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

  • Informatica per il territorio Telerilevamento di prossimità con micro-droni: strumenti, tecnica ed esempi di casi d’uso Antonio D’Argenio Consorzio Ticonzero
  • Introduzione GLI U.A.V. 12 luglio 2010
  • 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
  • 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
  • Alcuni esempi Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • … 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • Strumenti COMPONENTI DI UNA PIATTAFORMA DI VOLO 12 luglio 2010
  • Componenti di una piattaforma di volo  Vettore  Stazione base  Radiocomando  Sensori  Software Informatica per il territorio 12/07/2010 15
  • Vettore Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Stazione base Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • radiocomando  Banda 35 MHz Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Sensori di ripresa Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Software Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Sistemi di stabilizzazione e posizionamento DENTRO IL DRONE 12 luglio 2010
  • Gerarchia dei sensori usati nella navigazione GPS INS MAG Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • Rilievo di edifici Fotogrammetria da immagini nadirali Modellistica di scavo e di oggetti naturali ESEMPI 12/07/2010 28
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • Fasi di lavoro  Acquisizione immagini Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Fasi di lavoro  Elaborazione: inserimento dei punti della stazione totale e calcolo degli orientamenti esterni in Photomodeler Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Fasi di lavoro  Elaborazione: individuazione dei punti e dei lineamenti principali in Photomodelerer Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Fasi di lavoro  Elaborazione: individuazione dei punti e dei lineamenti principali in Photomodelerer Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Fasi di lavoro  Restituzione CAD degli ingombri Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • 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
  • Fasi di lavoro  Analisi dell’area: rilevamento con GPS differenziale degli ingombri massimi dell'area attiva Informatica per il territorio
  • 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
  • Fasi di lavoro  Esecuzione dei voli :  112 immagini → 3 voli distinti, 70 minuti sul campo Informatica per il territorio
  • Fasi di lavoro  Elaborazione (SW per fotogrammetria di immagini, risultati delle telemetrie e dati di volo) Informatica per il territorio
  • Risultati: DSM modello estratto con elaborazione a partire dalle immagini a 25m Informatica per il territorio
  • 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
  • Fasi di lavoro  Analisi dell’area  Pianificazione Informatica per il territorio
  • Fasi di lavoro  Esecuzione del volo Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Fasi di lavoro  Ricostruzione degli orientamenti esterni Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Fasi di lavoro  Modello preliminare a 30 mm Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Fasi di lavoro  DEM a 7 mm Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Fasi di lavoro  Vista nadirale ricostruita area grande Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • Fasi di lavoro  DEM a 7 mm Informatica per il territorio 12 luglio 2010
  • 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
  • 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
  • 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
  • Fasi di lavoro  Esempio di scatti in visibile e IR Informatica per il territorio
  • Fasi di lavoro  Verifica sul campo della copertura Informatica per il territorio
  • 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
  • Risultati: confronto satellite - drone NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) IR da drone – Ottobre 2009 da ortofoto MS – Giugno 2009 Informatica per il territorio