Immagine aerea di versante terrazzato e pendente nelle Cinque Terre

In questo articolo ti parlo di quello che succede quando fai aerofotogrammetria su terreni inclinati e puoi anche scaricare due fogli di calcolo per pianificare le missioni di volo per un rilievo con drone.

GROUND SAMPLING DISTANCE (GSD)

Un parametro importante nella fotogrammetria è il Ground Sampling Distance (GSD).

Ci avevo scritto sopra un articolo, lo puoi leggere qui.
Quello che trovi a questo link è in realtà è un altro link ad un altro articolo del blog di 3DEffe (esperti colleghi del Ponente Ligure) dove spiegano molto bene che cos’è il Ground Sampling Distance!

Il mio contributo è stato solo quello di fare un foglio di calcolo, che puoi scaricare liberamente, per programmare le attività fotogrammetriche sul campo, sulla base del GSD.
Il foglio di calcolo originale è stato poi integrato dal prezioso contributo dell’Ing. Paolo Rossi, del laboratorio di Geomatica della Facoltà di Ingegeria dell’Unversità di Modena e Reggio Emilia.

Insomma, sul GSD non mi sono impegnato personalmente molto!
🙂

IL GSD È IMPORTANTE!

Se ti occupi di fotogrammetria, è importante conoscere il GSD.
Se lo conosci, puoi programmare le attività di acquisizione fotografica sul campo con coscienza di quello che fai ed in modo sensato secondo i risultati attesi dal tuo rilievo.

Se non ti occupi di fotogrammetria, ma sei un utilizzatore di rilievi fotogrammetrici fatti da qualcun altro, è ugualmente interessante conoscere il GSD.
Se lo conosci, puoi avere subito un riscontro del grado di dettaglio della rappresentazione del territorio che è stato scelto durante il rilievo sul campo da chi hai commissionato per il lavoro.

Il GSD influenza l’accuratezza di un rilievo aerofotogammetrico.

Il GSD è la distanza tra i punti centrali di due pixel vicini di un’immagine digitale, misurata sul terreno reale.
Il GSD ti dice quanto è grande un pixel misurato sul terreno.

Il GSD si misura in mm/pixel o cm/pixel.
Un GSD di 10 cm/pixel indica che ciascun pixel dell’immagine comprende una porzione di terreno che sta all’interno di un quadrato di lato 10 cm x 10 cm.
Un GSD di 1 cm/pixel ti dice che ogni pixel contiene il terreno che sta dentro un ad un quadrato di 1 cm x 1 cm.

Ti incollo qui sotto un’immagine, che ho preso da questo articolo sul blog di Propeller Aero, che forse ti aiuta meglio a capire il concetto di GSD.

Immagine, formata da quattro immagini rettangolari, che è esemplificativa del GSD Ground Sampling Distance

Se il GSD è un numero piccolo, l’immagine è ricca di dettagli.
Se tutte le immagini hanno lo stesso valore basso del GSD, tutto il rilievo sarà ricco di dettagli che, quindi, puoi restituire in output.

Viceversa, se il GSD di un’immagine è grande non è possibile vederne bene i dettagli, che non saranno neppure riproducibili.

Il concetto piccolo/grande è piuttosto relativo e so di averlo usato in modo improprio.
Allora ti faccio ancora un altro esempio.
Se stai rilevando una porzione di litorale con ghiaia, ciottoli e scogli un GSD di 1 cm/pixel ti permette di distinguere abbastanza bene la ghiaia e le parti che la compongono, un GSD di 10 cm/pixel ti fa vedere i ciottoli, ma non più la ghiaia (i granelli non si distinguono più nelle fotografie) ed un GSD di 1 m/pixel ti lascia vedere bene solo gli scogli, ciottoli e ghiaia si riducono ad essere solo una distesa di grigio spalmata su ciascun pixel.

