In questo articolo ti racconto di un esperimento di fotogrammetria terrestre per il rilievo di un fronte roccioso in un’area di cava

Ho messo insieme un po’ di pezzi, strumenti ed attrezzi che avevo in studio.
Ho applicato le regole geometriche della fotogrammetria.
Ed ho fatto un rilievo fotogrammetrico (in realtà due), da terra, con risultati molto interessanti.

In questo articolo ti parlo degli strumenti, del progetto di presa, del metodo e delle attività di campo, di quello che ha funzionato bene e di quello che è andato un po’ meno bene.
Dei risultati del rilievo te ne parlerò in un altro post…

FOTOGRAMMETRIA PER ANALISI GEOSTRUTTURALI

Sto seguendo due tesi di laurea, di due studenti dell’Università di Torino.
A dire il vero sono molto più operativo su uno dei due lavori, quello di Adriana, una studentessa (davvero in gamba!) del Politecnico di Torino che sta finendo il corso magistrale di Ingegneria Civile Geotecnica.
Il suo lavoro riguarda, tra le altre cose, l’analisi di nuvole di punti da elaborazione fotogrammetrica per il rilievo geomeccanico e geostrutturale da “non-contatto” ed il confronto dei dati con i risultati di rilievi fatti direttamente in sito, con la bussola del geologo e le tecniche classiche.

Sarà interessante sapere se ci si può affidare ad un rilievo fotogrammetrico per conoscere le caratteristiche di un ammasso roccioso: piani, angoli, inclinazioni, immersioni, giaciture, dip, dip-dir, ecc…
Non sarebbe male se i confronti tra l’analisi delle nuvole ed i dati di campo dessero risultati simili!
Vedremo che cosa ne viene fuori.

Il metodo di rilievo influisce sui risultati dell’analisi da “non-contatto”.
E non poco!
Sarebbe azzardato fare analisi geostrutturali su nuvole di punti elaborate da foto scattate a 100 m di distanza, con un sensore digitale da 1/2.3″!

Ed allora bbiamo provato un po’ di cose in fase di rilievo.

Siamo stati tre giorni in una cava di marmo delle Alpi Apuane, ospitati, accuditi e sfamati da Henraux, per fare i rilievi fotogrammetrici.
Abbiamo fatto aerofotogrammetria da drone, per il rilievo topografico generale di tutta l’area di cava.
Abbiamo rifatto aerofotogrammetria da drone, ‘stavolta di prossimità, per il rilievo di dettaglio del fronte in roccia oggetto delle analisi geologico-strutturali.
E poi abbiamo fatto fotogrammetria terrestre per due rilievi, ancora più “spinti”, di una parte del fronte studiato.

Quando le tesi saranno finite, se potrò farlo, ti scriverò anche dei risultati, condividendo dettagli, modelli e nuvole di punti.

Per ora ti parlo:

• degli strumenti che ho usato per la fotogrammetria terrestre;
• di come ho progettato il rilievo;
• e di come è andata.

Ma te ne parlo al plurale perchè non ero solo…

LA PARETE DI ROCCIA

Abbiamo rilevato una parete in roccia, nella parte superiore della cava, esposta bene ed anche accessibile piuttosto facilmente (per quanto possa essere “facile” muoversi in una cava di marmo apuana, dove si sviluppa tutto in verticale).

Eccola qui sotto.

La parte rossa si riferisce ad uno dei due rilievi terrrestri, la parte gialla all’altro.
Non considerare i target artificiali che vedi a terra.
Non sono significativi per la fotogrammetria terrestre.
A dire il vero non c’erano neppure quando abbiamo scattato le foto da terra.
Sono lì solo perchè questa foto è stata presa durante i rilievi aerofotogrammetrici dei giorni precedenti.

Ti do qualche numero:

• L’area rossa si sviluppa per poco più di 30 m, quella gialla è la metà, circa 15 m.
• Il rilievo è arrivato a poco meno di 6 metri di altezza, anche se il fronte arrivava più in alto.
• La strada che vedi di fronte alla parete ha una larghezza variabile da 4 a 6 metri (oltre il limite ci sono 50 m di dislivello fino al piazzale sottostante!).

GLI STRUMENTI

Ecco gli strumenti che abbiamo usato per fare il rilievo fotogrammetrico terrestre.

LA FOTOCAMERA E LE OTTICHE

Nikon D800
Sensore Full Frame (FX) da 36 MegaPixel
Un rilievo l’abbiamo fatto con un obiettivo 24mm e l’altro con un 35mm, entrambe ottiche a focale fissa.

