Il rilievo di una montagna

Aprile 2020.
Pasqua.
L’Italia (e buona parte del mondo) è in piena emerganza Covid-19.
In tantissimi siamo fermi a casa, per contenere la diffusione del virus.
In questo articolo voglio portarti virutalmente fuori di casa e raccontarti di un rilievo aerofotogrammetrico (di un anno fa) e del modello 3D di una montagna.

Per inquadrarti il contesto, il motivo ed il rilievo, uso la tecnica giornalistica del: dove, quando, chi, perchè e come.

DOVE

Provincia di Cuneo.
Valle Gesso.
Comune di Valdieri.
Monte La Piastra.
Sito valanghivo di 250 ettari, tra le quote 1.800 e 800 m s.l.m..

QUANDO

Sopralluogo: Maggio 2019.
Rilievo: Giugno 2019.
Restituzione: Luglio 2019.

CHI

Il committente principale è la Provincia di Cuneo, Servizio Viabilità.
Ma il mio committente diretto è la società Flow-Ing s.r.l.
Sono amici e grandi professionisti, specialisti del dissesto idrogeologico e delle valanghe.

PERCHÈ

Il monte La Piastra è un sito valanghivo che scarica sulla strada Provinciale SP239, unico collegamento per parecchie località dell’alta Val di Gesso, tra cui Sant’Anna di Vinadio.

Negli inverni più nevosi la viabilità di fondovalle rimane chiusa, anche per parecchi giorni, proprio per il rischio valanghe.

Ci sono tre gallerie, in altrettanti punti critici, ma, spesso, non sono sufficienti per garantire adeguati livelli di sicurezza a mantenere la strada aperta.

Ed allora la Provincia di Cuneo ha deciso di affidare uno studio valanghivo di tutta l’area per supportare il progetto di opere di difesa attiva in area di distacco: reti o ponti da neve.

Queste analisi si affidano a modellazioni numeriche e simulazioni di dinamica tridimensionale.
I software specialistici (RAMMS è uno di questi) si basano su modelli digitali del terreno (DTM – Digital Terrain Model).
Non serve una risoluzione super spinta, ma la maglia del raster deve aggirarsi almeno intorno al metro.

Ecco perchè, oltre alla modellazione, allo studio delle aree di pericolisità ed alla definizione del P.Z.E.V. (Piano delle Zone Esposte al rischio Valanghivo) è stato richiesto anche il rilievo dell’intera area.

E ne è stato chiesto uno che fosse in grado di restituire il modello 3D di tutto il sito.

Ok, non si tratta proprio del rilievo di una montagna intera.
Ma di tutto il versante meridionale del Monte La Piastra, sicuramente sì!

COME

La scelta della tecnica di rilievo è tra:

1. Aerofotogrammetria da drone;
2. Aerofotogrammetria da aereo o elicottero;
3. LiDAR da drone;
4. LiDAR da aereo o elicottero;
5. Laser scanner terrestre.

Ha vinto l’aerofotogrammetria da drone.

L’impiego di elicottero o di aereo ha costi troppo alti per il budget a disposizione.

Il LiDAR da drone è più costoso rispetto alla fotogrammetria (per l’impiego di uno strumento ben più avanzato) e non darebbe reali vantaggi extra. L’area del rilievo è infatti quasi del tutto priva di vegetazione.

Il Laser Scanner terrestre è più complesso da trasportare, servirebbero molte scansioni, per evitare tutti gli angoli ciechi, e neppure uno scanner a lunghissima portata (2/3 km) potrebbe trovare un impiego efficace.
La Valle Gesso infattiin quel punto si allarga parecchio e non è facile trovare “posti buoni” nel versante di fronte.

Quindi si sceglie l’aerofotogrammetria da drone.
Ma non solo…

DATI LiDAR 1X1 DEL MINISTERO DELL’AMBIENTE

Se devi fare un rilievo di un’area vasta, inizia con controllare i territoriali e cartografici disponibili.
Potrebbero esserci piacevoli sorprese.

Fallo anche se lo devi commissionare.

Per questo lavoro ho trovato:

1. CTR vettoriale e raster in scala 1:10.000;
2. CTR vettoriale in scala 1:5.000;
3. Dati Lidar 3D (maglia 1×1 m) del Ministero dell’Ambiente.

I primi due dati sono ok per un inquadramento generale e (soprattutto il secondo) per uno studio, di massima, di pendenze, esposizioni e curvature. Ma non sono un granchè per fare DTM da usare nelle simulazioni valanghive.

