Questo articolo è il racconto di un rilievo integrato dove sono state usate (quasi) tutte le tecniche topografiche:

• Aerofotogrammetria da drone;
• misure GNSS;
• rilievo con Stazione Totale;
• Laser Scanner.

NON ESISTE LO STRUMENTO “DEFINITIVO”

Eh già, non c’è (ancora) lo strumento topografico definitivo!
Quello che rileva le coordinate assolute, collima punti a chilometri di distanza, genera nuvole di punti densissime e colorate e scatta foto per poi coprire una mesh 3D (che ha calcolato dai punti) con il vestito della texture.

Nel 2020 io non l’ho ancora trovato.
Se c’è, ti prego, fammelo sapere!
E posta anche il link a cui trovarlo.
🙂

E allora credo che l’integrazione tra tecniche di rilievo diverse sia la migliore scelta per superare i limiti di ciascuno strumento di misura.
Ed ottenere i migliori risultati.

Non sono mai riuscito a usare tutte le tecniche di rilievo insieme.
Spesso non ce n’era necessità.
(E poi io non ho un laser scanner…).
Ma qui ce l’ho fatta!
E questo lavoro mi ha dato la prova concreta che l’integrazione porta grandi risultati.

…Questo concetto si potrebbe estendere anche alla società…
🙂

UN PROBLEMA DI “ATTRACCO“

Manarola è il secondo borgo delle 5 Terre che incontri camminando (o navigando) da Sud a Nord.
È piccolo, come tutte le altre 4 Terre.
Ma molto caratteristico.
Come tutte le altre 4 Terre

Si arrocca, in parte, su un promontorio roccioso che si allunga in mare, definendo la piccola baia e lo scalo marittimo.

Il turismo è la principale risorsa di questi posti.
E di turisti ne arrivano davvero tanti.
Da tutte le parti del mondo.
Ed in tutti i mesi dell’anno.

I “barconi”, battelli che d’estate navigano da un paese all’altro e li collegano con La Spezia, non riescono ad entrare in porto.
Non c’è spazio.
Ed allora, a Manarola, fanno sbarcare i passeggeri all’esterno della scogliera frangiflutti, su un banchina costruita per l’occasione.

I turisti percorrono poi, a piedi, cento metri che li portano in paese.

E proprio questi cento metri (in realtà sono un po’ meno) sono la causa del rilievo che ti racconto.

Sì, perchè il percorso è al piede di una falesa rocciosa, che in passato aveva già dato segni di crolli con annessa un po’ di caduta massi.
Ci sono opere di consolidamento e di protezione attiva e passiva: chiodi profondi, barriere paramassi e reti di placcaggio.
Ma le persone che ci passano, ogni giorno, tra maggio e settembre, sono davvero tante.
Ed il Comune di Riomaggiore, a cui fa capo Manarola, ha deciso di vederci chiaro, affidando l’incarico per uno studio di dettaglio delle criticità della parete di roccia.
Ed il progetto della messa in sicurezza delle aree dal dissesto idrogeologico.

Io ho seguito il rilievo.
Un rilievo integrato.

In questo articolo ti racconto le attività di campo.
Ed anche un pochino di elaborazione dati.

AEROFOTOGRAMMETRIA DA DRONE

Un rilievo ha sempre un obiettivo.
In questo caso si trattava di caratterizzare la parete di roccia per permettere di:

• misurarla e valutarne le dimensioni;
• descriverla in modo accurato nella sua morfologia;
• censire le opere di consoliadamento presenti;
•  studiare i dissesti;
• modellare la caduta massi;
• progettare gli interventi di messa in sicurezza;
• concretizzare un progetto esecutivo e permettere la cantierizzazione dei lavori.

Una volta centrati obiettivo e criticità si scelgono le tecniche operative e gli strumenti da usare in campo.

Tra questi ce n’è sempre uno/a che è il principale.
È preponderante rispetto agli altri.
E darà i risultati più rilevanti.

In questo caso si tratta dell’aerofotogrammetria da drone.

Ho scelto di affidarmici per costruire un modello tridimensionale del fronte, condito dalle informazioni delle fotografie digitali.
È una buona scelta per questo caso operativo.
Si tratta di roccia e di fabbricati, con una minima presenza di vegetazione bassa (per altro nella parte superiore, di contorno alla roccia).
Le foto avrebbero ripreso gli elementi effettivamente significativi per gli studi specialistici e per il progetto.
E sarei stato in grado di elaborarli per farne un modello 3D.
(In realtà, avrebbe fatto tutto il software!)

