come spiegare i rilievi topografici con il drone?

Qualche giono fa mi è capitato di uscire per un rilievo con un mio collega/cliente.

Si trattava di un semplice rilievo celerimetrico “di corsa”, di un piccolo lotto nel quale è in corso di costruzione un fabbricato. Oggetto del rilievo era il posizionamento di una mura di sostegno all’interno del lotto e la verifica di alcuni dislivelli interni al lotto.

Mi capitano spesso questo tipo di piccoli rilievi e sto cercando di proporre il rilievo aerofotogrammetrico da drone per la caratterizzazione dei luoghi.

Il collega mi fa “No, facciamo il rilievo tradizionale! …tanto… per quello che serve a noi…” (!)

A dire il vero non credo che un rilievo con drone fosse “necessario” e nemmeno troppo “preferibile”, dato che dopo la presa fotografica avrei dovuto comunque far lavorare il pc diverse ore per il processo di ricostruzione SFM… ma sto cercando di mostrare le potenzialità di questa tecnica, anche in queste occasioni.

Non ho insistito e ho proceduto con quanto richiesto, ma sinceramente sono un po’ dispiaciuto nel sentire questo genere di risposte, sopratutto quando arrivano da altri colleghi.

Sono convinto che la fotogrammetria sia un sistema di rilievo in grado di caratterizzare con dettaglio e accuratezza un oggetto o luog, in tempi brevi (sul campo) e con moltissimi dettagli, che impiegherebbero tempi estremamente lunghi, troppo lunghi, per essere rilevati convenientemente con sistemi topografici “tradizionali”.

Secondo me è come “portarsi a casa una copia digitale della realtà”… se mi passate il termine!

Questo stesso collega è solito tornare più volte sullo stesso sito per eseguire integrazioni di misure, magari per necessità del cliente che non sono state ben espresse o mal interpretate, ma spesso per una assenza di programmazione o, come la chiamo io, una fretta inefficiente.

Sono convinto che lui, come tanti altri colleghi, sostanzialmente non si “fidino” di un rilievo fatto rilevando “pochi” punti a terra e facendo volare un piccolo giocattolino come il DJI Spark (è il drone con cui lavoro di solito). Probabilmente si fermano alle apparenze!

effettivamente il DJI Spark è proprio piccolino

Quando spiego che con quel piccolo drone non è un giocattolo ma uno strumento di lavoro, la reazione, spesso (troppo spesso) è una sorta di perplessità mista a fastidio. Probabilmente con un drone MOLTO più grosso l’effetto non sarebbe lo stesso!

un DJI Agras MG-1S, un drone piuttosto “grande” (fotogramma di un video dal sito dji.com)
confronto dei droni “consumer” di DJI (immagine dal sito di polarprofilters.com)

Sono convinto che uno strumento sia per l’appunto “solamente” uno strumento: bisogna studiarlo, conoscerlo, capirne le potenzialità, rispettarne i limiti (ma a volte superarli), e saperlo applicare ai vari contesti.

Ho deciso quindi di scrivere questo articolo per cercare di spiegare in cosa consista un rilievo topografico con drone.

Cercherò di percorrere tutti i passaggi necessari a ottenere un risultato professionale, in ambito topografico, utilizzando un drone per rilevare un’area.


Partiamo dalla fine!

Cominciamo dalla fine: quando eseguiamo un rilievo topografico, stiamo “rispondendo” ad una richiesta del nostro cliente. E’ necessario prima di tutto comprendere questa richiesta!

Faccio un esempio: il cliente ci chiede una planimetria con indicata la distanza tra un fabbricato e una linea ferroviaria, vale la pena di estendere il rilievo a zone troppo distanti dal fabbricato? Probabilmente no!

Un altro caso: il cliente ci chiede di “verificare” il confine tra la sua proprietà e quella del vicino. Non ci dice altro. Si tratta di un riconfinamento? Si porterà dietro una serie di criticità tipiche del riconfinamento? Dovremo picchettare dei confini? Bisogna approfondire!

Ogni rilievo è una storia diversa, ogni cliente ha le sue esigenze, sta a noi interpretarle.


L’elaborato consegnato al cliente

Definito la natura dell’incarico, individuato il “cosa” serve al nostro cliente, dobbiamo individuare le caratteristiche degli elaborati che gli consegneremo.

Nella quasi totalità dei casi che mi son capitati fin’ora, la richiesta era di fornire un disegno cad (o la relativa stampa) rappresentante gli elementi di interesse in una planimetria 2D, eventualmente etichettati con la materializzazione del punto e con l’indicazione della quota altimetrica (spesso in un riferimento locale con origine più o meno definita, tipo lo “zero” del rilievo sulla quota della strada, con disegnati i contorni dei fabbricati, i confini, le curve di livello e spesso altri elementi di interesse (pozzetti, sottoservizi, ecc…), qualche sezione/profilo e poco altro.

Eccetto un paio di occasioni non mi è mai stato richiesta una georeferenziazione del rilievo in un sistema di riferimento cartografico specifico (WGS84, ecc…).

rilievo celerimetrico
rilievo celerimetrico e ortofoto
dettaglio

Come ottenere tutto questo?