C’è un motivo particoalre per cui hai scelto questa fotocamera (che non è più in produzione dal 2014)?
Assolutamente sì!
Perchè è la reflex full frame che ho disponibile.
🙂
In realtà ne ho anche un’altra (Nikon D700) ma è ancora più vecchia (2007!).

Perchè hai usato due ottiche?
Perchè abbiamo fatto due acquisizioni diverse con due diversi livelli di dettaglio.
Il GSD (Ground Sampling Distance), che è un fattore importante nella fotogrammetria, dipende anche dalla lunghezza focale dell’ottica.
Il 35mm permette di avere un GSD più basso rispetto al 24mm (scattando alla stessa distanza).
Li abbiamo provato entrambe per vedere le differenze di restituzione del dato finale.
E la differente usabilità dei risultati in campo geomeccanico.

Perchè hai usato due ottiche fisse e non uno zoom?
Perchè non ho uno zoom!
🙂
Sono sempre stato un fan delle focali fisse.
Un obiettivo a focale fissa ha il sistema di lenti ottimizzate per quella lunghezza focale e, generalmente, ha anche una qualità leggermente superiore.
Oltre che un appeal impareggiabile!
🙂
Vabbè queste però sono delle “pippe mentali” da nerd della fotografia!

Potrei comunque usare uno zoom?
Certo!
Ti consiglio però di bloccarne la ghiera (un po’ di nastro americano funziona bene) in modo da essere sicuro di scattare sempre foto con la stessa lunghezza focale, durante tutta l’acquisizione.
Un colpo inavvertito potrebbe spostarti lo zoom.
Cambiandoti la lunghezza focale senza che tu te ne accorga.
L’area inquadrata da un focale 22 mm è impercettibilmente diversa da quella presa da un 24 mm
Ma non sono diverse per il processo fotogrammetrico!
La lunghezza focale in fotogrammetria è un parametro davvero rilevante.
È importante che rimanga fissa altrimenti i software di elaborazione potrebbero fare molta fatica a calcolare i parametri di calibrazione tra foto diverse scattate con: un 34 mm, un 37 mm, un 31 mm, un 35 mm, …

IL SUPPORTO

Per sostenere la fotocamera e le ottiche abbiamo usato l’asta graduata che uso per montare il prisma riflettente quando utilizzo la stazione totale.
È un asta in acciaio, a tre sezioni, con bolla sferica che arriva a 5 m di altezza.

Per stabilizzare la posizione ad ogni scatto gli abbiamo accoppiato un bipode con gambe allungabili.

La camera era montata su una testa fotografica a doppia sfera orientabile aggianciata ad una “pinza multifunzionale”, a sua volta fissata alla parte superiore dell’asta.

Perchè hai usato l’asta per il prisma rilfettente?
Perchè è abbastanza solida, arriva in alto ma soprattutto perchè è graduata e si può controllare lo spostamento verticale della fotocamera, ad ogni scatto.
Questo è importantissimo per gestire la geometria di presa e permettere la giusta sovrapposizione tra le foto.

IL CONTROLLO DELLO SCATTO

Se non hai la fotocamera fisicamente in mano devi trovare un modo per scattare le foto e, possibilmente, controllare tutti i parametri e le impostazioni.

Noi abbiamo collegato la fotocamera ad un tablet (Android) con:

1. un cavo USB 3.0 (collegato alla fotocamera);
2. una prolunga USB 3.0 da 5 m;
3. un cavo OTG (On The Go) per collegare l’estremità libera della prolunga al dispositivo di controllo.

Nel tablet è installata l’app qDSLRdashboard.
Costa poco meno di 10€ e ti permette di:

• controllare lo scatto remoto di fotocamere reflex Nikon e Canon oltre che delle mirrorless Sony;
• usare il live view della fotocamera per inquadrare ogni scatto prima di registrarlo;
• cambiare un sacco di parametri della camera: tempi di scatto, apertura del diaframma, ISO, modalità di messa a fuoco, modalità di esposizione, bilanciamento del bianco, formato file, formato video, destinazione dei file delle immagini (scheda di memoria o tablet), e svariate altre cose;
• fare scatti temporizzati;
• calcolare la distanza iperfocale e la profondità di campo in funzione del sensore e dell’ottica;
• fare il bracketing e bloccare l’esposizione;
• rivedere tutte le immagini scattate;
• sfruttare anche il dispositivo wi-fi, eventualmente integrato nella fotocamera.

Funziona davvero bene!

Perchè hai usato un cavo per collegare la fotocamera al tablet?
Perchè la D800 non ha una wi-fi integrata e dovrei prendere un apposito modulo esterno.
Fino ad altezze che non sono proibitive il cavo USB funziona ancora bene.
L’importante è usare del velcro (o altri sistemi analoghi) per raccoglierlo ordinatamente e non trovarselo tra i piedi durante i movimenti.

qDSLRdashboard è l’unica app che ti permette di controllare lo scatto remoto?
No.
Se vai su Google Play Store o sull’App Store di Apple e digiti “DSLR control” trovi un piccolo mondo da esplorare.
Non ho provato molte app di questo tipo.
Sono approdato su questa dopo un po’ di ricerca online.
L’ho provata, mi sono trovato bene mi sono fermato qui!

Se hai altre app da consigliare sarebbe fantastico!
Scrivilo nei commenti!

ANCORA UN ALTRO PAIO DI STRUMENTI

Prima di andare sul campo abbiamo attrezzato l’asta graduata con un supporto per il tablet preso in prestito dagli strumenti in dotazione del mio ricevitore satellitare.
In questo modo il tablet non avrebbe richiesto una coppia di mani dedicate per essere governato (anche se poi, in realtà, è andata proprio così).

E poi ci siamo dotati di metri e rotelle metriche per segnare il percorso da seguire e scattare immagini secondo spostamenti precisi calcolati per rispettare la sovrapposizione di progetto tra le foto (80%).

IL PROGETTO DI PRESA FOTOGRAMMETRICA TERRESTRE

Il progetto di una presa fotogrammetrica è piuttosto importante per acquisire dati buoni e validi da elaborare nella fase di modellazione che segue le attività di campo.
Ma non è complesso.
È tutta una questione geometrica.

La parete che abbiamo rilevato era pressochè verticale ed abbiamo scelto di acquisire immagini frontali.
L’asse ottico era orizzontale.

Questi sono i parametri fotogrammetrici del primo set di immagini:

• Ottica: 24mm
• Distanza di presa: 4m
• GSD (Ground Sampling Distance): 0.8 mm/pixel
• Spostamento laterale: 120 cm
• Spostamento verticale: 80 cm
• Sidelap (sovrapposizione laterale): 80%
• Overlap (sovrapposizione verticale): 80%

E questi quelli del secondo:

• Ottica: 35mm
• Distanza di presa: 3m
• GSD (Ground Sampling Distance): 0.4 mm/pixel
• Spostamento laterale: 60 cm
• Spostamento verticale: 40 cm
• Sidelap (sovrapposizione laterale): 80%
• Overlap (sovrapposizione verticale): 80%

Abbiamo calcolato i parametri usando il foglio di calcolo che puoi scaricare dalle pagine di questo blog.
Dovresti trovarlo nella colonna di destra della Home Page, nel box: “Un foglio di calcolo per il Ground Sampling Distance“.
Oppure lo trovi direttamente a questo link.

Considerando che abbiamo rilevato la stessa parete rocciosa anche con aerofotogrammetria da drone, usando un DJI Phantom 4 Pro a 15 m di distanza, per un GSD di circa 4 mm/pixel, siamo riusciti ad avere tre diversi livelli di dettaglio per elaborare altrettante nuvole di punti tridimensionali che costituiscono una buona base di partenza per le analisi geostrutturali da “non-contatto“.

NOTIZIE DAL CAMPO

Ora che ti ho scritto che cosa abbiamo usato e come ci siamo preparati al rilievo ti dico come è andata sul campo, che cosa ha funzionato e che cosa è andato un po’ meno bene.

HA FUNZIONATO!

E questo credo che sia il risultato più importante.
Non è stato tutto perfetto (anzi!) ma il metodo ha funzionato ed i dati li abbiamo portati a casa.
Nel momeno in cui ti scrivo abbiamo già elaborato i modelli fotogrammetrici e devo dire che i risultati sono davvero interessanti.
Le nuvole dense sono davvero dense!
Quella relativa all’acquisizione più lunga conta poco più di 90 milioni di punti per 30 m di sviluppo e 5 m di altezza…

Il metodo era solido, gli strumenti hanno lavorato, non ci sono stati intoppi o ostacoli insuperabilie.
Abbiamo fatto tutte le foto che avevamo previsto, nel tempo a disposizione.