Un rilievo aerofotogrammetrico non può essere più preciso del valore del GSD.
Mediamente e cautelativamente, puoi prendere come valore di riferimento dell’accuratezza generale di un rilievo aerofotogrammetrico quello di 3 volte il GSD.

In aerofotogrammetria, il GSD è funzione della distanza tra fotocamera e terreno (altezza di volo), dimensioni del sensore fotografico e lunghezza focale dell’ottica (da cui deriva l’angolo di campo F.O.V. – Field Of View).
Non ti scrivo però come si calcola perchè mi sono già dilungato parecchio fino ad ora!
Trovi tutto negli articoli che ti ho linkato poco fa.

Prima di volare bisogna sapere qual è la finalità del rilievo e programmare le foto di conseguenza.
Se rilevi un territorio per restituire una planimetria in scala 1:5.000 non devi volare ad un’altezza di 20 m e fare foto con un GSD di 5 mm/pixel!
Se lo fai avrai molte, molte immagini in più rispetto al necessario (da archiviare, trattare e processare), con un livello di dettaglio non necessario per gli scopi della carta che devi produrre.

UN ALTRO FOGLIO DI CALCOLO, UN ALTRO CONTRIBUTO ESTERNO!

Prima di parlarti dell’aerofotogrammetria su terreni inclinati voglio metterti a disposizione un altro foglio di calcolo per la pianificazione delle missioni di volo con drone.
Questo contributo mi è stato spedito da Giampaolo Beretta, ingegnere libero professionista trentino che si è occupato parecchio di droni e tecniche fotogrammetriche.

Il suo foglio di calcolo lo puoi scaricare da questo link e funziona così:

definisci le caratteristiche del sensore fotografico e dell’ottica;
scegli il valore del GSD che vuoi, questo è il parametro di partenza;
dal GSD si calcola la quota di volo massima impostabile;
scegli la percentuale minima di sovrapposizione delle immagini;
scegli l’intervallo tra gli scatti;
si calcola la velocità massima del drone necessaria per rispettare questi parametri;
si definisce la percentuale di sovrapposizione tra le strisciate;
viene calcolata la distanza tra le strisciate parallele;
si determina la lunghezza del percorso in aria, il numero di scatti ed il tempo di volo stimato.

L’approccio metodologico del lavoro condiviso da Giampaolo è molto interessante perchè parte dalla scelta del GSD di progetto.
I contenuti sono analoghi a quelli del mio lavoro, integrato dal contributo di Paolo Rossi, ma potresti trovarlo più intuitivo e comodo a seconda del tuo modo di ragionare ed approcciare il piano di volo.

Grazie mille quindi a Giampaolo Berettea per aver condiviso con me e con te la sua esperienza ed un suo strumento di lavoro.
In fondo all’articolo trovi tutti i suoi riferimenti e contatti oltre che una nota biografica.

UNA NOTA (DI ORGOGLIO) PERSONALE

Sono molto contento di ricevere contributi da parte dei lettori di questo blog, proprio come quello di Giampaolo.
È bello che ci sia chi vuole condividere quello che sa attraverso queste pagine, mettendo a disposizione la sua conoscenza, il suo lavoro, i suoi strumenti e la sua esperienza, in modo del tutto disinteressato!
Ne sono felice e davvero molto lusingato!
Prima di Giampaolo ci sono stati Paolo Rossi, con il suo foglio di calcolo sul GSD ed il suo contributo estensivo, ancora in corso, sull’elaborazione fotogrammetrica con Photoscan, Flavio Angoli ed il suo articolo su droni e sicurezza (a cui seguirà presto qualcosa di nuovo!) e Giuseppe Scarpino che ha approfondito l’articolo sull’uso del GPS in topografia.

Sappi che se vuoi contruibuire anche tu, con la tua esperienza, ad arricchire questo percorso sulla topografia, i rilievi, le misure, le mappe e gli strumenti sei davvero il benvenuto!