I dati Lidar (maglia 1x1m) però non sono niente male!
Il dato rilevato è del 2010 (più o meno).
Non ci sono stati grandi cambiamenti in quest’area, tali da fare andare una valanga da un’alta parte o da cambiare le energie di impatto o le velocità di scorrimento.

Il dato LiDAR 1×1 è assolutamente utilizzabile.

Peccato però che l’area non sia coperta interamente.
Nell’immagine qui sotto vedi fino a dove arriva la copertura delle tavolette LiDAR, rispetto all’area da studiare.

Comunque non sembra male e quindi ne ho fatto richiesta.

Ed ecco il dato 3D che ho ricevuto (per la spesa di 2€ di diritti di archivio e ricerca).

La qualità è buona.
La copertura è più scarsa rispetto a quella desumibile guardando il webgis del Portale Cartografico Nazionale.

Ma va bene così!

La cosa davvero positiva è che il dato Lidar copre tutta la parte di fondovalle che è quella maggiormente interessata da vegetazione ad alto fusto.
Questo significa che potrei estrarne, con confidenza, l’informazione del terreno per farci il DTM.

A monte del limite di copertura del LiDAR la vegetazione è praticamente inesistente (tranne che per la parte occidentale dell’area), tipico degli scenari di alta montagna e dei siti valanghivi, e la fotogrammetria da drone darebbe risultati robusti, senza necessità di post-elaborazioni funamboliche.

Il piano quindi è quello di usare il dato Lidar per la parte di fondovalle (ed ovunque sia presente) ed integrarlo con il rilievo aerofotogrammetrico da drone per la zona a monte.

Avrei rilevato 200 ettari dei 250 iniziali.

SOPRALLUOGO

Se il sopralluogo è importante per ogni tipo di rilievo, per un lavoro in un’area così grande e logisticamente complessa diventa necessario e fondamentale.

Ho camminato, ho fatto dei voli di ricognizione con il mio drone (multirotore) ed ho fatto dei test di misure topografiche.
C’è voluta una giornata intera, ma ne è valsa la pena.

Ecco le informazioni che ho reperito.

LOGISTICA

Ho toccato con mano le difficoltà logistiche legate agli spostamenti nell’area.
L’uso di auto, fuoristrada o altri mezzi motorizzati è impossibile, ad eccezione della strada di fondovalle (zona coperta dai dati LiDAR).

Quindi: scarponi, bastoni e camminare!

Questo implica un’attenta analisi di strumenti ed attrezzatura da trasportare (in spalla!), per evitare sovraccarichi che, alla lunga, diventerebbero una tortura.

Ho trovato due accessi “facilitati“.
Uno, tramite strada forestale e sentiero, che permette di raggiungere le zone alte dell’area di distacco.
E l’altro, a partire dal fondovalle, tramite una strada di arroccamento di cava per arrivare, più o meno, alla parte centrale.

Significano po’ di fatica in meno, ma c’è comunque molto da camminare!

Le dimensioni e la logistica chiariscono le idee su quanto tempo è necessario passare in campo.

CONTROLLO DELLA STRUMENTAZIONE TOPOGRAFICA

Ho fatto un test di ricezione e misura con il mio ricevitore satellitare.
Preferirei di gran lunga usare un solo ricevitore in modalità nRTK.
È più agile e veloce per il rilievo dei punti di appoggio e controllo del processo fotogrammetrico.

Posizionare un sistema GNSS base-rover in un’area così vasta non è per niente banale.
Di stazione totale non se ne parla proprio!

Ma devo essere sicuro che il mio ricevitore sia in grado di collegarsi, tramite segnale GPRS, alla rete di basi fisse per riceverne le correzioni di rete.
In alta montagna non è scontato.
Ed allora l’ho testato nel sopralluogo.

Test superato!
Posso usare un solo ricevitore nRTK.
A vantaggio della praticità delle misure topografiche.

IL PROGRAMMA DELLE OPERAZIONI

Dopo il sopralluogo ho studiato come pianificare le operazioni.

CHE DRONE USARE?

La prima domanda a cui rispondere è legata al tipo di drone da usare per il rilievo aerofotogrammetrico.

Io ho un DJI Phantom 4 Pro, multirotore a quattro eliche.
Ho fatto tanti lavori con lui.
Anche di aree vaste.

Ovviamente ho pensato di usarlo, pianificando le operazioni sulle sue caratteristiche ed in relazione ai risultati attesi in output.

Ma ho deciso di lasciar perdere.

