Tutto quello che c’è da sapere su come il LiDAR dei droni sta rivoluzionando la mappatura e i dati geospaziali.

I droni dotati di telecamere offrono alle aziende un paio di occhi in più nel cielo, fornendo una nuova prospettiva sulle operazioni che avvengono a terra. In settori diversi come l’edilizia, i servizi di emergenza, l’agricoltura e i servizi pubblici, i droni stanno aggiungendo valore.

La tecnologia dei sensori dei veicoli aerei senza equipaggio (UAV) è in continua evoluzione, il che significa che questi mezzi non si limitano a scattare foto e video standard. Uno degli ultimi sviluppi nel campo degli UAV prevede l’uso di sistemi di rilevamento e misurazione della luce (LiDAR) sempre più avanzati.

Utilizzando un drone dotato di un sensore LiDAR, le aziende possono effettuare letture aeree più accurate, creando modelli 3D con una precisione centimetrica e rilevando caratteristiche che sarebbero invisibili con metodi meno sofisticati.

Lungi dall’essere un settore tecnologico di nicchia, il LiDAR sta raggiungendo tutti i tipi di industrie che necessitano di servizi di mappatura e raccolta di dati geospaziali. Seguendo gli ultimi utilizzi dei droni con sensore LiDAR, è possibile determinare se questi utili UAV sono adatti ai piani della vostra azienda.

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Che cos’è il LiDAR?

Il LiDAR è una forma di tecnologia di telerilevamento. Invece di utilizzare le tradizionali fotocamere, i sensori LiDAR inviano rapidi impulsi laser e catturano le risposte, utilizzando questi punti di dati per mappare un’area con grande precisione e accuratezza.

Il sistema LiDAR crea una nuvola di punti con i dati trasmessi dagli oggetti sul terreno. Questi punti sono la materia prima per i modelli 3D. Sebbene l’assemblaggio di questi modelli richieda un software specializzato – ed esperti che lo sappiano usare – il processo è relativamente veloce e genera mappe di alta qualità con file di dimensioni ridotte.

Va notato, tuttavia, che queste immagini 3D non hanno dettagli fotografici. Per esempio, gli stessi impulsi laser non forniscono i colori degli oggetti sul terreno. Questi dati devono provenire da una fonte alternativa, come un sensore aggiuntivo.

La tecnologia LiDAR ha registrato alcuni sviluppi negli ultimi anni: in particolare, i moduli del sensore sono diventati più economici e significativamente più leggeri. Questo ha permesso una rapida evoluzione dei sistemi drone LiDAR, con l’emergere di nuovi modelli che consentono alle aziende di applicare la tecnologia a un maggior numero di casi d’uso.

Con queste opzioni a disposizione, alcune organizzazioni potrebbero prendere in considerazione l’adozione del LiDAR per ruoli che in precedenza erano svolti da altri metodi di rilievo, come la fotogrammetria. In altri casi, le aziende che in precedenza impiegavano rilievi LiDAR a terra potrebbero prendere il volo con i droni.

Ovunque sia necessario effettuare rilievi e modellazioni con una precisione centimetrica, il LiDAR potrebbe essere la nuova tecnologia preferita. Nei prossimi anni, grazie alla maggiore disponibilità dei sistemi, l’adozione potrebbe estendersi a nuovi settori e casi d’uso.

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LiDAR vs. fotogrammetria: Qual è la differenza?

Le aziende che già utilizzano la fotogrammetria aerea come metodo di rilievo e mappatura potrebbero chiedersi se il passaggio al LiDAR possa apportare dei vantaggi. Innanzitutto, è importante definire la fotogrammetria e spiegarne i potenziali usi e limiti.

La fotogrammetria è il processo di utilizzo di numerose fotografie per determinare la distanza. I droni per la fotogrammetria sorvolano un paesaggio o una struttura e scattano immagini che vengono assemblate in modelli 2D o 3D tramite software. Questi modelli sono utilizzati nell’edilizia, nell’agricoltura, nell’industria mineraria e in tutti i settori che richiedono una mappatura frequente.

