rilievi multispettrali da uav per la modellizzazione di...
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R. Gini*, D. Passoni**, D. Pagliari*, L. Pinto***, G. Sona***
DICA - Sez. Geodesia e Geomatica
Rilievi multispettrali da UAV per la modellizzazione di edifici e del territorio:
esperienze condotte al Politecnico di Milano
*Dottoranda; **Assegnista di ricerca; ***Docente
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SOMMARIO2
• Motivazioni e prime esperienze: il progetto FoGLIE
• Primi test (di volo e di modellizzazione 3D)
• La scelta del velivolo
• La scelta delle camere
• Analisi della qualità geometrica della Tetracam ADClite
• Test sui sw per il trattamento dell immagini da UAV
(Fotogrammetria vs Computer Vision)
• Alcune realizzazioni significative
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MOTIVAZIONI E PRIME ESPERIENZE: IL PROGETTO FoGLIE
SVILUPPAREuna nuova guida
multimediale anche con contenuti stereoscopici
INTEGRAREfruibilità e monitoraggio
dei beni
FoGLIE: Fruition of Goods Landscape in Interactive Environment
utente attivo
Progetto finanziato da Regione Lombardia (2011-2013)
• Differenti partner: 5 realtà imprenditoriali lombarde + Politecnico di Milano (DIIAR)
• Attività di ricerca e di sviluppo sperimentale di un prototipo
PARCO ADDA NORD
3
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Contenuti e video scenici (anche in stereoscopia)
Immagini aeree ad alta risoluzione: RGB & NIR
generazione di DSM
individuazione specie arboree alloctone
Elicotteri Helicam
QuadrielicaMd-200
PRIME ESPERIENZE CON DRONI (2011)4
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Modellizzazione 3D da nuvole di punti fotogrammetriche
Villa Castelbarcoa Vaprio d’Adda (MI) (2012)
5ESPERIENZE DI MODELLIZZAZIONI 3D
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Vellutificio Velvis (Visconti di Modrone) a Vaprio d’Adda (MI) (2012)
6ESPERIENZE DI MODELLIZZAZIONI 3D
Modellizzazione 3D da nuvole di punti fotogrammetriche(con rilievi a terra)
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Diga Poiret a Paderno d’Adda (MI) (2012)
ESPERIENZE DI MODELLIZZAZIONI 3D 7
Modellizzazione 3D da nuvole di punti fotogrammetriche (acquisite da aereo,
da UAV e da terra)
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PRIMO TEST RILIEVO MULTISPETTRALE (2011)
MD4-200 Pentax Optio A40: RGB
Scopo geometrico (DSM)
• Triangolazione aerea con set RGB
• Confronto con telemetria → non usabile per orientamento diretto
• Immagini idonee per scopi di modellizzazione 3D
• Creazione DSM: 0,10x0,10 m2, da editare
8
• Parco Adda Nord: Medolago (BG)• Estensione: 120x100 m2
• Variazione di quota: 15 m• Differenti tipi di copertura del suolo
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Sigma DP1: NIR
scopo radiometrico (classificazione)
• Ortofoto RGB & NIR: 0,05x0,05 m2
→ coregistrazione
• 10 variabili: 4 originali + 6 derivate• Classificazione speditiva
unsupervised (ISOCLASS)• Classificazione supervised
(con training samples)
9PRIMO TEST RILIEVO MULTISPETTRALE (2011)
MD4-200
TerrenoRobiniaErbaOmbraOlmoCarpinoCementoAilanto
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MULTIROTORE
+ Budget+ Sistema aperto (camera,
navigazione, ecc.)+ Payload+ Governo della fotocamera+ Prese ravvicinate
- Autonomia di volo- Addestramento al pilotaggio
MULTIROTORE VS ALA FISSA
SCELTA DEL VELIVOLO “PoliMI”10
.ALA FISSA
+ Autonomia di volo+ Quota di volo+ Copertura fotogrammetrica+ Gestione del volo
- Payload- Sistema chiuso (commerciale)- Governo della fotocamera- Budget
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• Esacottero MikroKopter (RestArt)• Dimensioni: 70 cm + eliche 12’’• Peso al decollo: 1.2 kg + payload• Alimentazione: 2 batterie al litio 4000 mAh• Velocità: fino a 5 m/sec• Payload: fino a 500 g• Sistema di navigazione: NAV Flight Control
GPS (MKGPS) LEA 4H Ublox• Firmware: in costante aggiornamento
Esacottero MikroKopter personalizzato
VELIVOLO PoliMI “WALL-P”11
.