Naturalmente è possibile rilevare ogni elemento richiesto con i classici sistemi tradizionali tipo la stazione totale o un ricevitore GNSS (il GPS, per gli amici): si è sempre fatto ed è sempre andato bene, e ancora va bene!

Ma esiste anche la fotogrammetria, ed ha dei vantaggi in termini di elementi raccolti in fase di rilievo.


cos’è la fotogrammetria?

la fotogrammetria è una tecnica di rilievo (indiretta) che permette, mediante l’acquisizione e l’analisi di fotografie (tradizionalmente “coppia di fotogrammi stereometrici”), di ricostruire dati metrici di posizione, dimensione e forma di un oggetto o punto.

Per il rilievo topografico, mediante fotogrammetria, si parla generalmente di aerofotogrammetria, in quanto le immagini sono scattate con una fotocamera posizionata in aria.

La fotocamera, da sola, non è uno strumento di misura! Le immagini contengono gli elementi che servono alla ricostruzione fotogrammetrica, ma da queste immagini, da sole, non è possibile sapere la dimensione di quello che viene fotografato (eccetto nei casi di utilizzo di sistemi stereometrici particolari).

E’ quindi necessario, comunque, rilevare le coordinate di una serie di punti che, utilizzati all’interno del processo fotogrammetrico (tipicamente utilizzando uno specifico e particolare software), permettano di caratterizzare in modo metrico attendibile, gli elementi rappresentati nelle fotografie.

E’ un pò come quando guardiamo un oggetto con i nostri occhi, e ne stimiamo le dimensioni. i nostri occhi non sono “strumenti di misura”, ma ci permettono di ottenere delle informazioni che il nostro cervello elabora restituendoci moltissime informazioni sul mondo che ci circonda!

Lo so, lo so, sto semplificando moltissimo, ma lo scopo è quello di dare un’inquadratura a questo genere di approccio.


il rilievo con il drone

il drone (tecnicamente si chiama APR: Aeromobile a Pilotaggio Remoto) è un oggetto che ci permette di portare “qualcosa” in aria. Generalmente questo “qualcosa” è una fotocamera.

Nella più semplice delle configurazioni, un drone può trasportare (o avere integrata nella sua struttura) una fotocamera che ci permetterà di scattare fotografia da un punto che non possiamo raggiungere in un altro modo.

La nostra fotocamera, montata a bordo del drone, ci permetterà di scattare fotografie dall’alto, permettendoci di applicare la fotogrammetria al rilievo topografico del territorio.

Possiamo scegliere la posizione da dove scattare le fotografie e da che quota, sempre rispettando le (tante) norme che regolamentano il traffico aereo!


l’appoggio a terra

Le fotografie da sole non bastano. Bisogna sempre rilevare alcuni punti con sistemi topografici di precisione. Le coordinate di questi punti (espresse in un sistema locale o in un sistema di riferimento specifico) serviranno ai software di ricostruzione fotogrammetrica per l’ottimizzazione della ricostruzione e per posizionare, scalare e rappresentare in maniera metricamente corretta l’oggetto del nostro rilievo.

L’appoggio a terra è realizzato mediante il rilievo topografico tradizionale (stazione totale, antenna GNSS/GPS) di punti che siano ben visibili sulle fotografie che dobbiamo scattare, e che siano anche omogeneamente distribuiti sulla superficie da rilevare, sia dal punto di vista planimetrico che altimetrico.

I punti da rilevare possono essere scelti sia usando elementi esistenti (pozzetti stradali, spigoli e vertici di segnaletica orizzontale, un segno particolare su una roccia, ecc…) che utilizzando degli oggetti artificiali fatti apposta per questo scopo (tag artificiali per fotogrammetria: oggetti realizzati con vari materiali, generalmente quadrati rifiniti con motivi ad alto contrasto).

questi sono tag artificiali “generici”, vanno bene in tutti i programmi di fotogrammetria
alcuni software riconoscono automaticamente i propri tag personalizzati e gli attribuiscono automaticamente un id, alcuni di questi tag sono molto belli!

Naturalmente, durante l’appoggio a terra, è possibile rilevare anche altri punti (spigoli fabbricati, picchetti, stanti di recinzioni, croci sopra ai campanili, ecc… 🙂 ).

tipo i “punti fiduciali” catastali… ammesso di trovarli 🙂

la nuvola di punti

il processo fotogrammetrico (moderno), realizzato mediante presa fotografica, appoggio a terra ed elaborazione mediante specifici software (sfm; structure from motion), si conclude con la generazione di un particolare tipo di oggetto: la nuvola di punti.

una vista complessiva di un rilievo aerofotogrammetrico, aperto in CloudCompare

La nuvola di punti non è altro che un insieme estremamente denso di punti, caratterizzati dalla posizione (x, y e z) espressa in un sistema di riferimento noto (locale o cartografico) e rappresentati anche con il colore “reale” sul posto. Un nuvola di punti può essere più o meno densa; può contenere solo alcuni milioni di punti o anche decine di milioni di punti. La densità di questi punti la possiamo scegliere noi, in base al risultato che vogliamo ottenere.

lo stesso rilievo dell’immagine precedente, dove si possono vedere i punti di controllo (i tag), la zona blu è un “buco” nella nuvola di punti: la presa fotografica era esclusivamente zenitale

E’ bene quindi pianificare un rilievo fotogrammetrico avendo sempre presente il risultato finale. In quel senso è il caso di partire dalla fine.

ho lasciato il bagagliaio della mia auto aperto, durante il volo del drone… e il cavalletto della stazione totale era appoggiato sul muretto di sostegno

le rose (?)

