigliano nemmeno lontanamente ai sistemi di ripresa fotogrammetrica.

La fotogrammetria di cui andiamo a parlare in questo volume, non è infatti la fotogrammetria minore, ovvero quella dell’approssimismo che non guarda alle misure, alle precisioni, alle tolleranze e ai capitolati d’appalto, bensì quella fotogrammetria che ha inizio dai capitolati di appalto, da procedure, precisioni e tolleranze abbastanza concise e GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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numericamente definite, dai certificati di calibrazione delle lenti e dei sensori.

Vogliamo anche chiarire che la nostra proposta di lettura non è lineare e classica, proprio perché nell’abbondare delle soluzioni tecnologiche, la confusione regna sovrana. Ma nonostante tutto, la tecnologie dei sistemi UAV, delle immagini digitale e dei sensori di nuova generazione, così come l’emergere del 3D sempre più diffuso, stanno portando la fotogrammetria oltre la IV generazione, ovverosia direttamente nel ready to use dei modelli 3D, con tutti i pro e i contro di quello che significa.

Ma non vogliamo tediarvi ancora a lungo con discorsi generici a largo spettro, pertanto cercheremo nel prosieguo del testo non solo di indicarvi le direzioni principali della tecnica, ma anche di illustrare le attività pratiche della pianificazione dei voli, della gestione delle operazioni di controllo e infine l’applicazione dei riferimenti geotopografici, che ci connettono geograficamente con il resto del mondo, portando il mondo virtuale delle immagini digitali, nel contesto del mondo reale.

Per concludere cercheremo di aiutarvi a comprendere l’estrazione dei dati geospaziali dalle nostre immagini, che è lo scopo ultimo di noi tecnici e comunicatori del territorio, come tutti i geometri, geografi, agronomi, geologi e urbanisti, architetti e ingegneri, oppure semplicemente appassionati e operatori del settore a titolo variabile. Categorie professionali che fanno della geomatica applicata un mestiere in “carne ed ossa”, dalla quale ricavano gran parte del loro budget. Nel testo non saranno volutamente trattati argomenti relativi né al laser scanner e né al mondo dell’imaging 360°, che insieme ai sistemi di volo UAV

Fig. 1 - Un’immagine storica dei metodi di rilievo geo-topografico 8

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fanno parte dell’evoluzione e delle tecnologie diffuse di questo periodo storico, nello studio e documentazione del territorio e del mondo costruito. Argomenti che saranno trattati in futuro attraverso altri progetti editoriali.

Fig. 1a - Un’immagine della prima camera fotografica Kodak instamatic

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NOZIONI DI BASE

1 - IL PROCESSO SEQUENZIALE DELLA FOTOGRAMMETRIA Il processo fotogrammetrico può per certi versi ritenersi un processo sequenziale di acquisizione e trattamento dei dati, che attraverso l’applicazione di diversi algoritmi matematici e informatici, ci permette di recuperare le deformazioni geometriche delle riprese fotogrammetriche. Ma per comprendere i processi alla base di una buona fotogrammetria, non basta conoscerne i principi, ma è necessario applicarli dal vivo; e in primis trattandosi di rilievi fotogrammetrici è necessario stabilire il tipo di camera da impiegare, soprattutto in ragione della qualità del prodotto finale, sia in termini metrici che radiometrici. Dove per qualità radiometrica si intende la comFig. 2 - Le macro componenti del processo fotogrammetrico

ponente cromatica e della risoluzione delle immagini acquisite, mentre la componente metrica è legata alle qualità delle lenti e ad una buona calibrazione del gruppo ottico e del sensore CCD. La scelta della camera dipende in linea di massima dalla scala dei nostri rilievi, da cui l’altezza di volo del nostro drone, e di conseguenza la scelta della focale dell’obbiettivo.

Ma avvertenze e raccomandazioni non riguardano solo la camera di ripresa, e trattandosi di fotogrammetria è chiaro che la componente critica centrale è il sistema di ripresa nel suo insieme.

Andiamo per gradi, e cominciamo ad entrare nel merito delle quattro componenti principali di un sistema UAV per fotogrammetria, che semplificando possiamo assumere come: ❑ ❑ ❑ ❑

Sistema di ripresa Sistema di volo Sistema di post elaborazione Sistema di estrazione delle informazione

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1.1 - Il Sistema di ripresa Per sistema di ripresa si deve intendere il complesso camera fotografica o video - sistema di installazione - sistema di controllo e armo in tempo reale.

A sua volta la camera si compone di un sistema di scatto (otturatore e diaframma), di un gruppo ottico o obbiettivo, e del sensore CCD che sostituisce la ormai desueta pellicola.

Fig. 3 - Il complesso obbiettivo/camera/CCD

Del sistema di ripresa fanno anche parte il sistema di montaggio della camera (fissa o basculante nel caso dei multirotori), e il sistema di controllo remoto, ovvero il sistema di armo ed eventualmente il sistema di controllo in tempo reale delle riprese, chiamato comunemente sistema FPV. Il sistema di ripresa, così come precedentemente introdotto, è un sistema complesso ed è pertanto tempo di occuparsi delle specificità, ed entrare quindi in alcuni esempi pratici.

Per scegliere il sistema di ripresa, dobbiamo chiederci innanzitutto a che scala dobbiamo documentare il nostro territorio, manufatto o monumento. Infatti in funzione della scala dovremo scegliere diverse cose, quali: l’obbiettivo, la quota o distanza di volo, e per certi versi anche la precisione conseguibile con i punti topografici di appoggio.

Da questo punto di vista si parla spesso di pixel a terra, ma è bene tenere presente che in genere un pixel da solo non è significativo, e che per apprezzare qualcosa di visibile, i pixel vanno considerati al minimo due alla volta. Qui l’esperienza ci insegna che il valore di un punto a terra come grandezza e, di conseguenza come precisione nominale, sotto la quale è impossibile scendere, è di almeno 2 pixel. Ciò equivale a dire che se il pixel a terra vale 2 cm, noi ne potremo apprezzare non più di 12

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4 cm. Chiaramente nelle migliori condizioni di luminosità, messa a fuoco, e soggetto fortemente differenziato in termini di cromaticità.

Esistono altre considerazioni da fare sul sistema di ripresa, ad esempio, la relazione tra sterescopia, velocità del sistema UAV, e tempi di riarmo dell’otturatore della camera, e infine la quota o distanza di volo.

La velocità di riarmo o di scatto della camera è un fattore determinante per evitare problemi di cattive coperture fotografiche. La velocità a terra del sistema [1] deve essere compatibile con i parametri delle riprese fotografiche. La velocità relativa tra il sistema di volo e l’intervallo a terra tra i diversi centri di presa, è determinante ai fini della buona riuscita del lavoro. Intervalli di ripresa troppo piccoli produrranno un numero di fotogrammi maggiori del dovuto. Al contrario intervalli troppo lunghi creano dei veri e propri buchi nella sequenza sterescopica delle immagini [2].

La quota o distanza di volo determina invece il fattore principale della qualità delle riprese. Si parla della cosiddetta “scala media dei fotogrammi”, in relazione alle specifiche del committente, che dovrebbe quantomeno indicarla nella richiesta di commessa. Per spiegare il concetto di scala media del fotogramma, basta fare l’esempio classico della cima della montagna e del fondovalle, che su una immagine aerea hanno chiaramente quote ortometriche diverse, conseguenza che influisce quindi sulla scala cartografica dei due ambiti. Si parla pertanto di “scala media”, proprio per indicare scale fotografiche diverse presenti nello stesso fotogramma. La fotogrammetria cerca di risolvere proprio questo problema. Ovvero riportando le immagini alla stessa scala, attraverso la generazione delle cosiddette “ortofoto”. Il concetto di scala media è però più complesso, e rimandiamo il tema alle note in fondo al volume [3].

Un’altra accortezza da tenere presente, è la durata delle batterie del sistema di volo e della camera, in termini di numero di fotogrammi e di numero di voli.

Bisogna infatti calcolare la durata del volo e quindi della batteria del sistema di volo, stando attenti che la durata della batteria della camera sia sufficiente al numero di scatti fotografici necessari a coprire l’intero numero di voli utili programmati.

Ulteriore problematicità, tipica dei sistemi di ripresa, è la scheda di memoria, che deve essere capiente e veloce, altrimenti si rischia di fallire la missione per insufficienza della scheda di memorizzazione delle immagini. Ultima accortezza, la scelta della focale e GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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la qualità dell’obbiettivo impiegato, tenendo presente i parametri complessivi come la scelta dell’esposizione e quindi dell’ISO, la gestione del diaframma, infine la disponibilità del sistema di interfaccia della camera fotografica con il programma di missione.

In assenza di ciò, generalmente si imposta lo scatto automatico su valori calcolati o sperimentati.

Tab. 1 - Una tabella di calcolo dei parametri di ripresa in funzione delle diverse scale della mappa o dell’ortofoto. Fissata la scala, viene calcolata la quota di volo e il footprint o abbracciamento a terra a parità di focale della camera.

1.2 - Sistemi di volo Il sistema di volo è rappresentato dal vero e proprio sistema UAV/APR. Comunemente si hanno sistemi ad ala fissa, sistemi multirotori, e monorotori come gli elicotteri. Il sistema di volo comprende gli aspetti legati ai propulsori, al sistema di decollo e di atterraggio, e alla sua capacità di muoversi nello spazio 3D o meno. Su questo tema specifico dei sistemi di volo, data la vastità del tema è consigliabile fare riferimento a quanto indicato in bibliografia.

I sistemi di volo possono essere diversi sia per tipologia di applicazione che per tipologia di forma e propulsione, ma anche e soprattutto in base al sistema di funzionamento, propulsione e controllo di assetto, sistema di pilotaggio (autonomo, assistito, etc.), capacità e tipo di payload, facilità di gestione, e anche per ambiti operativi (aree critiche, urbane, etc..)

In ogni caso le tre grandi famiglie dei sistemi di volo si configurano come segue: ❑ ❑ ❑

sistemi ad ala fissa sistema ad ala rotante sistemi ibridi o convertiplano

I sistemi ibridi, o convertiplani, sono limitatamente diffusi, ed al momento non rappresentano una soluzione sperimentata e consolidata, se non in campo militare, pertanto se ne sconsiglia l’uso, mentre si incoraggia l’uso dei sistemi ad ala fissa e dei multirotori, la cui efficienza 14

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è evidente e consolidata da un approccio classico al volo.

1.2.1 Ala fissa - i sistemi UAV ad ala fissa possiedono stabilità e sono facili da usare, soprattutto se considerati in un contesto di volo in modalità Fly By Wire, che permette di far volare il sistema all’interno di parametri di volo controllato. Dal punto di vista della resa, la durata del volo è sicuramente superiore a quella di altri tipi di sistema, dal momento che i droni ad ala fissa, sfruttando la portanza delle ali, ottimizzano l’uso dell’energia durante il volo. Durata e stabilità del volo: due fattori indispensabili per le applicazioni fotogrammetriche o di controllo su larga scala del territorio.

Di contro, necessitando di molto spazio per decollo e atterraggio, e muovendosi a velocità non troppo basse, i sistemi ad ala fissa non possono avvicinarsi troppo all’oggetto da rilevare, fotografare o documentare.

Fig. 4 - Flow chart delle fasi operative di impiego di un sistema UAV generico

1.2.2 Multirotori - i sistemi UAV multirotore hanno la peculiarità di permettere un volo facile ed in tutte le direzioni. Essi vanno comparati agli elicotteri, da cui derivano. Con i sistemi multirotore è possibile variare l’assetto di volo facilmente e mantenerne la stabilità. Un’altra caratteristica è quella di attutire le imbardate e gli altri movimenti (beccheggio e rollìo) del sistema nel caso di raffiche di vento. Di contro, non potendo sfruttare l’energia prodotta dalla portanza delle ali, e consumando quindi molta energia, i sistemi multirotore non possono percorrere linee di volo troppo lunghe.

1.2.3 Elicotteri - gli elicotteri sono stati finora impiegati per eseguire riprese fotografiche e lavori di alta precisione. Al vantaggio dato dall’estrema manovrabilità, fa da contraltare un’elevata complessità, sia dal punto di vista tecnico che in termini di competenze richieste al pilota.

1.2.4 - V TOL - I sistemi VTOL UAV rappresentano, così come GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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indica la sigla inglese Vertical Take-Off and Landing Unmanned Aerial Vehicles, i cosiddetti sistemi convertibili, che prevedono cioè la convertibilità tra propulsione ad elica orizzontale (tipica degli elicotteri o dei multirotori) e la propulsione con elica verticale (tipica dei sistemi ad ala fissa). I sistemi convertibili non sono ancora molto diffusi e le prestazioni risultano per lo più scarse rispetto ai sistemi tradizionali; ragion per cui, anche se sul mercato si trovano diversi sistemi di questo tipo, rimane ancora vantaggioso avere due sistemi tradizionali invece che uno solo di tipo convertibile.

Fig. 5 - Uno dei sistemi convertibili diffusi nel mercato dei droni

Fig. 6 - La febbre dei droni ha portato Sony a progettare un convertiplano per il mercato della sicurezza e videosorveglianza

1.3 - Il processo di elaborazione La post-elaborazione dei dati fotogrammetrici è un processo complesso, legato sia al progetto iniziale e al disegno delle specifiche, sia alla esecuzione delle operazioni geo-topografiche, e di messa a punto della catena di informazioni.

La complessità del processo di post-elaborazione è in linea di massima 16

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dovuta al fatto che non esiste un unico sistema per eseguire tutte le operazioni necessarie, e che il processo implica diverse fasi critiche da cui dipende la buona riuscita delle successive fasi di produzione degli elaborati tecnici specifici. Inoltre le procedure possono dipendere sia dal fornitore del sistema UAV, ma anche e soprattutto dalle scelte dell’operatore, che a seconda delle sue conoscenze, più o meno approfondite dei software e dei processi fotogrammetrici, potrà fare delle scelte adeguate al contesto operativo. Non basta quindi scegliere un software e seguire il tutorial del momento bensì è necessario acquisire esperienza e pratica operativa, ripetuta su casistiche di progetti Fig. 7 - Grafico dell’andamento dell’innovazione IT sul lungo periodo

differentemente articolati. La scelta primaria per i processi di post-elaborazione, è strettamente correlata al software, e al riguardo non si può ignorare quanto sta avvenendo in questo particolare periodo tecnologico, in cui la potenza di calcolo diventa elemento strategico per il raggiungimento degli obiettivi. Tutto questo ci riporta indietro nel tempo, nell’era dei net computer di cui già si parlava 20 anni fa. Il cambio di paradigma infatti è già qui, e le piattaforme net centriche stanno avanzando più di quanto si possa immaginare rispetto alle soluzioni PC centriche o standalone. Preparatevi quindi a parlare di servizi cloud piuttosto che di software di elaborazione sul vostro PC, visto che le soluzioni sono più che mature, ovvero già disponibili.

Inoltre l’avanzare dei big data nel mondo del geospatial, si riflette nella crescita e diffusione di soluzioni e servizi cloud a disposizione degli operatori del settore. In parallelo assistiamo quindi alla sempre minor diffusione di soluzioni software complesse ed energivore di CPU e risorse IT, che confineremo nel giro di qualche anno tra i ricordi dell’informatica di vecchia generazione, come quella conosciuta dagli anni ‘80 ad oggi.

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Cambia quindi il modello di impiego della tecnologia, ma non il processo generale di conoscenza, e le questioni che rimangono aperte si chiamano quindi: ❑

❑

❑

Georeferenziazione delle immagini, ovvero l’individuazione dei punti di appoggio a terra (GCP) o l’uso del GNSS in modalità RTK, insieme alle tecnologie degli accelerometri che permettono la realizzazione di sistemi di attitude altamente performanti.

Processo fotogrammetrico, ovvero triangolazione aerea e generazione di nuvole di punti per l’approntamento dei prodotti di base come DSM, DEM, TIN, etc.

Generazione delle coppie stereoscopiche, insieme ai parametri di orientamento, pronte al tracciamento o alla fase di stereo-plotting, come viene chiamato in inglese la fase finale e produttiva della catena di informazioni geospaziali, che alimenteranno i nostri Geo-DB e le nostre cartografie 3D, o le tante agognate ortofoto.

Il processo complessivo quindi, continua a rimanere più o meno lo stesso, ed è compreso nella sequenza di operazioni descritte nei successivi paragrafi.

Fig. 8 - La VIRB 30 di Garmin.

GPS a 10 Hz e tutti i parametri di attitude per la prima action cam in applicazioni di alta dinamica

1.3.1 - Verifica del progetto di volo - In sostanza si tratta di verificare la corrispondenza delle strisciate di volo progettate, con quelle effettivamente rilevate. Questa verifica va fatta a vista, confrontando la documentazione cartografica ancillare, immagini diverse come google earth, apple map o BING, oppure ortofoto a scala regionale o comuna18

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le, mappe catastali, etc.

Qualsiasi documentazione precedente al nostro volo, da utilizzare come canovaccio cartografico o eidotipo, sul quale abbozzare l’andamento delle strisciate, numerando eventualmente la prima e l’ultima delle sequenze di immagini. Tale lavoro si può fare ancor meglio sulla mappa dei Ground Control Point (GCP), e se la procedura di download

Fig. 9 - Un esempio di grafico delle strisciate per un rilievo aerofotogrammetrico tradizionale

del sistema di volo lo prevede, si può anche ottenere l’elenco delle immagini, comprensivo delle coordinate. Questa fase dipende dal sistema di gestione del mission planning, oppure dal software di download o di post produzione.

Nel caso delle soluzioni senseFly ad esempio, già al download dei dati di volo dal sistema UAV, avremo un file KLM con individuate tutte le immagini (vedi fig. 10).

Nel caso più tradizionale dovremmo avere le coordinate direttamente all’interno del file JPG, e visibili mediante la semplice interrogazione delle componenti EXIF del nostro sistema operativo (vedi fig.11).

Un software ad hoc potrebbe prevedere la realizzazione del grafico delle strisciate, cosi come si evidenzia nell’immagine in fig.9. Questa fase è necessaria soprattutto per verificare che il volo reale corrisponda, con le dovute tolleranze, a quanto pianificato.

1.3.2 - Verifica qualità immagini, caricamento e georeferenziazione - Questa fase coincide con il caricamento dei GCP sul post-processing system (PPS). Con questo termine si intende il sistema di post-elaborazione fotogrammetrico, che può essere composto da un unico GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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software con un workflow adeguato e i relativi moduli, oppure da una serie di moduli con elaborazioni intermedie e indipendenti. Il workflow più comune nei software di elaborazione prevede una sequenza che somiglierà a quanto indicato in fig.12.

La sequenza delle operazioni in seguito descritte illustra nei dettagli i processi dei sistemi di post-produzione: - apertura del progetto, con setup del sistema di riferimento, dei certificati di calibrazione delle camere adottate, e altre opzioni che dipendono dal programma e dal progetto.

- caricamento dei certificati di calibrazione, ovvero dei diversi certificati di calibrazione delle camere fotografiche con cui sono state effettuate le riprese. Normalmente si procede per blocchi fotogrammetrici Fig. 10 - Il grafico dei punti di ripresa del sistema ALBRIS di SenseFLY, ottenuta automaticamente in formato KLM subito dopo il volo

omogenei, ma i software professionali sono in grado di impiegare blocchi di immagini anche di provenienza diversa, e quindi con obbiettivi e relativi certificati di calibrazione differenti.

- caricamento delle immagini. Normalmente queste immagini contengono già le coordinate geografiche del centro di presa, ovvero la posizione in coordinate geografiche 3D della camera al momento dello scatto. In alcuni sistemi queste informazioni vengono definite nella fase di download delle sessioni di lavoro. Al termine del processo abbiamo il dataset delle immagini georeferenziate, ed eventuali altri file dei parametri di assetto, ovvero le coordinate geografiche come latitudine, longitudine e quota. Oltre ai dati di orientamento delle riprese attraverso i parametri canonici phi, omega e kappa (φ, ω, k), altrimenti definiti nei sistemi di volo come head o yaw, pitch, roll. Tali valori sono espressi normalmente in gradi sessagesimali, secondo convenzioni conosciute.

Propedeutica a questa fase può esserci quella di verifica delle coppie sterescopiche, che effettuata a campione, potrà eseguirsi semplicemen20

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Fig. 11 - Le coordinate geografiche conservate nelle informazioni EXIF dei files JPG del volo

te con un sistema a video. Sembra superfluo dire di guardare delle immagini a video, ma parlando di immagini digitali diventa desueto stampare le stesse e verificarle con lo sterescopio, cosi come veniva normalmente fatto fino ad una quindicina di anni fa (vedi fig. 47 a pag. 64).

