La fotogrammetria con drone è un’alternativa alle classiche tecniche di rilevamento terrestre?

La ricerca rileva che i droni possono competere in modo accurato, affidabile ed economico con i tradizionali metodi di mappatura terrestre.

Se sembra che la tecnologia dei droni abbia fatto molta strada negli ultimi anni, è perché lo ha fatto. Un tempo considerati più un gadget che un’attrezzatura specialistica, i droni geospaziali stanno ora cambiando il gioco del rilevamento, utilizzando metodi fotogrammetrici per creare mappe a tempo di record.

Stai cercando di decidere se un drone fotogrammetrico è l’investimento giusto per la tua attività di rilevamento?

Continua a leggere per scoprire come questa tecnologia può aiutarti a risparmiare tempo, fatica e, in definitiva, denaro, senza sacrificare la precisione.

Cos’è la fotogrammetria aerea?

Per capire come i droni possono essere utilizzati nei rilievi, ricordiamo brevemente la fotogrammetria aerea. Implica l’acquisizione di più immagini aeree di un elemento e il loro utilizzo per creare modelli 2D o 3D digitalizzati ad alta risoluzione da cui è possibile dedurre misurazioni accurate. Questo può essere completato con un software di mappatura specializzato che cerca caratteristiche comuni nelle immagini e le usa per unire le tue foto in un modo che offre una rappresentazione accurata di uno spazio. Sebbene in genere sia un punto di coordinate, l’esatta caratteristica comune può variare in base al tipo di fotogrammetria che stai utilizzando (ne parleremo più avanti). A seconda dell’ambito del progetto, un modello realizzato con la fotogrammetria può richiedere da un paio di centinaia a diverse migliaia di immagini separate.

In particolare, una singola fotografia aerea non può essere utilizzata come mappa fotogrammetrica perché non sono stati affrontati problemi come la prospettiva e la distorsione. Mentre le immagini aeree sono ottime per scopi fotografici e cinematografici, sono necessarie immagini fisse da più angolazioni per garantire la precisione.

In genere, il modo più conveniente per acquisire tutte queste immagini aeree necessarie è attraverso l’uso di un veicolo aereo senza equipaggio (UAV) come un drone. Sebbene sia possibile utilizzare aerei ed elicotteri, queste opzioni tendono ad essere molto più proibitive in termini di costi.

Uno dei principali vantaggi delle fotografie aeree fotogrammetriche è che possono essere utilizzate per creare più tipi di mappe. A seconda del tipo di software di fotogrammetria che possiedi, è possibile creare una varietà di output, come mappe ortomosaiche, modelli di nuvole di punti 3D, modelli di superfici digitali e altro ancora. Tuttavia, altri tipi di mappatura, come LiDAR, che utilizza impulsi di luce per misurare la topografia, richiederanno un carico utile separato.

Tipi di fotogrammetria aerea

La fotogrammetria può essere suddivisa sostanzialmente in due categorie:

Fotogrammetria metrica: questo metodo utilizza punti di coordinate sulle caratteristiche per visualizzare un oggetto con misurazioni quasi esatte. Le mappe possono quindi essere costruite in base alla posizione delle coordinate l’una rispetto all’altra. Queste coordinate sono solitamente fissate fisicamente con i cosiddetti punti di controllo a terra.

Fotogrammetria interpretativa: piuttosto che coordinate specifiche, la fotogrammetria interpretativa scatta una fotografia e aggiunge la topografia osservando indicatori come le forme, le ombre e i modelli presentati in un’immagine, piuttosto che le coordinate.

Ogni stile di fotogrammetria può essere utilizzato per il rilevamento del terreno, a seconda delle specifiche del lavoro e dell’attenzione ai dettagli necessari. Nel complesso, tuttavia, la fotogrammetria metrica è la più precisa delle due ed è consigliata per lavori di rilievo che richiedono una precisione a livello di centimetri. Entrambi gli stili dipendono da un software di mappatura specializzato per unire le immagini in una mappa fotogrammetrica.

