Fotogrammetria aerea

Come creare mappe e modelli 3D

Per creare una mappa 3D, viene montata una telecamera fotogrammetrica su un drone o su un aereo. La fotocamera drone catturerà centinaia, persino migliaia di foto del terreno,odella struttura che verranno unite in fase di post processing.

Il rilievo fotogrammetrico verrà effettuato con un drone che volerà utilizzando percorsi di volo programmati autonomi chiamati waypoint oppure in volo libero.

Ogni foto acquisita sarà geolocalizzata, con le sue coordinate GPS, che contribuiranno all’elaborazione di un modello 3D.

Qual è l’output dei rilievi aerofotogrammetrici con drone ?

Grazie all’uso dei software per fotogrammetria drone e anche per la mappatura lidar, si possono estrarre molti output utilissimi per la progettazione e il monitoraggio.

I principali output ottenuti da un rilievo fotogrammetrico con drone sono:

• Point Clouds
• Modelli 3D
• DEM
• DTM
• DSM
• Ortofoto
• Curve di Livello
• Sezioni
• Mappe topografiche
• Misure e Calcoli volumetrici

Settori che utilizzano mappe 3D e software di fotogrammetria

Ecco alcuni dei migliori usi della mappatura 3D aerea. Questi settori traggono enormi vantaggi dall’avere mappe 3D precise per i loro progetti. Inoltre, beneficiano di una maggiore efficienza e di costi ridotti rispetto all’utilizzo di velivoli tradizionali.

Gestione e pianificazione forestale
Simulazione esondazioni e alluvioni Flood Modeling
Modellazione dell’inquinamento
Mappatura e cartografia
Pianificazione urbana
Monitoraggio costiero
Pianificazione dei trasporti
Esplorazione di petrolio e gas
Cave e Miniere (Volumetrics and Exploration)
Archeologia
Pianificazione della rete cellulare

 LiDAR

Fotogrammetria

Con il recente sviluppo nello spazio di rilevamento dei droni, ci sono stati molti miti e idee sbagliate su LiDAR e fotogrammetria dell’UAV. In effetti, queste due tecnologie presentano tante differenze quante sono le somiglianze. È quindi essenziale comprendere che offrono prodotti significativamente diversi, generano risultati diversi e richiedono condizioni di cattura diverse, ma soprattutto devono essere utilizzati per diversi casi d’uso.

Non ci sono dubbi che, rispetto ai tradizionali metodi di rilevamento del terreno, entrambe le tecnologie offrono risultati molto più veloci e con una densità di dati molto più elevata (entrambe le tecniche misurano tutti gli oggetti visibili senza interpolazione). Tuttavia, la scelta della migliore tecnologia per il tuo progetto dipende dal caso d’uso, dalle condizioni ambientali, dai termini di consegna e dal budget, tra gli altri fattori. Questo post mira a fornire una panoramica dettagliata dei punti di forza e dei limiti di LiDAR e fotogrammetria per aiutarti a scegliere la soluzione giusta per il tuo progetto.

COME FUNZIONANO ENTRAMBE LE TECNOLOGIE?
Iniziamo dall’inizio e guardiamo più da vicino la scienza alla base delle due tecnologie.

LiDAR che sta per Light Detection and Ranging è una tecnologia basata su raggi laser. Spara laser e misura il tempo necessario per il ritorno della luce. Si chiama così sensore attivo poiché emette la sua fonte di energia invece di rilevare l’energia emessa dagli oggetti sul terreno.

La fotogrammetria sull’altro lato è una tecnologia passiva, basata su immagini che vengono trasformate da modelli cartografici 2D a 3D. Utilizza lo stesso principio utilizzato dagli occhi umani o dai video 3D per stabilire una percezione della profondità, consentendo all’utente di visualizzare e misurare gli oggetti in tre dimensioni. La limitazione della fotogrammetria è che può generare solo punti basati su ciò che il sensore della fotocamera può rilevare illuminato dalla luce ambientale.

In poche parole, LiDAR utilizza i laser per effettuare misurazioni, mentre la fotogrammetria si basa sulle immagini acquisite, che possono essere elaborate e combinate per consentire misurazioni.

OUTPUT DI RILIEVI LIDAR E FOTOGRAMMETRIA

Il prodotto principale del sondaggio LiDAR è una nuvola di punti 3D. La densità della nuvola di punti dipende dalle caratteristiche del sensore (frequenza di scansione e frequenza di ripetizione), nonché dai parametri di volo. Supponendo che lo scanner stia pulsando e oscillando a una velocità fissa, la densità della nuvola di punti dipende dall’altitudine di volo e dalla velocità dell’aeromobile.

Vari casi d’uso potrebbero richiedere diversi parametri di nuvole di punti, ad esempio, per la modellazione di linee elettriche si potrebbe desiderare una nuvola di punti densa con oltre 100 punti per metro quadrato, mentre per la creazione di un modello di terreno digitale di un’area rurale di 10 pts / m2 cloud è sufficiente.