1.3.3 - Input dei GCP - È la fase di individuazione dei punti di controllo sulle immagini, necessari a georeferenziare il rilievo fotogrammetrico da UAV/APR, ma anche a validare e controllare la bontà della precisione globale e puntuale degli elaborati cartografici o fotogrammetrici finali. La scelta della geometria di controllo dei GCP in fase di progetto, così come l’esecuzione del rilievo, è determinante per una buona riuscita del lavoro, ovvero per avere una precisione complessiva di tutti i prodotti cartografici e non, uniformemente distribuita e mediamente afferente alla realtà dei luoghi.

Fig. 12 - Il workflow classico di un sistema di post-produzione fotogrammetrica GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 13 - I parametri convenzionali degli orientamenti in fotogrammetria

In alcune soluzioni software, questa fase può essere eseguita a posteriori della elaborazione del modello fotogrammetrico generale, così che i modelli geospaziali usati dalla procedura vengono georeferenziati successivamente, ma prima di esportare i prodotti fotogrammetrici e 3D nel loro formato finale.

1.3.4 - Elaborazione del bundle adjustment - In alcuni software o soluzioni di calcolo, questa fase viene chiamata semplicemente “bundle”, semplificando il suo complesso significato che è legato alla ricerca dei punti omologhi o di legame tra le immagini. Tale fase serve a determinare la relazione tra le diverse immagini, e consiste quindi nella individuazione di “oggetti” o “feature”, alla base del processo di collocazione geospaziale della serie di immagini. Il tipo di collocazione è sempre di tipo “uno a molti”. L’avanzamento tecnologico degli ultimi 10-15 anni è stato caratterizzato dalla diffusione del paradigma del Fig. 14 - Uno stereoscopio usato agli inizi del secolo, quando era di moda la stereoscopia

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“geospatial imaging”, che in parte deriva dal settore della computer vision [4].

Con l’avvento della fotogrammetria di IV generazione, ovvero della migrazione degli algoritmi propri della computer vision verso il mondo della fotogrammetria architettonica e poi aerea, nascono le soluzioni chiamate anche di full 3D, dove le riprese possono avere schemi geometrici anche di tipo convergenti.

In sostanza le così dette feature o tie points sono assimilabili a punti di riferimento in comune tra 2 o più immagini, e applicando un processo iterativo convergente come la triangolazione aerea, si determinano le Fig. 15 - Uno schema di ripresa fotogrammetrico non standard, impiegato in alcune sperimentazioni effettuate dagli autori in diverse attività di rilievo e documentazione

coordinate geospaziali (X,Y,Z) dei centri di presa, nonchè le componenti di orientamento angolare finale delle immagini comunemente indicate come Phi, Omega e Kappa. Questa fase, detta genericamente di ricerca degli orientamenti, consiste nella determinazione della serie di parametri univoci di cui sopra, a cui segue in genere la successiva fase di densificazione del modello digitale o di generazione della nuvola densa.

1.3.5 - Generazione della nuvola densa - Una volta orientate le immagini, siamo pronti ad intraprendere la fase di determinazione full 3D della nuvola di punti. Dove con tale termine si deve intendere l’uso di immagini continue dell’oggetto rilevato, comunque disposte nello spazio. Le immagini realizzano una copertura stereoscopica non standard delle superfici dell’oggetto del rilievo; con ciò si introduce l’opportunità di impiego di immagini fotografiche in parte convergenti.

Con questo metodo facilitato si assicura una continuità di copertuGUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 16 - Esempio di tabulato dei risultati di bundle

Fig. 17 - Schemi delle riprese fotogrammetriche di tipo standard (a), e di tipo convergenti (b e c)

ra fotografica, e quindi di determinazione della nuvola di punti del modello 3D anche nei punti delle strutture comunemente chiamati sottosquadri, o là dove le geometrie di passaggio tra orientamenti diversi del manufatto interrompono la linearità della stereoscopia fotogrammetrica canonica. Un esempio per tutti è rappresentato dalla continuità dei modelli fotogrammetrici tra coperture e facciate dei fabbricati.

Vero è però che i modelli convergenti non possono essere impiegati per la visione sterescopica tradizionale, ma vanno comunque bene per ciò che possiamo chiamare “visione automatica”, caratteristica dei sistemi di visione artificiale [5].

1.3.6 - Generazione del modello a mesh - È un processo che può essere opzionale al processo complessivo del lavoro che stiamo effettuando, e la dove il nostro lavoro si ferma alla realizzazione delle ortofoto, è di fatto perfettamente inutile, in quanto la nuvola densa già generata, insieme alle immagini orientate, sono già ampiamente sufficienti a realizzare i prodotti cartografici e geospaziali richiesti dal processo fotogrammetrico.

Diversi sono i contesti in cui può essere necessario generare la mesh 24

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Fig. 18 - Un modello dense cloud di un manufatto archeologico rappresentato con diverse modalità

come fase successiva a quella della nuvola densa. In questo caso i parametri impiegati nella sua generazione devono essere scelti con cura, in funzione della precisione richiesta, della ricerca di fedeltà del modello generato, e del compromesso tra densità di informazione e di pesantezza del modello nella sua gestione e nel suo utilizzo sulla workstation di lavoro.

La rappresentazione a mesh, e così la sua generazione, sono attività che afferiscono più al mondo della modellazione tridimensionale pura (architettura, comunicazione, industria, etc.) che a quello della modellazione geospaziale. Tutto ciò si riflette chiaramente anche e soprattutto sugli strumenti software disponibili o conosciuti nell’ambiente in cui operiamo, presentando opzioni e potenzialità sconosciute ai più. Diversissimi sono infatti gli strumenti operativi di software come Rhinoceros, 3D Max, Cinema 4D, Blender, Maya, MeshMixer, e mille altri dedicati alla modellazione pura dei modelli 3D. Ma ciò che fino a poco tempo fa era una eccezione, sta diventando un aspetto normale, e così negli ultimi anni si va sempre più diffondendo la generazione di modelli 3D a mesh texturizzati con i pattern naturali estratti dalle immagini. Una modalità completamente diversa dai pattern dei modelli 3D dell’architettura di progetto che sono in genere ripetibili o semplicemente parametrici. Tutto ciò non è possibile nella rappresentazione della realtà, così come avviene quando rileviamo il territorio, le città o i beni culturali. In questa tipologia di applicazioni nulla o quasi è serializzabile, e quando andiamo a popoGUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 19 Nell’immagine la modellazione 3D di uno scenario urbano utile alla realizzazione dei 3D City Models

lare di informazioni i nostri Terrain e City Models, non facciamo altro che riprodurre la realtà geometrica e cromatica, andando a popolare la punta dell’iceberg del 3D che verrà, che deve esprimere realtà e non il modello progettuale.

1.3.7 - Applicazione delle texture - È una fase opzionale che mira alla vestizione del modello a mesh Full 3D generato, e quindi al suo consolidamento come modello 3D impiegato in attività di rendering fotorealistico per lo più navigabile, oppure impiegato per la generazione di pseudo ortofoto, o semplicemente come sistema per il passaggio ad altri sistemi di editing 3D come Rhino, Blender, Cinema 4D o 3D Studio Max di Autodesk.

Oppure pubblicando il risultato su sistemi di repository 3D su cloud come sketchfab e altri nati negli ultimi anni.

Di fatto l’uso dei modelli a mesh testurizzati, rappresenta una grande innovazione le cui origini sono legate ai sistemi di derivazione militare come Socet Set ed Helava, che Fig. 20 Nell’immagine già negli anni ‘90 impiegavano il formato Open una rappresentazione Flight ancora perfettamente compatibile con di- a mesh versi sistemi di rendering attualmente in uso [6]. texturizzata (www.geo-link.it)

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1.3.8 - Generazione di prodotti geospaziali e cartografici - È l’attività di produzione dei dataset di dati geospaziali come immagini georeferenziate e orientate, ortofoto, DSM, DTM, mappe tematiche e cartografie per sistemi 3D GIS, banche dati per sistemi City Engine o scenari 3D navigabili in ambiente Unity. La generazione di formati e dati complessi, richiede comunque una conoscenza dei sistemi e degli standard non comuni tra gli operatori. In questa fase conta senz’altro l’esperienza, e anche se è abbastanza facile trovare tutorials e supporto tra le decina di blog e risorse web, non dobbiamo dimenticare che esistono modalità e standard di rilascio dei prodotti che nulla lasciano al caso. Un aspetto che non si può superare se non con l’esperienza, ma anche con corsi di formazione adeguati agli obbiettivi. Per questa fase non possiamo che rimandare ad altre pubblicazioni, i cui riferimenti trovate in bibliografia.

1.3.9 - Export verso i sistemi di disegno e restituzione - È una fase delicata del progetto e della successiva generazione delle mappe, ed inizia con la definizione e la messa a punto dei parametri come le classi degli oggetti geospaziali, i layer e i formati di export verso i sistemi e le piattaforme in uso al cliente finale. In primo luogo si tratta di definire ciò che in genere confluisce nei cosiddetti “metadati geografici”, ovvero la creazione della targa identificativa del dataset in cui far coinfluire i dati di origine, le proprietà intellettuali e tecniche, ma anche il sistema di riferimento e ed il relativo processo di generazione.

I sistemi di lavoro coincidono con gli standard diffusi come quelli tipici dei sistemi basati su Microstation (DGN), DXF, SHP, o sistemi diversi come CityGML, CityEngine di ESRI, oppure semplicemente i formati GIS o DB Cartografici strutturati dell’ambiente OSGeo o secondo le regole INSPIRE. Riassumendo, qualcosa che inizia dalla fine, ovvero dai sistemi di disegno che permetteranno di fatto di produrre le cartografie o i prodotti geospaziali richiesti dal committente.

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2 - IL PROCESSO DI ESTRAZIONE DELLE INFORMAZIONI La precedente fase di elaborazione delle informazioni rilevate, serve innanzitutto alla formazione dei prodotti digitali fotogrammetrici di base e canonici. A cominciare dalle immagini, o modelli orientati, per proseguire poi verso le fasi di modellazione 3D, ove espressamente richiesta.

L’estrazione di DSM e DTM, è sempre necessaria per i più svariati scopi, non ultimo quello di generare le ortofoto o altri prodotti tipici della fotogrammetria di III e IV generazione.

La fase vera e propria di estrazione delle informazioni geometriche, coincide invece con ciò che in fotogrammetria viene comunemente chiamato tracciamento o restituzione, e che rappresenta per certi versi la fase topica della fotogrammetria, in cui vengono disegnate le geometrie, definite le topologie e le informazioni plano-altimetriche o 3D del territorio, delle architetture o dei beni culturali, dell’ambiente o dell’edilizia civile e industriale.

Tutto ciò avviene partendo dall’analisi visiva dell’operatore, che allo stesso tempo analizza e interpreta la realtà, classificandola e rendendola “geometria informativa”, forma e informazione allo stesso tempo.

Prodotti gli elaborati plano-altimetrici come cartografie e curve di liFig. 21 Panoramica delle tecnologie del Geo-IT coinvolte nei processi di rilievo fotogrammetrico e in generale nel settore dei dati geospaziali (estratta da un articolo su: Geospatialworld.net)

vello, vengono poi popolati i sistemi CAD e GIS e vengono restituite le informazioni necessarie a definire i modelli 3D o i sistemi 3D GIS di nuova generazione. Oppure vengono semplicemente impiegate le coppie stereoscopiche ai fini di attività di ispezione ed eventuale quotatura degli elementi di interesse. Insomma, la fase di estrazione delle informazioni é la fase finale in cui le informazioni di cui abbiamo bisogno, vengono per così dire estratte dalle immagini post-elaborate, e 28

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andranno a popolare i nostri elaborati grafici, i nostri database geospaziali, le nostre cartografie tradizionali, catastali e 3D, i nostri webGIS pronti all’uso per alimentare le applicazioni geografiche o di imaging.

L’estrazione delle informazioni dai progetti fotogrammetrici può essere quindi sistematizzata, ma non prima di aver verificato i parametri di elaborazione dei dataset, editati e normalizzati. Una volta accertato che tutte le informazioni sono congruenti, e che le fasi generali di post-processing hanno prodotto i geoDB completi per definizione e copertura del progetto, é necessario rivedere uno ad uno i prodotti di base. Tra questi dovremmo trovare gli item che seguono: 2.1 - Report generale del progetto Un buon sistema di post-elaborazione, prevede sicuramente i report di compensazione della triangolazione aerea o del calcolo degli orientamenti. Ovvero i report relativi alla componente numerica e geometrica dei processi e dei calcoli effettuati. Malauguratamente questa funzione è spesso assente nei prodotti di derivazione CV o SfM [7].

2.2 - Report grafico delle strisciate Non sempre disponibile come funzione di post produzione nei software di derivazione non fotogrammetrica. È un elaborato grafico da cui si evince la sovrapposizione tra il grafico di strisciata e i punti di appoggio plano-altimetrici o GCP ricadenti nell’area del rilievo, ma si impiega anche per verificare la qualità del volo per le componenti di orientamento e sovrapposizione delle strisciate. Viene in genere tracciato su cartografie tecniche o su una rappresentazione qualsiasi dell’area.

2.3 - Dataset delle immagini orientate Si tratta delle immagini rilevate e ricampionate, in genere accompagnate dal tabulato contenente per ogni immagine le coordinate e gli orientamenti phi, omega e kappa del fotogramma, ed eventuali altri parametri come sqm dei valori significativi, etc. Questo dataset serve in caso di restituzione cartografica, per il mapping o la creazione di modelli 3D. Oppure semplicemente per le fasi di ispezione visiva stereoscopica, ed eventuale geotagging delle informazioni di nostro interesse.

2.4 - DSM, DTM e altre rappresentazioni altimetriche Questi dataset sono quelli che definiscono in maniera canonica la GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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componente altimetria dell’area indagata. La definiscono con una certa precisione, e sono prodotti normalmente impiegati anche nelle fasi di produzione di ortoimmagini tradizionali o di true ortofoto. Insieme a DTM e DSM è possibile generare i cosiddetti DEM o le curve di livello, intervenendo sui software a corredo della suite fotogrammetrica più o meno professionale che stiamo utilizzando.

2.5 - Ortofoto standard e restituzione fotogrammetrica tradizionale Solo nel caso in cui è previsto un livello di fornitura intermedia di questo tipo. In questo caso in genere viene prodotta una ortofoto dell’area di progetto, ma il più delle volte non è sufficiente a realizzare la documentazione cartografica o di disegno del manufatto, e si procede quindi alla fase di “stereo plotting” o “restituzione fotogrammetrica” come è comunemente chiamata in Italia.

Fig. 22 Nell’immagine un modello stereoscopico con più viste

2.6 - Agricoltura di precisione e rilievi multispettrali Con questi termini si individua un campo di applicazioni molto vasto che spazia dal remote sensing al proximal sensing e all’utilizzo di sensoristica per il rilievo. Spesso produce come risultato un raster o in parole più semplici una mappatura di analisi derivante molte volte da particolari indici come quelli di vegetazione SR (Simple Ratio) e NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) o altri. Rappresentazioni che in generale somigliano agli elaborati come le ortofoto, con letture a falso colore che rappresentano lo stato della vegetazione, o delle mappe cosiddette di “classificazione” dei fenomeni ambientali e della vegetazione.

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2.7 - Dataset e modelli Full 3D Si intende comunemente il complesso di rappresentazioni più o meno fedeli alla realtà, di un modello 3D continuo. Nell’accezione della fotogrammetria di IV generazione, le fasi ricorrenti sono in ordine le seguenti: ❑ ❑ ❑ ❑

generazione del processo di bundle con tutti i tipi di immagini (oblique, convergenti, complanari) generazione delle nuvole dense di punti generazione della mesh generazione della mesh texturizzata [8]

Fin qui abbiamo passato in rassegna i prodotti geo-topografici e geospaziali che un buon processo di post-elaborazione fotogrammetrica deve restituire.

Nel prossimo capitolo, si argomenterà invece su: interpretare, creare, disegnare, e codificare le informazioni raccolte, e conseguentemente non rimarrà che disegnare, mappare e interpretare il territorio, i monumenti, i fabbricati, le infrastrutture e i manufatti, oppure determinare i volumi di estrazione di una cava, misurare i paramenti di una ciminiera industriale, o effettuare mapping e misurazioni in generale.

Gli strumenti che possiamo impiegare sono diversi e appartenenti a diverse tipologie di soluzioni software, ognuna con le sue capacità e con i suoi strumenti più o meno adeguati alle esigenze e alle nostre aspettative. Si passa infatti dai veri e propri sistemi di restituzione fotogrammetrici come StereoCAD di Menci Software, che risponde al 99% delle nostre necessità operative, fino ai sistemi meno canonici in ambiente ArcGIS, Bentley, Autodesk ed altre piattaforme software in grado di utilizzare i dataset fotogrammetrici e le informazioni geospaziali generate.

Ma la questione non si esaurisce qui, ed è forse il caso di dire che questo è il vero punto di partenza.

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3 - LA DIGITALIZZAZIONE DELLE INFORMAZIONI GEOSPAZIALI Una premessa necessaria alla fase di digitalizzazione delle informazioni territoriali, o di altre tipologie di artefatti e manufatti, è quella relativa alla questione dei prodotti realizzati nella fase di post-produzione, in sostanza quanto già richiamato al precedente paragrafo, e gli strumenti idonei alla trattazione ed estrazione delle informazioni.

Esistono infatti per questa fase, diversi approcci e diversi livelli di precisione, validità del metodo, e infine di qualità complessiva dei dataset geospaziali prodotti.

Ma veniamo al dunque degli esempi pratici, e delle problematiche connesse.

Di fatto l’uso degli strumenti adeguati al nostro scopo, dipendono fortemente dall’obiettivo, e oggettivamente dalla disponibilità delle informazioni. Prendiamo innanzitutto in esame le diverse possibilità in termini di metodo, software e procedure, ovvero: ❑ ❑ ❑ ❑

digitalizzazione 2D da ortofoto sistema sterescopico fotogrammetrico 2D, 2.5 e 3D sistema di digitalizzazione CAD, GIS, BIM sistema di gestione e digitalizzazione da modelli 3D di tip cloud/mesh

Ma andando ad analizzare i dettagli ci soffermeremo sulle potenzialità dell’uno e dell’altro metodo, chiarendo fin da subito che non esiste un metodo migliore dell’altro, bensì ognuno di essi è funzionale al tipo di

Fig. 23 - Vista prospettica di una cartografia standard 2D senza riferimenti altimetrici 32

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Fig. 24 - La stessa cartografia dell’immagine precedente proiettata su un DTM

elaborazione richiesta dal progetto, agli strumenti che l’operatore ha a disposizione, e in fine alla propria esperienza produttiva.

3.1 - Digitalizzazione 2D da ortofoto È il metodo più semplice per digitalizzare informazioni 2D, o tracciare una cartografia qualsivoglia, georeferenziata e senza quote. Metodo per digitalizzare, lucidare o semplicemente disegnare all’interno di un software di tipo CAD/GIS/BIM. Per fare questo è chiaro che bisogna organizzare il lavoro secondo le regole proprie del tracciamento cartografico, ovvero progettando l’archiviazione per livelli delle informazioni (layers), definire chiaramente la topologia geometrica (linee, punti, polilinee, curve, etc.) e informativa (codici cartografici, codici d’uso e disegno dei geoDB) sui diversi dataset interpretativi del territorio, del manufatto o in generale di ciò che vogliamo restituire come informazione geometrica, topologica e interpretativa del fenomeno oggetto dell’indagine. Parliamo qui di indagine, chiaramente in senso territoriale e non solo, in quanto la realizzazione di una cartografia passa sempre e comunque attraverso una fase di indagine, interpretazione e sintesi geometrica. Una indagine quindi, con una coda di appunti e note sulla interpretazione di quanto osserviamo o interpretiamo.

Il 2D come metodo di interpretazione delle informazioni, può in generale sembrare inadeguato alle aspettative, ma se consideriamo che il tracciamento 2D su di una ortofoto evita pericolosi errori sulla componente altimetrica, demandata a fasi più specialistiche nella gestione di modelli altimetrici e 3D, ne apprezzeremo la semplicità e le potenzialità.