La nuvola di punti è quindi il nostro oggetto finale?

Assolutamente no! è il punto di partenza per le successive elaborazioni.

Il nostro cliente vuole una planimetria del sito, con le curve di livello, i contorni dei fabbricati, i limiti di strade, capezzagne e delle recinzioni di confine?

Prenderemo la nuvola di punti, la “ricalcheremo” ottenendo i contorni che ci interessano, la sezioneremo, ottenendo i profili (certo… poi dovremmo comunque completarli con quote, distanze, tratteggi ecc…).

l’elaborazione della nuvola di punti mi ha permesso di generare planimetrie, sezioni e profili da consegnare al cliente, così come richiesto!

Ma se il nostro cliente un giorno volesse rilevare anche la posizione degli alberi presenti sul posto, non dovremo nemmeno tornare a misurare qualcosa: la nuvola di punti contiene già OGNI elemento visibile al momento del rilievo, alberi compresi.

Non ci resterà altro che riprendere la nuvola di punti generata e organizzare i dati per ricavarne la posizione (ma anche altro) degli elementi che ci vengono richiesti in un secondo momento.

La fotogrammetria ci permette quindi di avere a portata di mano un modello tridimensionale del sito rilevato, con il quale ottenere tutti gli elaborati che ci possono venire richiesti.

Certo… è possibile anche rilevare ogni albero, ogni pianta ogni elemento “interessante” sul posto, con la stazione totale o con l’antenna satellitare… ma quanto ci vorrebbe??

O ancora: possiamo realizzare un “piano quotato” di un vigneto in collina, generando le curve di livello… ma indicando ANCHE (se vogliamo e ci viene richiesto) la posizione di ogni singola vite. Sarebbe un “delirio” misurare ogni cosa con una battuta di stazione totale…. lunghissimo e dispendioso!

E quindi… benvenuta nuvola di punti, anche nei “piccoli rilievi”.


…e le spine!

Certo… non basta “premere un bottone”, far volare il drone e in automatico il gioco è fatto; come per tutte le tecniche di rilievo, anche la fotogrammetria va studiata e correttamente applicata. Ci sono tante cose da sapere (le spine)!

Bisogna sapere che tipo di foto scattare (o far scattare), come e dove scattarle, cosa rilevare sul posto, come verificare la qualità delle immagini e dei dati ottenuti, bisogna saper trattare la nuvola di punti e ricavare i dati richiesti, bisogna conoscere la topografia, la fotografia, e bisogna conoscere gli strumenti che servono (stazione totale, antenna satellitare, trigonometria, fotocamera, obiettivi, esposimetro, ecc…). Bisogna scegliere l’altezza e la velocità del volo, bisogna stabilire traiettorie, le sovrapposizioni frontali e laterali delle fotografie, bisogna esporre correttamente le immagini e bisogna trattarle in modo da tirare fuori dati robusti e accurati. Tutte operazioni necessarie per ottenere un risultato corretto, attendibile e preciso!

Ci sono davvero tante, tante cose da sapere, non è per nulla banale, ma senza ombra di dubbio è un sistema estremamente efficace di rilevare il territorio e le architetture, e oggi è un sistema accessibile ai tecnici.


conclusioni

In questo articolo non ho voluto entrare nel dettaglio di ogni singola fase di un rilievo topografico erofotogrammetrico.

Non ho la pretesa di essere un “esperto” della fotogrammetria.

Mi occupo di rilievi topografici per conto di colleghi, tecnici e altri clienti e mi rendo conto che è ancora difficile parlare di “rilievi con i droni”. Spesso l’interlocutore pensa ai droni come a “giocattoli” e non come a strumenti.

Ho voluto fare una panoramica del rilievo aerofotogrammetrico con drone, mostrado che è possibile produrre risultati professionali che non sono da meno di un rilievo tradizionale, anzi!

Vorrei, con questo articolo, che passasse il concetto che oggi è possibile usare un drone insieme agli strumenti della topografia e che è possibile ricavare veramente tanti dati dai rilievi aurofotogrammetrici.

…immagine troppo simpatica… NON potevo NON metterla!

Mi scuso in anticipo per mancanze e semplificazioni (spero non troppo estreme) nell’esposizione.

E’ un articolo introduttivo, spero possa essere l’inizio di un percorso.

Se avete voglia, potete usare i commenti qui sotto per condividere anche la vostra esperienza, ne sarei molto felice!

Grazie per aver avuto la pazienza di giungere fino alla fine dell’articolo, spero di non avervi annoiato!!

Grazie!

come spiegare i rilievi topografici con il drone?
Tag: