FOTOGRAMMETRIA: NON SOLO NUVOLE DI PUNTI E MODELLI 3D

Immagine area della cava di marmo oggetto di rlievo e studio di approfondimento

In questo articolo puoi leggere alcuni risultati interessanti ed utili di un rilievo fotogrammetrico, oltre alla nuvola di punti ed al modello tridimensionale.

Torna a scrivere sulle pagine di questo blog, l’Ing. Paolo Rossi, del laboratorio di Geomatica della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Modena e Reggio Emilia.
Tuttavia oggi non scrive, come di consueto da un po’ di mesi, di fotogrammetria con Photoscan (puoi leggere l’ultimo articolo della sua rubrica periodica a questo link), ma racconta della presentazione di un suo lavoro all’ultimo Convegno Nazionale SIFET (Società Italiana Fotogrammetria e Topografia).

In occasione di questo importante incontro scientifico (Giugno 2018), occasione di scambio di esperienze tra il mondo accademico e professionale del rilievo, della geomatica e della topografia, Paolo ha condotto e presentato uno studio dal titolo Esperienza di rilievo e monitoraggio multi temporale di una cava di marmo, dai punti di vincolo alle accuratezze ottenibili.

Dello studio esiste anche un articolo scientifico che tuttavia, al momento, non è divulgabile.
Se sarò reso pubblico inserirò il link per il download in questo post.

Paolo ha lavorato sui dati di un rilievo aerofotogrammetrico che avevo condotto nel Novembre 2016 in una cava di marmo del bacino Marmifero di Carrara, la cava N. 162 del Calagio.
Ho fatto il rilievo ben prima che conoscessi Paolo e gli scopi erano la ricostruzione di un modello tridimensionale ed il rilievo planoaltimetrico di tutta l’area in concessione alla proprietà per la stima di fine anno dei volumi estratti rispetto all’anno precedente.

L’area rilevata ha una conformazione particolare.
È divisa in tre parti:

  • la porzione superiore, dove avviene l’estrazione dei blocchi di marmo bianco, che è sagomata a gradoni e piazzali con un parete verticale a limitarne il confine di monte;
  • la parte centrale, dove avviene lo scarico degli scarti di lavorazione dei blocchi nel piazzale, caratterizzata da un’alta e complessa parete rocciosa verticale;
  • la zona di valle, dove corre la strada carrabile e dove avviene lo stoccaggio temporaneo dei blocchi, estratti e riquadrati, pronti per il trasporto alla lavorazione di valle (o al porto per l’imbarco).

Ho fatto il rilievo con un DJI Phantom 4, scattando quasi 1.000 foto.
Ho materializzato a terra 25 punti di controllo, rilevandone la posizione con antenna satellitare GNSS.
Per motivi di accessibilità alle aree ho fatto i sorvoli in due momenti differenti: prima la parte bassa e media, negli ultimi giorni di Novembre 2016, e poi la parte alta, nei prima giorni di Dicembre 2016.

Prima di lasciarti alle analisi tecniche, molto interessanti, di Paolo Rossi ti riporto qui sotto il modello 3D della Cava:

E qui invece c’è la planimetria finale restituita, risultato del rilievo topografico fotogrammetrico.

Immagine che rappresenta le restituzione plano-altimetrica di area di cava derivante da rilievo aerofotogrammetrico

Ora che sai qualcosa in più, ti lascio finalmente al contribuito dell’Ing. Paolo Rossi che, come sempre, ringrazio di cuore per la sua disponibilità.

RILIEVO E MONITORAGGIO DI UNA CAVA DI MARMO

In questo intervento condivido un’esperienza di rilievo e monitoraggio di una cava di marmo nella provincia di Massa Carrara.
Ringrazio Paolo per i dati forniti, che mi hanno permesso di generare i prodotti e le osservazioni che seguiranno, e mi complimento con lui per la bravura nell’esecuzione del rilievo.
Nonostante le condizioni impervie siamo stati in grado di ottenere prodotti di ottima qualità.
(ndr: grazie Paolo!)

Gli scopi dell’articolo sono:

  • analizzare come cambia l’accuratezza metrica della nuvola di punti generata nel processo fotogrammetrico al variare del numero di punti di vincolo;

  • mostrare qualche risultato ottenibile da una ricostruzione tridimensionale;

  • calcolare le volumetrie movimentate utilizzando due rilievi successivi.

CAVE DI CARRARA E TECNICHE DI RILIEVO

Tutti conosciamo il distretto marmifero di Carrara.
Con i suoi 3,4 milioni di tonnellate di materiale estratto svolge un ruolo chiave in termini di occupazione e PIL per l’intera area dell’alta toscana.
Le cave di marmo sono arroccate sui pendii scoscesi delle Alpi Apuane.
Le pendenze elevate, l’inaccessibilità di alcune aree e i grandi carichi movimentati lo rendono un luogo pericoloso per gli addetti ai lavori ed a rischio crolli.
Il rilievo di queste aree è necessario per controlli di stabilità e per la produzione di mappe da inquadrare nella cartografia di riferimento, per la valutazione delle concessioni e per i computi metrici.

immagine che rappresenta l'inquadramentro del bacino marmifero di Carrara e della cava oggetto di rilievo

Condurre rilievi in queste zone è complesso: occorre valutare la tecnica e le strumentazioni da utilizzare in relazione alle caratteristiche dell’area ed ai prodotti richiesti dal committente.