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Fig. 24 A - Cartografia con tracciamento al piede degli edifici (in gergo, “con sgrondatura”)

Inoltre la semplicità del prodotto permette l’uso di sistemi di disegno e restituzione semplificati, e quindi vantaggiosi su grandi produzioni che richiedono CAD semplificati, ed operatori non troppo specializzati. Diventa così semplice importare le ortoimmagini con le proprie coordinate, e digitalizzare la geometria cartografica di interesse.

Dopo questa fase, qualora si abbiano a disposizione anche i modelli altimetrici come DSM, TIN, DTM, etc., si potranno estrapolare le quote dei vertici o dei punti di vostro interesse, in maniera automatica, oppure in maniera interattiva sul sistema di gestione della modellazione 3D o di gestione del progetto.

3.2 - La digitalizzazione 2.5D e 3D La restituzione stereoscopica prende corpo dopo le fasi di calcolo della triangolazione aerea o della cosiddetta fase di bundle, quindi dell’input delle immagini e dei GCP, e infine della definizione dei parametri geometrici canonici come orientamento e dimensioni del taglio cartografico o delle tabelle del geoDB impiegato per l’archiviazione delle informazioni geometriche richieste dalla commessa.

A voler essere sinceri non sono qui state citate le altre fasi propedeutiche come la generazione dei DSM o di altre elaborazioni, ma solo perché di fatto la vera e propria restituzione stereoscopica ne può fare a meno nella maggior parte dei casi. Inoltre alcuni prodotti fanno parte del ciclo di produzione, e sono derivati in maniera automatica, anche se i prodotti altri come quelli altimetrici e di dati specialistici, richie34

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dono una trattazione specifica.

L’inizio delle esercitazioni con gli strumenti operativi richiede nella maggior parte dei casi l’uso di visori LCD (occhiali) e del monitor 3D, in dotazione, in genere dotati di accessori adeguati come una trackball e un mouse avanzato.

La restituzione o tracciamento avviene quindi in primo luogo scegliendo il tipo di prodotto che vogliamo ottenere, e qui cominciamo a distinguere da vicino le differenze sommarie delle tre modalità descritte nei successivi 3 paragrafi.

3.3 - La restituzione cartografica o disegno in modalità 2D La restituzione cartografica bidimensionale si utilizza là dove la terza dimensione, ovvero la quota assoluta, appare di interesse limitato per le nostre operazioni. È il caso di alcune attività che di fatto non hanno bisogno delle informazioni altimetriche, come il tracciamento di linee e geometrie di cui già si conosce la quota generale, ad esempio un campo di calcio, gli stalli di un parcheggio, la linea di battigia di un lago, la posizione planimetrica della cima degli alberi, etc.. In questi casi specifici, una volta individuato il piano, sul quale effettuare il tracciamento delle geometrie cartografiche, si fissa la quota unica di riferimento, e ci si muove sul piano Z omogeneo della visione stereoscopica, in genere con la trackball o con la rotellina del mouse, e una volta portatosi in quota, ovvero eliminata la parallasse [9], si inizia a tracciare la geometria di interesse. È evidente che prima del tracciamento vero e proprio dobbiamo as-

Fig. 24 B - Modello 3D dei manufatti tracciati in fotogrammetria standard 3D GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 25 - Le diverse finalità di estrazione delle informazioni fotogrammetriche

segnare i caratteri qualitativi e rappresentativi del nostro oggetto, ovvero il Codice o Layer Cartografico e l’eventuale caratterizzazione dell’aspetto grafico come tipo di linea, spessore e colore. Questa fase tuttavia in alcuni casi può essere anche ignorata, visto che a partire dal codice di archiviazione possiamo rigenerare i caratteri grafici e rappresentativi in maniera automatica. Ma noi consigliamo l’utilizzo di queste opzioni, soprattutto: il colore e lo spessore delle linee e dei caratteri impiegati nelle note e nelle label che ineluttabilmente si modelleranno nel nostro disegno. Questo perché nella fase di restituzione e disegno draft, per la leggibilità grafica del nostro disegno è fondamentale procedere senza intralci e con la massima chiarezza su cosa stiamo mappando, così da non generare false informazioni, errori e refusi, difficili da individuare una volta che la nostra cartografia sarà archiviata Fig. 26 - Nell’immagine la differenza di geometria di proiezione tra una ortofoto standard e una “true orto” 36

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o stampata, nonché l’inattuabilità di un riscontro immediato sulle immagini impiegate durante il tracciamento.

3.4 - La restituzione cartografica 2.5 La Restituzione Cartografica così definita in quanto mappa per porzioni omogenee, per piani e porzioni del medesimo livello 2D, ma con quote di piani, riferimenti principali e porzioni di modelli TIN derivanti da dataset altimetrici specifici. Quindi un 3D per porzioni di piani in quota, ma non un 3D di interconnessione a quote diverse di piani topologici verticali o comunque disposti nello spazio.

Può sembrare strano e forse strampalato che, avendo la possibilità di usare il 3D semplice, si scelga questa via per la restituzione delle informazioni geospaziali, ma i motivi sono diversi e per lo più legati a considerazioni di natura professionale, ma anche e soprattutto di produzione. Una delle pratiche più diffuse ad esempio, è quella di mettere Fig. 27 - Il mondo della VR rappresenta la realtà in funzione una ca- e il futuro della visione digitale, cosi come tena di produzione si evince da questa immagine che ben racconta con operatori ad- l’interesse di Apple per questo tema destrati all’uso del CAD in maniera massiva; dopo di che le informazioni altimetriche, molto delicate per propria natura, vengono estratte massivamente con procedure ad hoc, ma impiegate da operatori esperti. È bene sapere che il termine 2.5D è di per se derivato dall’ambiente del GIS, piuttosto che da quello cartografico “puro”, ma va tenuto in dovuta considerazione in quanto ormai è metodo diffuso tra gli operatori del territorio che si occupano di sistemi informativi territoriali.

3.5 - La modellazione 3D Il BIM e i calcoli volumetrici, le simulazioni urbanistiche o simili, basano le proprie funzioni sui dati estratti da modelli 3D del territorio e dei manufatti. In alcuni casi il 3D non si ferma all’involucro dell’oggetto di studio, bensì come nel caso del BIM prosegue anche GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 28 - Nell’immagine la rappresentazione di una sequenza possibile di ricostruzione 3D, partendo da una nuvola di punti e arrivando ad un solido composto da superfici elementari

all’interno dell’involucro, estendendosi fino agli impianti tecnologici.

Il mondo del 3D è però ancora poco standardizzato tra gli operatori del settore geo-topografico, così come per quello del rilievo 3D in generale. Solo negli ultimi tempi, con il diffondersi dei sistemi di progettazione orientati al BIM, ai 3D City Models, alla stampa 3D e al mondo della VR/AR, si iniziano a chiarire aspetti di compatibilità, standardizzazione e completezza delle informazioni.

L’introduzione dei concetti di multirisoluzione, o Level Of Detail (LOD) [10] in molti software, ma anche una migliore codifica che consente di procedere dai sistemi professionali generici, a quelli di produzione specifica, sta alimentando nuove speranze per il diffondersi del 3D. Deve essere comunque chiaro che produrre un modello 3D per una stampante, non coincide in genere con il 3D da realizzare per un progetto di rendering. In generale al di la delle informazioni 3D di base, quali: punti quota, mesh - o curve di livello che rappresentano la morfologia del terreno - la restituzione 3D pura avviene attraverso la digitalizzazione delle polilinee 3D o delle cosiddette 3Dface, note ai più che impiegano l’ambiente Autodesk o altri software [11]. Per poter effettuare tutto ciò di cui sopra, è chiaramente necessario operare in un ambiente di produzione realizzato ad hoc dai produttori di software di stereo plotting altrimenti detto di restituzione fotogrammetrica.

Su questo fronte diverse sono le soluzioni in fascia alta e di ambito professionale, che in genere prevedono motori grafici e geo-DB anche avanzati come l’ambiente Microstation di Bentley, da sempre impiegato in ambito fotogrammetrico. Al momento esistono anche sistemi 38

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molto performanti come il sistema StereoCAD di Menci Software, che automatizza l’accesso alle banche dati di immagini stereoscopiche, e offre con costi contenuti tutto ciò che serve per produzioni professionali anche massive [12]. Nella produzione di modelli 3D puri, l’ottimizzazione della produzione passa attraverso l’integrazione della restituzione dei dati direttamente in 3D, supportata da strumenti nativi di manipolazione diretta dei modelli, senza attendere di essere offline e fuori dall’ambiente di lavoro sterescopico.

3.6 - La digitalizzazione CAD, GIS, BIM I sistemi di digitalizzazione delle coppie sterescopiche orientati al CAD, al GIS o al BIM, non differiscono di tanto da quanto già scritto nei precedenti paragrafi, ma le accortezze e le potenzialità sono uniche per diverse considerazioni e finalizzazione dei sistemi. Innanzitutto possiamo affermare che lavorare in un ambiente integrato di tipo CAD/GIS/ BIM, permette di ottenere in generale un prodotto finale di migliore qualità complessiva, con minori errori e dati già pronti all’uso per l’applicazione finale richiesta. Questo é dovuto al fatto che restituendo le informazioni geometriche o cartografiche direttamente nell’ambiente di lavoro nativo dell’applicazione finale, si eliminano eventuali revisioni future sui formati di codifica o sulla geometria, così come si integrano con migliori risultati i dati già esistenti nella banca dati. Se il materiale tecnico a corredo è sufficiente, e l’ambiente di lavoro organizzato, il processo di restituzione procede linearmente e permette in genere di avere un prodotto cartografico più omogeneo e veritiero.

Fig. 29 - Restituzione cartografica con vestizione GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 30 - Schermata del sistema di restituzione di Inpho (Trimble)

In questa fase la produzione del dato cartografico passa dallo stato di geometria pura, a quello di prodotto geo-topografico di qualità. Anche a volte partendo da semplici ortoimmagini georeferenziate, pronte all’uso con la grafica di supporto e con i layout di progetto. Metadati grafici e digitali senza i quali non si accede al livello di prodotto standardizzato e compliant al mondo del mapping professionale.

Parliamo chiaramente di ortofoto di livello fotogrammetrico, oppure di prodotti derivati come ortofotocarte che vivono come prodotto di un sistema GIS di gestione, con precise regole di pubblicazione e di rilascio. Tutte le operazioni dipendono dagli obbiettivi e dal tipo di risultato che il cliente si attende, o meglio dalle specifiche che l’incarico postula. La scelta del sistema di restituzione dei dati, orientati al CAD/GIS/BIM/Altro, rappresenta un nodo importante, che caratterizza e qualifica la nostra struttura produttiva.

Non c’è da sgomentarsi venendo a conoscenza dell’esistenza di decine di sistemi di restituzione, tutti con una loro specificità e con una complessità di gestione dipendente da differenti elementi. Le piattaforme più note sono quella italiana al 100% come StereoCAD di Menci Software (www.menci.com), e molte altre spesso integrate nei sistemi GIS più diffusi come ArcGIS, Geomedia di Intergraph, Microstation di Bentley, o altre soluzioni professionali quali le piattaforme Inpho, e altre ancora. Una disamina più o meno complessa, è rimandata alle note in fondo al testo e nei riferimenti WEB del volume.

3.7 - La digitalizzazione da modelli 3D di tipo point cloud e mesh Questo paragrafo è l’ultimo di questo capitolo sui sistemi di estrazio40

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ne delle informazioni geo-cartografiche 3D e non, a partire da dati fotogrammetrici rilevati con i sistemi di volo UAV o droni, ma anche con altri sistemi ormai molto diffusi come le camere digitali di grande formato, o cosiddette full frame, oppure con le ormai diffusissime 4K. Di fatto il valore geometrico di un modello 3D realizzato per via fotogrammetrica, o per altre vie, non deve mai presentarsi come approssimato o peggio ancora disomogeneo. Il valore numerico deve garantire, entro i limiti stabiliti dalla richiesta del committente, la precisione e la ricostruzione geometrica di superfici e angoli di confluenza tra superfici diverse. MA al di là di questo aspetto, il vero cambio di passo nella digitalizzazione di grandi dataset per territori estesi o anche per piccole porzioni di territorio o per le architetture, si avrà con il diffondersi delle tecniche di estrazione di superfici e forme, attraverso approcci di tipo LAR e di tipo constrained modeling [13] che insieme ad altre tecniche già in uso, ci permetteranno di avvicinarci al disegno semiautomatico, o semplicemente interattivo, facilitando cosi il disegno degli elementi primari e secondari delle architetture, degli spazi urbani, o anche di oggetti e topologie diverse. Insomma, il tanto agognato “disegno automatico” di cui mai abbiamo compreso fino in fondo il pieno significato.

Questo è possibile a partire dai modelli digitali delle cosiddette nuvole di punti (cloud points), o meglio ancora da un modello a mesh eventualmente controllato, elaborato ed integrato. Questi modelli di rappresentazione 3D sono infatti già in formato numerico digitale, anche se la

Fig. 31 - Schermata del sistema di restituzione StereoCAD (Menci) GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 32 - Schermata del sistema di restituzione ArcGIS (Esri)

mole di dati è spesso enorme e di conseguenza servono PC e software adeguati, nonché una certa abilità a lavorare su questa tipologia di dati.

Il problema principale non riguarda tanto l’aspetto pratico o tecnico, quanto il punto di vista interpretativo ai fini del tracciamento delle geometrie ricostruttive e del disegno delle linee dell’oggetto.

Dal punto di vista generale un modello a nuvola di punti o mesh, non rappresenta perfettamente l’oggetto del rilievo, e i problemi si evidenziano sulle linee di confluenza delle superfici, pertanto l’attenzione principale va posta proprio nel disegno degli spigoli e delle linee di confluenza tra superfici diverse.

Nonostante quanto detto nel paragrafo precedente, l’uso corrente delle mesh per la rappresentazione territoriale e il disegno, rimane un ottimo metodo, veloce e diretto. Ma come tutte le rappresentazioni digitali di sintesi anche le mesh devono essere interpretate e comprese in funzione del grado di precisione con cui sono state generate o derivate per origine dalla nuvola di punti. La precisione delle mesh, o meglio, la maggiore o minore fedeltà all’oggetto reale, può dipendere da molteplici fattori, tra cui i parametri di generazione della mesh stessa, ma anche e soprattutto l’origine dei dati da cui la mesh è generata.

3.8 - Gli strumenti per il disegno La restituzione delle geometrie avverrà quindi attraverso gli strumenti che in genere sono in grado di gestire sia i cloud point, che le mesh, e che possiamo suddividere in tre o quattro categorie di software come segue: ❑

Strumenti di restituzione fotogrammetrica standard o professionali.

Sono rappresentati dai software professionali che trattano in genere

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❑

❑

dati fotogrammetrici. Qui lo spettro è ampio a livello internazionale, ma unico nello scenario italiano, con il sistema StereoCAD di Menci Software. Le soluzioni in questo dominio applicativo vanno sotto la classificazione delle soluzioni di stereo plotting (vedi rassegna stereoplotting e fotogrammetria standard in fondo al volume).

Strumenti CAD diretti o via plugin. - nello specifico delle soluzioni CAD più diffuse, diverse sono le soluzioni a disposizione sulle piattaforme targate Autodesk (ReCap, etc.), Bentley e altri CAD/GIS di grido.

Strumenti di modellazione avanzata - una buona parte delle applicazioni di modellazione 3D ha come scopo finale la modellazione di progetto, che non può prescindere dagli strumenti principi della modellazione. Stiamo parlando dei sistemi come 3DStudio, Rhinoceros, Blender, ma anche SketchUp e molti altri [14]. Ci riferiamo qui agli strumenti di data extraction in generale, ma l’attenzione deve essere posta anche e soprattutto agli strumenti di editing, ovvero delle fasi critiche di merging di modelli contigui, con operazioni di joining, blending e fusion, ma anche semplicemente di “cucitura“ delle mesh tra modelli diversi.

Oppure di integrazione con superfici semplificate o di progetto.

Nella maggior parte dei casi, solo dopo il reintegro delle lacune e l’integrazione di piccole parti di modello non documentato, possono essere estratte le informazioni, o generati i profili-sezione, rendering o altra documentazione richiesta a partire dal modello. ❑

Strumenti di editing e di disegno parametrico - esistono poi molti altri ambienti di lavoro, spesso destinati ad operazioni specializzate su modelli digitali, o su dati geospaziali.

Stiamo parlando nello specifico di prodotti open o anche proprietari, come Meshlab, Cloud Compare, Meshmix e altri ancora. Ma anche di specifici tools che ci permettono di trattare i dati in maniera massiva, da cui estrarre subset di dati geospaziali attraverso comandi ad hoc via interfaccia o scripting specializzati. Parliamo dei terrain tools o altre funzioni per la generazione e manipolazione dei DTM o altri tipi di rappresentazioni e dati, gestiti attraverso funzioni parametriche nel dominio delle informazioni geospaziali. [15]

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APPROFONDIMENTI

4 - SCEGLIERE IL SISTEMA DI VOLO, LA CAMERA E I SENSORI Per impostare il sistema di volo APR, sarà necessario scegliere la camera e i sensori, i software di post-elaborazione, ed infine i sistemi di produzione digitale. Può sembrare facile a prima v ista, ma se vogliamo dotarci di tutto ciò di cui avremo bisogno per intraprendere l’attività di operatore fotogrammetrico, la scelta dei sistemi diventa un affare un po’ più complesso, che parte forse dalla fine, ovvero dal prodotto che dobbiamo garantire al nostro cliente.

Infatti possiamo partire dal dato di base, che è l’oggetto del rilievo, e le precisioni o qualità delle informazioni richieste dalla committenza.

Per i sistemi di volo la regola è più o meno da sempre la stessa. Mediando le esigenze di endurance, payload e tipologia di rilievo, si stabilisce dapprima il tipo di drone da impiegare, ovvero: ❑

❑

Sistemi tutt’ala - i sistemi tutt’ala o ad ala fissa, come vengono chiamati in gergo, sono noti a chi opera nel settore per le caratteristiche di: voli lunghi e stabili, poca manovrabilità, payload poco importanti. Per quanti volessero approfondire si rimanda ai riferimenti in bibliografia.

Multirotore - la classe UAV multirotori rappresenta forse il 90% delle soluzioni, ed è indubbiamente la soluzione che non ha limiti di impiego, se non per la limitata durata del volo.

Nel contesto di rilievi full 3D, è l’unico modo di risolvere riprese verticali e diagonali, o in altre configurazioni con geometrie di volo che comprendano anche attività in hovering. L’uso dei multirotori fa parte della soluzione indispensabile per payload di una certa importanza.

La successiva scelta discriminante è il peso del payload, che in linea di massima permette il dimensionamento del mezzo, quindi la durata del volo, e infine delle batterie. Conseguentemente: ❑ ❑

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Selezione del payload o sensore - è una attività direttamente collegata al tipo di servizio, e di sensori disponibili.

Scelta e dimensionamento del sistema - stabilite le necessità, i pesi e anche il tipo di ambiente di lavoro, la scelta dovrà ricadere GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 33 - Schermata del sistema di restituzione geomedia (Hexagon)

su un sistema che sia in grado di una escursione di performance di almeno un 25% in più di quelle standard, il che vuol dire maggiore potenza nei propulsori, che in caso di vento e condizioni avverse siano in grado di mantenere in assetto il mezzo di volo.

Ma un sistema UAV non è solo potenza, durata del volo e sensori. Un APR e le sue caratteristiche si devono adattare sia al tipo di missione, che al tipo di carico e alla modalità di gestione.

Al di là del sistema di volo, che di fatto viene deciso a partire dai sistemi disponibili sul mercato, essenziale è la scelta della camera, che per sistemi multirotori diventa di facile soluzione, mentre per i sistemi ad ala fissa dobbiamo adattarci a quanto disponibile sul mercato.

La scelta della camera, potendo variare in formati e prestazioni, potrà ricadere su soluzioni che offrono sensori almeno 24x35, ovvero comparabile con gli standard fotografici classici, anche se il digitale di questa fase tecnologica, è di gran lunga superiore per qualità ai vecchi sistemi a pellicola.