Ha funzionato!
1-0 per noi!

SERVE UNA GIMBAL PER STABILIZZARE LA FOTOCAMERA?

No.
Oddio, non guasterebbe…
Ma non è necessaria.
La fotocamera che abbiamo usato ha una bolla interna e la possibilità di vedere il cosiddetto “orizzonte virtuale”.
Se metti in bolla l’asta graduata su cui è montata e poi sistemi l’orizzonte virtuale sei abbastanza sicuro di avere una presa controllata.
Considerando che ogni spostamento è una traslazione (laterale o verticale), ci sono buone probabilità che tutto stia come deve stare.

Se tuttavia ci dovesse essere un fuori bolla (e ce ne sono stati!) l’alta sovrapposizione tra le foto (80% + 80%) ti permette comunque di avere sufficienti dati ed informazioni per una buona elaborazione fotogrammetrica.

A 5 METRI DI ALTEZZA L’ASTA FLETTE, TANTO!

Non è successo niente di grave ma abbiamo passato qualche momento da brivido.
La fotocamera pesa 900 grammi, l’ottica 600 grammi, il sistema di fissaggio un altro mezzo chilo.
Sono quasi due chili di massa concentrata a 5 metri di altezza su un asta in acciaio progettata per sostenere un prisma riflettente che, forse, arriva a malapena a pesare 200 grammi.
Si fletteva parecchio!

Questo ha comportato che:

• spostare un’asta così lunga e instabile, con il sistema di stabilizzazione tramite bipode, tablet, supporto e cavo, da solo si è trasformata in un’impresa per niente banale;
• la flessione dell’asta induceva continui movimenti della fotocamera.

Il primo problema l’abbiamo risolto impiegando un altro paio di (preziosissime) mani e rinunciando al sistema di stabilizzazione tramite bipode.
Mentre io facevo la mia personale via crucis con l’asta e la fotocamera, ad ogni stazione di presa, Adriana portava il tablet e gestiva gli scatti.
Aspettava che lo sbandamento flettente si calmasse un po’, controllava l’inquadratura, metteva a fuoco e scattava.

Il secondo aspetto invece era potenzialmente pericoloso per via degli effetti di mosso che avrebbe potuto generare nelle fotografie scattate con tempi di scatto relativamente “lenti” (1/60 di secondo).
In fotogrammetria una fotografia mossa o sfuocata è inservibile per costruire il modello 3D.

Per evitarlo abbiamo modificato le impostazioni ideali di presa fotografica che prevedono ISO bassi e diaframmi chiusi.
Abbiamo dovuto rinunciare ad un po’ di profondità di campo, passando da f/11 a f/5.6, ed abbiamo alzato la sensibilità del sensore da 100 a 400 ISO.
In questo modo siamo riusciti a recuperare 4 stop di espoeizione ed ottenere tempi di scatto più veloci (da 1/500 di secondo), più cautelativi nei confronti dell’effetto mosso.
Tuttavia, in alcune foto fatte alle altezze maggiori ho notato comunque un effetto di “micro-mosso” dovuto al movimento della fotocamera.
Niente di irreparabile ma mancava un po’ di incisione e dettaglio che invece c’era alle altezza inferiori.

Se dovessi riassumere l’esperienza di presa alle varie altezze direi:

• facile fino a 2.0 m;
• stabile da 2 a 3 m;
• impegnativo, ma fattibile, da 3 a 4 m;
• durissima fino ai 5 m!

Sarebbe interessante provare altri materiali, come il carbonio, per cercare di limitare la flessione, avere più resistenza alla rottura e poter aumentare l’altenzza da terra!

LE FOTO INCLINATE NON SONO STATE UN’OPZIONE

Anche se la parete rilevata era quasi del tutto verticale e le foto orizzontali sono andate benissimo per acquisire tutti i dati per l’elaborazione fotogrammetrica, sarebbe stato decisamente più completo avere anche un dataset di immagini inclinate di 45° sull’orizzontale.
In questo modo avremmo informazioni anche di piccole porzioni nascoste, che si sarebbero potute modellare al meglio.

Per fare questo ci sarebbe voluta un’asta molto più alta.
Perdona questa immagine, ma forse funziona meglio di tanto testo per spiegare la geometria della presa obliqua!