AEROFOTOGRAMMETRIA SU TERRENI INCLINATI

Eccoci finalmente all’argomento principale di questo articolo: l’aerofotogrammetria su terreni inclinati.

Immagine aerea da drone di un versante inclinato nelle Alpi Apuane

Se devi rilevare un terreno inclinato, un versante in pendenza, devi stare attento quando pianifichi le operazioni e scatti le fotografie con il drone.
Programmare una missione di volo su strisciate che stanno tutte sul solito piano orizzontale potrebbe non essere la scelta giusta per restituire un rilievo con il solito grado di accuratezza ovunque.

Per spiegarti quello che può succedere, prendo in prestito ancora altre immagini di Propeller Aero, da questo articolo.

PERDERE SOVRAPPOSIZIONE

Immagine che esplica la perdita di sovrapposizione minima nell'aerofotogrammetria in terreni inclinati

Se riduci la distanza tra drone e terreno, e non cambi l’intervallo tra gli scatti della fotocamera, riduci la sovrapposizione tra i fotogrammi consecutivi.
Potresti non avere sufficienti immagini per l’elaborazione del modello tridimensionale (fatta secondo i principi della fotogrammetria classica che risolve le equazioni di collinearità) da parte degli algoritmi structure from motion dei software specifici.

AUMENTARE IL GSD

Immagine che esplica la perdita di Ground Sampling Distance GSD minimo nell'aerofotogrammetria in terreni inclinati

Viceversa, se aumenti la distanza tra drone e terreno, anche se aumenta la sovrapposizione tra i fotogrammi, aumenta anche il valore del GSD (che dipende linearmente dall’altezza di volo).
Tuttavia un valore più alto del GSD comporta immagini con meno dettagli e, in queste zone, può esserci il rischio concreto di non poter restituire il rilievo con il grado di accuratezza e dettaglio atteso.

MISSIONI DI VOLO A QUOTE DIVERSE

Immagine della pianificazione di missioni di volo aerofotogrammetrico su livelli di volo posto a quote diverse

Se le caratteristiche e l’estensione del terreno che devi rilevare te lo consentono, puoi programmare missioni di volo del drone planari, ma condotte su quote diverse (ed in parte sovrapposte tra loro) in modo da mantenere ovunque GSD e percentuale di sovrpposizione attesi.

SEGUIRE LA MORFOLOGIA DEL TERRENO

Schema di pianificazione di missioni di volo aerofotogrammetrico su strisciate che seguono la quota e la morfologia del terreno sottostante

Oppure puoi programmare il volo del drone in modo che segua la morfologia e l’altimetria del terreno sottostante, variando la sua altezza di conseguenza.
Alcuni strumenti di pianificazione e gestione del volo permettono di variare le altezze di volo del drone sulla base delle informazioni di altitudine del terreno presi da modelli digitali di elevazione (come quello di Google).

I PARAMETRI DI VOLO IN CASO DI TERRENI INCLINATI

LA PRESA PSEUDO-NORMALE

In fotogrammetria classica, con il termine Presa si intende lo scatto di una fotografia.
Le campagne di acquisizione fotogrammetrica (e aerofotogrammetrica) tradizionale cercavano di avvicinarsi il più possibile alla condizione di presa normale.
Nella presa normale i raggi ottici uscenti dalla fotocamera urtano l’oggetto da rilevare (il terreno) perpendicolarmente e sono paralleli tra loro, fotografia per fotografia.

Anche se l’aerofotogrammetria da drone è molto lontana dalla precisione delle fotocamere super calibrate che si usavano in fotogrammetria classica, si tende comunque il più possibile ad avvicinarsi, in fase di scatto, alla condizione di presa normale.
Tuttavia il movimento del drone, le azioni esterne che ne perturbano lo stato (il vento), il sistema di stabilizzazione (gimbal) della fotocamera a bordo e la mancanza di certificazione di calibrazione di camera ed ottiche, rendono impossibile parlare di presa normale e si preferisce il termine presa pseudo-normale.