Non perchè non sia in grado di svolgere il compito, anzi!
Ma piuttosto perchè il tempo e le risorse a disposizione sono limitate.

Ho calcolato che, usando il Phantom 4 Pro, dedicherei 3 giorni ai voli in campo.
A questi ci va aggiunto un giorno interno per il posizionamento ed il rilievo dei target a terra (i GCP e i Check Point).

Quattro giorni in campo non sono semplici da gestire, per le risorse da sostenere (spese vive, costi di campo e giorni/uomo), ma soprattutto è raro trovare quattro giorni, interi e consecutivi, di stabilità meteo in alta montagna, in estate e quando è tipico il fenomeno della pioggia/temporale pomeridiano per accumulo di calore e umidità diurna anche in assenza di perturbazioni e fronti di bassa pressione.

È troppo rischioso e le attività di campo potrebbero dilungarsi tanto, con conseguente aumento dei costi.

Ed allora ho deciso di rivolgermi a qualcuno che potesse fare il volo con un mezzo più efficace per la copertura delle aree molto estese: un drone ad ala fissa.

Ho chiamato l’amico Flavio Angoli, di Zenith Aerial Solutions, e gli ho chiesto di venire con il suo Sensefly Ebee.

Ho valutato più conveniente destinare delle risorse in un servizio esterno, e fare i voli in un solo giorno, piuttosto che tenere tutto in casa ma con il rischio concreto di rimetterci di più in caso di intoppi o inciampi durante il percorso.

PIANO DEI PUNTI A TERRA

Uso Google Earth Pro per pianificare la posizione dei punti a terra da mettere, rilevare ed usare per le elaborazioni fotogrammetriche.

Li ho posizionati in base ai sentieri che ho trovato in campo, durante il sopralluogo, e che so di poter percorrere.

Carico il file kmz nel mio smartphone, tramite l’app GPX Viewer, così in campo posso sapere quando mettere il target a terra.
Mi avvisa con un “beep” quando sono in posizione!

PIANO DEI SORVOLI

Il piano dei sorvoli è gestito interamente da Flavio che ha recepito le mie necessità sulla registrazione del dato fotografico:

• GSD almeno di 6 cm/pixel;
• Sovrapposizione tra immagini consecutive del 70%;
• Sovrapposizione tra strisciate adiacenti del 70%.

L’accuratezza in output del rilievo a cui miro è di circa 30 cm sulla posizione 3D dei punti della nuvola.
Si tratta della solita accuratezza dei punti dei dati LiDAR 1x1m del Ministero.

PROGRAMMA DELLE OPERAZIONI

Il programma delle operazioni è piuttosto semplice:

• Giorno 1: posizionamento e rilievo di target per l’elaborazione fotogrammetrica in tutta l’area.
• Giorno 2: sorvolo con drone ad ala fissa.

In realtà poi, al giorno 2 va aggiunto anche un piccolo rilievo aerofotogrammetrico di dettaglio (con il mio multirotore) di una delle tre gallerie paravalanghe di fondovalle.
Ma è cosa davvero da poco rispetto al resto.

PRONTI… VIA!

Questo è il momento di partire.

Premetto che in campo non sono solo.
In montagna è meglio non andare soli.

Con me c’è Claudio Morini, ingegnere reggiano, amante del trail running, che mi ha raggiunto con grandissimo entusiasmo, nonostante il mio scarsissimo preavviso prima di partire!

Grazie Claudio!
Sei stato davvero indispensabile!

GIORNO 1 – RILIEVO DEI TARGET

Il primo giorno è dedicato al posizionamento dei target ad alta visibilità a terra ed al loro rilievo (al rilievo delle loro coordinate).

Ti riporto giusto qualche considerazione.

Non è pensabile posizionare target che andranno recuperati dopo il volo. Abbiamo usato solo target a perdere.
Si tratta di stampe su carta, fissata a terra con pietre trovate lì vicino ed in grado di resistere una notte.
Lo so che non è la migliore soluzione ecologicamente opzionabile, ma pioggia e vento li avrebbero poi rotti, sfatti e dispersi nel breve tempo.

Per ogni target messo ne rileviamo la posizione con antenna GNSS nRTK, e passiamo oltre.

Il lavoro è diviso su tre aree.

La prima è quella di monte: la zona di distacco della valanga.
La affrontiamo per prima, è la più difficile e faticosa.
Meglio farla con tutte le energie in corpo.

La seconda è la parte centrale, a cui accediamo tramite una strada di arroccamento di cava.
Camminiamo un po’ meno ma, comunque, camminiamo per quasi tutto il pomeriggio.

