Telerilevamento di prossimità con micro-droni: strumenti, tecnica ed esempi di casi d’uso

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Slides presentate a Palermo il 30/06/2010 in occasione del seminario "Il telerilevamento multiscala: dai satelliti ai micro-droni":

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Telerilevamento di prossimità con micro-droni: strumenti, tecnica ed esempi di casi d’uso

  1. 1. Informatica per il territorio Telerilevamento di prossimità con micro-droni: strumenti, tecnica ed esempi di casi d’uso Antonio D’Argenio Consorzio Ticonzero
  2. 2. Introduzione GLI U.A.V. 12 luglio 2010
  3. 3. UAV Unmanned Aerial Vehicle  Classe di aeromobili senza pilota a bordo  Pilotaggio  stazione di controllo a terra  Nati per scopi militari  applicazioni civili  Tecnologia matura  semplifica il rilevamento di aree circoscritte Terminologia equivalente: RPV (Remotely Piloted Vehicle), ROA (Remotely Operated Aircraft), UVS (Unmanned Vehicle System) o semplicemente Droni Informatica per il territorio
  4. 4. Classi di UAV Raggio Altitudine Autonomia Massa Categoria Sigla (km) (m) (ore) (kg) Micro m (Micro) < 10 250 1 <5 Mini Mini < 10 150 to 300 <2 150 Close Range CR 10 a 30 3000 2 to 4 150 Short Range SR 30 a 70 3000 3 to 6 200 Medium Range MR 70 a 200 5000 6 to 10 1250 Medium Range MRE > 500 8000 10 to 18 1250 Endurance Low Altitude LADP > 250 50 to 9000 0.5 to 1 350 Deep Penetration Low Altitude Long LALE > 500 3000 >24 < 30 Endurance Medium Altitude MALE > 500 14000 24 to 48 1500 Long Endurance Fonte: UAV Association - http://www.uavs.org Informatica per il territorio
  5. 5. Alcuni esempi Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  6. 6. Alcuni prodotti industriali Modello Copter Blimp 37 MD4-200 MD4-1000 Draganfly PIXY 29.40 Drone IT180- 1B X6 5 TH Tipologia Elicottero Dirigibile Quadricottero Quadricottero Esacottero Parapendio Elicottero Classe Mini Mini Micro Mini Micro Mini Mini Capacità di carico (kg) 5 10 0,2 1,200 0,5 6 5 Peso (kg) 8,5 0,9 2,650 1 5,6 10 Dimensioni in volo (cm) 200 900x300 70 103 99x85x 25.4 295 (vela) 180 Dimensioni a terra (cm) 200 70 80 68x30x25.4 84x63x53 180 Raggio d'azione (m) 5000 500 1000 500 1000 Altitudine massima (m) 1500 150 150 1000 500 3000 Intervallo vel.(km/h) 0 – 50 3 – 15 0 – 90 Velocità (km/h) 40 54 10 Autonomia (min) 45 60 20 70 18 60 90 Motore A scoppio Elettrico 4 x brushless 4 x brushless 6x A scoppio A scoppio, brushless elettr. Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  7. 7. miniUAV md4-1000 Capacità di carico 1,2 kg Peso 2.65 kg Dimensioni in volo 103 cm Dimensioni a terra 80 cm Raggio d'azione 500 m Altitudine 1000 m massima Autonomia di volo 70 minuti Condizioni di volo Vento fino a 25 km/h Motore Elettrico (4 x brushless) Velocità di crociera 54 km/h GPS  Pilota automatico  Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  8. 8. mUAV – md4-200 Capacità di carico 0,2 kg Peso 0,9 kg Dimensioni in volo 70 cm Dimensioni a terra 70 cm Raggio d'azione 500 m Altitudine 150 m massima Autonomia di volo 20 minuti Condizioni di voloVento fino a 15 km/h Elettrico (4 x 250W Motore flatcore brushless motors) Panasonic lumix fx35 Strumenti di (video) ripresa Pentax optio A40 (foto) GPS  Pilota automatico  Informatica per il territorio
  9. 9. Campi di applicazione in ambito civile Appl. Architettura, P.A. Protezione Sicurezza Informazione Comunica- scientifiche Ing. Civile Civile zione Agricoltura Rilievi di Monitoraggio Prevenzione Videosorve- Documenta- Mercato di precisione edifici e abusi edilizi ed analisi glianza zione eventi immobiliare manufatti ed estrattivi delle criticità Archeologia Restituzioni Smaltimento Monitoraggio Documenta- Cronaca Ricettività 2D e 3D illecito dei delle zione rifiuti emergenze incidenti Geologia Esame di linee Monitoraggio Indagini Riprese video Web-video elettriche cantieri ed opere pub. Biologia Sopralluoghi Catasto Attività incendi produttive e commerciali Punto di osservazione Strumento di misura ed analisi Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  10. 10. … riassumendo …  Punti di osservazione per fotografia  Piani verticali di edifici, fronti di cava, …  Ricognizione video  Immagini e video per eventi o pubblicità Prevalentemente in volo manuale Più complesso è soddisfare le esigenze tecniche di ripresa a fini fotogrammetrici o per la misura di grandezze fisiche tuttavia… Informatica per il territorio
  11. 11. Pianificazione in ambiente GIS  … la pianificazione in ambiente GIS di voli con micro e mini UAV ad alto livello di automazione apre la strada a:  fotogrammetria aerea di prossimità (ortofoto e modelli numerici)  telerilevamento di prossimità (multispettrale, termografia, …)  … generando prodotti direttamente gestibili in ambiente geospaziale Informatica per il territorio