Fotogrammetria con drone contro rilievo terrestre classico

Nonostante i progressi tecnologici, il rilevamento terrestre può ancora essere impegnativo e complesso. Tradizionalmente, i professionisti del rilevamento si sono affidati a strumenti come stazioni totali, ricevitori GPS e scanner laser a terra per acquisire dati spaziali ad alta risoluzione sulla topografia della superficie terrestre. Ciò può richiedere una notevole quantità di tempo e manodopera, aggiungendo costi ai progetti di rilevamento e distogliendo i lavoratori da altre attività. In alcuni casi, il rilevamento terrestre può persino essere pericoloso per i dipendenti, in particolare quando si lavora in siti con terreni ripidi o remoti difficili da raggiungere a piedi.

La mappatura fotogrammetrica dei droni, tuttavia, consente ai topografi di ottenere di più in meno tempo. I lavori di rilevamento che in genere richiederebbero settimane per essere completati possono essere completati in pochi giorni con i droni. Pertanto, l’utilizzo dei droni può rivelarsi significativamente più economico per molti progetti.

Poiché i droni possono essere schierati rapidamente, praticamente ovunque, il loro uso elimina la necessità di inviare personale di rilevamento in aree pericolose, come tetti, sporgenze, strade, terreno instabile e argini ripidi. Anche le caratteristiche inaccessibili, come le torri dei telefoni cellulari e le cime degli alberi, possono essere mappate facilmente tramite l’uso di droni.

Dimostrare il valore della fotogrammetria con drone

Mentre ciascuno dei vantaggi sopra elencati riguarda la capacità di un drone di ridurre i tempi, i pericoli e i costi del progetto, c’è un altro fattore molto importante da considerare: i droni sono accurati quanto i metodi terrestri tradizionali? Per molti anni, le precisioni riportate dai droni sono state comunemente inferiori al loro potenziale teorico. Questo, tuttavia, ha cominciato a cambiare.

Secondo un recente studio del Journal of Unmanned Vehicle Systems, un drone con le giuste capacità, come l’hardware senza pilota all’avanguardia e l’elaborazione coscienziosa dei dati, è abbastanza preciso da integrare o sostituire i metodi di rilevamento terrestre per molte applicazioni, hanno sostenuto i ricercatori.

Per supportare la loro ipotesi, questi ricercatori hanno triangolato sette volte un sito di una chiesa di 4 acri, utilizzando un drone DJI Inspire 2 dotato di un sistema PPK GNSS ad alta precisione e una fotocamera Zenmuse X4S. Il sito conteneva sia superfici lisce che i dati dei droni sono noti per modellare bene (parcheggi, campi e tetti) sia caratteristiche che non dovrebbero funzionare bene con la fotogrammetria aerea (muri, cavi aerei e terreno sotto la vegetazione). I ricercatori hanno utilizzato i dati delle coppie di immagini stereo per riempire le caratteristiche mancanti o distorte.

E anche se il sistema di posizionamento di fascia alta del drone significava che la precisione dipendeva poco dal controllo a terra, il team ha raccolto 23 punti di controllo ben distribuiti per calcolare la trasformazione per la ridondanza e fornire dati sufficienti per statistiche significative.

La raccolta dei dati aerei è stata completata in mezza giornata di tempo sul campo, con un altro giorno e mezzo di lavoro di elaborazione. Il rilevamento convenzionale e l’elaborazione dei dati, nel frattempo, hanno richiesto tre giorni.

Con solo 2 cm di errore quadratico medio verticale (RMSE), la mappatura dei droni si è rivelata coerente e sufficientemente accurata da essere utilizzata per molte applicazioni tipiche del rilevamento terrestre. I ricercatori hanno anche osservato che la precisione è migliorata quando il drone è stato pilotato a un’altitudine inferiore (sebbene con rendimenti decrescenti). Se questo fosse stato un tipico progetto di rilevamento terrestre, l’utilizzo di droni avrebbe comportato un risparmio di tempo del 33% e un risparmio di costi del 58%.

I ricercatori hanno ulteriormente studiato la fattibilità economica della mappatura dei droni conducendo un’indagine sul tetto di un’installazione di pannelli solari. Il team ha raccolto dati aerei su tre tetti di negozi di alimentari, compresi tra 3 acri e 7 acri, in un solo giorno. Senza mettere alcun lavoratore sul tetto, tutte le funzionalità sono state estratte in stereo, comprese le linee del gas, le bocchette del tetto, le unità HVAC, i lucernari e i quadri elettrici. Mentre il rilevamento terrestre convenzionale avrebbe impiegato 12 giorni dall’inizio del progetto alla consegna finale, il “volo alla consegna” ha richiesto solo 7 giorni, realizzando un risparmio sui costi del 41% e un risparmio di tempo del 58%.