Nella tabella che segue provo a schematizzare alcune riflessioni sulle principali tecniche topografiche impiegabili per il rilievo di una cava di marmo.

Stazione Totale GNSS Laser Scanner LiDAR/fotogrammetria da aereo
Costo strumentazione Medio Medio Medio-alto Alto
Densità punti Bassa
(approssimazione superfici)
Bassa
(approssimazione superfici)
Alta
(ottima descrizione delle superfici)
Alta
(buona descrizione delle superfici)
Accessibilità luoghi Se uso il laser e la riflessione senza prisma, non ho bisogno di accedere direttamente ai punti È un problema, in quanto devo posizionare la palina sul punto Non ho bisogno di accedere direttamente ai punti Non ho bisogno di accedere direttamente ai punti
Geometrie complesse Richiede punti di stazionamento aggiuntivi e il rilievo di molti più punti Causa l’incremento dei punti da rilevare Richiede punti di stazionamento aggiuntivi Pareti verticali sono difficilmente rilevabili
Tempo per il rilievo Alto Alto Medio Basso

Il rilievo fotogrammetrico da piattaforma UAV offre grandi potenzialità nel rilievo di aree complesse come le cave di marmo:

  • il punto di vista privilegiato permette il rilievo e la mappatura dell’intera area in modo veloce ed accurato,

  • la possibilità di acquisire fotogrammi obliqui ed anche frontali permette la ricostruzione delle pareti verticali,

  • la “bassa” quota di volo garantisce una sufficiente risoluzione al suolo.

Rimane il posizionamento e rilievo dei punti a terra da eseguire con tecniche tradizionali (GNSS o Stazione Totale), ma si tratta di pochi punti per ettaro.

NUMEROSITÀ DEI PUNTI DI VINCOLO E QUALITÀ DELLA RICOSTRUZIONE

I principalI dubbi che ci affliggono al termine di un rilievo da drone sono:

  • riuscirò ad allineare le immagini?
  • i puti di vincolo saranno sufficienti?

Già con l’orientamento delle immagini (step di allineamento) sappiamo se le immagini acquisite sono idonee alla ricostruzione.

Per i punti di vincolo invece non ci sono risposte così immediate.
Si può ottenere un modello 3D anche con nessuno (o pochi) punti a terra.
Ovviamente, ne risultano compromesse la georeferenziazione e l’accuratezza metrica.

Quindi, qual è il numero sufficiente di punti di vincolo per avere una ricostruzione metricamente accurata?

Per la cava di marmo in questione ho creato alcuni scenari variando il numero di punti di vincolo (GCPs) da 25 (il totale dei punti a terra disponibili) ad 11.
In particolare ho creato gli scenari:

  • 100% (25 GCPs);
  • 80% (20 GCPs);
  • 60% (15 GCPs);
  • 44% (11 GCPs).

Ho ridotto il numero dei vincoli seguendo alcune semplici regole:

  • mantenere una distribuzione omogenea su tutta l’area di indagine;

  • non dimenticare di vincolare zone marginali;

  • vincolare le zone a quote diverse;

  • posizionare il punto in modo che sia visibile da diverse direzioni ed inclinazioni.

Questa tabella riassume la qualità dei risultati ottenuti.

 

Scenario Punti di vincolo (GCPs)
Num errore [cm]
e(x) e(y) e(z) e(3D)
100% 25 1.3 2.0 2.9 3.8
80% 20 1.4 2.2 3.2 4.1
60% 15 1.5 2.2 3.3 4.3
44% 11 1.6 1.6 2.2 3.2

Scenario

Punti di controllo

Num

errore [cm]

e(x)

e(y)

e(z)

e(3D)

100%

0

80%

5

1.1

1.5

1.5

2.4

60%

10

1.2

1.9

2.6

3.4

44%

14

1.3

2.6

3.9

4.9

Come puoi vedere gli errori sui punti di vincolo rimangono pressoché costanti, le piccole oscillazioni (±5mm) sono probabilmente legate alla geometria di distruzione dei vincoli.

Invece sui punti di controllo, i Quality Control Point QCPs o Check Point (quelli non usati come vincolo nel processo fotogrammetrico), gli errori aumentano considerevolmente: dimezzando i vincoli (da 20 ad 11) gli errori raddoppiano (da 2.4 cm a 4.9cm)!

DISTORSIONI DEL MODELLO 3D IN RIFERIMENTO AI PUNTI DI VINCOLO.