Rispetto al LiDAR, i sistemi di fotogrammetria possono avere difficoltà a rilevare oggetti molto piccoli e finemente dettagliati: ad esempio, mentre gli impulsi LiDAR possono rilevare le linee elettriche, le foto scattate dai moduli di fotogrammetria potrebbero non rilevare i fili. Il LiDAR è anche in grado di penetrare attraverso la vegetazione per catturare la forma del terreno sottostante e può funzionare anche al buio.

La ragione principale per scegliere la fotogrammetria è stata la sua relativa accessibilità. Grazie a moduli più leggeri ed economici, è una scelta obbligata per le aziende che non hanno bisogno del livello di precisione aggiuntivo consentito dai dati LiDAR. Inoltre, il software per assemblare le nuvole di punti dai dati grezzi della fotogrammetria è più comune e frequentemente utilizzato rispetto all’alternativa LiDAR.

Con la riduzione dei costi e del peso del LiDAR, i calcoli potrebbero cambiare per alcune di queste aziende, incoraggiando una maggiore diffusione del LiDAR. Inoltre, è possibile utilizzare il LiDAR da drone insieme ad altri metodi di mappatura per creare modelli complessivamente più dettagliati. Questo è importante nei casi in cui il prodotto finito deve essere foto-realistico, perché, come si è detto, gli impulsi LiDAR non catturano i colori degli oggetti.

Perché utilizzare un drone LiDAR?

Far volare un drone LiDAR è un modo per raccogliere rapidamente e in sicurezza informazioni su qualsiasi tipo di sito o elemento a terra. Questo comprende una serie di utilizzi: dall’esecuzione di ispezioni di sicurezza al controllo dei progressi dell’attività mineraria o agricola, fino alla stima delle dimensioni di un giacimento di risorse dall’alto.

Creare modelli 3D accurati di paesaggi e strutture è un gioco da ragazzi per le aziende che utilizzano flotte di droni LiDAR. Questi possono anche ricevere aggiornamenti nel tempo, ad esempio per seguire i progressi di un edificio in costruzione e misurarlo rispetto ai piani e agli schemi.

Il LiDAR rende possibili scenari che potevano richiedere una precisione eccessiva per i sistemi di fotogrammetria. Per esempio, gli operatori possono ora mappare le linee elettriche e ricostruire le scene di incidenti con le nuvole di punti 3D altamente dettagliate generate dai moduli LiDAR.

Ci sono anche situazioni in cui le aziende non sceglieranno di abbandonare la fotogrammetria a favore del LiDAR. Piuttosto, utilizzeranno entrambi i tipi di soluzioni, in modo da avere sempre il tipo di sensore giusto per il lavoro da svolgere. Ciò diventa sempre più facile quando le aziende investono in telai di droni versatili e capaci di supportare più moduli di sensori.

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Droni LiDAR vs. LiDAR a terra

Un’altra domanda che i dirigenti delle aziende devono porsi quando decidono se utilizzare o meno i sistemi LiDAR a drone è se non sarebbe meglio utilizzare moduli LiDAR a terra. Queste opzioni basate a terra, fornite da fornitori come Faro e Trimble, sono altamente precise e forniscono scansioni di livello millimetrico.

Lo svantaggio dell’uso del LiDAR a terra è la mancanza di efficienza. Il volo di un drone su un sito consente ai rilevatori di svolgere più lavoro in meno tempo, raggiungendo anche aree difficili da raggiungere, rispetto al processo a volte noioso di operare con scanner laser a terra.

Finché un’organizzazione può tollerare una precisione di +/- 5 cm quando crea modelli 3D da nuvole di punti, i sensori aerei montati su un drone LiDAR forniscono un approccio molto più efficiente alla mappatura e al rilievo.