Quello che ti consiglio di fare se rilevi un terreno inclinato è acquisire immagini che non siano solo nadirali (con camera rivolta verso il basso ) ma che siano prese con asse della fotocamera inclinata rispetto all’orizzontale.
Il valore dell’inclinazione, del Tilt della fotocamera, è funzione della pendenza media del versante.

Per poter scattare fotografie che siano il più vicino possibile alla presa pseudo-normale è consigliabile impostare l’assetto del drone in modo che scatti immagini prese di fronte al versante da rilevare.
Solitamente l’avanzamento del drone avviene lateralmente (traslazione laterale destra-sinistra) mentre la prua punta il terreno per scattare le fotografie durante il rilievo.
La sovrapposizione tra due fotogrammi adiacenti (overlap) avviene nel senso della larghezza di ciascuna immagine, mentre la sovrapposizione tra le strisciate (overside) si valuta nel senso dell’altezza (lato corto) dell’immagine.

Personalmente mi trovo bene a pogrammare missioni di volo che seguano l’orografia del versante e le curve di livello.
Lo preferisco al volo in direzione “monte-valle“.

ALTEZZA DI VOLO E DISTANZA NORMALE

Se pianifichi delle missioni di aerofotogrammetria su terreni inclinati, la distanza che devi considerare per calcolare il GSD non è più l’altezza di volo H (generalmente impostata dal punto di decollo) ma la distanza normale D tra drone (fotocamera del drone) e terreno.

Ho disegnato, a mano, un paio di schemi esplicativi che spero possano aiutarti nel capire questi concetti (di pura trigonometria e geometria analitica).
Perdonami le bozze ma ho fatto davvero prima che non far disegni vettoriali!
🙂

Se conosci il valore di D (che determina il GSD di progetto) e la pendenza media del versante (alfa), è immediato consocere l’altezza H (rispetto al punto di decollo) del drone da programmare.

Ti porto due esempi:

Terreno inclinato di 20°;
GSD di progetto: circa 2.5 cm/pixel;
Distanza tra fotocamera e terreno: 50 m;
Altezza di volo del drone: 53 m.

Terreno inclinato di 50°;
GSD di progetto: circa 4 cm/pixel;
Distanza tra fotocamera e terreno: 80 m;
Altezza di volo del drone: 125 m.

Capisci immediatamente come la pendenza influisca in modo sensibile l’altezza di volo del drone.

A mio avviso, queste considerazioni hanno senso per pendenze che non superano i 70°.
Per valori maggiori ci si avvicina alla condizione di verticalità dove subentrano altre dinamiche di volo che difficilmente si riescono a programmare in maniera automatica.
In questi casi si vola solitamente in maniera del tutto manuale, valutando distanza e sovrapposizione sulla base della telemetria di bordo e delle informazioni video che il drone trasmette alla stazione di terra ed in relazione alla sensibilità ed all’esperienza del pilota.

AVANZAMENTO DEL DRONE E VARIAZIONE DI QUOTA

Per quello che ti ho scritto poco fa, nell’aerofotogrammetria su terreni inclinati, è importante prevedere variazioni di quota durante la missione di volo del drone per adattarsi all’altimetria del terreno.
In quest’altro schema “artigianale” dovresti riuscire a capire (spero!) come valutare questi aspetti.

Schema geometrico del calcolo della sovrapposizione e degli spostamenti di n drone nell'aerofotogrammetria su terreni inclinati

Una volta che hai scelto la sovrapposizione tra le strisciate adiacenti (overside), i valori degli spostamenti del drone nel piano (Delta x – che rappresenta la distanza planimetrica tra le strisciate) e le variazioni di quota (Delta y – negative per gli abbassamenti e positive per gli incrementi), sono piuttosto facili da calcolare in relazione alla pendenza del versante.