La scelta della camera deve in ogni caso passare per la valutazione delle seguenti classi di prodotti: ❑ ❑ ❑ ❑

Camere fotogrammetriche di grande formato come Phase One, Trimble Aerial Camera (Rollei metrics), Hasselblad, e altre Camere high end come Canon, Sony, Ricoh e soluzioni comunque full frame, etc Camere 4K ormai come dotazioni standard di sistemi di volo prosumer Action cam, tra cui diverse sono quelle che opportunamente modificate nella componente ottica, rivestono un ottimo compromesso e hanno un rapporto prezzo/prestazioni di forte interesse

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Fig. 34 - Da sinistra in senso orario: una rappresentazione dei centri di presa, un modello a mesh e un modello a nuvola di punti

Opteremo per camere con obiettivi a fuoco fisso, e con focale adeguata al formato, alla scala della nostra documentazione, e all’altezza di volo prevista in progetto. �

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Scegliere altri sensori - la scelta di sensori avanzati come camere IR, camere termiche e/o multispettrali, dipende solo dal progetto che stiamo implementando, sia esso ambientale, di agricoltura o di altra natura. In generale con i sensori altri rispetto alle camere fotografiche, dovremo affrontare questioni di peso e installazione, oltre a quelle dell’acquisizione dei dati, soprattutto se la procedura operativa prevede la visualizzazione in tempo reale. In questo caso diversi sono i sensori che possono presentare il problema di interfacciamento con i sistemi di streaming a terra dei dati.

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5 - PIANIFICARE I RILIEVI FOTOGRAMMETRICI E IL VOLO Pianificare i rilievi fotogrammetrici può assumere diversi significati, tra questi: la fase progettuale, l’operatività e la tecnica di risoluzione dell’intero processo.

Cosa rilevare e come farlo è definito in genere dalle aspettative del committente. A noi non rimane che ottimizzare tempi e modalità che portano and un risultato tecnico adeguato alle aspettative, e ad una soddisfazione economica profittevole.

Pianificare di per se è ormai un atto sufficientemente lineare, soprattutto se si è deciso di risolvere le questioni poste al precedente capitolo 4.0, ovvero la scelta del sistema e quindi del sensore. Stabilito il metodo prescelto il problema aperto è sul come e quando, che in ultima analisi sono la parte operativa della faccenda, e quindi anche la parte determinante per il risultato finale che otterremo.

Innanzitutto l’approccio al problema cambia radicalmente nel caso si tratti di rilievi territoriali o di strutture architettoniche o infrastrutture, o di rilievi di beni culturali, o altro. Infatti le scelte dipenderanno da molteplici fattori, tra questi: il tipo di rilievo, la scala di documentazione, e la scelta di una camera fotografica adeguata.

Senza lasciare nulla al caso, possiamo affermare che la prima scelta da fare è funzione della estensione del rilievo stesso. Ma a questo punto veniamo al dunque e proviamo a mettere in fila le problematiche connesse ai fattori specifici dei rilievi fotogrammetrici professionali.

L’estensione del territorio, così come la dimensione dei manufatti e dei complessi architettonici, industriali o anche archeologici, impattano sull’approccio globale al tipo di operazioni sul campo. Se la dimensione dell’oggetto del rilievo supera i 100/200 metri lineari, sarà sicuramente necessario un inquadramento topografico di tipo professionale, con l’apposizione di punti di controllo a terra, meglio noti in letteratura come GCP (ground control points). Ma alla stessa maniera le riprese devono avere una copertura più attenta, e la concatenazione tra strisciate diverse deve tener conto di eventuali sbandamenti del sistema di ripresa, ma anche garantire una escursione in quota delle stesse, che vada di pari passo con l’andamento del terreno. In alcuni casi, la brusca variazione della quota terreno, anche di 100 e più metri come nel caso di morfologie appenniniche, o di crinali improvvisi, può richiedere un’attenzione particolare nella organizzazione del volo e delle riprese. Per il volo infatti è necessario tenere presente che se si opera con un sistema ad ala fissa, il repentino cambio di quota non è ammesso, GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 35 - La moltitudine di sensori per UAV riguarda non solo le camere fotografiche, ma anche e soprattutto i sensori avanzati come LIDAR e altri

e va programmata una rotta che preveda tale scenario. Pena il rischio di impatto del sistema UAV con perdita del mezzo. Dal punto di vista delle riprese, va invece mantenuta una omogenea scala delle immagini, che garantisca una omogenea precisione nella succedanea restituzione grafica degli elementi rilevati. A tal fine dobbiamo quindi tenere ben presenti i concetti di SMF e GSD già richiamati nei precenti capitoli, e che possiamo così definire: ❑

❑

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SMF o Scala Media Fotogramma - si intende la scala (o rapporto di scala) delle immagini, intendendo così nel caso della aereofotogrammetria, la media tra la scala sulla cima di una montagna e quella a valle. La SMF viene determinata in funzione della scala di restituzione, e serve a calcolare il rapporto tra realtà e immagine, e attraverso la medesima definire gli ingrandimenti possibili per effettuare una buona restituzione grafica. Di fatto, pur essendo cambiato fortemente lo scenario della fotogrammetria, il rapporto tra SMF e scala delle informazioni è rimasto più o meno inalterato.

Per un approfondimento fare riferimento alle note in fondo al volume. [3] GSD o Ground Sample Distance - tradotto semplicemente in “dimensione del pixel a terra”, richiama comunemente quanto in uso da molti anni nel campo del telerilevamento, ma che viene ormai indicato come parametro di descrizione del valore del pixel a terra di una immagine. Questo valore lega insieme sensore, obiettivo, ed altezza di volo. Per un approfondimento fare riferimento a quanto in bibliografia.

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Pianificare vuol dire quindi innanzitutto definire qualità e quantità delle informazioni di cui abbiamo necessità, e da qui la scelta del mezzo e dei sensori. Quindi i piani di volo in termini di altezza, direzioni e numero di strisciate e tutti gli altri parametri di contesto.

Insieme ai parametri di volo, è necessario definita anche la densità e la collocazione dei punti di controllo a terra o GCP. È chiaro che l’esperienza dell’operatore in questa fase, così come nelle altre, diventa fondamentale per fare delle scelte ponderate. Fattore quest’ ultimo che non può essere acquistato da nessun provider, e che solo il tempo e il lavoro possono generare.

5.1 - Pianificare il volo passo passo Pianificare il volo fotogrammetrico diventa facile e immediato, soprattutto se impieghiamo procedure consolidate.

Il parametro primario che andremo a cercare è chiaramente l’altezza di volo, in funzione della scala richiesta per il rilievo, e del tipo di sensore impiegato. Ciò in via del tutto teorica, visto che con i sistemi UAV abbiamo dei range di volo che limitano la nostra operatività, come ad esempio il limite dei 70 metri imposti dalla normativa vigente. Ma si sa, la teoria è condizione minima e necessaria, e la pratica è invece legata alle possibilità di operare in campo aperto senza limitazione alcuna.

Pertanto di fatto i parametri iniziali di una qualsiasi simulazione e pianificazione del volo, devono partire dai seguenti parametri: ❑ ❑ ❑

quota di volo autorizzata scala della restituzione fotogrammetrica pianificazione delle linee di volo o missioni Fig. 36 - Sensori multispettrali adatti ai sistemi UAV

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Ai fini dell’esecuzione di questa fase operativa, possiamo impiegare diverse procedure, tra cui un calcolo matematico effettuato con un semplice foglio excel, oppure servirci di uno dei software messi a disposizione sul web dai diversi provider di servizi legati all’uso dei sistemi UAV, oppure più semplicemente usando il software di gestione del nostro sistema di volo, che di sicuro avrà già al suo interno tutti i parametri necessari al calcolo delle riprese, e soprattutto all’esecuzione del volo.

Su questo aspetto cè da tenere presente che per i sistemi di volo non è solo necessario definire le funzioni legate alle riprese fotografiche o del sensore portato a bordo, bensì la necessità primaria è quella di definire innanzitutto le rotte e le modalità di esecuzione del volo. Questioni queste ultime che si racchiudono in tre aspetti primari, ovvero: decollo, esecuzione del volo, e atterraggio.

Tutte questioni che attengono alla pratica del volo e della gestione del drone, piuttosto che alla fotogrammetria, e che rimandiamo quindi a testi specialistici di cui diversi riferimenti potete trovare in bibliografia.

Fig. 37 - La home page di Map Made Easy, uno dei primissimi siti web dove è possibile programmare il volo di un drone ed eseguire la pos– elaborazione

5.2 La pianificazione del volo praticamente La pianificazione specifica di un volo UAV è facile da fare, soprattutto perché è resa facile e immediata sulla scorta dei software messi a disposizione da diversi soggetti, primi fra tutti il fornitore del drone che in linea di massima conosce bene il problema ed è quindi quello deputato a dare supporto all’utente che usa il suo apparato. Stiamo parlando di pianificazione in generale, ma vi faremo un esempio sulla pianificazione fotogrammetrica, che chiaramente rappresenta una soluzione 50

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Fig. 38 - Con Mission Planner bastano pochi click per verificare i dati della camera, pianificare e volare

Fig. 39 - Pianificare i sistemi DJI con Autopilot è semplice e immediato

specifica nel mondo dei droni di cui parliamo in questo volume.

Se usate un drone DJI potrete impiegare diversi software, tra cui PC Ground Control Station rilasciato proprio da DJI, se usate un drone basato sulla piattaforma APM avrete a disposizione Mission Planner ed altre soluzioni. Se invece avete fatto una scelta professionale seria e indipendente dal vostro sistema di volo, probabilmente userete UgCS, il migliore ed unico software in grado di far volare un numero elevato di diversi sistemi, e quindi non avrete problemi nel pianificare i vostri voli cambiando ogni volta software di pianificazione e gestione.

Se la vostra casistica non ricade in nessuna delle situazioni di cui sopra, allora potrete fare una pianificazione specifica, semplicemente iscrivendovi in maniera gratuita al servizio on-line di Map Made Easy, azienda USA che tra le prime ha portato i servizi di pianificazione e post-processing sul WEB.

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Fig. 40 - Un esempio delle classi di un GeoDB

6.0 - DAI MODELLI ALLE INFORMAZIONI Il processo di generazione dei modelli digitali del terreno o del nostro manufatto diventa in realtà il primo approdo da cui dovremo decidere la rotta finale per giungere al nostro prodotto ideale. Prodotto di natura digitale, informazioni costituite da terne di numeri che rappresentano le coordinate, con aggiunta di informazioni qualitative, geometriche e cromatiche. Tutto ciò è comunemente definito come un DB geospaziale, o geodatabase; oppure con nomi che somigliano a questi, ma con cui si intendono comunemente sempre le stesse cose. Ovvero le tre informazioni principali con cui riusciamo a definire un fenomeno di rilevanza geospaziale, il cui scopo è quello di classificare in maniera geometricamente corretta le nostre informazioni topologiche.

Ma cos’è in effetti un geodatabase ? È semplicemente un sistema di archiviazione strutturata di oggetti geometrici (punti, linee, poligoni, superfici, volumi, curve, dati raster, immagini, testi, etc.) che sono identificati sia come oggetti georeferenziati o no, che come qualità informativa. Il database geometrico per antonomasia che quasi tutti i professionisti conoscono è ad esempio ciò che chiamiamo comunemente CAD. Anche se i dati di un CAD sono più orientati alla geometria e alle coordinate di oggetti e territori lineari, piuttosto che a informazioni di tipo geografiche.

Un CAD può essere assimilato ad un sistema di disegno 2D o 3D, alla stregua di un sistema di disegno e modellazione per la grafica vettoriale. Un geodatabase a differenza di un CAD, gestisce prevalentemente 52

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informazioni geografiche complesse, come mappe, immagini, modelli, localizzazione di fenomeni naturali caratterizzati da andamenti anche non lineari o di natura non puntuale.

Infine un geodatabase rappresenta il cuore di ciò che comunemente viene chiamato GIS, ma che può anche confondersi con Sistema Informativo Territoriale, o anche Sistema di Gestione Cartografica, o coniugato diversamente a seconda dell’applicazione.

Ma affrontare il tema della terminologia e del significato intrinseco o tecnico e storico delle varie definizioni, sarebbe una cosa lunga e tediosa in questa sede. Quello che vogliamo invece mettere in evidenza in questo punto del volume, è la chiarezza necessaria che bisogna avere prima di cominciare a disegnare, digitalizzare ed estrarre informazioni dai nostri modelli del terreno o dei manufatti. Non a caso il titolo di questo capitolo “dai modelli alle informazioni”, esprime con chiarezza e semplicità, la necessità di separare le due cose. Ovvero i modelli che intendiamo digitali e 3D, e le informazioni che gli stessi contengono o esprimono.

Una volta risolti i modelli digitali 3D, possiamo passare alla fase di estrazione delle informazioni, e quindi prepararci ad interpretare la geometria cartografica di base, o a definire i volumi che su questo substrato di informazioni insistono con geometrie proprie di livello architettonico, di apparato iconografico e topologico.

Normalmente per la digitalizzazione delle informazioni esistono delle regole ben definite, che coincidono di massima con i layout e i template ufficiali del progetto, accompagnati da una guida o manuale di riferimento al disegno, alla simbologia e ai codici cartografici adottati nel sistema GIS in uso. Il processo di estrazione delle informazioni avviene in genere per livelli omogenei e normalmente gerarchici, rispetto all’e-

Fig. 41 - Rappresentazione via web di un modello 3D in ambiente QGIS GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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stensione dell’area in esame. È chiaro quindi che il primo elemento da restituire sono i confini generali dell’area in esame, le strade, gli elementi morfologici generali come canali e fiumi, e infine scendendo alla scala di rappresentazione urbana e suburbana, o alla scala richiesta dal tipo di lavoro e dalla committenza, disegnare manufatti e pertinenze, ovvero il tessuto urbano architettonico e morfologico, fino agli arredi, alla segnaletica, etc.

Ma al di là della rappresentazione puntuale e geometrica, esiste poi un livello di estrazione ed astrazione delle informazioni, per lo più puntuali, che non è più questione di geometria o misure, bensì di geolocalizzazione o di semplice geotagging delle informazioni. Individuare i passi carrai di un quartiere o di una strada, rilevare la segnaletica stradale o le caratteristiche antropiche della riva di un fiume, non sempre vuol dire misurare o disegnare la cartografia dei luoghi, ma il più delle volte basta georeferenziare le informazioni di lettura puntuale di un fenomeno, o di tipo areale o semplicemente di tipo visivo, puntuale, etc. Questo processo può avvenire ormai nella nostra era, attraverso una virtualizzazione della realtà, che per fedeltà e precisione, si presta spesso a sostituire o integrare il lavoro sul campo. L’ipotesi è quella di lavorare in assenza di informazioni di contesto come vecchie cartografie o altro.

Nel caso invece in cui disponiamo di una cartografia digitale preesistente, o di una banca dati 3D, allora potremmo provare ad importare nel nostro sistema i livelli geometrici più importanti della nostra area, così che avremo fin da subito dei riferimenti alla qualità del nostro lavoro, e nel caso di aggiornamenti puntuali, potremo seguire le coordinate di massima delle nostre informazioni, ed effettuare un semplice aggiornamento non già della posizione, bensì delle informazioni qualitative (esiste\non esiste\qualità\ quantità), con un risparmio notevole sui tempi di produzione e di aggiornamento del GIS o di un qualsivoglia progetto.

In buona sostanza quindi, il passaggio dai modelli alle informazioni può essere semplice o complesso, e ciò in linea di massima dipende dalla necessità o meno di disegnare una vera e propria cartografia o geometria architettonica di contesto. Nel caso di geolocalizzazione o geotagging diventa invece una semplice identificazione ed interpretazione dei fenomeni.

Fig. 42 - Il menù di Image Track del nuovo formato APS3D/3DCapture (Menci software)

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7 - IL RILIEVO 3D PER IL MONDO DEL COSTRUITO E DELL’ARCHITETTURA Prescindendo dal mondo della cartografia generale, e dalla rappresentazione del contesto urbano, l’architettura singolarmente definita, pone dei problemi specifici avulsi dal contesto, anche se spesso rappresenta una continuità di forme e natura del territorio.

Nel campo dell’architettra il rilievo 3D preso singolarmente, deve essere pensato innanzitutto come sistema di modellazione dei manufatti e delle architetture costruite dall’uomo. Se pensiamo a questo, possiamo anche affermare che l’unico mondo fatto di piani ideali, linee, spigoli ed elementi con angoli ben definiti, è quello che l’uomo realizza nel 90% dei casi in cui costruisce, modella e realizza le cosiddette “opere d’arte ingegneristiche”, siano esse infrastrutture, complessi immobiliari abitativi, o altro.

Un mondo fatto di saperi finiti, non casuali, angoli e piani il più delle volte canonici e rappresentabili nel mondo del 3D in maniera anche semplificata.

Fig. 43 - Una schermata del dataset sterescopico derivato da 3DCapture

Un lavoro non facile invece nella modellazione di manufatti e reperti archeologici, cosi come negli artefatti e nelle forme delle arti moderne e antiche come statue, oggetti, monili, etc. In questi casi è necessario scomodare la modellazione avanzata, che ci introduce al mondo della modellazione del terreno, e delle forme irregolari in generale, fino ad arrivare alle cosiddette “nurbs”, al mondo della modellazione poligonale e del natural texturing, ed altro.

Nella modellazione 3D orientata alle forme specifiche dell’architettura, diverse sono invece le problematiche, e solo in apparenza risultano più semplici rispetto alla modellazione del territorio e degli elementi naturali come la vegetazione, o altri fenomeni. Nella realtà possiamo affermare che il contributo maggiore al mondo della modellazione 3D viene da altri mondi applicativi come la simulazione, l’alta dinamica e GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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Fig. 44 - A sinistra il modello 3D in stampa additiva e prova colore (a 256 colori), sotto un’immagine del monumento in crudo a UR, in Iraq (Dublalmach)

come tutti sappiamo, del cinema e dei videogiochi. Quest’ultimo infatti è quello che più spinge sull’avanzamento e sulle performance dei sistemi hardware/soft ware, ed è ciò che fa la differenza anche nel campo degli strumenti professionali standard. Una per tutti la diffusione crescente dei sistemi di visualizzazione per l’architettura e gli ambienti urbani, che impiegano la tecnologia unity, sviluppata proprio nell’ambiente dei videogiochi.

Ma quale è il percorso ideale per operare nel rilievo del 3D per gli ambienti urbani, l’architettura e l’archeologia ? Dobbiamo rispondere per forza di cose “ diversi e non concorrenti tra loro”. Non concorrenti perchè sono diversi per come si affrontano, e quindi diversi per risultato e qualità dei dati. I modelli 3D infatti possono essere di infinita diversità, risoluzione, funzione e fedeltà geometrica e cromatica, cosi come sono chiaramente diversi in funzione delle metodologie e delle tecnologie impiegate, e infine dell’uso ultimo per cui sono realizzati.

Affrontare il rilievo 3D architettonico vuol dire innanzitutto immaginare il risultato che si vuole ottenere, sapendo fin da subito che quello che conta è la precisione degli elementi lineari 2D di base, della pianta innanzitutto, e della conoscenza approfondita delle relazioni altimetriche tra gli elementi geospaziali, le superfici e gli elevati. È chiaro però che con la diffusione dei sistemi di rilievo di nuova gene56

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razione, basati su Laser Scanner, Lidar, e 3D Capture di immagini; lo scenario muta fortemente, e i dati disponibili per realizzare un buon 3D sono tanti e tutti di qualità enormemente superiore a quanto potevamo avere solo alcuni anni fa. Tanti dati però non sempre vogliono dire qualità, e per ottenere un buon rilievo le regole sono sempre le stesse, tenere in dovuto conto le relazioni e “le gerarchie tra le fasi esecutive”, procedendo sempre dall’inquadramento generale (cartografico e geotopografico), all’esecuzione del lavoro per “dataset omogenei”, aree geometricamente definite, elementi verticali o 3D Imaging 360° omogenei per risoluzione, cromaticità e luce, ma anche per copertura e overlapping.

L’uso dei modelli 3D nel campo delle infrastrutture e dell’architettura, richiede sempre e in ogni caso il porting delle informazioni verso ambienti fortemente verticali come gli ambienti CAD/BIM/GIS/AEC/ PLANT, etc., ed è per questo che è necessario procedere per fasi, decidendo e verificando per tempo il formato e il sistema di trasferimento dei dati verso le altre piattaforme di lavoro.

Normalmente i sistemi di rilievo sul campo generano nuvole di punti e immagini. Un insieme perfettamente georeferenziato che permette di generare modelli 3D di forte affidabilità. Ma tutto questo non basta se non viene individuata la strategia migliore per digitalizzare le informazioni che abbiamo, il processo, e gli strumenti di modellazione da adottare.

Una volta ottenuto il 3D finale del nostro progetto, proveremo ad importarlo nel nostro sistema di produzione, magari passando per una fase di affinamento del modello e decimazione delle informazioni ridondanti. Solitamente questa fase si può ottenere in ambienti per il 3D tra i più diffusi come 3DMax, Rhinoceros, Blender, etc. , esportando poi le sole informazioni che ci interessano verso gli ambienti CAD/ BIM/AEC/CAM/PLANT in uso per la produzione.