  12. 12. Vantaggi della pianificazione  In fotogrammetria  Ottimizzazione del numero di scatti in funzione dell’overlap e del sidelap desiderato  Ottimizzazione dei tempi di esecuzione di riprese complesse  Esecuzione di riprese nadirali e oblique, su superficie piana, su pendio, in rotta circolare intorno ad obiettivo fisso  Footprint costante in riprese su pendio  Realizzazione di serie temporali  Eseguire voli “precisi” in condizioni sfavorevoli Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  13. 13. Vantaggi dei droni  rapida programmazione del piano di volo  risoluzione spaziale e spettrale customizzabili  assenza di disturbi dovuti a copertura nuvolosa  costo inferiore  logistica di esercizio notevolmente semplificata: il suo impiego è facile e veloce  assenza di autorizzazioni richieste Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  14. 14. Strumenti COMPONENTI DI UNA PIATTAFORMA DI VOLO 12 luglio 2010
  15. 15. Componenti di una piattaforma di volo  Vettore  Stazione base  Radiocomando  Sensori  Software Informatica per il territorio 12/07/2010 15
  16. 16. Vettore Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  17. 17. Stazione base Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  18. 18. radiocomando  Banda 35 MHz Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  19. 19. Sensori di ripresa Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  20. 20. Software Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  21. 21. Sistemi di stabilizzazione e posizionamento DENTRO IL DRONE 12 luglio 2010
  22. 22. Gerarchia dei sensori usati nella navigazione GPS INS MAG Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  23. 23. Sistema di posizionamento  I satelliti forniscono GPS  La loro posizione INS MAG  Un orario preciso  Le distanze sono determinate dal tempo di viaggio del segnale  Il ricevitore calcola la posizione attraverso  I dati di almeno 4 satelliti  I valori da calcolare sono 4: posizionamento lungo gli assi X,Y,Z e il tempo Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  24. 24. Posizionamento - GPS 1 satellite: superficie di una sfera 2 satelliti: cerchio di intersezione 3 satelliti: punto di intersezione Assunzione: i segnali di ciascun Sfortunatamente satellite si diffondono in maniera lineare ed a velocità costante sbagliato Informatica per il territorio Seite 24
  25. 25. GPS – Fonti di errore  Fonti di errore: riflessione del segnale  Frequente nelle aree urbane e sugli specchi d’acqua.  Riconoscibile se il segnale di un satellite viene identificato più volte dal drone  i dati errati sono scartati  Non distinguibile se il segnale è ricevuto solo una volta  I dati errati possono portare ad errori improvvisi nelle manovre di volo Informatica per il territorio Seite 25
  26. 26. GPS – Fonti di errore Fonti di errore: attenuazione del segnale  Alla periferia delle città, accanto alle montagne, ai margini dei boschi  Perdita di accuratezza  Frequente in fase di decollo e di atterraggio  L’accuratezza aumenta con la quota di volo Informatica per il territorio Seite 26
  27. 27. INS  Riconoscimento dei movimenti tramite sistema inerziale  Il sistema include:  3 sensori accelerazione per movimenti lineari  3 sensori per movimenti circolari  Movimenti tracciati lungo tutti e tre gli assi Informatica per il territorio Seite 27
  28. 28. Rilievo di edifici Fotogrammetria da immagini nadirali Modellistica di scavo e di oggetti naturali ESEMPI 12/07/2010 28
  29. 29. Rilevo di edifici  Rilievo di un’area in via di riqualificazione  Palermo, centro storico  Consorzio Ticonzero  Obiettivo: restituzione CAD degli ingombri degli edifici e dei manufatti presenti nell’area in esame Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  30. 30. Fasi di lavoro  Analisi dell’area:  Ingombri massimi area  Analisi eventuali ostacoli e interferenze elettromagnetiche  Punti GPS  Punti stazione totale Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  31. 31. Fasi di lavoro  Pianificazione del volo  Utilizzo del software di controllo e pianificazione voli per md4-200* e di utility di calcolo  Input: quota di base, overlap e sidelap, caratteristiche ottiche della fotocamera, footprint attesa, dimensione in metri del pixel, … * md cockpit Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  32. 32. Fasi di lavoro  Sul campo  Calibrazione fotocamera  Esecuzione dei voli  Automatico: 50 immagini  2 voli in automatico, 45 minuti sul campo  Manuale: esecuzione di coperture in aree a rischio troppo elevato per il volo automatico (accuratezza posizionamento GPS) Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  33. 