È anche importante capire che il sensore LiDAR è solo posizioni di campionamento senza RGB, creando un set di dati monocromatico che può essere difficile da interpretare. Per renderlo più significativo, i dati vengono spesso visualizzati utilizzando i falsi colori in base alla riflettività o all’elevazione.

Esempio di nuvola di punti prima e dopo l’aggiunta di un attributo colore. Per gentile concessione di TerraSolid
È possibile sovrapporre il colore sui dati LiDAR in post-elaborazione in base a immagini o altre origini dati, tuttavia ciò aggiunge una certa complessità al processo. Il colore può anche essere aggiunto in base alla classificazione (classificando ciascun punto per un particolare tipo / gruppo di oggetti, ad esempio alberi, edifici, automobili, terra, cavi elettrici).

La fotogrammetria, d’altra parte, può generare modelli 3D e 2D a colori (nel vari spettro di luce) del terreno che è più facile da visualizzare e interpretare rispetto a LiDAR. Le uscite principali dei rilievi fotogrammetrici sono immagini non elaborate, ortophotomaps, modelli di superfici digitali e nuvole di punti 3D create dalla cucitura e dall’elaborazione di centinaia o migliaia di immagini. Le uscite sono molto visive con una dimensione in pixel (o Ground Sampling Distance) anche inferiore a 1 cm.

Immagini aerotriangolate e nuvole di punti 3D generate. Schermo dal software Pix4D.
Con questo in mente, la fotogrammetria sembra essere la tecnologia di scelta per i casi d’uso in cui è necessaria una valutazione visiva (ad esempio, ispezioni edili, gestione patrimoniale, agricoltura). LiDAR, d’altra parte, ha alcune caratteristiche che lo rendono importante per casi d’uso particolari.

I raggi laser come tecnologia attiva dei sensori possono penetrare nella vegetazione. LiDAR è in grado di superare gli spazi nella copertura e raggiungere il terreno e gli oggetti sottostanti, quindi può essere utile per generare modelli di terreno digitale.

Il LiDAR è anche particolarmente utile per modellare oggetti stretti come linee elettriche o torri di telecomunicazione in quanto la fotogrammetria potrebbe non riconoscere oggetti stretti e scarsamente visibili. Inoltre, LiDAR può funzionare in condizioni di scarsa illuminazione e persino di notte. Le nuvole di punti di fotogrammetria sono più visive (ogni pixel ha RGB), ma spesso con dettagli generalizzati, quindi potrebbe essere appropriato per oggetti in cui un livello inferiore di dettagli geometrici è accettabile, ma l’interpretazione visiva è essenziale.

Per quanto riguarda la precisione è meglio chiarire la definizione di ciò che è la precisione. Nel rilevamento, la precisione ha sempre due dimensioni: relativa e assoluta. La precisione relativa è la misura di come gli oggetti sono posizionati l’uno rispetto all’altro. L’accuratezza assoluta si riferisce alla differenza tra la posizione degli oggetti e la loro posizione reale sulla Terra (questo è il motivo per cui ogni sondaggio può avere un parente alto ma una precisione assoluta bassa).

Il LiDAR è una delle tecnologie di rilevamento più accurate. Questo è particolarmente vero per i laser terrestri in cui il sensore è posizionato a terra e la sua esatta posizione viene misurata usando metodi geodetici. Tale impostazione consente di raggiungere precisioni di livello inferiore al centimetro.

Raggiungere un alto livello di precisione con il LiDAR aereo è tuttavia molto più difficile in quanto il sensore è in movimento. Questo è il motivo per cui il sensore LiDAR per via aerea è sempre accoppiato con IMU (unità di moto inerziale) e ricevitore GNSS, che forniscono informazioni sulla posizione, la rotazione e il movimento della piattaforma di scansione. Tutti questi dati sono combinati al volo e consentono di ottenere un’accuratezza relativa elevata (1-3 cm) fuori dalla scatola. Per ottenere un’accuratezza assoluta assoluta è necessario aggiungere 1-2 punti di controllo di terra (GCP) e diversi punti di controllo a scopo di verifica. In alcuni casi, quando è necessaria una precisione di posizionamento GNSS aggiuntiva, è possibile utilizzare avanzati sistemi di posizionamento UAV RTK / PPK.

La fotogrammetria consente inoltre di ottenere precisioni di livello 1-3 cm, tuttavia richiede un’esperienza significativa per selezionare l’hardware appropriato, i parametri di volo e elaborare i dati in modo appropriato. Raggiungere un’elevata precisione assoluta richiede l’utilizzo della tecnologia RTK / PPK e GCP aggiuntivi o può basarsi esclusivamente su un numero elevato di GCP. Tuttavia, usando un drone DJI Phantom da 500 dollari con diversi GCP, è possibile ottenere facilmente un’accuratezza assoluta di 5-10 cm per aree di indagine più piccole, che potrebbero essere sufficienti per la maggior parte dei casi d’uso.