Relativamente al mondo dell’architettura non ci sono troppe cose da dire, se non il fatto che per ottenere dei buoni modelli è necessario procedere per ordine con la costruzione delle superfici principali o facce, e innestando poi sopra alle medesime gli approfondimenti adeguati alla scala. Quest’ultima infatti non è un concetto che muta notevolmente con il passaggio dal mondo analogico della carta a quello digitale dell’IT, ma forse per certi versi diventa più complicato gestirlo, a fronte di enormi potenzialità di automazioni possibili e di nidificazioni delle informazioni. Un fattore importante è invece quello della scelta dei software da impiegare, e qui le problematiche da comprendere sono infinite e parallele.

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8 - DAL GIS AL BIM, ALLA STAMPA 3D Il mondo del rilievo territoriale è variegato e poco standardizzato, e parlarne vuol dire entrare in mille questioni che spaziano dalla geodesia alla fotogrammetria, ma senza dimenticare gli aspetti preminenti che in fondo guidano le fasi finali dell’attività, ovvero dell’impiego pratico delle informazioni o anche semplicemente del prodotto finale. È infatti dal prodotto finale, o meglio dalle specifiche del committente che dobbiamo disegnare e pianificare le attività, che in maniera normale dovranno guidare la mano del tecnico e le scelte operative, sia nelle fasi di acquisizione dei dati, che ancor più in quelle di restituzione delle informazioni.

In tutto questo dire, possiamo concludere che di fatto il processo di elaborazione delle informazioni fotogrammetriche e di quelle di supporto come le informazioni di natura geo-topografica, non cambiano significativamente se lo scopo ultimo è quello di popolare un sistema GIS, BIM o CAD, oppure semplicemente realizzare i file per la stampa di un modello 3D. Ma quello che cambia sicuramente e in maniera estesa, è invece il processo di estrazione ed elaborazione del dato digitale, o della individuazione e restituzione degli elementi lineari e puntuali. In linea di principio si può affermare che per certe operazioni di tipo mapping GIS, o anche CAD e BIM, la elaborazione di alcuni prodotti tipicamente cartografici, potrebbe essere inutile o superflua.

In ogni caso proviamo a sintetizzare gli scenari possibili a cui ci riferiamo, ovvero: ❑

GIS - l’estrazione di dati e informazioni georeferenziate finalizzate ad alimentare un sistema GIS, può essere effettuata senza scomodare la realizzazione di ortofoto o cartografie particolari.

Essendo di fatto un sistema GIS l’insieme di informazioni puntuali di diversa natura geometrica, la cui principale caratteristica non è tanto la geometria precisa e lineare di una cartografia classica, bensì la georeferenziazione di informazioni, le cui coordinate geografiche possono essere estratte direttamente dalle coppie sterescopiche orientate. Diverso è chiaramente, se il sistema GIS va popolato con gli elementi cartografici tradizionali. In questo caso è necessario restituire gli elementi cartografici primari, impiegando uno dei metodi descritti nel capitolo 3. Per popolare un GIS è invece importante la definizione in primis del database, e poi la definizione di un manuale di riferimento per l’interpretazione

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❑

delle immagini fotogrammetriche, per la classificazione e validazione dei valori associati.

CAD - le informazioni CAD, siano esse 2D o 3D hanno per certo la necessità di essere tracciate con ben specifica attenzione, essendo le informazioni in genere confidenti con le linee reali che andiamo a rappresentare. A differenza delle informazioni GIS che in linea di massima non necessitano di rappresentare la realtà fisica dell’oggetto, ma spesso e volentieri possono fermarsi ad una astrazione più o meno precisa della realtà in termini di localizzazione, il CAD 2D e 3D può essere considerato come la fase primaria per la realizzazione delle cartografie, o la popolazione di un sistema BIM o anche la fase di ricostruzione precisa di elementi geometrici definibili in 2.5D o 3D come già detto altrove nel testo. È chiaro che per estrarre informazioni CAD 2D o 3D è quindi indispensabile realizzare quantomeno una ortofotomappa, oppure spingersi oltre verso il 3D, caricando le coppie stereoscopiche e andando a disegnare il 3D direttamente con le immagini che hanno generato il modello digitale del terreno e del manufatto. In alternativa, e per certe scale di rappresentazione, è possibile restituire le informazioni a livello CAD utilizzando il modello 3D a nuvola di punti, così come descritto al paragrafo 3.7.

BIM - se il nostro obbiettivo è invece quello di dare corpo geometrico e informativo finalizzato alla definizione di un modello BIM, allora dovremo lavorare con il modello 3D completo, andando a definire la banca dati come nel caso del GIS, ma applicando le regole di precisione e completezza delle informazioni geometriche definite per il CAD, ed evidentemente ne adotteremo le stesse modalità operative, astenendoci però dalla realizzazione delle ortofotocarte, usualmente escluse dal complesso informativo di una banca dati BIM. Stampa 3D - i modelli 3D finalizzati alla stampa attraverso sistemi additivi o CNC, in primis non hanno spesso bisogno di precisioni e dettagli troppo spinti. Ma di contro la completezza delle superfici rappresentate, va verificata con molta attenzione.

Infatti normalmente i volumi rappresentativi di un solido da inviare alla stampante 3D, deve passare un processo di verifica attraverso software di generazione e validazione dei file STL, comunemente adottati dalle stampanti 3D di tipo additivo.

Volendo analizzare l’intero processo di realizzazione di modelli

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3D complessi del territorio, assimilabili ai plastici di aree in cui sono compresi fabbricati e manufatti, dovete tenere presente che in genere le fasi di lavorazione prevedono due distinti processi di generazione del modello. Di cui l’una per avere il modello del terreno, che in funzione delle dimensioni è per lo più realizzato con una macchina CNC con cui si realizza la base del plastico, che comprende le tracce planimetriche dei fabbricati o inserti. In questi successivamente verranno inseriti i modelli dei manufatti o dei fabbricati che coincidono con ciò che comunemente chiamiamo “costruito”, e che normalmente sono proprio realizzati con le stampanti additive 3D. Ma le avvertenze non finiscono qui, e quello che possiamo dire è che ogni modello 3D deve essere realizzato secondo le esigenze e gli scopi per cui viene pensato ed elaborato, compresa la parte più difficile da rendere veritiera con la sua cromaticità. Quindi la parte che più somiglia all’immagine dell’oggetto, piuttosto che alla forma che ne rappresenta di massima il volume.

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9 - I PUNTI DI CONTROLLO. TECNICHE E PROBLEMATICHE OPERATIVE La fotogrammetria in genere, necessita senza possibilità di deroghe di ciò che chiamiamo comunemente punti di controllo a terra, PAF o GCP, indifferentemente che si tratti di aerofotogrammetria o di fotogrammetria dei vicini come quella per manufatti civili, industriali e archeologici.

Questi punti altro non sono che dei particolari geometrici ben visibili sulle immagini, di cui si conoscano le coordinate geo-topografiche nel sistema di riferimento adottato.

Di fatto tali punti possono anche essere individuati sulle immagini a posteriori. In questo caso devono coincidere con particolari ben visibili e di forma inconfutabile come spigoli, centri o confluenze di cromaticità e forme ben evidenti. Insomma, devono poter Fig. 45 - Report grafico dei GCP essere individuati sulle immaper un progetto di rilievo. gini in modo univoco e con la massima precisione, e devono poter essere riconosciuti se possibile da procedure di autocollimazione [16]. Ovvero procedure informatiche che ne individuano in automatico le loro coordinate lastra sui diversi fotogrammi da concatenare e su cui sono ritratti.

La funzione dei GCP a prima vista può essere pensata in maniera semplicistica come metodo di base per orientare l’intero rilievo fotogrammetrico o il modello 3D. Ma questo è appunto un modo semplicistico di pensare ai GCP, tipico di chi non ha conoscenze estese sugli aspetti geo-topografici, cartografici e geodetici. La geodesia infatti così come la fotogrammetria, è una vera e proprie scienze del rilievo, e non si può quindi prescindere da alcune regole e modalità specifiche di procedere. Pertanto ci preme qui ricordare che i GCP hanno funzioni estese come: ❑

inquadramento generale del rilievo fotogrammetrico, atto a propagare il sistema di riferimento reale (non teorico), ovvero le coordinate e le precisioni relative adottate come sistema

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❑ ❑

geodetico o geo-topografico locale o globale (nazionale o d’area). Ciò può avvenire in diversi modi, tra cui il più semplice è la rototraslazione geospaziale con variazione di scala conforme (isotropa o diversa) [17] punti di controllo delle stereocoppie, impiegati come punti di vincolo e di verifica nel processo di triangolazione aerea delle coppie sterescopiche. punti di verifica e di mitigazione degli errori altimetrici delle strisciate fotogrammetriche [18]. punti di legame e verifica delle zone di sovrapposizione laterale delle strisciate.

Nella realtà il processo di calcolo dei modelli fotogrammetrici nell’ambito di ciò che chiamiamo fotogrammetria di 4^ generazione (o anche full 3D o spesso SFM [Structure From Motion] e sue varianti) cambia di molto l’approccio generale alla fotogrammetria e alla formazione dei modelli 3D, e quindi anche alla funzione e all’uso dei GCP. Dal punto di vista generale l’approccio classico di cui sopra non cambia di una virgola tra vecchia e nuova fotogrammetria, soprattutto se si vuole tenere sotto controllo la precisione finale degli elaborati come gli elementi cartografici, i piani quotati e quindi i modelli altimetri come DSM, DTM e DEM. Di conseguenza garantire le migliori precisioni dei modelli 3D e degli altri elementi derivati come profili altimetrici, etc.

Ma di fatto però con i sistemi di nuova generazione, qualche sorpresa la possiamo incontrare, soprattutto se pensiamo ai software di elaborazione che in molti casi non prevedono affatto l’uso dei punti di controllo in Fig. 46 - Diverse modalità quota, come è sempre stato di materializzare i GCP 62

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nei software classici di triangolazione aerea, e spesso alcuni software che noi fotogrammetri classici non amiamo affatto, non comprendono nemmeno più l’elaborato principe del calcolo fotogrammetrico. Ovvero il report della triangolazione aerea, da cui si evince la bontà degli orientamenti interni ed esterni dei blocchi di calcolo, così come la bontà finale dei punti di controllo a terra, e quindi la bontà generale del lavoro di rilievo fotogrammetrico effettuato con i nostri beneamati sistemi UAV o droni.

I software di nuova generazione provengono infatti per lo più da una migrazione forzata dalla CV (Computer Vision), mentre scarseggiano quelli che hanno alle spalle una storia consolidata nel settore della fotogrammetria classica, dove non mancano di certo gli approfonditi report numerici sulla bontà dei calcoli della triangolazione aerea, dei punti di controllo a terra (GCP), e del matching delle singole immagini.

9.1 - La determinazione dei punti di controllo a terra Fin qui abbiamo parlato della funzione dei GCP all’interno del processo fotogrammetrico, ma il lettore non esperto avrà sicuramente voglia di capire in cosa consistono le operazioni sul campo, che tipo di strumenti impiegare, etc.

Innanzitutto dobbiamo pensare ai sistemi per il rilievo sul campo, che in funzione del tipo di lavoro, della precisione e al solito in funzione delle specifiche della committenza, possiamo suddividere in: Tipo di sistema impiegato Sistemi GPS o GNSS di classe geodetica Sistemi GNSS differenziali da satellite Total station di classe adeguata Sistemi di mapping GIS Differenziale

Precisione attesa da 0.5 a 5 cm da 5 a 70 cm da 0.3 a 5 cm da 20 cm a 1 m

Tab. 2 - Tecnologie di rilievo e precisioni attese

L’incidenza pratica nell’impiego di sistemi diversi è in primis la precisione e l’operatività. In seconda battuta lo è invece lo schema geo-topografico adottabile e quindi la semplificazione o meno delle operazioni di campo.

Procedendo con ordine, dobbiamo chiaramente definire le modalità di derivazione del sistema di coordinate che adotteremo nel nostro progetto. E in generale possiamo dire che allo stato dell’arte tecnologico e pratico, è usuale adottare ove possibile i sistemi GNSS di tipo geoGUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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detico, che in linea di massima sono impiegati in modalità RTK. Gli stessi si appoggiano a reti nazionali di tipo VRS che permettono di derivare le coordinate nel riferimento nazionale ITRF adottato o altri come Gauss-Boaga in una sola operazione. Garantendo la precisione in quota nei limiti canonici delle operazioni geo-topografiche.

Stabilita quindi la distribuzione generale dei punti di appoggio GCP, potete procedere in due modi diversi, a seconda delle situazioni di progetto. I GCP possono infatti essere di 2 tipi specifici, ovvero: ❑

I target fotogrammetrici si impiegano quando è richiesta professionalità e si vuole raggiungere il risultato migliore. Ma anche nel caso in cui non esistono particolari morfologici visibili in maniera univoca sulle immagini, come nel caso di boschi, spiagge, superfici naturali e non, come cave, sentieri, etc.

Ma posizionare i target e poi rilevarli è un lavoro sul campo che non tutti sono in grado di fare, anche se in alcuni casi non è possibile farne a meno. Un altro degli aspetti negativi è che i target devono essere apposti e rilevati nell’arco di qualche ora o al massimo qualche giorno. La specificità dell’uso dei target fotogrammetrici è legata al fatto che la lettura sulle immagini del punto di controllo è nitida e inconfutabile. Considerato anche che, diverse procedure software adottano funzioni di autocorrelazione delle immagini in grado di trovare il centro del target in maniera automatica, se ne comprende la loro utilità.

❑

I punti di rilievo naturali possono venire impiegati come punti GCP, a patto che la loro individuazione sia univoca e ben definita, sia in planimetria che in altimetria. Nella realtà la tecnica di

Fig. 47 - Nell’immagine il classico sterescopio della Leica non più in produzione, e uno sterescopio da campo che per poche decine di euro può essere acquistato su amazon 64

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impiego dei punti naturali come punti fotogrammetrici, è sempre stato uno standard, soprattutto nel campo dei rilievi cartografici tradizionali. Questa fase consisteva nella codifica e individuazione a priori dei punti di frecciatura delle coppie stereoscopiche, effettuata da mani esperte come i topografi specializzati in tali operazioni, e consisteva nel disegno di una freccia che individuava un particolare fotografico ben visualizzabile in stereoscopia.

Tali operazioni venivano condotte mediante l’impiego di uno sterescopio portatile come quelli che vedete in fig. 47.

È chiaro che la scelta dei punti era fatta in ufficio e all’epoca delle immagini stampate, e quindi era una procedura del tutto avulsa dalla realtà, che magari al momento di effettuare i rilievi si presentava diversa da come era, e costringeva l’operatore sul campo a cambiare la localizzazione, scegliendo altri particolari ben visibili poi in fase di restituzione.

9.2 - Come distribuire i punti di controllo La distribuzione dei GCP sull’intera area di volo, deve essere fatta tenendo conto tanto dell’interezza dell’area rilevata, quanto dello sviluppo delle strisciate fotografiche. In generale la logica è quella di distribuire i punti di controllo ai bordi e al centro dell’area di rilievo, avendo l’accortezza di inserire dei punti di controllo la dove l’altimetria varia in maniera significativa, cosi da controllare eventuali errori dovuti alla forte escursione in quota.

Oltre ai punti di controllo a terra impiegati per la georeferenziazione dell’intero rilievo, è buona norma averne a disposizione almeno un ulteriore 15% in più, che impiegheremo come punti di verifica finale del risultato complessivo del nostro rilievo. Questi punti, come è ovvvio, non dovranno essere utilizzati nella procedura di calcolo, bensì solo nella fase di post-elaborazione, come fossero dei punti di collaudo, quando dal nostro lavoro estrarremo il modello complessivo plano-altimetrico o Full 3D. Modello che andremo a verificare attraverso l’estrazione puntuale delle coordinate, e infine a confrontare con quelle ottenute dal rilievo geo-topografico effettuato sul campo.

9.3 - Le coordinate dei punti di controllo Le coordinate dei punti di controllo devono garantire precisione e sistema di riferimento adeguati alle specifiche del committente, e per garantire tutto ciò bisogna prestare attenzione fin da subito alle operazioni in campo, ma anche e soprattutto alla pianificazione del lavoro e GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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alla scelta dei punti origine del nostro rilievo.

Vi è da dire che di fatto ad oggi è molto raro che il sistema di riferimento sia diverso da quelli canonici e più usati come il sistema WGS84 nella definizione ITRF, o il sistema caratteristico italiano conosciuto come Gauss Boaga. Non stiamo qui parlando di questi sistemi in generale, bensì della loro implementazione, varianti e sistemi da cui sono originate le nostre coordinate, tenendo ben presente il fatto che sia le precisioni (sqm delle componenti XYZ o Latitudine, Longitudine e Quota), che le coordinate finali, saranno diverse per ogni metodo di rilievo impiegato, dove per metodo si deve intendere la somma delle varianti come: ❑ ❑

❑ ❑

❑

Origine dei sistemi di coordinate. L’origine da cui deriviamo i nostri punti (rete GPS, punti trigonometrici, rete altimetrica, etc.).

Strumentazione e metodo di rilievo. GPS differenziale standard, GPS differenziale da satellite, GPS per mapping GIS, stazioni totali, etc..

Software e metodo di calcolo. Metodi diversi e software diversi possono portare a risultati simili, ma quasi mai identici.

Regole geodetiche e parametri di calcolo. Algoritmi geodetici e modelli di riferimento diversi come l’uso di un diverso geoide, di punti trigonometrici, etc., possono portare a coordinate simili, ma quasi mai identiche.

Variante temporale e modelli di riferimento. Alcuni modelli di riferimento come quello altimetrico, o anche i punti di partenza di una rete geodetica, hanno spesso una validità temporale, e basta pensare che con il terremoto dell’Aquila e quello di Amatrice, alcuni punti di riferimento IGMI si sono spostati di oltre 50 cm in quota e planimetria.

In conclusione ci sentiamo di dire che esistono metodi e standard che possono sembrare consolidati e canonici, ma ciò è vero fino al giorno in cui entramo in contatto con la realtà, che non sempre segue le regole non scritte dell’operatività quotidiana.

Un esempio per tutti sono i vecchi sistemi di riferimento geodetici come il Cassini Soldner che caratterizza le informazioni e le cartografie catastali. Tale sistema, al di la della sua definizione matematica, presenta mille implementazioni, essendo che le mappe catastali sono state generate ai tempi della creazione del catasto, e provenendo gli stessi da reti geodetiche diverse. Ma alla stessa maniera, se ci accin66

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giamo a rilevare i punti di appoggio al nostro volo fotogrammetrico (GCP), ed effettuiamo una doppia determinazione di coordinate partendo da punti di riferimento diversi (in genere punti della rete IGMI), avremo per certo delle coordinate dissimili, e che dovremo in qualche maniera mediare o compensare.

Tutto ciò detto, è in ogni caso vero che in genere i topografi impiegano il GPS appoggiandosi a reti differenziali VRS, gestite da aziende private che rilasciano un servizio “as it is”, ovvero senza particolari specifiche se non le buone regole.

Alla stessa maniera chi rilascia dei servizi di correzione GNSS da satellite, senza nessun collegamento alle reti locali terrestri, opererà sicuramente in maniera corretta, ma sta a noi verificare che procedure e risultati rientrino tra le aspettative del cliente finale.

Il modo di procedere è quindi legato al metodo e alle competenze geo-topografiche e cartografiche del topografo che esegue il lavoro, secondo le buone norme e tenendo a riferimento le eventuali specifiche del committente.

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10 - CONCLUSIONI Le conclusioni in un volume cosi lineare e consequenziale sembrano cosa difficile da definire. Anche perchè pur leggendo 100 volte il testo, nessuno ci toglierà mai il dubbio che forse avremmo potuto aggiungere qualche paragrafo, addentrandoci in particolari tecnici di cui è necessario avere conoscenza. Senza contare le cose che avremo tralasciato per dimenticanza, ma vi possiamo assicurare che nonostante la fotogrammetria abbia più di 100 anni ormai, la dialettica tra colleghi più o meno esperti continua, perchè tutto ciò che sembra e appare dai moderni metodi di calcolo, spesso smentisce la pratica reale ed operativa, in special modo in questo periodo di forte innovazione e cambiamenti dovuti allo sviluppo esponenziale dei processi informatici e alla disponibilità di dati digitali.