Caso di studio: Ispezione di torri di raffreddamento

Prima della demolizione di una torre di raffreddamento di un reattore in Francia, l’impresa di demolizione aveva bisogno di creare modelli 3D accurati per poter eseguire il processo in modo preciso e accurato. I metodi di ispezione tradizionali non sarebbero stati sicuri a causa della presenza di amianto nelle vernici delle torri. Inoltre, le tempistiche del lavoro erano strette, il che significava che i rilievi dovevano essere eseguiti di sera.

Di fronte a queste condizioni difficili, il team ha utilizzato sia la fotogrammetria che i droni LiDAR per creare modelli 3D delle torri. Mentre gran parte del lavoro diurno è stato svolto con la fotogrammetria, il LiDAR è stato utilizzato per il lavoro serale e al tramonto, producendo nuvole di punti 3D che sono diventate rapidamente modelli 3D dettagliati.

Droni LiDAR in azione: I principali casi d’uso

L’aggiunta di UAV LiDAR è un ottimo modo per le aziende di tutti i settori di mappare e rilevare in modo più efficace. È impressionante il numero di scenari di impiego unici che supportano la tecnologia LiDAR dei droni. Alcuni di questi casi possono incorporare anche la fotogrammetria, mentre altri sono completamente nuovi e guidati dall’avvento dei droni LiDAR a prezzi accessibili.

Rilievo del terreno per piccoli appezzamenti

Quando è necessario effettuare un rilievo aereo accurato di un appezzamento di terreno, un drone LiDAR può essere lo strumento ideale. Mentre un terreno di grandi dimensioni può essere più adatto a un sorvolo con un aereo o un elicottero con equipaggio, la tecnologia dei droni è ideale per i piccoli appezzamenti.

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Costruire facilmente mappe del terreno accurate per prendere decisioni informate in materia di paesaggio. Immagine di LiDARUSA

L’utilizzo di un drone come strumento di rilievo è più conveniente rispetto alla messa in servizio, al personale e al rifornimento di carburante di un aereo standard. Inoltre, i droni utilizzano un UAV di piccole dimensioni che non richiede ai piloti di sorvolare il sito, rendendolo un’opzione più sicura. Alcuni operatori a terra possono mappare l’area in modo rapido e metodico e poi proseguire.

Rilievi topografici e batimetrici

Oltre ai rilievi di dimensioni ridotte, i droni LiDAR possono utilizzare i sensori per rilevare aree topografiche di grandi dimensioni, assumendo il compito che tradizionalmente sarebbe stato svolto da aerei o elicotteri. Nel caso di un rilievo terrestre, il drone utilizza un laser vicino all’infrarosso.

Sorvolando l’acqua e utilizzando una luce verde che penetra nell’acqua, i droni LiDAR possono anche raccogliere dati sulla profondità del fondale marino o del letto di un fiume in una determinata area. Quando si creano mappe che incorporano dati batimetrici, i droni LiDAR possono coprire sia la terra che il mare.

Modellazione digitale del terreno prima dei lavori

Quando le aziende si preparano a eseguire importanti lavori di movimento terra, è importante disporre di una mappa del sito in 3D. In questo caso, un modello digitale del terreno (DTM) accurato, creato tramite una nuvola di punti LiDAR 3D, può essere fondamentale.

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Nuvola di punti a colori reali acquisita da Zenmuse L1

La movimentazione della terra viene generalmente pagata per metro di terra scavata, il che significa che, ai fini della pianificazione del bilancio, le aziende devono sapere esattamente con cosa hanno a che fare in una determinata area, utilizzando immagini 3D. Il LiDAR è in grado di penetrare la vegetazione e altri elementi per fornire letture accurate della topografia di un determinato sito.