L’ultima è la parte bassa nel limite occidentale dell’area di studio.
Ci arriviamo già stanchi, ma possiamo spostarci comodamente in auto sfruttando la viabilità di fondovalle.

E dopo quaranta target ed un bel po’ di sole il primo giorno è andato.

GIORNO 2 – RILIEVO AEROFOTOGRAMMETRICO

Il secondo giorno è quello dei voli.

Raggiungiamo la squadra di Flavio in un’area in quota dove abbiamo valutato insieme che un drone ad ala fissa sarebbe riuscito a decollare ma, soprattutto, ad atterrare in sicurezza al termine delle missioni di volo.

Il programma è quello di fare più punti di decollo per ottimizzare le batterie a disposizione, sfruttare le caratteristiche di volo di un drone ad ala fissa e coprire tutta l’area da studiare.

Voliamo in quota e poi ci spostiamo in basso, per volare anche da lì.
Il dislivello è troppo per fare base in un posto solo.

Drone: Sensefly Ebee
Pilotaggio: 100% auomatico

Abbiamo volato dalle 8 di mattina alle 5 del pomeriggio, inclusi tutti gli spostamenti, in quota e da monte a valle.

In un paio di occasioni siamo ripassati sulla solita rotta perchè abbiamo rilevato alcuni “problemi” di scatto in fase di volo.
Meglio essere sicuri di avere le immagini.
Qualche buco c’è stato ma i dati sono sufficienti per la modellazione.

Il totale delle fotografie scattate e da processare è di 1.500.

Non entro nel dettaglio dell’uso di un drone ad ala fissa nel rilievo aerofotogrammetrico.
Questo articolo è il racconto della storia del rilievo e del modello.
E c’è ancora un po’ da dire.

Però, se ti va di approfondire l’uso di un drone ad ala fissa, ho raccontato un po’ di cose in più su questa parte, a caldo, in questa puntata del podcast di 3DMetrica che trovi a questo link.

NOTA METEO

Quasi a voler confermare la mia scelta tecnica, al termine dei voli, mentre stavamo concludendo il rilievo della galleria paravalanghe si è abbattuto in Valle un violentissimo temporale estivo!

C.V.D.

FINE LAVORI, SI RIENTRA IN UFFICIO

Rilievo finito.
È tempo di rientrare in ufficio e trattare i dati.

L’elaborazione lavora su due strade separate, che si incontrano appena prima dell’output finale.

La prima strada è quella del processo structure from motion che gestisce immagini e misure topografiche per creare il modello 3D fotogrammetrico.

La seconda è quella della gestione del dato LiDAR.

Le due strade confluiscono nell’unione delle nuvole di punti, per formarne una unica, da cui elaborare il modello digitale del terreno per le modellazioni numeriche valanghive.

ELABORAZIONE STRUCTURE FROM MOTION

Non c’è molto da aggiungere ad altri articoli che ho scritto sull’elaborazione structure from motion.

Immagini + misure = modello 3D orientato, georeferenziato e scalato.

Non è proprio così semplice ma dovrebbe essere sufficiente per sorvolare velocemente su questa fase del lavoro.

Scrivo solo qualche numero.

La nuvola sparsa – i punti di legame tra le immagini – ha circa un milione di punti.
Quella densa cento trenta milioni.

Qui puoi vedere il modello 3D della nuvola di punti fotogrammetrica, sottocampionata.
L’ho generata con Potree.

Dalla nuvola densa viene fuori il DSM (Modello Digitale delle Superfici) e da questo l’ortofoto generale dell’area.

ACCURATEZZA E SISTEMA DI RIFERIMENTO

Il controllo degli scarti sui punti di controllo ha dato in output un’accuratezza generale di 25 cm.
Non è un risultato da Formula 1 ma è assolutamente in linea con le previsioni e più che sufficiente per le esigenze di studio.

Il dato è restituito in output nel Sistema di Riferimento Roma 40/Gauss Boaga – EPSG3003.

TRATTAMENTO DEI DATI LiDAR

Uso i punti del rilievo LiDAR in formato XYZ.
Qui c’è tutto, terreno, vegetazione, fabbricati.
Tutto.
E tutto riferito al sistema di riferimento geografico WGS84 – EPSG4326.

CAMBIO DI SISTEMA DI RIFERIMENTO

La prima cosa da fare è cambiare sistema di riferimento e coordinate dei punti.

È piuttosto semplice.
Prendi i file XYZ, li carichi in Convergo (usando il grigliato IGM), scegli le impostazioni di conversione ed il software passa da un file di testo con coordinate geografiche WGS84 (latitudine, longitudine e quota ellissoidica) a coordinate cartografiche Roma40 (Est, Nord) e quota ortometrica.

CLASSIFICAZIONE DEL TERRENO

Il secondo step è l’estrazione dei punti del terreno.
Si fa tramite la classificazione della nuvola di punti.
Con un dato LiDAR si riesce piuttosto bene ad arrivare al “Ground“.

Uso gli algoritmi automatici del software Lidar360 (davvero molto efficaci) che in pochissimo tempo fanno un ottimo lavoro.

Da qui il lavoro di editing manuale è davvero veloce.

UNIONE DI FOTOGRAMMETRIA E LIDAR

A questo punto si tratta di unire la nuvola di punti da drone con quella Lidar.

Prima però devo dirti che ho trattato un po’ la nuvola fotogrammetrica per eliminare la vegetazione, gli alberi isolati e gli elementi, pochi e comunque rimasti, che c’entravano poco con il terreno.

Visto che sistema di riferimento e coordinate dei punti delle due nuvole sono gli stessi, i due dati si parlano bene.
L’unione è velocissima e si può fare in qualsiasi software che gestisce nuvole di punti.

Io uso Cloud Compare.

Footgrammetria e LiDAR si integrano bene ed ora il modello 3D totale va dalla cima del Monte La Piastra fino al Torrente Gesso sul fondovalle.

ECCO IL DTM!

Questo è il momento di passare dal dato 3D al raster 2.5D.
Dalla nuvola di punti al DTM (Modello Digitale del Terreno).

Il dato sorgente (la nuvola di punti) è già pronto per la rasterizzazione.
I punti sono tutti già rappresentativi del terreno.

Si tratta solo di scegliere la dimensione della maglia del modello digitale.

Concordiamo, con i ragazzi di Flow-Ing, tre modelli diversi:

1. DTM con risoluzione 50 cm/pixel
2. DTM con risolzione 1 m/pixel
3. DTM con risoluzione 2 m/pixel

Avrebbero usato quello migliore in termini di gestione del dato da parte del software di modellazione (DTM troppo spinti di vaste aree possono portare a rallentamenti nel calcolo o, anche, crash) e di fluidità del fenomeno valanghivo.
Ho scoperto dopo che hanno simualto le valanghe sul modello con maglia 1x1m.

Arrivati al DTM questo racconto finisce!
Spero ti abbia lasciato con qualcosa di utile per il tuo lavoro o le tue attività.
O anche solo ti sia piaciuto.

Se è così, fammelo sapere!

🙂

QUALCHE PENSIERO FINALE

La prima cosa che penso alla fine di questo racconto e vista l’emergenza nazionale Covid-19, è che vorrei davvero tornare quanto prima a fare rilievi così.
Il mio lavoro mi permette di stare all’aperto e spesso in luoghi bellissimi, come questo.
Impagabile!

Le altre considerazioni, in ordine sparso, sono:

Avrei potuto avere un risultato migliore in termini di accuratezza (25 cm non sono molti) dell’output.
Ma non sarebbe stato significativo per lo studio valanghivo e mi avrebbe richiesto più risorse.
Non esagerare!
Lavora per ottenere il risultato richiesto.
Guadagnare punti in più possono richiederti sforzi importanti che, a volte, non sono giustificati, ripagati o, semplicemente, non vale la pena raggiungere.

Lavora con un occhio alla sicurezza.
In montagna o in luoghi isolati è meglio non andare da soli o, se proprio non puoi farne a meno, comunica sempre quando e dove andrai.
Usa l’attrezzatura giusta per l’ambiente in cui sei.
Scarponi, bastoni, ramponi, corde, caschi.
Lavorare fuori è bello ma qualche rischio in più c’è.
E non dimenticare acqua e crema solare.
Un giorno in montagna può essere lungo!

Conosci i tuoi strumenti e sii preparato per come si dovranno comportare in campo.
Testali e sii confidente sul loro utilizzo in modo da limitare il più possibile intoppi, inciampi o qualsiasi cosa che possa rallentare o, molto peggio, bloccarti in campo.

Valuta tecniche di rilievo che possono integrarsi tra loro o l’uso di dati già pronti per avere, subito ed in modo efficace, le informazioni che ti servono.
Se scegli una strada, guida senza para-occhi e guardati sempre intorno in cerca di spunti o aiuti che possono arrivare da altre vie (strumenti e tecniche).

Divertiti!

🙂

A presto!

Paolo Corradeghini

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