Ormai siamo tutti fotografi, semplicemente perchè la macchina fotografica fa parte del nostro vivere quotidiano fianco a fianco con il nostro smart phone, cosi come ci sentiamo tutti aereofotogrammetri perchè far volare un drone è un processo semplice e alla portata di tutti.

Ma le persone intelligenti sanno che gli strumenti non eliminano la necessità della tecnica, casomai permettono di affinarla. Purtroppo il paradigma che cerchiamo di divulgare nel nostro piccolo mondo di geomatici ormai di vecchia data, è semplice e lineare, e racconta che in questa era dell’easy to do, è aumentata la quantità di informazioni, ma ne è diminuita la necessaria precisione, che per dei geomatici di vecchio stampo è tutto o quasi.

Un mondo pieno di “BIG DATA” quindi. Ma che ne è della loro attendibilità?

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Ringraziamenti Nell’ultima fase di gestazione di questo testo, pronto da molto tempo, non poteva che mancare la chiusura finale al volume, che per noi sono i ringraziamenti a quanti nel corso dei giorni pari e anche in quelli dispari, abbiamo dovuto attingere per le molteplici conoscenze che si celano in una materia cosi complessa. Da soli certo non avremmo potuto contribuire in maniera significativa, anche se il testo nelle intenzioni prima, e nella stesura poi, rimane un testo divulgativo. Un testo da cui partire per ampliare la ricerca e la conoscenza.

Un ringraziamento per tutti va quindi al nostro comune amico Luigi Proietti, che rimane per noi un punto di riferimento per tutto ciò che va sotto la voce “Fotogrammetria classica, digitale e moderna”. Ma “gigi”, come lo chiamiamo tutti, ci ha insegnato anche a vivere con leggerezza il cambio di paradigma che sta alla base dei nostri “aeroplanini”, cosi come chiama lui in nostri benamati droni. Non possiamo non ringraziare poi i quattro vates di riferimento in ordine di nome come Antonio, Eliano, Otello e Renzo, che nel tempo ci hanno permesso di esercitare la passione per la geomatica operativa, per la geodesia operativa e chiaramente per la fotogrammetria, tra cartografia e monumenti. Un ringraziamento particolare per la passione nel mondo del 3D legato alla fotogrammetria digitale, va a Luca, che che è per noi uno dei punti di riferimenti per l’innovazione in campo reale, mutando dalla fotogrammetria digitale tradizionale, a quella di 4^ generazione o dello “stereospace”, anticipando il mercato delle soluzioni reali del 3D Imaging di almeno 15 anni.

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11 - TABELLA DELLE SIGLE, DEGLI ACRONIMI E DELLA TERMINOLOGIA ACRONIMO O PAROLA

Definizione o significato

2.5D

Si intende comunemente la definizione geometrica o geospaziale, di elementi planimetrici o nelle 2 dimensioni del piano cartesiano, supportati da informazioni sulla terza dimensione, estratti o definiti in maniera discreta e non contestuale

3D

Si dice comunemente 3D la definizione nello spazio di elementi geometrici di superfici, punti o rette di cui sono note le coordinate XYZ in maniera continua.

3D CITY MODELS

Indica la rappresentazione cartografica che evolve nel GIS o nel CAD 3D, gestiti in maniera strutturata a livello di DB. Ma anche semplicemente i modelli 3D di aree urbane come le città, nel dominio applicativo del CityGML.

3DFACE

Facce 3D, o evoluzione del mesh modeling (vedere la voce Mesh Poligonale su wikipedia). E’ anche un oggetto del CAD 3D di Autodesk.

4D

Si intende comunemente per 4D, il 3D con aggiunta la variabile del tempo.

4K

Si intende comunemente un camera fotografica di ultima generazione con risoluzione prossima 2840x2160 pixel, ma il suo significato non si ferma alla risoluzione, bensì anche a colore e frame rate se si parla di videocamere e quindi di video.

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ACTION CAM

Identifica una camera video o fotografica impiegata nelle riprese estreme, in genere sportive. E’ diventato di comune impiego come camera da documentazione sui caschi o sulle biciclette, ma anche in mille altre situazioni. Le action cam sono nate negli anni 60, ma GoPro (www.gopro.com) può essere considerato l’inventore dei giorni nostri a cui sono seguite decine di altre soluzioni.

AEC

Architecture Engineering Construction.

APPLE MAP

Si intende l’applicativo MAP di Apple e i servizi web correlati. Servizi e applicazioni omologhi a Google Map e BING di Microsoft.

APR

Aeromobile a Pilotaggio Remoto, termine italiano simile a UAV.

AR

Augumented Aumentata.

ARCGIS

L’applicativo GIS più conosciuto e diffuso al mondo di ESRI Inc.

BIG DATA

Si intendono grandi dataset di dati, ovvero che hanno necessità di tecnologie adeguate e veloci per gestione ed elaborazione.

BIM

Building Information Modeling.

BIMM

Building Information Management.

BING

È il portale cartografico e di igmmagini aeree di Microsoft comparabile a Google Earth o Map di Apple.

Reality

o

Modeling

Realtà

and

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BUNDLE

In fotogrammetria rappresenta la fase di calcolo degli orientamenti geospaziali delle riprese fotografiche.

BUNDLE ADJUSTMENT

È comunemente intesa come fase della triangolazione aerea.

CAD

Computer Aided Design.

CAM

Computer Aided Manifacturing.

CASSINI SOLDNER

È il tipo di rappresentazione cartografica adottato dal catasto italiano. Entro i 70 km di estensione può essere considerato un sistema di coordinate cartesiane. E’ definito a partire da 31 grandi origini geodetiche.

CCD

Charge Couple Device. In sostanza il sensore che ha sostituito la pellicola in fotografia.

CITY ENGINE

È un sistema di gestione di informazioni geografiche 3D per aree urbane o città.

Nato nel 2008 all’ETH di Zurigo, è stato successivamente acquisito (2011) da ESRI Inc. Ed è ormai chiamato ESRI City Engine.

CITY GML

È l’implementazione GML per le aree urbane o città.

CLOUD POINTS

Comunemente chiamata “nuvola di punti” in italiano o anche semplicemente PC (Point Cloud), può essere immaginata come una “matrice irregolare” di punti inseriti in un sistema di coordinate aventi talvolta associati valori di riflettanza, colore, ed altre informazioni di contesto.

CLOUD

È un termine con cui si intenndono comunemente le risorse di rete come storage,

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sistemi di calcolo e altri servizi informatici.

CNC

Computer Numerical Control, temine usualmente impiegato per indicare le macchine a controllo numerico (fresatrici).

CODICE CARTOGRAFICO Comunemente indica un codice numerico o alfanumerico impiegato nelle fasi di restituzione cartografica, e derivante dai primi processi di produzione delle carte numeriche per restituzione fotogrammetrica. Assimilabile al concetto di layer grafico in CAD. COMPUTER VISION

Si intende comunemente la scienza della visione artificiale, ma anche l’elaborazione 3D a partire da immagini 2D. I processi e gli algoritmi della CV sono tipici della fotogrammetria digitale, e in maggior ragione negli ultimi 10 anni con la convergenza tra CV e la fotogrammetria digitale.

CONSTRAINED

Anche associato al DMC o Data Constrained Modelling, sta ad indicare una metodologia d’uso di dati e modelli teorici, finalizzata alla estrazione automatica di dati 3D in diversi ambienti applicativi come architettura, microstrutture, etc.

COORDINATE

Comunemente si intendono coordinate 3D in genere geografiche, ma anche semplicemente cartesiane. Il concetto che si tende ad affermare è quello delle relazioni geografiche locali o globali tra fenomeni puntali comunque disposti nello spazio euclideo.

MODELLING

CURVE DI LIVELLO GEOSPAZIALI

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Comunemente inteso come le isoipse in cartografia, rappresentano le curve che uniscono i punti a uguale quota,

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ovvero di eguale distanza verticale dal piano di riferimento. Vengono impiegate per rappresentare l’altimetria di un’area cartografica o di porzione di essa secondo regole canoniche.

CV

Computer vision.

DB

Data Base.

DEM

Digital Elevation Model.

DGN

Formato di grafica vettoriale associato allo standard di Microstation, piattaforma della Bentley Inc.

DSM

Digital Surface Model o Modello Digitale di Superfici.

DTM

Digital Terrain Model o Modello Digitale del Terreno.

DXF

Data Exchange Format.

ENDURANCE

Durata del volo o tempo di autonomia operativa di un drone o UAV.

EXIF

Exchange Image File.

FEATURE

In campo fotogrammetrico sta ad indicare un particolare geometrico o punto di collegamento tra immagini.

FOTOGRAMMETRIA

Tecnica che attraverso l’uso di immagini, permette di restituire le dimensioni di un oggetto o di uno spazio, ovvero la relazione spaziale tra di essi. La fotogrammetria di 4ª generazione porta il 3D nel mainstream delle soluzioni tecniche.

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FPV

First Person View, o volo in prima persona.

FULL 3D

Si intende comunemente un processo di rilievo e restituzione dei dati fotografici finalizzato alla formazione di un 3D di tipo completo,con riprese convergenti e indifferentemente collocate rispetto all’oggetto documentato.

Questo metodo appartiene più alla CV che alla fotogrammetria standard, dove in genere si procede per piani omogenei e per riprese complanari.

FULL FRAME

È un’accezione per dire camera fotografica comparabile al formato fotografico standard 24x35 della vecchia pellicola.

GAUSS BOAGA

Sistema di proiezione cartografica caratteristico e ufficiale dell’Italia.

GCP

Ground Control Point o Punti di Controllo a Terra. Un modo alternativo di riferirsi ai Punti di Appoggio Fotogrammetrici o PAF.

GEO-DB

Temine che identifica i database geografici dei GIS o geodatabase.

GEOSPATIAL

È il modo di definire informazioni, metodologie e tecnologie del mondo geografico è spazialmente definito in termini di coordinate, geometrie e topologia in ambito GIS, delle informazioni territoriali, geo-topografiche e geomatico.

GEOSPATIAL IMAGING

L’uso delle immagini nelle applicazioni geospaziali.

GEOTAGGING

La tecnica basata sulla assegnazione di coordinate, in genere geografiche, ad

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informazioni puntuali o di immagini.

GIS

Geographic Information System.

GML

Geographic Markup Language.

GNSS

Global Navigation Satellite System.

GOOGLE EARTH

L’applicazione e le informazione del sistema di navigazione e posizionamento cartografico e geospaziale di Google.

GPS

Global Posininig System.

GSD

Ground Sample Distance, o valore del pixel a terra.

HEAD

Direzione di navigazione

HOVERING

Volo a punto fisso, o stazionamento in volo, tipico dei sistemi UAV multirotori o di un elicottero.

IGMI

Istituto Geografico Militare Italiano.

IMAGING

Tecniche, tecnologie e metodi applicati all’uso delle immagini nel campo del rilievo territoriale e della geomatica.

IMAGING 360°

Il rilievo con immagini sferiche o trip tour (ad esempio Google Street View o sistemi similari).

INSPIRE

Direttiva europea per la normalizzazione delle informazioni geografiche pubbliche.

IR

Infrarosso. È una tecnica applicata in diversi contesti come la termografia e altro. In settori come agricoltura e ambiente.

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ISO

È il valore di sensibilità alla luce di una pellicola o di un sensore.

ISPEZIONE VISIVA STEREOSCOPICA

Trattasi di un modo di ispezionare oggetti, infrastrutture e altro, attraverso immagini stereoscopiche nelle varie modalità di tempo reale, differito o a distanza.

ITRF

International Terrestrial Reference Frame o Sistema di Riferimento Geodetico Terrestre adottato a livello internazionale.

KAPPA

È la rotazione della ripresa fotogrammetrica intorno all’asse Z.

KML

È l’acronimo di Keyhole Markup Language, ovvero l’azienda acquisita da Google nel 2004 che ha dato origine ai servizi di Google Earth e Map. Ma è anche uno dei formati più diffusi, insieme al KMZ, per informazioni e dati geografici.

LAR

Linear Algebraic Representation, o Topologia Algebrica Computazionale applicata sia nell’ambito del 3D per la modellazione in architettura, sia nell’ambito dei Big Data.

LASER SCANNING

Tecnica laser per il rilievo di tipo territoriale, architettonico e diverso. Una evoluzione e specializzazione delle tecnologie LIDAR.

LATITUDINE

La latitudine è la coordinata geografica sulla direzione Equatore => Polo Nord e SUD, si misura in gradi sessagesimali.

LAYER

Livello. È normalmente inteso come livello del disegno nei software CAD/CAM e spesso GIS.

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LIDAR

Light Detection And Ranging. In sostanza è un metodo di rilievo laser di uso comune in geomatica, ma con l’avvento delle macchine intelligenti viene impiegato anche nei sistemi di guida autonoma di veicoli (RPV).

LOD

Level Of Detail. È un parametro che indica il livello di dettaglio dei modelli virtuali nel 3D del territorio e delle città. LOD 0 indica il 2.5D con le sagome a terra, fino a LOD 4 che indica un 3D con i modelli dei fabbricati che comprende il dettaglio di interni.

LONGITUDINE

La longitudine è la coordinate geografica pari all’arco di equatore compreso fra il meridiano fondamentale Meridiano di Greenwich e il meridiano dell’osservatore, e si misura in gradi sessagesimali.

LS

Laser scanner.

MAPPING GIS

È la tecnica di rilievo geografico di informazioni territoriali, impiegata per la popolazione di un sistema GIS. Tali operazioni vengono condotte con precisioni metriche e submetriche, ma quasi mai topografiche.

MESH

Una mesh poligonale, anche detta maglia poligonale, è una collezione di vertici, spigoli e facce che definiscono la forma di un oggetto poliedrico nella computer grafica 3D e nella modellazione solida.

MICROSTATION

È un sistema CAD per il 2D e 3D, sviluppato e distribuito da Bentley Systems. Rappresenta uno dei primi sistemi per l’editing grafico orientato all’ingegneria, il cui formato è il DGN, inizialmente sviluppato da Intergraph (1980).

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MISSION PLANNING

Pianificazione di missione, intesa come piano di volo dei sistemi UAV.

MODELLAZIONE POLIGONALE

Trattasi di una tecnica avanzata di modellazione 3D, impiegata quando l’oggetto è complesso.Impiega superfici organizzate in maglie più o meno dettagliate di facce poligonali.

MULTISPETTRALI

Con questo termine si indicano in genere tecniche e sistemi per il rilievo e la documentazione, basato su dati spettrali che vanno al di fuori di quelli visibili dall’occhio umano.

NATURAL TEXTURING

Le texture derivate dai colori naturali campionati a partire da immagini di oggetti cromatici reali.

NDVI

Normalized Difference Vegetation Index.

Permette di definire una classificazione delle aree a vegetazione diversificata a partire da immagini tradizionali o IR.

NET COMPUTER

Computer basati su sistemi di input e output semplificati di dati, grafici e immagini, impiegando tastiera, sistema di puntamento (mouse) e monitor video, le cui risorse di calcolo sono demandate per lo più a server collegati in rete (internet).

NURBS

Non-uniform Rational B-spline. Tecnica di modellazione di superfici matematiche complesse, introdotta da Boeing nel 1975.

NUVOLA DENSA

Si intende comunemente in fotogrammetria di 4ª generazione (SfM), la fase successiva a quella di bundle, ovvero quella di densificazione della nuvola di punti iniziale.

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OMEGA

È la rotazione della ripresa fotogrammetrica intorno all’asse X

OSGEO

La più grande comunità di software open per la manipolazione di dati geospaziali.

OVERLAPPING

Sovrapposizione. In sostanza rappresenta l’area di sovrapposizione tra due immagini sterescopiche.

PAF

Punti di Appoggio Fotogrammetrico.

Definizione simile a GCP.

PAYLOAD

Carico utile a bordo di velivoli remoti e non.

PHI

È la rotazione della ripresa fotogrammetrica intorno all’asse Y.

PITCH

È la rotazione della ripresa fotogrammetrica intorno all’asse longitudinale del sistema di volo.

PLANT

Si intende comunemente il disegno di una pipeline o di un impianto industriale di raffinazione e/o di produzione elettrica.

PPS

Acronimo di Post Processing Software.

QUOTA

Si intende in genere la quota altimetrica assoluta in cartografia e topografia.

RECAP

Indica il software Autodesk di Reality Capture, ovvero di disegno in ambiente CAD a partire da nuvole di punti da laser scanner o fotogrammetria.

RTK

Real Time Kinematic, ovvero il posizionamento in tempo reale di alta precisione in genere realizzato con sistemi

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GNSS di classe adeguata, ma anche mediante sistemi a bordo di UAV.

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SFM

Structure From Motion. Tecnica che da alcuni anni viene impiegata nella fotogrammetria di 4ª generazione, messa a punto dal ricercatore sino-americano ChanChan Wou.

SHP

Formato Shape File orientato al GIS di Esri, di fatto diventato il formato GIS più diffuso al mondo.

SKETCHFAB

È la più grade community nata intorno ai servizi di 3D hosting intelligente su cloud (www.sketchfab.com).

SMF

Scala Media Fotogramma.

STAMPA 3D

Comunemente per stampa 3D si intende quella additiva o attraverso macchine a controllo numerico.

STAMPA ADDITIVA

È la stampa di ultima generazione, effettuata attraverso un tecnica di rilascio controllato di sottilissimi strati di materiale, dette anche slice (fette). È il contrario della stampa per sottrazione effettuata con frese meccaniche o anche laser.

STEREO PLOTTING

Si dice dei software o sistemi che permettono di effettuare restituzioni grafiche e vettoriali a partire da immagini stereoscopiche tipiche della fotogrammetria.

STEREOCAD

Soluzione di disegno e restituzione fotogrammetrica unica e italiana (www. mencisoftware. com). Un vero CAD fotogram- metrico orientato al 2D e 3D, attraverso una interfaccia unica al mondo come lo “StereoSpace”.

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STEREOSCOPIA

È assimilabile alla visione binoculare che permette la percezione di tridimensionalità dell’uomo. Conosciuta già nell’antichità, matura come tecnica intorno al 1850 e viene impiegata massivamente nella produzione cartografica intorno al 1900. La stereoscopia è alla base dell’evoluzione del 3D in campo tecnico ma anche nel campo della comunicazione visiva cinematografica e televisiva.

STEREOSCOPIO

È uno strumento ottico attraverso cui è possibile riprodurre e percepire la tridimensionalità di immagini o disegni, che riprendono da 2 punti di vista non coincidenti il medesimo spazio o un oggetto.

STL

Stereo Lithography interface format, ovvero un formato per la stampa litografica. E’ uno dei principali formati impiegati nell’ambito della stampa 3D.

TERRAIN

In ambito cartografico e fotogrammetrico, si intende in genere la rappresentazione delle informazioni del terreno, inteso come modelli 3D a livello di DSM, DTM e altri formati similari.

TERRAIN TOOLS

È un termine che sta ad indicare particolari software o tools per la manipolazione di informazioni altimetriche come DSM, DTM, TIN, curve di livello, e altre funzionalità di trattamento dati di natura esclusivamente altimetrica.

TIE POINTS

Sono i punti di legame delle immagini stereoscopiche nel processo di fotogrammetria, o nelle note procedure di triangolazione aerea.

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TIN

Triangulated Irregular Network. Formato impiegato nella rappresentazione e analisi altimetrica del terreno.

UAV

Unmanned Aerial Vehicle, drone o APR in italiano.

UNITY

Ambiente di sviluppo e fruizione 3D per i videogiochi, ma che sta migrando lentamente verso il mondo del 3D professionale.

VESTIZIONE CARTOGRAFICA

La vestizione dei dati cartografici è il processo che attribuisce a una determinata geometria (punto,linea o poligono) una specifica grafica (tipo linea e colore) o simbologia in base al tipo di elemento geografico che essa rappresenta all’interno della mappa.

VR

Virtual Reality o Realtà Virtuale.

VRS

Virtual Reference Station. Tecnica di impiego GNSS che si appoggia a reti VRS di correzione differenziale per operazioni di tipo geodetico.

VTOL-UAV

Vertical Take-Off and Landing UAV, o velivoli a decollo verticale.

WEBGIS

Sistemi GIS in ambiente WEB.

WGS84

World Geodetic System 1984.

YAW

È la rotazione della ripresa fotogrammetrica intorno all’asse verticale del sistema di volo.