Mappatura e ricostruzione della scena di un incidente

I droni di tutti i tipi stanno diventando sempre più popolari nel campo della sicurezza pubblica: ad esempio, i droni termici possono cercare persone scomparse, anche di notte. Nel caso dei droni LiDAR, la tecnologia è ideale per la ricostruzione di scene di incidenti complessi. Gli equipaggi possono svolgere questo lavoro a qualsiasi ora del giorno, perché il LiDAR non necessita di luce per funzionare.

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Ricostruzione delle collisioni in condizioni di scarsa illuminazione con LiDAR

Una volta acquisito il modello 3D altamente accurato, le squadre possono liberare la scena del disastro. Questa tempestività è particolarmente importante quando il luogo dell’incidente ostacola il traffico. I dati del drone LiDAR possono poi servire come prova in eventuali cause giudiziarie derivanti dall’incidente. Si noti che la fotogrammetria è un’opzione eccellente anche per la ricostruzione della scena dell’incidente e per la mappatura di emergenza, di cui si possono trovare maggiori informazioni nella nostra Guida alla mappatura di emergenza.

Silvicoltura

Misurare l’inventario di una foresta utilizzata per la produzione di sciroppo, pape o legname può essere difficile o richiedere molto tempo a causa delle vaste aree coinvolte. Le aziende che non utilizzano i droni LiDAR possono affidarsi a stime basate su ipotesi dei lavoratori.

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Il LiDAR può misurare l’altezza delle chiome e la densità degli alberi

Un drone LiDAR non solo è in grado di fornire letture accurate di parametri quali l’altezza della chioma e la densità degli alberi, ma i sensori coinvolti sono abbastanza precisi da fornire letture sui singoli alberi. I droni LiDAR possono funzionare anche in condizioni di scarsa illuminazione, quando la visibilità è limitata.

Agricoltura di precisione

Negli ultimi anni le pratiche agricole basate su dati precisi sono diventate sempre più popolari, con i droni fotografi che aiutano a pianificare le colture e a seguire le mandrie. I droni LiDAR possono aggiungere un nuovo livello di precisione alle proiezioni, consentendo agli agricoltori di rispondere alle condizioni dei loro campi.

Uno dei principali utilizzi dei droni LiDAR in agricoltura è la fornitura di dati 3D sul terreno, che consentono agli operatori di costruire argini nelle loro risaie. Un altro utilizzo è quello di misurare l’andamento delle colture, consentendo agli agricoltori di utilizzare i fertilizzanti in modo più mirato.

Ispezione delle linee elettriche

Se prima dell’avvento dei sistemi UAV LiDAR a prezzi accessibili i gestori di servizi pubblici avevano difficoltà a misurare i piccoli componenti delle infrastrutture (comprese le linee elettriche), ora possono effettuare ispezioni aeree. La scansione delle linee elettriche dall’alto consente agli ispettori di misurare i fattori di rischio, come l’invasione della vegetazione.

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Sia che si tratti di rilevare lo stato attuale dell’infrastruttura della rete elettrica, sia che si tratti di pianificare la costruzione di nuove linee elettriche, i fornitori di servizi possono fare affidamento sui modelli 3D dei droni LiDAR. Il fatto che i veicoli volino significa che possono attraversare terreni accidentati con maggiore facilità e sicurezza.

Miniere

Le aziende minerarie possono misurare lo spazio di estrazione del minerale con le miniere. Calcolando i dati di superficie e confrontando le letture attuali con quelle passate, i minatori possono determinare i progressi delle loro operazioni. I droni rappresentano un’opzione più economica rispetto al rilievo aereo e sono più sicuri ed efficienti della scansione a terra.

L’invio di droni nelle miniere è un altro modo prezioso per raccogliere dati mettendo in primo piano la sicurezza. Il LiDAR SLAM può servire come strumento di rilevamento delle collisioni, consentendo al contempo al drone di mappare l’interno di una miniera. Dopo una detonazione programmata, un drone può entrare per primo in un pozzo, assicurandosi che la struttura sia sufficientemente solida da permettere l’ingresso di esseri umani.