Ho scelto il drone!
Come, per altro, mi capita spesso…

Ma l’aerofotogrammetria da sola non ce la fa.
Non basta per dare risultati attendibili.
È per questo che questo articolo si chiama: un rilievo integrato.
Perchè si sono usate più tecniche e strumenti.
Ed ognuno ha messo in campo i suoi vantaggi.

La fotogrammetria è stata integrata con la misura satellitare GNSS, il rilievo con stazione totale ed il rilievo laser scanner.

Ma forse è meglio procedere con calma ed ordine!

SVEGLIA PRESTO!

Il rilievo è stato fatto a Luglio (2019).
Idealmente si sarebbe dovuto aspettare l’autunno, ma c’era urgenza (…come sempre…) e non c’è stato modo di attendere giorni migliori.

Se c’è sempre tanta gente alle 5 Terre, a Luglio e ad Agosto ce n’è di più.
Molta di più.
Durante i weekend la situazione rischia letteralmente di sfuggire di mano!

Per poter volare in tranquillità con un drone ed evitare un dispiego enorme di forze per bloccare tutti gli accessi ed impedire il transito alle persone, l’unico momento di calma sfruttabile è stato il mattino presto.
Molto presto.
Alle 6 ero in campo.
Ed avevo, al massimo, un paio d’ore per iniziare e finire i sorvoli.
I primi treni e battelli sarebbero arrivati intorno alle 8:00.

Ho scelto di utilizzare il DJI Phantom 4 Pro.
Non è un mezzo inoffensivo.
E non ci sarebbe dovuto essere nessuno intorno.
Meglio lavorare quando c’è pochissima gente e contrallarla con sofrzi minimi.

Inoltre, la parete da rilevare era esposta a Ovest.
Ad una certa ora (che in estate è “presto“) il sole sarebbe sorto da Est, alle spalle della falesia, rendendo problematiche le foto frontali per via della luce diretta in camera che crea i terribili (per la fotogrammetria) flare!

Insomma si doveva fare presto.

NOTA LOGISTICA

Lo scalo marittimo di Manarola non è assolutamente raggiungibile con i mezzi.
La macchina era parcheggiata un chilometro e 100 m di dislivello più a monte.
L’avvicinamento all’area del rilievo è avvenuto a mo’ di sherpa: con doppio zaino, tracolle, aste e appendini vari!

🙂

TARGET A TERRA

La prima attività in campo è stata quella di mettere a terra i target ad alta visibilità per i punti di appoggio e controllo del processo fotogrammetrico.

Li avrei rilevati con un ricevitore GNSS.

Non c’era modo di metterli in posti diversi che non fossero lungo la banchina al piede della falesia.
Le altre aree non erano in alcun modo accessibili.

Questo presentava due problemi:

1. Multipath nel calcolo delle coordinate dei punti con GPS (lo so, si dovrebbe dire GNSS…);
   La parete di roccia potrebbe sporcare la ricezione delle informazioni dai satelliti da parte del ricevitore con una serie di rimbalzi non controllati prima di raggiungere l’antenna.
2. Carenza di vincoli al modello nell’elaborazione fotogrammetrica.
   Se devi ricostruire un elemento che si sviluppa, pevalentemente, in verticale, come questa falesia, avere dei punti noti solo alla base può innescare un “effetto bandiera” che potrebbe far allontanare i punti del modello 3D, lontani dalla base, dalla loro posizione reale, perchè non vincolati in nessun modo.

Il problema del Multipath è in parte mitigato dall’impiego di ricevitori satellitari a doppia frequenza (L1 e L2).
Ed inoltre ho fatto, per ogni punto, misure intervallate nel tempo ed acquisizione prolungata per ciascuna di esse.

Il problema dell’effetto bandiera si risolve integrando delle misure di punti noti sugli elementi verticali, da inserire durante l’elaborazione fotogrammetrica.
E qui entrerà in gioco un altro strumento.
Ma non bruciamo le tappe!
🙂

LA PRESA FOTOGRAFICA

La prima vera attività di acquisizione dati è stato il sorvolo con drone e la presa fotografica.