In un altro esempio, il team ha raccolto dati aerei per un’indagine topografica-planimetrica completa da un campo da golf di 260 acri in un giorno. Se fossero stati implementati i metodi classici, tre squadre sul campo avrebbero impiegato 30 giorni per raccogliere questi dati, portando a significativi tempi di inattività per il corso. In effetti, alcune aree fortemente vegetate sul percorso richiedevano un rilevamento convenzionale, ma il drone è stato in grado di mappare molte posizioni semi-oscure tramite la compilazione stereo selezionando un modello stereo adatto. In effetti, l’intero sito è stato mappato in 15 giorni, con un risparmio sui costi del 75% e un risparmio di tempo del 50%.

Quindi i droni possono essere definiti strumenti accurati ed efficaci per il rilevamento del territorio? La risposta è un enfatico sì. Non solo, lo studio del Journal of Unmanned Vehicle Systems dimostra chiaramente il potenziale di risparmio di tempo e costi della tecnologia, una considerazione che non dovrebbe mai essere persa per i topografi.

Altre applicazioni per la fotogrammetria con drone

A questo punto, abbiamo stabilito che i droni possono avere un impatto smisurato sui progetti di rilevamento, potenzialmente tagliando interi giorni di lavoro. Il rilevamento del territorio, tuttavia, non è l’unico campo in cui la fotogrammetria UAV sta avendo un impatto trasformativo. Altri settori includono:

Costruzione: il rilievo con la fotogrammetria può rivelare informazioni sul terreno su cui si sta edificando. Inoltre, la modellazione aerea con droni può aiutare nel BIM e nella gestione complessiva del progetto di costruzione.
Immobili: gli agenti immobiliari utilizzano i droni per realizzare modelli 3D accurati delle case in vendita e offrono tour virtuali. Questa tecnica è decollata a causa della pandemia di COVID-19.
Ingegneria: gli ingegneri possono utilizzare le immagini fotogrammetriche per costruire un modello 3D di edifici e attrezzature
Energia: le compagnie petrolifere e del gas utilizzano i droni per monitorare le aree intorno ai gasdotti per i cambiamenti ambientali nel tempo. Anche in questo settore è comunemente implementato il rilevamento del territorio.
In quasi tutti i settori che valutano misurazioni accurate, un UAV potrebbe essere potenzialmente utilizzato come risorsa.

Perché DJI?

È chiaro che i droni di oggi sono diventati un’aggiunta estremamente preziosa al kit di strumenti di un agrimensore e stanno sempre più integrando o sostituendo i metodi di rilevamento terrestre per molte applicazioni. Per assicurarti di ottenere il tipo di risultati accurati che ti aspetti, tuttavia, non solo devi utilizzare metodi di rilevamento dei droni adeguati, ma hai anche bisogno della migliore attrezzatura.

I droni di mappatura di nuova generazione, come il DJI Phantom 4 RTK, consentono ai topografi di ottenere una precisione dei dati a livello di centimetro richiedendo meno punti di controllo. Le caratteristiche principali di questo drone includono un sistema di posizionamento a livello di centimetro, un sistema TimeSync per garantire la precisione dei dati e un sensore CMOS da un pollice e 20 megapixel. L’accuratezza delle coordinate quasi esatte è resa possibile dall’accuratezza del posizionamento orizzontale RTK di 1 cm+1 ppm, dall’accuratezza del posizionamento verticale RTK di 1,5 cm+1 ppm e un’accuratezza orizzontale assoluta massima di 5 cm dei modelli fotogrammetrici. In combinazione con un potente carico utile della fotocamera per fotogrammetria, come lo Zenmuse P1, hai una configurazione ideale per i topografi.

Naturalmente, anche il miglior drone è limitato dal software di mappatura che usi con esso. Soluzioni potenti come DJI Terra aiutano a convertire le tue foto in ortomosaici 2D e modelli 3D utilizzabili.