33. Fasi di lavoro  Acquisizione immagini Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  34. 34. Fasi di lavoro  Elaborazione: inserimento dei punti della stazione totale e calcolo degli orientamenti esterni in Photomodeler Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  35. 35. Fasi di lavoro  Elaborazione: individuazione dei punti e dei lineamenti principali in Photomodelerer Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  36. 36. Fasi di lavoro  Elaborazione: individuazione dei punti e dei lineamenti principali in Photomodelerer Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  37. 37. Fasi di lavoro  Restituzione CAD degli ingombri Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  38. 38. Fotogrammetria  Rilevamento fotogrammetrico di uno scavo archeologico attivo  la Pieve di San Pietro in Pava, a San Giovanni D'Asso (SI)  LAP&T (Laboratorio di Archeologia del Paesaggio e Telerilevamento, Università di Siena) e Zenit srl, 2008  Obiettivo: documentazione delle diverse fasi dello scavo mediante modelli stereoscopici e 3D Informatica per il territorio
  39. 39. Fasi di lavoro  Analisi dell’area: rilevamento con GPS differenziale degli ingombri massimi dell'area attiva Informatica per il territorio
  40. 40. Fasi di lavoro  Pianificazione del volo  Utilizzo del SW di pianificazione voli per md4-200 in ambiente GIS,  Input: quota di base, overlap, sidelap, caratteristiche ottiche della fotocamera (focale, dim. sensore, ...), footprint attesa, … Informatica per il territorio
  41. 41. Fasi di lavoro  Esecuzione dei voli :  112 immagini → 3 voli distinti, 70 minuti sul campo Informatica per il territorio
  42. 42. Fasi di lavoro  Elaborazione (SW per fotogrammetria di immagini, risultati delle telemetrie e dati di volo) Informatica per il territorio
  43. 43. Risultati: DSM modello estratto con elaborazione a partire dalle immagini a 25m Informatica per il territorio
  44. 44. Fotogrammetria  Rilevamento fotogrammetrico di uno scavo archeologico attivo  Parco di Veio  Zenit srl e Menci Software, 2010  Obiettivo: modellazione 3D dello scavo archeologico Informatica per il territorio
  45. 45. Fasi di lavoro  Analisi dell’area  Pianificazione Informatica per il territorio
  46. 46. Fasi di lavoro  Esecuzione del volo Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  47. 47. Fasi di lavoro  Ricostruzione degli orientamenti esterni Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  48. 48. Fasi di lavoro  Modello preliminare a 30 mm Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  49. 49. Fasi di lavoro  DEM a 7 mm Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  50. 50. Fasi di lavoro  Vista nadirale ricostruita area grande Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  51. 51. Fasi di lavoro  DEM a 7 mm Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  52. 52. Telerilevamento  Valutazione di salute e produttività in vigneto con indagine IR aerea di prossimità  Volpera di Adro (BS)  Precision Farming srl, Terradat srl, Zenit srl, 2008 e 2009  Obiettivi: studio di fattibilità, messa in opera di procedure esecutive  2008: test di osservazione con una videocamera per visione notturna filtrata, montata su md4-200  2009: test operativo con SigmaDP1 (gamma: 180 - 1200nm), filtrata e montata su md4-200 Informatica per il territorio
  53. 53. Fasi di lavoro  Pianificazione  Determinazione da repertorio cartografico dei confini dell'area di interesse  Utilizzo del SW di pianificazione voli per md4-200 in ambiente GIS  Input: quota di base, area di interesse, quota massima, caratteristiche ottiche della fotocamera (focale, dim. sensore, ...) Informatica per il territorio
  54. 54. Fasi di lavoro  Esecuzione voli  16 immagini (8 visibile + 8 IR)  2 diversi filtri applicati con ritorno alle stazioni della prima ripresa Informatica per il territorio
  55. 55. Fasi di lavoro  Esempio di scatti in visibile e IR Informatica per il territorio
  56. 56. Fasi di lavoro  Verifica sul campo della copertura Informatica per il territorio
  57. 57. Fasi di lavoro  Elaborazione immagini  Contrasto: stretching lineare  Correzione prospettica: risultati delle telemetrie e dati di volo e GCP ed elaborazione immagini rettificate in color-slicing Informatica per il territorio
  58. 58. Risultati: confronto satellite - drone NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) IR da drone – Ottobre 2009 da ortofoto MS – Giugno 2009 Informatica per il territorio

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