HOW TO: aerofotogrammetria con drone e Agisoft Photoscan. Introduzione

La fotogrammetria, letteralmente "misurare con la luce" (dal greco), è una tecnica di rilevamento che consente l'acquisizione 3D ovvero le caratteristiche geometriche di un oggetto attraverso il processamento congiunto di 2 o più immagini che lo ritraggono da posizioni differenti.

Questa tecnica vede le sue basi fondanti nella geometria descrittiva e in particolare sulle leggi della prospettiva, note fin dal Rinascimento grazie agli studi del Brunelleschi e di Leonardo da Vinci tra gli altri: le basi matematiche su cui si fonda la fotogrammetria furono poste nel 1759 dal matematico e fisico Johann Heinrich Lambert, nella sua opera Perspectiva liber.

I primi esempi noti di utilizzo di questa tecnica risalgono al 1858, quando il giovane architetto Albrecht Meydenbauer, utilizzò delle fotografie per ottenere informazioni metriche della cattedrale di Wetzlar, "aggirando" in tal modo il rischio di perdere la vita per eseguire misure dirette. Nel 1859 una relazione del colonnello Aimè Laussedat di fronte alla Commissione dell'Accademia delle Scienze di Parigi, spiegò come fosse possibile ottenere coordinate a terra da una coppia di immagini fotografiche dall'alto, mediante intersezione spaziale dei raggi. Nel 1919 Umberto Nistri effettua per l’Ufficio dell’Agro romano il rilievo fotogrammetrico di un tratto delle rive del Tevere, con capisaldi sistemati e rilevati a terra: è la nascita dell'aerofotogrammetria italiana.

Sotto il profilo dell'acquisizione delle immagini, le prime tracce per la formazione elementare di immagini fotografiche le troviamo nel trattato sistematico di ottica del matematico arabo Alhazer, uscita attorno all'anno 1000 e tradotta in latino nel 1270 col titolo di Opticae thesaurus, laddove si può leggere la descrizione di ciò che a tutti gli effetti è una camera stenopeica. Il grande sviluppo delle macchine fotografiche appartiene naturalmente al XIX secolo, mentre negli anni '90 del XX secolo iniziò l'era della fotogrammetria digitale.

All'inizio del post abbiamo scritto che la fotogrammetria è l'arte di misurare con le immagini. Dunque, lo step 1 è l'acquisizione delle immagini. Poiché parliamo di aerofotogrammetria da drone, ovvero fotografia da remoto, il primo problema da affrontare è la pianificazione della missione di volo.

Sorvoliamo su tutti gli aspetti legati alle autorizzazioni al volo con APR, che s'intendono possedute a questa fase del lavoro. Parliamo invece delle due tipologie di progetto fondamentali:

• Heightfield, ovvero un'immagine usata in computer grafica che contiene informazioni relative all'elevazione della superficie
• Arbitrary 3D, un modello 3D vero e proprio, dettagliato e particolareggiato dell'ambiente reale

Nel primo caso, la pianificazione del volo dovrà prevedere una posizione della camera a 90°, ovvero nadirale (rivolta verso il basso); nel secondo caso si programmerà un volo con camera obliqua, statisticamente tra 45° e 60° di inclinazione. Nulla vieta che si possano programmare missioni miste, ad esempio quando si vuole riprodurre la presenza di un capannone al centro di un campo agricolo. Il campo verrà ripreso in modalità nadirale, il capannone in modalità obliqua. Altro esempio è quello di una chiesa: tetto in modalità nadirale, pareti in modalità obliqua. La complessità di un tale edificio impone un maggior numero di missioni, che vanno dalla missione circolare attorno al campanile, a missioni verticali lungo le pareti dell'edificio.

Affinché l'image matching sia portato a termine, si consiglia una sovrapposizione di immagini orizzontale del 60-80%, laterale di almeno il 70%: questo si rende necessario poiché nel caso del processamento automatico di immagini, 3 punti omologhi appartenenti allo stesso oggetto devono essere visibili su 3 immagini differenti, meglio se 5. Con applicazioni di volo automatico sarà più semplice ottenere questo risultato, nel caso del volo manuale bisogna ricordarsi in particolare quest'ultimo parametro e ricordarsi dove si è volato: naturalmente in queste condizioni meglio abbondare nel numero di fotografie, si potrà fare una selezione a posteriori, in fase di elaborazione.

Altezza del volo

È fondamentale anche scegliere correttamente l'altezza del volo o la distanza dall'oggetto: ogni fotocamera, ovvero ogni coppia sensore+obiettivo, è in grado di distinguere una determinata dimensione di un particolare in base alla distanza dal soggetto. Per calcolare questo parametro si applica una semplice formula, che restituisce il cosiddetto GSD, ovvero il Ground Sampling Distance: quanta porzione di terreno è in grado di discriminare una camera se posta a 40 metri di distanza? In questo caso conta molto la dimensione del sensore e il numero di pixel, che definiscono la sua densità di campionamento: un pixel piccolo sarà in grado di leggere maggiormente il dettaglio, d'altronde un pixel piccolo non sarà in grado di catturare la luce come i pixel più grandi (a parità di dimensione sensore). In rete esistono diversi tool gratuiti che semplificano questo calcolo: ciò che dovrete sapere sono le dimensioni in mm del sensore, il numero di pixel e la distanza finale. Un DJI Phantom 3 Pro lanciato a 40 metri d'altezza, catturerà un GSD di poco superiore a 1 cm, ovvero non sarà in grado di discriminare al suolo particolari più piccoli di 1 cm: se avete bisogno di registrare questi dati, sarà necessario abbassare l'altezza di volo. Un DJI Spark alla medesima altezza, potrà discriminare particolari solo se più grandi di 1,35 cm. Il parametro del GSD naturalmente avrà effetto anche sul dettaglio texture, che viene ricostruita a partire dalle fotografie.