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12 - NOTE E RIFERIMENTI 1] di pag.13. Il principio primario della fotogrammetria è quello della stereoscopia. Ovvero dell’uso delle immagini in modalità stereoscopica, tali da restituire un effetto visivo pari alla visione naturale dell’uomo, attraverso cui restituire misure spaziali nel campo del 3D. Vogliamo comunque informar vi che esistono anche tecniche di “restituzione fotogrammetrica monoscopica”, che somiglia invece più alle tecniche di restituzione della prospettiva. La fotogrammetria infatti, è comunemente intesa come un complesso di riprese fotografiche stereoscopiche, che insieme a tecniche e strumenti diversi, permette di ottenere una rappresentazione 2D e 3D di un oggetto, un manufatto o territorio.

2] di pag.13. I sistemi di volo presentano 2 tipi di velocità; Quella propria e quella rispetto ad altri riferimenti come la terra. È quindi chiaro che la velocità di scatto della camera, deve essere tale da garantire un intervallo regolare delle riprese fotografiche compatibile con il progetto delle riprese, ovvero con la copertura stereoscopica programmata. Nella fotogrammetria di vecchia generazione, tale compito era affidato al cosiddetto “intervallometro”.

3] di pag.13. Il concetto di scala media del fotogramma è ampio e già discusso a pag.80 del volume, per un trattamento approfondito fare riferimento al citato volume al n. 2 in bibliografia.

4] di pag.23. In sostanza fino ad alcuni anni fa la fotogrammetria standard e quella digitale erano considerate tecniche abbastanza rigide, dove le riprese erano sostanzialmente complanari. Con l’avvento dei sistemi IT altamente performanti, le tecniche proprie della Computer Vision (CV) hanno influenzato il processo classico delle fotogrammetria digitale, fino a portare a maturazione la fotogrammetria di 4^ generazione, in cui la geometria delle riprese è di qualsivoglia natura e geometria, fino al limite di soluzione dei processi di bundle classici, ma con il limite numerico di un numero sufficienti di tie point. Una volta risolte le geometria di collocazione geospaziale delle riprese, non esistono virtualmente limiti al calcolo e generazione delle cosidette “nuvole dense”. Le nuvole dense di punti sono alla base dei DSM o superfici geospaziali, indispensabili per la produzione di ortofoto e modelli 3D texturizzati. .La fotogrammetria di 4^ generazione è anche comunemente chiamata Full 3D. Per un GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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approfondimento dei concetti di “3D geospatial imaging” e di Sfm (Structure From Motion) fare riferimento ai lavori citati in bibliografia e in altre parti del testo.

5] di pag.24. Il termine “visione artificiale” sta ad indicare da sempre il mondo della Computer Vision, ovvero la galassia delle applicazioni che simula l’apparato visivo umano, impiegando in generale immagini 2D. Con l’avvento dei sistemi LIDAR miniaturizzati e l’intelligenza artificiale applicata alla robotica, il termine muta di significato introducendo l’analisi visiva computerizzata in tempo reale.

6] di pag.27. Il formato Open Flight è stato uno dei primi formati che permettevano una navigazione 3D fluida e piena di dettagli. Nato nel 1988 (6 anni prima del VRML) dalla società Presagis, fu adottato dalle migliori piattaforme di fotogrammetria digitale come Socet Set e altre. https:// en.wikipedia.org/wiki/OpenFlight 7] di pag.29. I report di triangolazione aerea,o di bundle adjustment, non sempre sono presenti nei numerosi software di generazione di modelli full 3D basati su Sfm o derivati in generale da applicazioni della computer vision. Questa peculiarità è ciò che divide come un confine di stato gli operatori del settore. Da un lato coloro che senza uno straccio di tabulato di validazione dei processi matematici non sono in grado di operare, e dall’altro coloro che si fermano al modello 3D bello e appariscente, con nuvole dense oltre l’inverosimile, che pensano di produrre gli elementi fotogrammetrici un tanto al chilo, scambiando di regola la quantità con la qualità. Cosa impossibile se si parla di fotogrammetria e di misure metricamente valide.

8] di pag.31. La rappresentazione a mesh è uno dei modi di rappresentare i modelli 3D nella modellazione pura, e anche in architettura. Le rappresentazioni territoriali da sempre impiegano i TIN (Triangulated Irregular Network), più consoni a modelli estesi in ambito cartografico e anche dell’ingegneria civile. La rappresentazione a mesh texturizzata è invece molto usata da tutti i sistemi pseudo-fotogrammetrici, con la pretesa di realizzare le ortofoto utilizzando semplicemente le mesh testurizzate invece che le regole canoniche delle ortofoto e delle true ortofoto.

9] di pag.36. Con il termine parallasse si intende lo sdoppiamento della 86

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marca di restituzione (i raggi omologhi non sono complanari), impiegata come puntatore nella visione stereoscopica e utilizzata per l’esplorazione del modello stereoscopico. Ai fini pratici, si dice che un modello stereoscopico (immagini stereoscopiche orientate con i valori di assetto Phi, Omega e Kappa) ha parallasse, quando variando la quota (parallasse di quota px) rimane una componente residua di parallasse trasversale py per cui le due marche non s’incontrano.

10] di pag.38. Il concetto di LOD (Level Of Detail), o Livello di Dettaglio, nasce con l’esigenza di realizzare modelli 3D articolati e multiscala. In sostanza ad ogni livello di ingrandimento del modello, il problema è di discriminare la quantità di dettagli, e quindi la necessità di normare lo standard. A tal proposito i livelli normati sono già stati definiti, anche e soprattutto riferendoci all’ambito dei 3D City Models.

I primi 2 link servono a comprendere i concetti alla base delle definizioni da LOD0 a LOD4, www.opengeospatial.org/standards/citygml e en.wikipedia.org/wiki/3D_city_models.

Se invece volete comprendere il concetto di LOD geometrico (GLoD) e semantico (SLoD), potete cercare in rete il documento che segue:isprsannals-II-2-W1-51-2013.pdf.

11] di pag.39. Il mondo dei software e degli standard 3D è enormemente esteso, e non è facile dare qui dei riferimenti univoci. Considerate solo che il primo formato di interesse nasce negli anni ‘80, e che ad oggi i formati molto diffusi sono almeno una decina, ma nel complesso quelli classificati al link che segue https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_file_ formats#3D_graphics su wikipedia sono poco meno di 80.

L’interesse operativo per la fotogrammetria e i modelli 3D, si restringe però a pochi e consolidati formati come il PLY, il LAS/LAZ ed E57 per le nuvole di punti, i formati targati Autodesk, e quelli preferiti dai software di modellazione diffusi come Rhino, Blender e Sketchup. Per un elenco esteso dei software, vedi sezione specifica in bibliografia.

12] di pag.39. Per produzioni massive si preferisce segmentare la produzione tra realizzazione dei modelli fotogrammetrici orientati, e produzione vera e propria. In questa maniera si può replicare su decine o centinaia di “stazioni fotogrammetriche” (monitor dotati di visori stereoscopici) la fase produttiva, magari con operatori delocalizzati in India o in altri paesi, e ridurre fortemente in questa maniera i costi di produzione della cartografia.

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13] di pag.41. Il problema centrale della restituzione automatica nel campo della fotogrammetria e dei rilievi laser scanner, è un problema aperto da diverse decine di anni, e forse da oggi in poi mettendo insieme il mondo del machine learning e di altre tecnologie di analisi, si giungerà a risultati accettabili. Per ora vi possiamo indicare solo alcune direzioni e riferimenti, che partono dal mondo della 3D-LAR e del 3D-CBM. Che esplicitati consistono nella Linear Algebraic Representation, sviluppata in parte dal CVDLAB di Roma con altre collaborazioni internazionali, e nel Constraint Based Modeling che rappresenta per certi versi la soluzione più vicina alla modellazione CAD in campo architettonico. Maggiori riferimenti a queste tematiche sono disponibili in bibliografia.

14] di pag.43. Un elenco esaustivo è nella bibliografia, tenendo presente che l’aggiornamento continuo fa sì che standard, soluzioni e quindi software, sono in continua evoluzione.

15] di pag.44. Il nuovo paradigma della fotogrammetria e dei geospatial data, è semplicemente allineato a ciò che comunemente viene da più parti definito come il mondo dei BIG DATA. Con la diffusione di questi, e i dati geospaziali sono esattamente ciò, i nostri PC e i nostri notebook non sono più in grado di elaborare i dati, e diventano dei semplici terminali con cui fare upload dei dati e download dei risultati. In poche parole si può preconizzare che nel giro di qualche anno, anche la fotogrammetria sarà un processo completamente gestito sui sistemi cloud di nuova generazione, e quindi dispobili per tutti a prezzi accessibili e competitivi A differenza di investimenti su workstation e sw non sempre accessibili a tutte le piccole e medie società di cartografia.

16] di pag.61. Autocollimazione - Le procedure di autocollimazione, altro non sono che delle utility di analisi di immagine, in grado di individuare le coordinate pixel di un particolare dell’immagine come incroci di linee, centri di cerchi, segni grafici definiti come nelle tecniche OCR degli scanner moderni.

17] di pag.61. Sulla trasformazione tra datum, sistemi di riferimento, scale di rappresentazione e in genere prodotti geo-topografici e cartografici che devono essere trasportati tra sistemi e riferimenti diversi, esistono centinaia di informazioni e riferimenti bibliografici anche complessi da valutare. Sta al tecnico esperto decidere come e con quali algoritmi matematici effettuare tali trasformazioni, facendole approvare dalla 88

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direzione lavori, e conservandone traccia nei cosiddetti metadati. Per una ottima trattazione, fate riferimento a questo documento a firma di Diego Magni, e disponibile su internet @ http://geomatica.como.polimi.it/corsi/ catasto/opdat.pdf 18] di pag 62. Si parla di mitigazione degli errori altimetrici, in quanto sono quelli più facili da commettere in processi fotogrammetrici speditivi o non perfettamente realizzati. Fino ad alcuni anni fa l’altimetria era difficile da garantire e spesso si realizzavano anche solo misure cosiddette “zenitali”, ovvero la sola lettura al teodolite di azimut e angolo verticale. Tali dati erano successivamente impiegati derivando la distanza topografica alla carta in sede di restituzione cartografica, e calcolando così la quota di controllo per correggere eventuali “sbandamenti” in quota delle coppie stereoscopiche.

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13 - BIBLIOGRAFIA E RIFERIMENTI WEB 1. Crediti fotografici e grafici, video e multimedia - Grassi e Associati, V.Rossi, R.Carlucci, L.Proietti, L.Menci, M.Sirigu, R.Sirena. Immagini e grafici, dove non diversamente indicato, appartengono ai relativi autori, spesso anche sconosciuti.

2. Topografia di base, fondamentali della geomatica per la misura e la rappresentazione del territorio. A.Riggio e R.Carlucci. EPC Editore 2015.

ISBN 978-88-6310-579-7.

3. Droni per l’innovazione, Do your own drone, Sistemi UAV e RPV, applicazioni professionali dalla A alla Z. D.Santarsiero 2016, edizioni Createspace, AMAZON. ISBN-13: 9781515117322 ISBN-10: 1515117324.

4. Rivista GEOmedia, annate 1996- 2019. Editori diversi.

5. Rivista Archeomatica, annate 2010 - 2019, mediaGEO. 6. Atti CIPA (Comité International de la Photogrammétrie Architecturale), annate varie.

7. Acquisizione 3D e modellazione poligonale, G.Guidi, M.Russo, J.A.Beraldin. McGraw-Hill 2009. ISBN 978-88-386-6531-8.

8. Dal rilievo con i sistemi APR ai sistemi MMS e delle Stazioni Fotogrammetriche Portatili, raccolta monografica. W+ipub, collana myGEO, ISBN 978-1530465637.

9. Dalle applicazioni professionali al 3D per tutti. D.Santarsiero, C.Florio, V.Ancona. GEOmedia 6/2008.

10. Linear Algebraic Representation for Topological Structures. A.DiCarlo, A.Paoluzzi, V.Shapiro.

11. Virtual Modeling for Cities of the Future. State of the Art and Future Challenges. J.Valencia, A.Mun?oz-Nieto, P.Rodriguez-Gonzalvez. ISPRS - Volume XL-5/W4, 2015 - 3D Virtual Reconstruction and Visualization of Complex Architectures, 25-27 February 2015, Avila, Spain.

12. Photosynth 3D: Microsoft’s plan to turn the entire world into and explorable 3D panorama. S.Anthony, 1/8/2014. - www.extremetech.com.

13. Improving architectural 3D reconstruction by constrained modelling - Helmut Cantzler. School of Informatics, University of Edinburgh 2003.

14. Spatializing Photographic Archivies - M.Downie, P.Kaiser — 2010.

15. The Ames Stereo Pipeline: NASA’s Open Source Automated Stereogrammetry Software. A part of the NASA NeoGeography Toolkit Version 2.5.2.

16. OPK Suite documentation. Menci Software 2015.

17. APS tutorials e documentazione. Menci Software 2016 18. A Survey of Stereoscopic Visualization Support in Mainstream 90

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Geographic Information Systems - Kenan Bektaş and Arzu Çöltekin - 1st International Conference on 3D Maps, 2009.

19. Augmented’s Essential Guide to AUGUMENTED REALITY. A cura di http://www.augment.com.

20. Incremental Fusion of Structure-from-Motion and GPS using Constrained Bundle Adjustments. Maxime Lhuillier, CNRS/UBP/IFMA 2012.

21. Image Matching, Image-Based Rendering, 3D Reconstruction for Visualization, 3D Reconstruction for Robotic and Omnidirectional Vision @ Matchin Maxime Lhuillier’s home page on Pascal Institut (CNRS/UBP/ IFMA), 2015 22. Scene Reconstruction and Visualization from Internet Photo Collections - Keith N. Snavely, 2008 23. Camera Processing Pipeline - Kari Pulli, 2015 univ. Stanford.

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14 - RIFERIMENTI SOFTWARE E STANDARD Di seguito troverete una estesa raccolta di riferimenti bibliografici e di risorse informative orientate soprattutto al web, principe dell’informazione dinamica e senza limiti fisici e di spazio. Essendo però il web per sua natura dinamico e variabile, tutte le informazioni che fanno riferimento ad esso, hanno come riferimento temporale la data di chiusura in redazione del volume, posta nell’ultima pagina del testo. In ogni caso vogliamo informarvi, che la quantità di soluzioni e di software ormai disponibili sul mercato rende sostanzialmente impossibile realizzare una lettura approfondita e chiara. Pertanto nel seguito citeremo le soluzioni più note e diffuse, anche se ciò potrà risultare opinabile al giudizio di altri operatori.

Vi ringraziamo anticipatamente se vorrete segnalarci in seguito, aggiornamenti e proposte che segnaleremo puntualmente ai lettori della landing page del volume.

14.1 Sistemi per la pianificazione del volo MME - Map Made Easy è un servizio di pianificazione dei voli fotogrammetrici e di post-produzione di dati fotogrammetrici orientato esclusivamente al calcolo di fotogrammetria di tipo standard. www. mapsmadeeasy.com.

Flyte - È un servizio rilasciato negli ultimi mesi, e nasce come servizi globali via web orientati alla pianificazione e gestione delle attività di volo con sistemi UAV. Dalla pianificazione alla emissione di NOTAM, ma anche alla gestione e alla post-produzione fotogrammetrica. Il gruppo, basato in Irlanda, è partner dell’azienda USA Drone Deploy, anch’essa attiva nel settore dei servizi per il mercato degli UAV da alcuni anni. www.flyte.ie.

DroneDeploy - Un sito dedicato ai servizi di pianificazione e postproduzione come quelli espressamente richiamati al punto 2 da cui si è generato, e di cui al punto 3 a cui ha dato i natali. Tutto ciò almeno alla data di chiusura redazionale di questo volume. www.dronedeploy.com U|g|CS - È il più interessante software di gestione e pianificazione di missioni operative in campo con sistemi UAV generici e diverse marche, o meglio con diverse centraline o autopilota. Con U|g|CS è infatti possibile gestire i sistemi DJI, i MAVLink compatibili (Pix4/3DR), Mikrokopter, Micropilot, Microdrones, Lockheed Martin, Parrot, InnoFlight e altri compatibili. Pianificare con UgCS è facile come con altri software di 92

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gestione di sistemi UAV. www.ugcs.com.

Mission Planner - È di gran lunga il software più diffuso nel mondo delle soluzioni open, disponibile per tutte le piattaforme più diffuse come Windows, Mac OS X, Linux, Android e IOS. Non poteva mancare su questa piattaforma la sezione di pianificazione del volo, anche se è in sostanza legata allo strumento che si usa in campo, piuttosto che nelle fasi di planning e management delle attività di volo. Mission Planner, insieme ad un largo aggregato di altri progetti e community, fa parte della storia creativa per i sistemi di volo nati grazie al mondo di ARDUPILOT e a Michael Oborne che ne ha scritto il 100% del codice. ardupilot.org. eMotion - È la soluzione proprietaria per pianificare e gestire i droni di sensefly. È un software che ha la caratteristica di gestire i droni e l’intero set di sensori di acquisizione dei dati geospaziali, come le camere standard, quelle multispettrali e altre. eMotion è in grado di utilizzare diversi dati in background, come mappe e DSM, e accetta in ingresso file shape e KML, come aree di progettazione delle missioni. www.sensefly. com/software/emotion-3.html.

14.2 Generazione modelli 3D La generazione di modelli 3D è ormai una tecnologia che sta cambiando il suo spazio operativo, e migra verso i servizi cloud. Ma non per questo le soluzioni standalone che possiamo usare sui nostri PC sono tramontate, e di seguito diamo solo alcuni riferimenti, sapendo che la platea dell’offerta commerciale è molto più ampia, sia come soluzioni SW standard, che piattaforme cloud già diversamente citate nel testo.

3DCapture - è il progetto innovativo italiano verso i servizi cloud intelligenti per l’uso del 3D e non solo. Il progetto è basato sugli algoritmi di APS Full 3D di Menci Software e fa parte di un più ampio spettro di soluzioni targate GEOWEB e disponibili disponibili ormai per tutti gli utenti. www. geoweb4all.com.

APS - È la piattaforma di fotogrammetria molto diffusa in Italia e all’estero, per la generazione di modelli 3D e di prodotti cartografici da voli tradizionali e UAV. Menci Software. www.menci.com.

Red Catch - È un servizio cloud per la produzione di modelli 3D, basato GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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sulla piattaforma Mic Mac. www.redcatch.at .

Site Scan - È un progetto unico per la realtà che lo ha messo a punto e lo promuove, e che non possiamo ignorare, visto che si tratta di 3DR. L’azienda che ha dato forza e intelligenza ai sistemi di volo basati inizialmente sulla piattaforma ARDUPILOT (arduino), e diventata poi una delle piattaforme più diffuse e pur sempre OPEN come APM. Il progetto Site Scan è stato lanciato appena nel 2016, con il supporto di Sony e Autodesk, cosi come racconta il fondatore Chris Anderson, ma negli USA è già una reltà di grande rilievo. www.3dr.com/enterprise/features/ Inpho - È un’azienda tedesca che storicamente si è sempre occupata di fotogrammetria. Entrata nella galassia Trimble nel 2007, non ha cambiato mestiere, ma si è evoluta verso soluzioni grandi e piccole, comprese le soluzioni per i sistemi UAV, senza perdere di vista il mondo del 3D e soprattutto del rigore matematico e procedurale che deriva dalla cultura tedesca della fotogrammetrica. www.inpho.de.

Photomodel - è uno dei software più longevi della serie di soluzioni canadesi per la fotogrammetria. La sua evoluzione rappresenta un po l’evoluzione della fotogrammetria digitale. Ho un workflow classico e professionale, poco diffuso in Italia perché poco diffusa è la sua versione cracked, e poco conosciuto agli utenti non professionisti della fotogrammetria. Da segnalare un bellissimo “10 QUESTIONS ON USING A CAMERA FOR MEASURING & MODELING”. www.photomodeler.com.

SIMactive - Un’altra pietra miliare della fotogrammetria moderna, canadese e con un brevetto sul correlatore di immagini 3D. www. simactive.com/en.

Acute 3D - Nato battendo bandiera francese, è diventato ormai da pochi anni un ambiente di produzione per la più blasonata e storica Bentley, assumendo le vesti di ContextCapture nell’ambito delle strategie di convergenza del mondo del GIS e del cloud data per le infrastrutture e non solo. www.acute3d.com.

