Aerofotogrammetria: perchè le foto nadirali (a volte) non bastano

Vista assonometrica di modello tridimensionale ricostruito da rilievo aerofotogrammetrico

In questo articolo ti spiego perchè (a volte) non sono sufficienti solo le fotografie nadirali, scattate da un drone, in un rilievo aerofotogrammetrico.

Se devi rilevare un elemento a sviluppo verticale e se ti interessa ricostruirlo (e farlo bene) è meglio integrare le fotografie nadirali (che sono quelle scattate con la fotocamera che guarda in basso, inclinata di 90° sull’orizzontale) con immagini prese con camera inclinata di altri angoli.
Se devi ricostruire una facciata di un edificio o una falesia rocciosa “in piedi“, le immagini migliori sono quelle frontali, fatte con la fotocamera che guarda “dritta davanti a sé”.
Se invece l’elemento non è proprio verticale, puoi anche evitarti le foto frontali, ma dovresti comunque scattare fotografie un po’ inclinate sull’orizzontale.

LA PRESA NORMALE

Se vuoi ottenere il massimo da un rilievo fotogrammetrico, cerca di rispettare la configurazione che si chiama di presa normale (o stereoscopica).
L’asse ottico uscente dall’obiettivo della fotocamera dovrebbe colpire perpendicolarmente quello che stai fotografando.
E se fai più foto, sovrapposte una con l’altra, gli assi delle camere sono paralleli tra loro.

In fotogrammetria classica questa presa ti permetteva di avere dei modelli stereoscopici robusti, da cui tirare fuori informazioni valide di quello che hai rilevato.
In fotogrammetria moderna, tra foto digitali e software structure from motion, la presa normale a perso un po’ di autorevolezza ma rimane comunque importante.
Ti fa costruire delle belle nuvole di punti (e quindi anche dei bei modelli tridimensionali) di quello che hai fotografato.

UN ESEMPIO CONCRETO

Se speravi di leggere un luuungo articolo con migliaia di parole, centinaia di paragrafi e decine di capitoli, mi dispiace ma non è questo!
🙂

In questo post preferisco mostrarti un esempio concreto, che spero ti possa far capire come diversi angoli di presa fotografica incidano, e parecchio, nella ricostruzione tridimensionale in un processo fotogrammetrico.
Ci saranno tante immagini!
Sono “screenshot” di nuvole di punti, prese dal software che ha lavorato e che credo siano molto più esplicativi delle mie parole.
Che, tuttavia, non mancheranno!
🙂

Prima di partire ti dico che:

  • Ho rilevato un pezzetto di muro di mattoni, in parte coperto da vegetazione rampicante.
    È alto due metri e mezzo e lungo una decina.
    È davvero poca cosa, ma mi è servito per poter fare diverse elaborazioni senza invecchiare mentre il software processa i dati.
  • Ho scattato tutte le foto con un drone.
    Ho usato il DJI Spark.
    Ho volato in modalità manuale (senza piano di volo).
    Si vede! La posizione delle camere fa ridere!
  • Ho scattato foto nadirali, foto frontali e foto oblique con camera inclinata di 45° rispetto all’orizzontale.
    Ho sempre mantenuto, più o meno, una distanza drone-muro di una decina di metri.
  • Anche se il muro è davvero piccolo, il principio è scalabile e applicabile ad ambiti ben più grandi (edifici e versanti).
    Funziona!
  • Non ho usato punti di controllo a terra né sul muro (GCP e QCP).
    Lo so che non è rigoroso e che non si può parlare di rilievo ma lo scopo era solo quello di analizzare le nuvole di punti che si generano con i vari set di foto diverse.
  • Ho elaborato tutto quello che vedrai qui sotto con il software Agisoft Metashape.

Qui ti metto una vista assonometrica del muro su cui ho fatto i test.

Vista assonometrica di modello tridimensionale ricostruito da rilievo aerofotogrammetrico

FOTO NADIRALI

Se l’obiettivo è ricostruire tutto il muro o, almeno, la parte sommitale, uno dei due lati verticali e quello che gli sta davanti, le sole fotografie nadirali non ti bastano.

Questa è la posizione delle foto che ho fatto con asse della camera inclinato di 90° rispetto all’orizzontale:

Immagine che mostra la poszione delle fotografie nadirali in un rilievo aerofotogrammetrico

Se guardi la nuvola dall’alto è tutto ok.
La parte superiore del muro c’è, così come c’è un bel po’ di terreno pianeggiante, davanti e dietro.

Immagine che mostra una nuvola densa da elaborazione fotogrammerica fatta con fotografie nadirali

Ma quando ruoti la nuvola le cose non sono più così felici.
Mancano un bel po’ di informazioni delle parti in elevazione.
Anzi, direi che mancano quasi tutte.

Immagine che mostra la vista frontale di una nuvola densa da elaborazione fotogrammerica fatta con fotografie nadirali

In una presa nadirale, anche se la fotocamera guarda dritto in basso, un po’ di informazioni delle aree verticali riescono ad essere registrate nelle immagini.
Le trovi in quelle foto in cui la combinazione tra poisizone del punto di presa della fotografia e l’angolo di campo dell’ottica (il Field of ViewF.O.V.) ti permettono di vedere un po’ di muro.
Come in questa foto qui sotto dove il punto di presa della foto non sulla verticale del muro.

fotografia nadirale ripresa durante un rilievo aerofotogrammetrico

Un obiettivo grandangolare lo fa meglio di un tele-obiettivo.
In questo caso la fotocamera del drone ha un’ottica con lunghezza focale equivalente di 24 mm.
Anche se un po’ di muro lo vedi, non è comunque sufficiente per avere tante e buone informazioni da usare nella modellazione 3D.

FOTOGRAFIE NADIRALI + OBLIQUE

Ora integro le fotografie nadirali con immagine oblique, scattate con camera inclinata di 45° sull’orizzontale.
Eccole qui sotto.

Immagine che mostra la poszione delle fotografie nadirali e oblique in un rilievo aerofotogrammetrico

Le cose iniziano ad andare meglio.
La nuvola densa sulla parte verticale è migliorata parecchio.
Ma ci sono ancora delle zone un po’ “bucate” e non ben definite, soprattutto nella parte di muro dove c’è la vegetazione rampicante.

Immagine che mostra la vista assonometrica della nuvola densa da rilievo con fotografie nadirali e oblique

FOTOGRAFIE NADIRALI + OBLIQUE + FRONTALI

Ed ora facciamo “en plein“.
Scatto ed elaboro insieme fotografie nadirali, oblique ed anche frontali.

immagine che riprende i punti di ripresa fotografica nadirale, obliqua e frontale in un software di elaborazione fotogrammetrica

Il risultato in output è il più soddisfacente di tutti e tre.

Immagine che mostra la vista assonometrica della nuvola densa da rilievo con fotografie nadirali, oblique e frontali

Immagine che mostra la vista frontale della nuvola densa da rilievo con fotografie nadirali, oblique e frontali

Ci sono informazioni (quasi) ovunque:

  • nella parte superiore del muro,
  • nel paramento verticale,
  • nella zona coperta dalla vegetazione,
  • nel piazzale di fronte.

La zona che sta dietro al muro è più scarsa, ma non è stata oggetto di acquisizione fotografica.
E, se ci fai caso, ci sono dei buchetti nella nuvola di punti nella parte di muro più “sporcata” dai rampicanti.
Non compromettono però la qualità dei dati.

Il risultato è buono!

Qui sotto ti faccio vedere anche una vista assonometrica del modello tridimensionale: mesh triangolare 3D + texture.

Vista assonometrica di modello tridimensionale ricostruito da rilievo aerofotogrammetrico

ELABORAZIONI COMBINATE

Le foto sono poche e i tempi di calcolo sono brevi.
Ho fatto un po’ di altre elaborazioni SfM (Structure from Motion) combinando in modo diverso i vari dataset di immagini che ho acquisito:

  • solo foto frontali
  • solo foto oblique
  • foto oblique + foto frontali
  • foto nadirali + foto frontali

Ti faccio vedere che cosa è venuto fuori.

FOTOGRAFIE FRONTALI

Elaborare solo le immagini frontali dà degli ottimi risultati per la modellazione della parte verticale del muro.
Ma hai pochissime informazioni del piazzale pianeggiante che gli sta di fronte.
E non hai quasi niente della parte superiore del muro.
Qui addirittura i punti della nuvola si “impastano” con il cielo che c’è lì dietro ed è statao fotografato.

Immagine che mostra la vista assonometrica di una nuvola densa da rilievo con fotografie frontali

FOTOGRAFIE OBLIQUE

Se mi dovessi chiedere qual è il dataset che, da solo, ti dà la riproduzione migliore del muro ti direi quello costituito da foto oblique inclinate di 45° rispetto all’orizzontale.
Riesci a fotografare un po’ di tutto: parte superiore, parte verticale ed un po’ del piazzale frontale.
Ma con questo dataset non hai mai una presa normale.
L’asse ottico delle camere è sempre iclinato rispetto alle superfici fotografate (qui lo è di 45°).
Da un punto di vista della modellazione rigorosa e metricamente affidabile ti porta qualche problema in più che devi risolvere, sul campo, con punti di controllo ben distribuiti sulla superficie e sull’elevazione del muro.

Immagine che mostra la vista assonometrica di una nuvola densa da rilievo con fotografie oblique

Il piazzale di fronte al muro è meno esteso, la parte verticale ha dei buchi qua e là e la parte superiore più o meno c’è.
Tra i dataset singoli che puoi scegliere è “il meno peggio“.
Io non però non mi ci affiderei a scatola chiusa.
Meglio unirlo agli altri.
Meno peggio non è sinonimo di migliore.

FOTOGRAFIE OBLIQUE + FRONTALI

Se elaboro le foto frontali e quelle oblique ottengo questo.

Immagine che mostra la vista assonometrica della nuvola densa da rilievo con fotografie frontali e oblique

Immagine che mostra la vista assonometrica della nuvola densa da rilievo con fotografie frontali e oblique

È tutto ok nella parte verticale ma la zona superiore è un po’ incasinata e la nuvola è sporca.
Anche il piazzale frontale è ancora poco esteso.
E dietro al muro non c’è niente (anche se non è importante).

FOTOGRAFIE NADIRALI + FRONTALI

“Ma se voglio ricostruire bene il muro perchè non posso fare solo fotografie nadirali e frontali?
Quelle frontali servono per il paramento verticale e quelle nadirali per la parte superiore e per il piazzale.
Lasciamo perdere quelle oblique a 45°!”.

Non fa un piega!
Hai tutte le informazioni che ti servono.
Teoricamente è ineccepibile.
Praticamente lo è un po’ meno.

Le fotografie incliante hanno una funzione molto importante nella modellazione fotogrammetrica dentro i software Structure from Motion.
Le immagini oblique lavorano come un ponte nell’allineamento tra le fotografie nadirali e quelle frontali.
E l’allineamento è il processo più delicato ed importante di tutta l’elaborazione fotogrammetrica.

Guarda che cosa succede se provo a fare allineare, in modo automatico, foto nadirali e frontali.

Immagine che mostra il mancato allineamento tra fotografie nadirali e fotografie frontali in un software di elaborazione fotogrammetrica

Succede un casino.
Le fotografie non si allineano.
O meglio, si allineano tra di loro, nello stesso dataset (più o meno), ma non si allineano nel complesso.

Questo non vuol dire che non si riesca a fare l’allineamento e, dopo, una nuvola densa.
Si può lavorare sulle immagini ed aiutare il software a fare il suo lavoro.
In un modo o nell’altro ne puoi uscire.
È che non si riesce a fare un buon allineamento automatica.
È necessario il tuo intervento e, quindi, il tuo tempo.
E non è una cosa da poco in una commessa in corso.

IN CONCLUSIONE

Tutti gli esempi che ti ho fatto si riferiscono ad un muro piccolo e corto.
Ma verticale.
Puoi applicare i concetti di base a tutti i casi simili dove c’è uno sviluppo verticale prevalente.

Ti metto le foto di due esempi.

Falesie rocciose verticali o sub-verticali.

Immagine che rappresenta un ortomosaico ad alta definizione della parete verticale ricavata dalle foto del Phantom 4 Pro

O versanti più o meno pendenti.

Immagine aerea da drone di un versante inclinato nelle Alpi Apuane

AEROFOTOGRAMMETRIA CON DRONI MULTIROTORI

Tutte le considerazioni operative di questo articolo valgono se fai un rilievo aerofotogrammetrico con un drone multirotore.
Quadricottero, esacottero, ottocottero
Non è importante il numero dei motori o dei bracci, ma è importante poter variare l’asse ottico della fotocamera.
Devi poter cambiare il “pitch della gimbal” per fare prese diverse da quella nadirale.

Anche se alcuni droni ad ala fissa hanno implementato la funzione di scattare fotografie con camera leggermente inclinata sull’orizzontale (circa 30°), non si riescono a raggiungere valori maggiori, né tantomeno, l’inclinazione per le foto frontali.
In più, un drone ad ala fissa scatta fotografie nel senso di avanzamento, con la camera che guarda avanti a sé.
Non è per niente comodo per rilevare un elemento verticale.

Un multirotore può avanzare di lato, mentre scatti le fotografie con la fotocamera che guarda il muro, l’edificio o la parete.
E ci sono anche multirotori che, sollevando i piedi ed il carrello di appoggio, ti permettono di ruotare la fotocamera di 360°.

Ed infine le situazioni di rilievo di elementi verticali sono poco adatte ai droni ad ala fissa perchè poco agili nelle manovre di cambio quota e rotta di volo…

Devo dire però che le cose stanno cambiando.
Stanno nascendo droni ad ala fissa a decollo verticale, ma credo che per un rilievo “in piedi” il multirotore sia il drone migliore, anche solo per il suo rapporto qualità/prezzo.

 

Spero che questo articolo ti possa essere utile.
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Ed infine c’è anche il canale You Tube in cui carico video tutorial sull’uso di specifici software per la fotogrammetria e la gestione dei dati tridimensionali.

 

 

Grazie davvero per il tuo tempo e per la tua attenzione!

A presto!

 

Paolo Corradeghini

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