Siamo ancora nella fase preliminare del nostro progetto aerofotogrammetrico, ma nella fase fondamentale del lavoro: l'elaborazione delle immagini, dove andremo ad apportare tutte le correzioni radiometriche necessarie a rendere la nostra immagine migliore per l'image matching.

Fattore assolutamente fondamentale, in questa fase del lavoro non bisognerà mai modificare la dimensione dell'immagine o la distorsione dell'immagine. Gli algoritmi di image-matching sfruttano proprio questi dati, contenuti nell'EXIF, per riconoscere la camera e apportare le correzioni secondo il proprio database o secondo le informazioni fornite dall'utente nel processo di pre-calibrazione.

Le correzioni di base, legate al purple fringing (scarsamente presente nelle fotografie dall'alto), alle aberrazioni cromatiche, alla vignettatura del sensore, al profilo colore, correggono l'immagine senza toccare questi parametri e generalmente tali correzioni vengono applicate automaticamente dai software di elaborazione immagini, come Adobe Lightroom e simili.

Tutto questo si ottiene molto meglio, senza degradare l'immagine, qualora l'originale sia nel cd formato RAW: il JPEG consente interventi più limitati, ma ugualmente importanti.

Ci sono invece due tecniche di miglioramento delle immagini (enfatizzazione) che sono invece "manuali": si tratta del miglioramento del contrasto e del miglioramento della luminosità. Questi parametri agiscono direttamente il primo sui valori radiometrici dell'immagine, il secondo sui valori DN presenti nell'istogramma. È importante che questi valori siano trattati in maniera lineare, attuando spostamenti costanti e contemporanei dei livelli di densità. Se questo provoca una "chiusura delle ombre", è bene aprirle leggermente per aumentare il dettaglio in quell'area; attenzione anche a eventuali effetti sulla saturazione del colore. Bisogna ricordare che in questa fase ciò che interessa ottenere non è una foto da copertina, ma una foto buona per l'image matching fotogrammetrico. A volte una fotografia flat, poco contrastata e leggermente piatta, ma con una corretta definizione radiometrica dei particolari, risulta migliore di una fotografia eccessivamente contrastata, che aiuta il software nel riconoscimento delle feature ma al tempo stesso degrada la texture finale. Questa fase è decisiva affinché il processamento sia corretto dall'inizio alla fine del progetto.

Installiamo il software e avviamolo: l'ultima versione disponibile al momento di scrivere questo articolo è la 1.4.1, che ha finalmente aggiunto la traduzione italiana.

Nella parte superiore dell'interfaccia troviamo il menu e la barra degli strumenti. A sinistra troviamo il pannello del Progetto e la scheda Georeferenze; in basso la Console; al centro ad occupare la porzione più grande il riquadro per la visualizzazione del Modello, nativamente impostata con visualizzazione in Prospettiva a 30°: sarà sufficiente premere il tasto 5 sul pad numerico della tastiera per attivare la visualizzazione Ortografica.

La voce Processi del menù prevede già la sequenza corretta per portare a termine il nostro progetto: dunque clicchiamo su Aggiungi foto e rechiamoci sul nostro hard disk alla ricerca del set di immagini da elaborare.

Vedremo più avanti come rendere semiautomatiche alcune o tutte le operazioni previste grazie alla funzione batch Processa in sequenza.

Importate le immagini, il programma crea automaticamente il cd Chunk 1. Ogni progetto può avere numerosi chunk, ovvero parti del medesimo che possono essere elaborate in maniera separata e poi unite successivamente, ad es. nel caso non si posseggano PC particolarmente performanti (tipico caso dei portatili).

In Strumenti --> Calibrazione fotocamera, dobbiamo verificare che siano stati riconosciuti correttamente i dati EXIF delle immagini: tendenzialmente in progetti processati secondo questa pipeline, ma in generale per la fotogrammetria, è bene ovvero è meglio che tutte le immagini provengano dalla stessa sorgente (ovvero la stessa coppia sensore-obiettivo) e che questa abbia la medesima lunghezza focale per tutti gli scatti. All'interno di questo pannello possiamo anche caricare la pre-calibrazione del sensore, operazione facilmente eseguibile (che vedremo in un futuro tutorial) e che di certo aiuterà il software a migliorare la gestione generale del progetto. Altrimenti possiamo lasciare che ogni volta il programma risolva le equazioni di collinearità calibrando automaticamente la camera con i parametri di scena. In questa finestra verifichiamo anche che che la fotocamera tipo sia stata riconosciuta correttamente: Photoscan, oltre che con le immagini rettangolari (Fotogramma tipo) è infatti in grado di lavorare anche con immagini Fisheye (tipo GoPro), Sferiche (le panografie) e Cilindriche (i panorami a 360°).