I droni: scelta e applicazioni per fotogrammetria

Nel precedente appuntamento sul mondo dei droni abbiamo introdotto l'attuale scenario previsto da ENAC con la famosa circolare LIC-15, nella quale l'Ente specifica classi e tipologie di drone. Oggi entreremo nel dettaglio delle tecniche aerofotogrammetriche attraverso l'utilizzo di un APR e quali caratteristiche deve possedere per operare in sicurezza e con risultati certi.

I droni: scelta e applicazioni

La fotogrammetria

Il termine fotogrammetria deriva dai termini greci φάος, γράφω e μέτρον, ovvero uno strumento per misurare attraverso la scrittura tramite luce (fotografia). Si tratta di una tecnica che sfrutta l'analisi di una coppia di fotografie stereometriche, ottenute tramite scatti con la camera posta in due posizioni tali da consentire di rilevare forma, posizione e dimensioni dell'oggetto fotografato facendo ricorso alla stereoscopia artificiale.

Questa tecnica di rilievo affonda le sue radici nella geometria descrittiva, il cui studio affonda nei tempi dell'antico Egitto, mentre le prime applicazioni pratiche dei principi geometrici risalgono al 1849 e al 1858 i primi esempi di fotogrammetria aerea.

In quasi 160 anni, per quanto le regole geometriche alla base di questa tecnica non siano mutate, molti passi avanti sono stati fatti nella pratica: da tempo è stata abbandonata la necessità di fare ricorso a camere metriche, grazie all'introduzione del digitale e ad algoritmi informatici in grado di analizzare le fotografie scattate da una macchina digitale. Il più famoso algoritmo di questo tipo è noto con il nome di Scale-Invariant Feature Transform (SIFT), particolarmente utilizzato in Computer Vision (CV) per rilevare e descrivere caratteristiche di un'immagine. Messo a punto da Lowe nel 1999 è stato poi brevettato negli Stati Uniti dalla University of British Columbia (Brevetto US 6,711,293).

Sulla base di questo sono stati poi sviluppati derivati e algoritmi simili che costituiscono il core di famosi programmi di fotogrammetria automatica come Agisoft Photoscan e Pix4D Capture.

Trattandosi di fotogrammetria basata su analisi d'immagine, quindi CV, decadono molti stretti principi che sono alla base della fotogrammetria "tradizionale", in primi la necessità di avere una camera metrica: di fatto qualsiasi set di almeno 3 immagini, 5 consigliate, è in grado di restituire un modello 3D scalabile e texturizzabile. Naturalmente a discapito dell'accuratezza, decisamente inferiore nel caso della CV.

La scelta della camera

Stabilito che alla base della fotogrammetria automatica da drone vi è la camera che cattura le immagini digitali, bisogna spiegare perché la sua scelta è importante ai fini del risultato: essendo la fotografia il risultato di una proiezione spaziale su piano bidimensionale, algoritmi come SIFT non sono in grado di determinare la distorsione indotta dall'ottica sul sensore, introducendo quindi un fattore d'errore tanto più ampio quanto maggiore è la distorsione presente.

Da qui nasce l'esigenza per la fotogrammetria tradizionale di lavorare con camere metriche, camere con ottica fissa il cui livello di distorsione è calcolato a livello industriale e riportato in un certificato che appartiene unicamente a quella camera.

Inoltre, più grande è l'immagine maggiori sono le possibilità di calcolare features; più piccoli sono i pixel del sensore maggiore sarà il dettaglio presente in fotografia.

Fortunatamente il digitale ci viene in aiuto: utilizzando profili standard o calcolando la distorsione di camere prodotte in serie, si possono eliminare gran parte dei problemi di distorsione che rendevano poco accurato il livello di precisione della CV in ambito fotogrammetrico. Ecco dunque che anche l'obiettivo fisheye di una GoPro Hero 4 con FOV di 178° può essere utilizzato per set fotogrammetrici se si istruisce il programma che dovrà analizzare immagini catturate con obiettivo fisheye. In alternativa è possibile "calibrare" la camera attraverso le utility che le stesse software house citate in precedenza mettono a disposizione.

Naturalmente se alla fonte si eliminassero le distorsioni il risultato finale sarebbe indubbiamente più preciso. In ogni caso un programma come Pix4D Capture viene fornito con i profili delle camere dei droni commerciali più famosi precaricati all'interno del proprio database: la lista include i Parrot Bebop 2, i DJI Phantom, Mavic, Inspire 1 e Matrice 100.

Importante infine è la possibilità che la camera registri il file immagine in formato RAW: essendo un formato grezzo non vi è perdita di dati a priori e l'utente ha ampie possibilità di margini nell'elaborazione del file in termini di contrasto, luminosità, nitidezza etc., sviluppando in batch le fotografie tramite appositi programmi come Adobe Lightroom. In ambito fotogrammetrico, risulta di maggiore precisione processare immagini con poco contrasto e una certa "piattezza" dell'immagine, elaborando successivamente la texture del modello 3D, in un processo invertito rispetto all'immagine seguente che mostra le potenzialità d'elaborazione di un file RAW.

Landscape Photography Editing in Lightroom 5/6

La fotogrammetria da drone in pratica

Abbiamo detto in precedenza che le immagini per essere accoppiate stereometricamente devono essere scattate da posizioni precise. Inoltre affinché gli algoritmi di CV siano in grado di individuare le features omologhe è necessario che uno stesso oggetto sia inquadrato in più immagini da posizioni diverse. In questo modo l'algoritmo non fa altro che ricostruire la tridimensionalità della scena in base al movimento della camera, secondo una tecnica che da questo assunto prende il nome di Structure from Motion, o SfM.

Tipicamente le foto verticali devono garantire almeno una sovrapposizione del 60% circa tra immagini successive e tra strisciate una sovrapposizione laterale del 20%, con identica scala e possibilmente con identico tono (ovvero simile radiometria dell'immagine, anche se come detto in precedenza gli algoritmi di tipo SIFT sono poco influenzati dal tono dell'immagine).

Poiché manualmente è complesso ottenere in maniera corretta un tale livello di precisione per centinaia di metri di volo, ecco che ci vengono in aiuto molte applicazioni compatibili con i mobile devices utilizzati per pilotare i nostri droni: da DJI Go alla nuova DJI GS Pro, alla citata Pix4D Capture, passando per molte altre app in grado di impostare il volo automatico su percorso e waypoint del nostro drone (Inflight, etc.). Si disegna a schermo la porzione di territorio da sorvolare per la ripresa e l'app calcolerà automaticamente le linee di volo e la frequenza di scatto per garantire il corretto livello di sovrapposizione delle immagini.

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Posted by Archeo Staff

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