Ho volato in manuale.
Le missioni di volo automatico non mi piacciono molto in questi casi.
E, parere mio, non sono molto efficaci.

Ho scattato fotografie nadirali, frontali ed oblique, inclinate di 45° rispetto all’orizzontale.
Più o meno sono sempre stato ad una distanza di circa 30 m dalla parete.
L’obiettivo dell’acquisizione era quello di rispettare un GSD (Ground Sampling Distance) di 1 cm/pixel.

In questo modo avrei avuto un dataset completo per tutti i settori della falesia e sufficientemente dettagliato per gli scopi del rilievo.

Ho scattato 420 fotografie.

MISURE GNSS

Ho finito i voli prima dell’affluenza delle persone.
Ma ho ricevuto lamentele (giuste!) da parte di qualcuno che dormiva con le finestre aperte e che è stato svegliato con il rumore delle eliche del Phantom in volo al mattino presto.
Avete ragione!
Ma non potevo fare diversamente.
Mi dispiace!
🙁

Dopo i voli, sono passato alle misure delle coordinate dei punti a terra.
Le ho fatte con un ricevitore GNSS in modalità nRTK, con collegamento alle basi fisse della rete SmartNet di Leica (ex Italpos).

Nonostante la collina alle spalle, avevo tutto libero a Sud (dove la concentrazione di satelliti è maggiore) e sono riuscito ad ottenere buone precisioni per le coordinate dei target: 3 cm nella misura orizzontale e 4 cm in quella verticale.
Sono valori del tutto accettabili con gli obiettivi della restituzione.
Non si trattava di un monitoraggio e non avevo bisogno di misurare i millimetri.

I punti non erano molto distanti tra loro ed ho fatto misure ripetute dei target.
Una volta battuti tutti una volta, sono ripartito dal primo e li ho rilevati di nuovo.
E così per un’altra volta.

In questo modo ho potuto controllare se ci fossero misure sballate per effetto del multipath.
Ad una certa distanza temporale una dall’altra.
Non è un modo molto rigoroso ma è comunque un controllo ulteriore che ho deciso di prendermi per evitare errori (anche decimetrici) di qualche misura.

Ho stazionato su ogni punto per un po’ di tempo, acquisendo fino a 300 epoche di misure dai satelliti, per rendere il dato non più preciso ma più affidabile.

Oltre ai target piazzati alla base della falesia ne ho posizionati altri 3 in altrettanti punti dello scalo.
Sarebbero serviti per orientare la stazione totale, che ora entra in gioco.

Ho lavorato con il mio rodato Geomax Zenith 20.
Da quanto mi pare di leggere online è fuori produzione, ma si comporta sempre molto bene!

STAZIONE TOTALE + LASER SCANNER

Foto: fatte.
Misure dei target al piede della parete: prese.

Dovevo ancora rilevare un po’ di punti nelle parti in elevazione della falesia, per avere un dei buoni vincoli anche in alto.

Non c’era modo di arrivarci, a piedi, con l’antenna del GPS.
L’unica cosa da fare era affidarsi alla misura celerimetrica fatta con stazione totale e collimare, senza l’uso del prisma, elementi che sarei poi stato in grado di ritrovare nelle fotografie del dataset scattato da drone.

E qui entra in gioco un nuovo strumento: la stazione totale SX10 di Trimble.

Era un po’ di tempo che volevo incontrarmi con Marco Pellegrino – Sales Engineer di Trimble – per provare con loro questo strumento, uscito da poco e molto promettente.
Non eravamo riusciti a coordinarci prima ed allora abbiamo sfruttato una sua demo a Genova, insieme a Luca Gusella, il giorno prima del mio rilievo, per trovarci finalmente in campo.

La SX10 è una stazione totale robotica e motorizzata che integra un laser scanner ed una serie di fotocamere.

STAZIONE TOTALE

Se mi chiedessi che cos’è prima di tutto, ti direi senza dubbio che la SX10 è una stazione totale.
Che poi è quello che era necessario usare in questo caso!

Lo è per quello che fa e per il suo approccio topografico (rigoroso).

Ha bisogno di essere orientata, preventivamente, per poterti dare misure che abbiano un senso con tutto il lavoro che stai facendo.
E l’abbiamo fatto sfruttando i target rilevati con l’antenna GNSS.

Puoi fare le classiche, ma robustissime, poligonali per collegare diversi punti di stazione tra loro e tutte le misure (o scansioni) che farai da ognuno di loro.

L’esperienza dell’utente è un po’ diversa dalla “classica” stazione totale.
Non c’è alcun oculare in cui guardare per collimare i punti.
Lavora sulla base di un grosso e pesante palmare/controller, che sembra il cockpit del Millenium Falcon, aiutato da cinque fotocamere che ti permettono di vedere ed agganciare tutto quanto, a livelli di zoom diversi (da grandangolo a super mega teleobiettivo).

All’inizio è un po’ strano.
Poi però ci si prende la mano e tutto funziona bene!

Con la SX10 abbiamo collimato una serie di punti ditribuiti sulla parete.
Ci siamo messi in una posizione vantaggiosa, da cui si poteva vedere bene tutto quanto.
Abbiamo scelto la passeggiata pedonale che chiude la baia di Manarola e sta proprio (quasi) di fronte alla parete da studiare.

Abbiamo rilevato gli spigoli delle cornici delle finestre delle abitazioni proprio sopra la falesia.
E poi abbiamo preso le misure delle coordinate dei chiodi di consolidamento in roccia.
Sono tutti elementi che sarei stato in grado di ritrovare nel dataset fotografico scattato da drone.

Ogni volta che misuri un punto puoi dire alla stazione totale di scattare una foto, ad altissimo ingrandimento e risoluzione spinta, che rimane sempre consultabile nei dati tramite il software proprietario di elaborazione (te ne parlo brevemente dopo).

LASER SCANNER

Vista la posizione in cui abbiamo messo in stazione lo strumento, abbiamo sfruttato anche la tecnologia laser scanning.

La SX10 ha infatti uno scanner integrato (a tempo di volo) che ti permette di arrivare a precisioni decisamente spinte sui punti misurati.

Non ti aspettare però una valanga di punti al secondo.
Non li avrai.
Perchè lo strumento non li emette (e non li registra).
Se un laser scanner puro arriva a milioni di punti al secondo, la SX10 sta abbondantemente un ordine di grandezza indietro.
Si tratta di decine o centinaia di migliaria di punti (dipende dalla risoluzione).
Che non sono comunque pochi!

Il vantaggio, oltre alle precisioni, sta nell’approccio topografico dello strumento.
La nuvola di punti (colorata per via della presenza delle fotocamere di bordo) è gia orientata correttamente nello spazio 3D e più scansioni, fatte lungo le stazioni di una poligonale, non hanno bisogno di nessuna registrazione a posteriori.
Si agganciano immediatamente.
Coordinate e sistemi di riferimento lavorano per noi.

Abbiamo lanciato due scansioni, dalla stessa posizionee:

1. la prima, ad alta risoluzione, per la sola parete oggetto del rilievo;
2. la seconda, a bassa risoluzione, a 360° intorno alla stazione per rilevare tutto quanto ed inquadrare l’intera baia nella nuvola di punti.

Le fotografie scattate dalle camere della SX10 si portano dietro l’informazione di posizione e si “spalmano” in automatico sul modello tridimensionale della nuvola di punti.
Questo ti permette di avere una sorta di foto 3D, misurabile ed interrogabile.

L’approccio topografico ti permette di vedere ed interrogare i dati, in tempo reale, direttamente in campo.

FINE LAVORI ED ELABORAZIONE DATI

Dopo le scansioni laser, il rilievo integrato si poteva dire concluso.

Erano le 10:30 del mattino.
E le persone iniziavano ad essere tante!
🙂

Da qui sarebbe inziata l’elaborazione dei dati.

WORKFLOW

Questo articolo non è il luogo ideale dove entrare nel dettaglio dell’elaborazione dati.
Diventerebbe lunghissimo!
Se hai curiosità scrivimi che possono nascere degli articoli Spin Off!

Però mi sembra giusto dirti, per punti sintetici, che cosa ho fatto indoor.

Quindi:

1. Ho scaricato i file RAW delle fotografie e li ho importati nel software di sviluppo fotografico Adobe Lightroom.
2. Li ho trattati, ottimizzandoli per il processo fotogrammetrico, e li ho esportati in formato JPG.
3. Ho creato un nuovo progetto fotogrammetrico dentro il software Agisoft Metashape Pro.
4. Ho caricato le foto ed ho lanciato l’allineamento per la generazione della nuvola sparsa.
5. Ho scaricato i dati dal ricevitore GNSS relativi alle misure dei target.
6. Ho trattato le coordinate con il software Convergo ed i grigliati IGM per passare da Latitudine, Longitudine e Quota Ellissoidica a Nord, Est e Quota Ortometrica (nel sistema di riferimento ETRF2000).
7. Ho corretto (con il preziosissimo aiuto di Luca Gusella) l’orientamento della stazione totale sulla base delle coordinate dei punti, appena trattate, ed abbiamo aggiornato, automaticamente ed in pochissimo tempo, tutti i dati registrati dalla SX10 (misure topografiche e scansioni laser).
8. Ho estratto dal software di elaborazione dei dati di Trimble (Trimble Business Center – te ne accenno tra poco) tutte le coordinate dei punti sulla parete rocciosa e sui fabbricati, che sarebbero diventati punti di vincolo del progetto fotogrammetrico.
9. Ho inserito i punti di appoggio e di controllo nel software di fotogrammetria ed ottimizzato l’allineamento delle camere.
10. Ho controllato le accuratezze in output (circa 5 cm) e lanciato la generazione della nuvola di punti densa.
11. Ho generato il modello tridimensionale formato da mesh triangolare + texture.
12. Ho esportato i dati, li ho condivisi online e li ho consegnati.

Fine del processo!

TRIMBLE BUSINESS CENTER

Credo di averlo usato (in versione trial) per il cinque per cento delle sue potenzialità.
Ma, per quel poco che ho potuto vedere, il software Trimble Business Center (TBC) mi è sembrato molto interessante.
È un programma che riceve, organizza ed integra tutti i dati derivanti da strumenti diversi.

Ho importato i dati della SX10 in TBC: scansioni laser, fotografie e misure celerimetriche.

Una volta lì dentro, si possono interrogare ed integrare in modo facile e molto efficiente.

Mettiamo che dalla nuvola di punti del laser scanner mi accorga di un punto interessante da integrare nel progetto fotogrammetrico.
Un nuovo GCP.
Tuttavia quel punto non l’ho battuto in campo, collimandolo con la stazione totale.
In TBC posso sfruttare i dati georeferenziati per snappare sulla nuvola di punti e generare un nuovo punto topografico che diventerà un nuovo punto di vincolo per la fotogrammetria.

In TBC sono un sacco di altre funzioni, opzioni e processi che supportano il topografo.
Non posso raccontarteli perchè non li ho provati (ed il periodo di prova è finito).
Magari se ci saranno altre occasioni te ne riparlo…

RISULTATI

Per concludere il racconto di questo rilievo integrato ti condivido uno screenshot della nuvola di punti densa.

Questa è la nuvola di punti caricata online per la condivisione dei dati e la sua lettura immediata tramite browser.
Purtroppo non posso incollarti il link “attivo“, per motivi legati all’incarico.

Posso però linkarti il modello 3D, mesh+texture, non misurabile, che ho caricato sull’account Sketchfab.

INFINE…

Nessuno strumento è migliore di un altro.
Ognuno ha i suoi pregi e i suoi difetti.
Dove uno va alla grande, l’altro arranca e non ce la fa.
E viceversa.

Credo che l’approccio del rilievo integrato sia il migliore per affrontare un lavoro.

Non sarà il più comodo.
Gli strumenti pesano, ingombrano e vanno trasportati.

Né il più economico.
La tecnologia, le capacità, l’esperienza e le forze in campo si pagano.

Ma è sicuramente quello che ti permette di arrivare ai risultati migliori.
E per migliori non intendo “belli” ma affidabili, robusti, verificati e veificabili, solidi ed attendibili.

Dopo tutto stiamo parlando di rilievi topografici!

Spero che ti abbia fatto piacere leggere questo articolo.

Se ti va, fammelo sapere!

A presto!

Paolo Corradeghini

GRAZIE A…

Marco Pallotta per l’opportunità di provare in campo la SX10 su un caso operativo e concreto;

Marco Pellegrino per il confronto, la disponibilità e gli aggiornamenti costanti e per aver accettato di raggiungermi a Manarola;

Luca Gusella per la guida operativa e le spiegazioni in campo e per la pazienza ed il costante supporto durante l’elaborazione dati rilevati.

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