Si possono fare analisi anche più areali, per valutare come si comporta il modello ricostruito al variare dei punti di vincolo.
Qui ti riporto il confronto tra scenario 100% (il riferimento) e scenario 44%, ottenuto calcolando la differenza tra nuvole di punti in CloudCompare.

Immagine che mostra l'analisi delle distorsioni di un modello 3D fotogrammetrico al variare dei punti di vincolo

Come vedi, le aree più marginali e meno vincolate sono soggette alle maggiori distorsioni rispetto al riferimento (vedi aree in rosso e blu)

Il numero di vincoli influenza l’accuratezza metrica di una ricostruzione con SfM.
Il come è legato alle caratteristiche del rilievo e dell’area.
È difficile trovare una regola generale, occorre garantire un’ottima distribuzione spaziale dei punti di vincolo all’interno dell’area di interesse e vincolare le porzioni a quote diverse.

I PRODOTTI OTTENIBILI DA UNA RICOSTRUZIONE 3D

Oltre agli output più “tradizionali”: nuvole di punti, modelli di superficie, ortofoto, è possibile creare altri prodotti utili per lo studio e l’analisi dell’area indagata.

Qui sotto vedi una mappa dell’assetto dei punti rispetto alla verticale.
In rosso vedi le zone piane ed orizzontali (le normali sono concordi alla verticale).
In verde invece vedi le superfici verticali.

Nell’immagine di destra è possibile effettuare un calcolo dei volumi dei blocchi stoccati nella zona di deposito/piazzale di valle.

Immagine che mostra l'analisi dell'assetto dei punti di un rilievo fotogrammetrico rispetto alla verticale e calcolo dei volumi

Qui sotto invece puoi vedere l’estrazione semiautomatica di linee di discontinuità per la generazione di file dxf, che costituiscono una vettorializzazione della cava.

Imamgine che mostra l'estrazione semi-automatica di linee di doscontinuità per vettorializzazione di modello 3D fotogrammetrico

CALCOLO DEI VOLUMI MOVIMENTATI

Se effettuiamo ricostruzioni ad epoche successive possiamo identificare e misurare i cambiamenti avvenuti nel periodo considerato.
Si possono confrontare i modelli ottenuti e calcolare i volumi in gioco.
Quando si confrontano epoche differenti la georeferenziazione e l’accuratezza metrica delle ricostruzioni tridimensionali influenzano la qualità dei risultati ottenuti.

In questo caso, nella zona di valle sono stati spostati alcuni cumuli di pietrisco, il materiale è stato spostato ai lati del piazzale (epoca 0 in blu, epoca 1 in rosso).

Immagine che mostra l'analisi volumetrica sulla movimentazione di volumi in epoche diverse

In questo esempio si fa riferimento ad un volume movimentato di circa 370 m³.
Ne risulta anche una quota di -12 m³ che è un volume residuo corrispondente all’errore della metodologia adottata, intesa come ricostruzione tridimensonale + algoritmo di calcolo volumetrie.

L’errore nel calcolo dei volumi è difficile da prevedere o quantificare a priori in quanto dipende da accuratezza metrica e risoluzione dei due modelli, dalle caratteristiche dell’area indagata e del rilievo effettuato.
Occorre effettuare prove sperimentali per determinare tale errore, magari in aree non soggette a cambiamento oppure utilizzando volumi di controllo di dimensione nota.

Spero che questo contributo di Paolo Rossi sia stato utile per mostrarti quali sono dei possibili risultati interessanti ricavabili da un rilievo fotogrammetrico:

  • analisi di verticalità;
  • individuazione delle discontinuità e vettorializzazione del rilievo;
  • calcoli dei volumi.

Ed io aggiungo, anche se non se ne è parlato in questo articolo, analisi geomeccaniche e classificazioni delle famiglie di disconuità delle fratture rocciose e analisi di pendenza, esposizione e curvature orgografiche dei versanti.
Magari ne scrivo in qualche prossimo articolo.

 

Ti ricordo che puoi contattarmi quando e come vuoi su telegram cercando: paolocorradeghini.
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Se preferisci la cara e vecchia email mi trovi a paolo.corradeghini @ 3dmetrica.it.
Qui su facebook, e qui su LinkedIn.

 

Insomma, sono un po’ dappertutto!
🙂

 

A presto!

Paolo Corradeghini

 

 

 

fotografia dell'Ing. Paolo RossiPaolo Rossi, ingegnere e PhD in Ingegneria Industriale e del Territorio presso l’Ateneo di Modena e Reggio Emilia, attualmente lavora presso il Laboratorio di Geomatica del Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”, dove si occupa di ricostruzione 3D da immagini.

Laboratorio di Geomatica
Dipartimento di ingegneria Enzo Ferrari, Università degli studi di Modena e Reggio Emilia
Via Pietro Vivarelli 10, Modena
Tel: 059 2056297
Cell: 3457054511
Email: paolo.rossi at unimore.it
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