ANCORA UN FOGLIO DI CALCOLO!

Concludo questo articolo con un aggiornamento del foglio di calcolo che avevo fatto un po’ di tempo fa (integrato poi dal contributo di Paolo Rossi) ed in cui ho inserito una parte relativa al calcolo dei parametri di volo nel caso di terreni inclinati.

Ho aggiornato il link che trovi nella barra laterale di questo blog ma puoi comunque scaricarlo, gratuitamente e senza registrazioni, a questo link.
Fammi sapere che cosa ne pensi!

Spero di averti dato informazioni utili o aver anche solo aggiornato quello che già sapevi sul Ground Sampling Distance e sull’aerofotogrammetria.

Contattami nei modi che preferisci per dubbi, domande o critiche!
Trovi come fare nella pagine dei contatti di questo blog.

A presto!

Paolo Corradeghini

Giampaolo Beretta

Ti riporto le note di contatto dell’Ing. Giampaolo Beretta, una sua foto ed una breve nota biografica.
Grazie Giampaolo per la tua condivisione!

Fotografia dell'Ing. Giampaolo Beretta Mi chiamo Giampaolo Beretta, classe 1976, vivo e lavoro in Val di Ledro nella provincia di Trento. Ho frequentato l’Istituto per Geometri di Riva del Garda e successivamente la Facoltà di Ingegneria di Trento con indirizzo Strutture. Una volta laureato ho lavorato per tre anni come dipendente in una società di ingegneria e poi, nel 2007, ho deciso di intraprendere la libera professione.

Fin da piccolo ho avuto una grande passione per i meccanismi e per le macchine in generale. Adoravo giocare con i Technic Lego e con il Meccano ed i miei genitori mi incoraggiavano a sviluppare la mia manualità comprandomi ogni genere di attrezzo. Dalla pinza e martello, si è passati al trapano, alla saldatrice e poi alla combinata per il legno. La fresa a controllo numerico costava troppo, quindi me la sono costruita. La passione per le costruzioni è nata così: costruendo.

Mi occupo principalmente di edilizia e del mio lavoro amo l’attività sul campo, ossia le parti dedicate al rilievo ed alla direzione dei lavori. In particolare, l’utilizzo della fotogrammetria per il rilievo del territorio mi ha spinto ad esplorare il mondo dei SAPR, meglio conosciuti come droni, permettendomi di approfondirne i vari aspetti: la normativa, l’elaborazione della documentazione per il riconoscimento presso l’ENAC, la pianificazione e l’esecuzione del volo, la fotografia, l’elaborazione dei dati e la presentazione del lavoro finito. Non poteva mancare la costruzione di un SAPR.

Sono una persona introversa; per questo motivo non mi piace lavorare in gruppo e cerco sempre di fare le cose da solo. Comunque mi piace condividere la mie esperienze ed ascoltare quelle degli altri. C’è sempre da imparare e spesso l’esperienza altrui mi aiuta a superare le difficoltà e fare un lavoro nel modo giusto. Ciò che odio maggiormente è dover rifare qualcosa; così nel lavoro, come nella vita quotidiana.

Sono convinto che tutti i lavori, anche quelli che all’apparenza sembrano semplici, necessitino di un minimo di studio ed approfondimento. Solo dopo questi passaggi diventano semplici. Spesso, quando inizio un nuovo lavoro, ho il timore di sbagliare e mi sento tranquillo solo dopo essermi studiato bene l’argomento. La citazione che più mi rappresenta è di Maria Sklodowska, meglio conosciuta come Marie Curie: “Niente nella vita va temuto, dev’essere solamente compreso.”

I miei riferimento sono:

Ing. Giampaolo Beretta
Via Piave, 54
38067 Ledro fraz. Molina (TN)

Email: giampaolo.beretta at tiscali.it
Cell: 349 3678991
Internet: www.giampaoloberetta.it