ACQUISIZIONE, ELABORAZIONE ED EFFICIENZA DEI DATI
Ci sono anche differenze significative nella velocità di acquisizione tra i due. Nella fotogrammetria uno dei parametri critici necessari per elaborare accuratamente i dati è la sovrapposizione delle immagini che dovrebbe essere al livello del 60-90% (anteriore e laterale) a seconda della struttura del terreno e dell’hardware applicato. Il tipico sondaggio LiDAR richiede solo il 20-30% di sovrapposizione tra le linee di volo, il che rende le operazioni di acquisizione dei dati molto più veloci.

Inoltre, per una fotogrammetria ad alta precisione assoluta sono necessari più punti di controllo del suolo per ottenere la precisione del livello LiDAR. I GCP di misurazione richiedono in genere metodi di rilevamento del terreno tradizionali che implicano tempi e costi aggiuntivi.

Inoltre, l’elaborazione dei dati LiDAR è molto veloce. I dati grezzi richiedono solo pochi minuti di calibrazione (5-30 minuti) per generare il prodotto finale. Nella fotogrammetria, l’elaborazione dei dati è la parte che richiede più tempo dell’intero processo. Inoltre, richiede potenti computer in grado di gestire operazioni su gigabyte di immagini. L’elaborazione richiede in media da 5 a 10 volte più a lungo rispetto all’acquisizione dei dati sul campo.

D’altra parte, per molti casi d’uso come le ispezioni di linee elettriche, i nuvole di punti LiDAR richiedono una classificazione aggiuntiva che potrebbe richiedere molto lavoro e spesso richiede un software costoso (ad esempio TerraScan ).

Costo Lidar drone
Quando consideriamo il costo complessivo dei sondaggi LiDAR e fotogrammetria, ci sono più voci di costo da considerare. Prima di tutto l’hardware. I set di sensori LiDAR UAV (scanner, IMU e GNSS) costano tra € 40.000 e € $ 300.000, ma per la maggior parte dei casi d’uso sono preferibili i dispositivi di fascia alta. Quando investi così tanto in un sensore, non vuoi rovinarlo accidentalmente. Con questo in mente, la maggior parte degli utenti spende altri € 15.000 – € 50.000 per la piattaforma UAV appropriata.

Per la fotogrammetria, tutto ciò che serve è un drone dotato di fotocamera, e questi tendono ad essere molto più economici. Nell’intervallo € 2.000 – € 5.000, puoi trovare un’ampia selezione di dispositivi multirotore professionali come DJI Inspire. Per il livello di prezzo di € 5.000 – € 20.000 è possibile acquistare set compatibili RTK / PPK come DJI Matrice 600 o dispositivi ad ala fissa Sensfly eBee e PrecisionHawk Lancaster.

Un altro elemento di costo è un software di elaborazione. In caso di LiDAR, viene generalmente aggiunto gratuitamente da un produttore di sensori. Tuttavia, la post-elaborazione, ad esempio la classificazione delle nuvole di punti potrebbe richiedere l’utilizzo di software di terze parti, come TerraScan che costa $ 20.000- $ 30.000 per una singola licenza. I prezzi del software di fotogrammetria sono più vicini al livello di € 200 al mese per licenza.

Ovviamente, un altro fattore importante che influenza il costo del servizio è tempo e lavoro. Qui, LiDAR ha un vantaggio significativo rispetto alla fotogrammetria, in quanto non solo richiede molto meno tempo per elaborare i dati, ma anche per stabilire e contrassegnare GCP. Nel complesso, a seconda del modello di business del caso d’uso, non viene fornito

Complessivamente, a seconda del caso d’uso e dei servizi di fotogrammetria del modello di business sono in genere più economici di LiDAR semplicemente perché l’investimento nell’hardware deve essere ammortizzato. Tuttavia, in alcuni casi, i guadagni di efficienza forniti con lidar possono compensare il costo del sensore.

CONCLUSIONI
Confrontando LiDAR e fotogrammetria, la chiave è capire che entrambe le tecnologie hanno le loro applicazioni e limitazioni, e nella maggior parte dei casi d’uso sono complementari. Nessuna di queste tecnologie è migliore dell’altra e nessuna di queste riguarderà tutti i casi d’uso.

Il LiDAR dovrebbe essere certamente utilizzato quando si esaminano strutture strette come linee elettriche o torri di telecomunicazione e per mappare le aree al di sotto della chioma dell’albero. La fotogrammetria sarà l’opzione migliore per i progetti che richiedono dati visivi, ad esempio ispezioni edili, gestione patrimoniale, agricoltura. Per molti progetti, entrambe le tecnologie possono portare dati preziosi (ad es. Miniere o sterri) e la scelta del metodo dipende da un particolare caso d’uso, oltre al tempo, al budget e alle condizioni di cattura, tra l’altro.

LiDAR e fotogrammetria sono entrambe potenti tecnologie se le usi nel modo giusto. È chiaro che con la diminuzione dei prezzi di hardware e software diventerà sempre più disponibile. Entrambe le tecnologie sono ancora agli inizi quando si tratta di applicazioni UAV e, negli anni successivi, assisteremo indubbiamente a ulteriori interruzioni (soprattutto quando si tratta di prezzi dell’hardware e automazione del software di apprendimento automatico). Rimani in sintonia. Ti terremo aggiornato.