Saremmo dovuti andare parecchio in alto per coprire la solita altezza coperta dalla presa frontale.
Al di là del fatto che non avevamo un’asta che superasse i 5 m di altezza, credo che, in quelle condizioni, salire con la camera fino a 7/8 m sarebbe stato come andare sulle montagne russe.
La presa obliqua non è stata un’opzione ed in effetti ci sono dei piccoli buchi nelle nuvole di punti che abbiamo elaborato (sono proprio relativi alle zone nascoste alle foto nella presa frontale).

MA TUTTO ‘STO CASINO PER FARE UNA COSA CHE SI POTEVA FARE CON UN DRONE?

Sì!
🙂
E credo anche che ne sia valsa la pena.

Sono d’accordissimo che un drone avrebbe permesso di essere:

• più veloci,
• più pratici,
• e anche più sicuri.

Ed in effetti il rilievo aerofotogrammetrico l’abbiamo fatto.
È venuto bene, dettagliato e accurato!

Ma credo fortemente nelle prove e nelle sperimentazioni.
Solo così capisci risultati che puoi ottenere con i tuoi strumenti, fino a dove puoi spingerti ed in che modo usarli.
Potrebbe capitarti di dover lavorare in un contesto in cui non puoi usare un drone.
Perchè non puoi volare, o perchè non hai tempo per chiedere ed attendere tutte le autorizzazioni al sorvolo.
E allora perchè non provare con un sistema di questo tipo?
Ha i suoi (tanti) limiti e difetti, ma può funzionare e se ti aiuta a portare a casa il risultato, perchè no?

Inoltre non è immediato (né a buon mercato) avere a disposizione un drone che trasporta una fotocamera full frame da 40 MegaPixel.
Se ce l’hai e vuoi provarlo, sentiamoci assolutamente!
😉

MA NON C’È QUALCOSA DI GIÀ PRONTO DA USARE?

Sì, c’è!
E più di una soluzione.
Se cerchi online trovi facilmente sistemi simili che sono progettati per fare il solito lavoro.
Anzi, sono ottimizzati nei materiali, nei sensori e nei particolari costruttivi.

Te ne segnalo uno su tutti (ma non ci prendo 1 Euro per farlo!) che è il sistema 3DEye di Microgeo.
È in fibra di carbonio ed arrivi a 13 metri di altezza…
13 metri…
Dopo quello che abbiamo fatto a 5 m, mi vengono le vertigini solo a pensarci!

Se lo hai usato e vuoi lasciare un riscontro nei commenti sei benvenuto/a!

So di sicuro che non è economico…

UN INCISO TOPOGRAFICO

Prima di essere, giustamente, ripreso sotto un aspetto topografico, mi preme dirti che un GSD di 1 mm/pixel non ti fa avere un’accuratezza di 1 mm se le misure dei punti di appoggio non sono dello stesso ordine di grandezza (o inferiore!).

Attenzione quindi a fare delle prese fotogrammetriche con GSD bassissimi se poi hai delle coordinate dei GCP misurate con precisioni di 5 cm.
La geometria del modello tridimensionale ti viene comunque bene, ma bisogna andarci cauti sull’accuratezza generale restituita.

Alla fine di questo articolo, che poi è un racconto di esperienza diretta sul campo, spero di averti lasciato delle informazioni utili o degli spunti operativi da seguire se vorrai affrontare la fotogrammetria terrestre.
Prima di attrezzarti con aste, reflex, tablet e cavi puoi sempre fare delle prove anche solo con uno smartphone ed un’asta da selfie.
Non è uno scherzo!
🙂
Ti aiuta a capire, se ne avessi bisogno, come funziona il principio di base della presa fotogrammetrica.

Prima di chiudere del tutto ci tengo a ringraziare tanto Stefano per avermi coinvolto in questo progetto di tesi.
È molto stimolante ed arricchente, per il lavoro, l’ambito operativo e per tutte le cose che sto imparando direttamente.
Grazie a Osvaldo, per la disponibilità ed il supporto logistico.
E grazie davvero ad Adriana per l’aiuto, l’impegno ed il suo entusiasmo, per niente scontati e decisamente non comuni!

Ringrazio anche Pietro, Nicola ed Alessandro per il prezioso lavoro di posizionamento, rilievo e rimozione dei target artificiali durante i rilievi aerofotogrammetrici generali.
Gestire 25 target in una cava di marmo apuano non è per niente banale!

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Ti ringrazio anche per questa volta per il tuo tempo e per la tua attenzione!

A presto!

Paolo Corradeghini