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Matrice 300 RTK con una Hovermap Emesent

Archeologia

I droni LiDAR sono in grado di mappare i contorni esatti delle strutture, e non è necessario che gli edifici siano nuovi. Utilizzando gli UAV su un sito archeologico, i ricercatori possono ottenere un quadro chiaro delle dimensioni e della posizione relativa di tutti gli elementi rilevanti del terreno, nonché di eventuali resti creati dall’uomo.

La mappatura di un sito archeologico con un UAV LiDAR è rapida ed efficiente rispetto ai metodi di scansione e mappatura a terra. Poiché i droni possono coprire ampie aree, gli archeologi possono riscoprire in breve tempo intere zone “perdute”, anche se tali siti comprendono intere città antiche.

Misurazione del volume delle scorte

Le imprese di costruzione stanno andando oltre i rilievi e utilizzano i sistemi per altre funzioni, come la misurazione dell’inventario. La scansione ripetuta di una scorta di materiali consente all’azienda di determinare il tasso di utilizzo, permettendo ai responsabili di riordinare al momento giusto.

La comprensione di ogni aspetto di un cantiere consente di operare in modo più efficiente. L’osservazione delle variazioni di volume delle scorte nel corso del tempo è possibile grazie a sensori precisi, come il LiDAR, e il loro montaggio sui droni è un modo efficiente per mettere in pratica queste soluzioni.

Le migliori opzioni di droni LiDAR

Con la crescente disponibilità di droni LiDAR, gli acquirenti di tecnologia possono iniziare a confrontare le opzioni hardware per trovare l’UAV e il carico di sensori perfetti per i loro scopi. Lo Zenmuse L1, un modello con sensore LiDAR disponibile presso DJI, è una valida opzione per le aziende grazie alla sua ampia gamma di funzioni, tra cui:

  • Un’unità di misura inerziale integrata, in grado di fornire un’accuratezza di livello survey di 5 cm e un’accuratezza assoluta di 10 cm, il tutto da un’altitudine di 50 metri.
  • Un gimbal stabilizzato a 3 assi, che consente il controllo completamente automatico della montatura grazie all’integrazione con il sistema di gestione del volo DJI.
  • Un sensore CMOS da 1 pollice e 20MP, che registra dati fotografici e video. Ciò consente agli utenti di applicare dati a colori alle nuvole di punti LiDAR, oltre ad altre funzionalità.
  • Supporto di tre ritorni per ogni colpo laser, per un maggior grado di precisione quando si penetra in un fogliame fitto e si misura la topografia del terreno sottostante.
  • Una modalità di scansione non ripetitiva che offre un grado di risoluzione dei dati più elevato rispetto a una linea di scansione regolare quando il drone registra una singola area per un tempo prolungato.
  • Certificazione IP54, che attesta che L1 può funzionare anche in condizioni atmosferiche avverse, come nebbia, fumo e neve.
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Zenmuse L1 su un gimbal a 3 assi stabilizzato

L’L1 è stato progettato per essere utilizzato con il versatile e potente Matrice 300 RTK, che è montato con più gimbal per consentire agli operatori di utilizzare diversi payload di sensori allo stesso tempo. I dati della nuvola di punti del drone possono essere assemblati in modelli 3D con il software DJI Terra. Con questo UAV LiDAR in azione, le aziende, dall’edilizia alla sicurezza pubblica, dall’agricoltura all’industria mineraria e oltre, possono trasformare i loro flussi di lavoro quotidiani.

I proprietari di L1 possono ottimizzare le loro operazioni con L1 facendo riferimento alla L1 Operation Guidebook V1.1. Questa risorsa tratta in modo approfondito tutto ciò che è necessario sapere su L1, dalle specifiche e impostazioni, ai parametri da utilizzare per determinati scenari, alla calibrazione del carico utile, alla pianificazione della missione e all’elaborazione dei dati con DJI Terra.