PhotoScan - È uno dei software più diffusi in Italia, non perchè sia il migliore, visto che la sua derivazione è quella del cinema piuttosto che della fotogrammetria, ma si è diffuso perché è il software più illegale e cracked tra gli operatori del settore. Di origini russe, è ormai lo strumento 94

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più usato dagli operatori non troppo professionali, e che non badano tanto ai risultati della fotogrammetria con F maiuscola. La sua diffusione come modellatore Full 3D lo ha portato ad essere tra i pochi che viene importato direttamente in Cloud Compare e Blender. www.agisoft.ru.

3DFlow - Nasce in casa italiana nel 2011 come spin-off dell’università di Verona, basando i suoi algoritmi sui moduli open di SFM, e in breve raggiunge una buona diffusione, grazie anche alle partnership con il mondo della modellazione con aziende come Activision e Quantel. www.3dflow.net.

Pix4D - Rappresenta il prodotto di punta che insieme ad altri progetti danno lustro ai veri spin-off delle università politecniche svizzere, che in quanto a successo sono vicino a quota 100%. In questo caso l’EPFL di Losanna lo lanciò nel 2011, e da allora sono cresciuti a forza di espandersi un po in tutti i mercati, anche se quello che manca a Pix4D è una logica da fotogrammetria di fascia alta, ovvero la gestione di formati altri rispetto a quelli tipici dei droni. Ma la soluzione è tra quelle a più largo spettro che si conoscano, sia per le utilità collaterali come la parte di gestione del volo di sistemi diffusi come DJI, etc. su piattaforma iOS, sia puntando a mercati diffusi come con Drone2Map per ArcGIS. Con quest’ultima soluzione Pix4D ha portato il mondo del mapping da drone dentro il GIS come meglio non si poteva. www.pix4d.com.

14.3 Modellazione 3D Rhinoceros - Il mondo del 3D ruota intorno a poche realtà e pochi dogmi, uno di queste realtà è il cosiddetto RHINO, che per l’architettura e la modellazione creativa è tra i più diffusi e blasonati. Per noi RHINO ha fatto molto e fa molto, visto che è tra le poche piattaforme che uniscono il mondo dello sviluppo e il mondo delle informazioni geomatiche, attraverso i moduli RhinoTerrain e RhinoCity, che sono unici nel loro genere, e appositamente realizzati per superare molti gap produttivi nel campo della modellazione del territorio e degli emergenti 3DCity models, e non a caso due dei tag pubblicitari parlano di Landscape Design e Land Surveying. www.rhino3d.com.

3D Studio Max - Blasonato e primo tra i software conosciuti e diffusi, ha ancora ottimi sistemi che sono in grado di supportare gli operatori del settore che lavorano attraverso la pipeline dei Cloud Points, ma facendo parte della galassia Autodesk come Maya e altri applicativi, è ritenuto GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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ancora un ottimo software, ma orientato alla modellazione in campo architettonico, cinematografica, etc., piuttosto che in campo territoriale. www.autodesk.com.

Blender - L’eccellenza della modellazione open source ha una grande community di sviluppatori e utenti diffusi in tutto il mondo, e dedicata alla modellazione cinematografica e di animazione. Tra le soluzioni sviluppate troviamo ovviamente dei sistemi o plugin dedicati al mondo della modellazione territoriale di nostro interesse. www.blender.org.

Cinema 4D - È un pacchetto software che come recita il nome, è dedicato alla modellazione cinematografica, pur tuttavia è molto diffuso nel settore del rilievo fotogrammetrico, in quanto è un’efficiente gestore di modelli 3D basato sulle mesh. www.maxon.net.

Geomagic - Deriva dal mondo della modellazione meccanica e non solo, ed è uno strumento di produzione tra i più avanzati nel campo della modellazione e gestione di grandi quantità di dati in forma di cloud point o di mesh. www.geomagic.com.

Sketchup - Rappresenta la soluzione che ha più contribuito negli ultimi anni all’avanzare e al diffondersi della cultura del 3D nel campo dell’ingegneria urbana, dell’architettura e delle applicazioni a scala territoriale. Nato come strumento di ausilio al 3D di casa google, è passato poi nelle mani di Trimble, azienda leader del settore geomatico per eccellenza, andando a coprire un ambito applicativo che tocca anche i suoi competitors, grazie alla disponibilità di numerosissimi plugin orientati al mondo del laser scanner e quindi della modellazione 3D fotografica. www.sketchup.com.

FreeCAD - Soluzione open source per cominciare a trattare il mondo del 3D senza mettere in campo risorse specifiche, ma il plus è la possibilità di sviluppare propri applicativi avendo a disposizione un ambiente di programmazione semplificato attraverso python e un sistema di registrazione ed esecuzioni di macro ad hoc. www.freecadweb.org.

14.4 Stereoplotting e fotogrammetria standard StereoCAD - La soluzione italiana diffusa anche all’estero e unica nel suo genere di funzionalità specifiche per la restituzione 3D da coppie fotogrammetriche derivate da sistemi di matching tra i più diversi.

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Parliamo di una soluzione in grado di gestire tanto immagini da drone che immagini in ambito professionale (large format). La soluzione si accompagna ad un evoluto sistema di editing di dati altimetrici come Terrain Tool, e fa parte delle pipeline produttive come APS, OPK e 3DCapture, l’innovativa piattaforma web che risponde al cambio di paradigma della fotogrammetria di 4^ generazione. www.menci.com/it/ software-editing/stereocad.html.

Stereo Analyst - La soluzione targata Geosystems, azienda della galassia di Leica e quindi Hexagon, rappresenta per storia e funzioni, una delle soluzioni più diffuse al mondo e direttamente usabile in ambiente ArcGIS e ERDAS Image. www.geosystems.de/en/products/stereo-analyst.

PurView - Un sistema di restituzione 3D per ambiente ArcGIS. www. mypurview.com.

Summit Evolution - È un’applicazione specializzata per la restituzione 3D targata DAT/EM, azienda storica internazionale che dall’Alaska si occupa di sistemi fotogrammetrici dal 1987 ed è una delle più quotate tra gli operatori professionali del settore. www.datem.com/summit-evolution.

SharpGIS - Un ottimo riferimento per capire la differenza tra ortofoto standard e true-ortofoto, con diversi esempi come quello in fig.xx. www. sharpgis.net/page/True-Orthophoto-Generation E-foto - Piattaforma di fotogrammetria digitale per la formazione in ambito accademico e tradizionale per lo più sudamericano e Brasiliano. Tra gli sponsor troviamo il Servizio Geografico del Brazilian Army, ma anche TopoCart e il Centro di Ricerca Nazionale. www.efoto.eng.uerj.br/en.

ERDAS Imagine - Nel tempo ERDAS è stato uno dei player internazionali più in vista per le soluzioni di fotogrammetria e soprattutto di gestione di immagini satellitari, o di progetti di grandi dimensioni in termini di complessità e consistenza di dati geospaziali. www.hexagongeospatial. com.

Un’ottima lista - soluzioni per la visualizzazione di dati geospaziali, fotogrammetrici e GIS. www.academia.edu/1261219/A_Survey_of_ Stereoscopic_Visualization_Support_in_Mainstream_Geographic_ Information_Systems?auto=download.

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Meshing software - Raccolta interessante di moduli software nell’ambito della problematica delle mesh. - http://www.cg.its.tudelft.nl/~matthijss/ oss_meshing_software.html.

Earth models - È un ottimo riferimento per i formati legati alla rappresentazione della terra dal punto di vista geologico, geodinamico e della modellistica complessa. Qui trovate anche i formati impiegati nella modellazione avanzata anche per sistemi paralleli come Paraview. www. earthmodels.org.

14.5 CAD/GIS/BIM/Altro Wikipedia CAD - Una lista unica con tanti software CAD e non solo. en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_computer-aided_design_editors.

Autodesk - Da sempre nell’innovazione, o almeno dal 1982 quando fu fondata, e da allora ha promosso nel bene e nel male il mondo del CAD, della modellazione 3D e della progettazione architettonica e ingegneristica, con un breve passaggio nel mondo del GIS. www.autodesk.com.

Bentley - Altro marchio storico, soprattutto per aver intuito che i motori grafi uniti ai motori di programmazione e calcolo, sono la base dei sistemi CAD e GIS evoluti. Nel ‘97 acquisisce il prodotto e l’azienda che inventa Microstation, e da li in poi solo successi. Nel settore della fotogrammetria di nuova generazione, ha acquisito Acute 3D, portandolo poi ad un livello consono al nome di Bentley, trasformandolo poi nel prodotto Context Capture. www.bentley.com.

ESRI - Se sei un operatore del settore geo-cartografico o anche di altri settori legati alla fotogrammetria, non puoi non aver sentito parlare di ESRI, numero uno nel mondo per tecnologie GIS e applicazioni collegate, e la prima a portare la restituzione fotogrammetrica direttamente nel mondo del GIS. www.esri.com.

Qgis - Il mondo dei software open source in ambito geospatial ha avuto una storia ricca di soluzioni e prodotti, ma l’unico che è universalmente erede è Qgis, diventato un ambiente con illimitati plugin sviluppati un po da tutti, e diversi ambienti di lavoro anche tangenziali alla fotogrammetria e al mondo dei droni. www.qgis.org.

Hexagon - Hexagon rappresenta oggi il maggior aggregato di aziende 98

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e soluzioni per la metrologia, avendo negli ultimi 15 anni acquisito ed incorporato aziende del calibro di Leica Geosystems, Erdas, Intergraph e molti altri players con soluzioni verticali come produttori di sofware e di hardware, oppure divisioni specializzate, ma anche aziende attive nelle tecnologie di produzione e controllo. www.hexagon.com.

Trimble - È e rimane l’azienda di riferimento mondiale per il settore della geomatica operativa, avendo aggregato negli ultimi 15 anni il meglio delle soluzioni tecnologiche e delle aziende del comparto positioning, attitude e laser range, oltre ovviamente a soluzioni UAV per il rilievo, e tantissime aziende di software blasonati e famosi, come il sistema di modellazione sketchup originario della galassia Google. Al suo interno ha anche ovviamente una divisione fotogrammetrica originata dalle soluzioni Inpho, ma per la sua complessità di tecnologie e servizi, ha un vero e proprio sistema di gestione dei dati che unisce il mondo dell’imaging, del laser scanner e della produzione di modelli 3D in un’unica dashboard.

La soluzione TBC (Trimble Business Center) permette di gestire tutte le tecnologie e i flussi produttivi necessari alle aziende produttive del comparto geospatial & survey. www.trimble.com.

14.6 Gestione nuvole di punti GeoDAC - È il primo servizio innovativo in terra italiana, nato nell’ambito dei servizi GeoSDH (Geospatial Smart Data Hosting) targati GEOWEB. In sostanza il sistema-servizio permette di caricare diversi gigabyte di file in formato LAS e diversi, di visualizzare i dati e di condividerli con i clienti, di estrarre informazioni geometriche come linee, sezioni, etc., ma anche di effettuare altri tipi di interazioni come trasformazione di formati, etc.. Il servizio è disponibile per tutti attraverso il portale. www.geosdh.com.

Cloud Compare - Il miglior software open source (Win, Linux, Mac) che può essere paragonato per prestazioni e funzionalità al miglior coltellino svizzero per le nuvole di punti e i formati 3D. Oltre al vero e proprio modulo di trattamento dati che presenta centinaia e centinaia di funzionalità, sia native che attraverso un sistema di plugin, è disponibile anche un comodo visualizzatore, che permette una facile distribuzione dei dati al cliente finale, che quantomeno può visualizzarli e interrogarli.

Sviluppato inizialmente in un progetto di R&D tra Telecom Paris e EDF, nel 2003 passa nelle mani di Daniel Girardeau-Montaut che tiene il suo PhD sul tema del 3D, e da allora in poi la sua diffusione tra gli operatori può essere considerata quasi virale. www.cloudcompare.org.

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Gexel - Tra le prime aziende italiane nate da spin-off universitari e una lunga storia alle spalle, si è dedicata anima e corpo al mondo delle scansioni laser e della modellazione 3D. Ha ottimi prodotti e negli ultimi anni ha realizzato soluzioni ad HOC per diverse soluzioni hardware specifiche.

Le soluzioni targate Gexel hanno fatto la buona storia di come gli spinoff universitari dovrebbero funzionare, creando prodotti competitivi e all’altezza del mercato internazionale. www.gexel.it.

Topcon - Insieme alle soluzioni hardware, Topcon da sempre nel settore del surveying, ha ovviamente nel suo basket la soluzione proprietaria per la gestione dei dati laser scanner che va sotto il nome di Scan Master. www.topconpositioning.com.

Trimble - Non possono chiaramente mancare in casa Trimble le soluzioni per la gestione delle nuvole di punti e il 3D, quindi diverse sono le soluzioni, passando da Trimble RealWorks che è il vero e proprio sistema dedicato, alla integrazione in Trimble Business Center dei dati rilevati attraverso i diversi workflow del laser scanner standard e di quelli avanzati come il sistema Timmy e i sistemi MMS. Ma con Trimble è anche facile passare dalle nuvole ai volumi architettonici usando l’estensione Scan Explorer per il modellatore 3D SketchUp. www.trimble.com.

Leica - Sotto l’egida di Leica Geosystems diverse le soluzioni avanzate per la gestione delle nuvole di punti, tra cui la piattaforma storica Cyclone, TruView e 3DReshaper. hds.leica-geosystems.com.

Faro - Produttore di sistemi laser scanner per tutte le applicazioni e per tutte le tasche, ha al suo attivo la soluzione SCENE che offre un po tutte le funzionalità, ma ha anche decine di soluzioni verticali per tutti i settori applicativi in campo industriale e civile. www.faro.com.

Lupo - Tra i software nati da un bel po di anni e dedicati al laser scanner, è stato per alcuni periodi tra i più famosi, visto che semplificava il lavoro di gestione e soprattutto di analisi. www.lupos3d.de.

PointCab - È uno dei software di produzione più semplici e immediati per la produzione di elaborati in campo architettonico e anche per gli altri settori applicativi. Le funzionalità principali riguardano l’elaborazione in ambito 2D, 3D e di documentazione, ma anche l’uso di plug-in appositamente rilasciati per la piattaforma Scene di Faro. www.pointcab-software.com.

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Pointsense - Un’altro dei software blasonati per storia e funzionalità, e non a caso fa parte ora della galassia FARO che ne ha incorporato le funzionalità e i colori, dopo aver incorporato Kubit Software, l’azienda che ne ha fatto la fama. Pointsense è passato quindi al rango di suite operativa anche dedicata al mondo REVIT di Autodesk. www.faro.com.

3DReshaper - Nato in anni non sospetti, quando ancora il laser scanner e il mondo delle nuvole di punti erano in fase di maturazione, 3DReshaper è salito nell’olimpo delle soluzioni software nel settore di riferimento, da quando nel 2009 è entrato a far parte della galassia Hexagon. Per funzionalità e trasversalità d’uso come la possibilità di usare il modulo SDK per sviluppare plug-in, oppure l’uso di scripting language con JS con cui gestire operazioni complesse e ripetitive. www.3dreshaper.com.

Bloomce - È uno dei nascenti servizi su web per la gestione dei cloud points, basato in Canada e parte dei servizi di Bloom Technologies, offre tre soluzioni commerciali e diversi livelli di interazione come la possibilità di far convivere informazioni CAD e nuvole di punti. www.bloomce.com.

Pointscene - Un servizio via web per le informazioni 3D condivise tra professionisti, comprendendo tra questi lo sharing di nuvole di punti, la possibilità di prendere misure, ma anche di condividere e commentare le informazioni aggiuntive come note, etc. Il servizio è basato in Finlandia con server di storage in altre nazioni. www.pointscene.com.

14.7 Standard, formati e progetti di riferimento OpenFlight – Era impossibile non parlarne, essendo uno dei primi formati 3D di forte interesse nel mondo della fotogrammetria, e di cui abbiamo già citato i riferimenti alla nota 6 di pag. 46. Nonostante tutto riteniamo che possa essere uno dei riferimenti da tener presente per chi volesse approfondire il tema dei formati per il 3D in ambito fotogrammetrico. www.osgeo.org.

VTP - Il VTP è il progetto che nel 2012, nell’ambito delle attività di OSGeo ha aperto la strada ai formati e alle tecniche di integrazione tra dati 3D standard e quelli per il mondo delle informazioni territoriali. Il progetto pur risultando attivo, sembra essersi fermato al 2015, ma rimane ad oggi la maggiore risorsa informativa e di supporto per la creazione di tools software in tale ambito. Vterrain.org.

ExifTools - È il miglior tools disponibile e free per il trattamento dei dati EXIF in ambito immagini JPG. Con pochi comandi permette di estrarre GUIDA RAPIDA ALLA FOTOGRAMMETRIA 3D CON I DRONI

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informazioni vitali come coordinate, focale e altre informazioni. Il sito ufficiale è quello di Phil Harvey che ne mantiene l’evoluzione, ma per approfondire il tema basta partire dalla pagina informativa su wikipedia. owl.phy.queensu.ca/~phil/exiftool/.

GeoTIFF - È il più diffuso formato di immagini TIFF in ambito geocartografico e in applicazioni GIS. Originato da Niles Ritter del JPL, è diventato in pochi anni lo standard per le ortofoto, per i DSM e le immagini georeferenziate in genere. In alternativa al geotiff come sistema di solo referenziazione di un’immagine, si impiega un file aggiuntivo *.tfw anche detto tiff word file, che contiene le coordinate e i parametri di orientamento dell’immagine georeferenziata. www.osgeo.org.

KML - Il nome deriva da KeyHole Markup Language, che in sostanza ero lo standard creato dalla KeyHole Inc., azienda acquisita da Google prima di investire sul progetto Google Map che tutti conosciamo. Pertanto KML è un vero e proprio standard XML per le mappe di google, mentre la sua versione compressa è la KMZ. developers.google.com/kml/.

LAS - Il formato LAS è comunemente inteso come il formato non compresso per i dati di tipo LIDAR, ovvero da laser scanner terrestre o aereo. Il formato che più si sta diffondendo è però la sua variante LAZ, che essendo un formato compresso, ne riduce le dimensioni di circa il 90%. È mantenuto dalla ASPRS, ovvero l’organizzazione USA per le scienze fotogrammetriche e dei dati geospaziali e di imaging. www.asprs.org.

E57 - Rappresenta l’evoluzione dello standard LAS in ambito terrestre, e mette insieme formati proprietari e formati documentati di dati laser scanner e di immagini georeferenziate. La sua storia è controversa e sostenuta soprattutto dall’organizzazione USA per gli standard ASTM. www.libe57.org.

PLY - Uno dei formati più usati, in quanto è di fatto un Polygon File Format o anche Stanford Triangle Format che è entrato nell’uso comune, gestendo sia dati puntuali che dati geometrici come superfici, normale e soprattutto le informazioni sui due lati di uno stesso triangolo. Esiste sia un formati binario che uno flat text. Graphics.stanford.edu .

OGS - OGS non è uno standard, ma una associazione internazionale che regolamente, indica, consiglia gli standard più adatti e complessi 102

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per la gestione delle applicazioni e per la loro interoperabilità in ambito geospaziale. È quindi bene riferirsi a OGS per qualsiasi informazione generale su standard e interoperabilità, qualora vi troviate a trattare progetti o dati di natura geospaziale. www.opengeospatial.org.

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GLI AUTORI Domenico Santarsiero - Si occupa da oltre 30 anni di informatica applicata alle scienze della terra, di divulgazione scientifica e tecniche geomatiche. È fondatore della rivista GEOmedia, e ha al suo attivo decine e decine di articoli e report tecnici sulle tecnologie di contesto, sulle applicazioni e nello specifico ha vissuto l’evoluzione della fotogrammetria degli ultimi 25 anni. È autore del volume Droni per l’Innovazione disponibile via Amazon. dsgeo57@gmail.com Marco Sirigu - Agronomo nell’anima ed esperto di GIS, sistemi geospaziali e tecnologie correlate, si occupa di professione, divulgazione e formazione sulle diverse tecnologie di frontiera tra territorio, ambiente urbano e agricoltura di precisione e di tecniche correlate. marco.sir22@gmail.com Silvia Grassi - Ingegnere di formazione e surveyor di professione, fonda le sue conoscenze nella fotogrammetria classica e nelle tecniche di elaborazione di dati geospaziali, ma anche nella integrazione di rilievi topografici e GNSS, laser scanner e fotogrammetria digitale di ultima generazione. La modellazione 3D è la sua passione, cosi come l’uso di strumenti avanzati come l’ambiente Rhinoceros ed altri. s.grassi@intogeo.it

Copertina e impaginazione: Paolo Residori 104

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Volume chiuso in redazione il 25 ottobre 2019 myGEO Edizioni Š 2019

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