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17a Conferenza ASITA: 5-7 novembre 2013 Riva del Garda (TN)
12LA SCELTA DELLA FOTOCAMERA
Camere amatoriali con peso e dimensioni ridotte ottimali per UAV
Possibili limitazioni:
• Sensori più piccoli di una reflex (rapporto S/N sfavorevole)
• Ottiche di qualità inferiore e meno stabili• Non sempre possono montare focali fisse• Obiettivi talvolta retrattili• Focale e distanza principale hanno valori non stabili
poiché all’invio del scatto si ha spesso un riallineamento (seppur minimo) delle lenti
Distorsioni sulle immagini non trascurabili
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• Peso: 310 g• Sensore: CMOS (3872x2592 pixel)• Mirrorless• Dimensione pixel: 3.5 m• Focale obiettivo: 10.5 mm• Immagini: RGB
Tetracam ADCLiteNikon 1 J1
CAMERE PoliMI
• Peso: 200 g• Sensore: CMOS (2048x1536 pixel)• Dimensione pixel: 2,9 m• Focale: 8.5 mm• Immagini: 8 o 10 bit CIR (NIR+R+G)
approssimativamente equivalenti alle bande TM2, TM3, TM4
13
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pannello Siemens per analisi della risoluzione geometrica reale
↓diverse aperture del diaframma a
diverse distanze: 30 m e 50 m
30 m statico
1,4 4 8 16
I risultati migliori si ottengono con otturatore parzialmente chiusof/d = 4
30 m dinamico 1,4 4 8 16
14QUALCHE CONSIDERAZIONE SULLA QUALITA’ DELLA ADClite
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QUALCHE CONSIDERAZIONE SULLA QUALITA’ DELLA ADClite
• Effetti di disallineamento cromatico(tra I canali R, G e NIR)
• Rolling shutter
• Risoluzione geometrica effettiva: Tetracam ADCLite• Caso statico: risoluzione reale ~ 80 lp/mm per immagini CIR con f/d = 4
risoluzione reale ~ 100 lp/mm per canale verde con f/d = 8• Caso dinamico: risultati confermati a meno di effetti di “trascinamento”
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http://www.diyphotography.net
IL PROBLEMA DEL ROLLING SHUTTER (RS)
È un metodo per acquisire immagini (solitamente accoppiato con sensori CMOS) basato sull’esposizione non simultanea del sensore
Caratteristiche di un otturatore rolling shutter:
• Presenza di una slitta che si muove lungo il sensore• Esposizione di ogni parte del sensore per lo stesso tempo• Esposizione non simultanea delle diverse zone del sensore a
causa del movimento della slitta
http://www.wkumeling.net
Si notano gli effetti del rolling shutterquando c’è un movimento relativo non trascurabile tra camera e oggetto
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17MODELLO FOTOGRAMMETRICO DI FRASER
∙
∙
∙ ∙ + ∙ 2 2 ∙ ∙ ∙ ∙
∙ ∙ + ∙ 2 2 ∙ ∙
, ,Coefficienti di distorsione radiale
,Coefficienti di distorsione tangenzialeDistorsione affine:
scala in x Distorsione affine:
taglio in y
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18SIMULAZIONI
Camera: TetraCam ADC Lite• Camera CIR • CMOS 3,2 Megapixel• Focale 8,5 mm
Parametri simulazione:
• Quota di volo: 35 m• c:7.7734 m• VUAV: 2 m/s• Tempo scorrimento della finestra: 85,3 s• Tempo di esposizione: 688 s• 3 strisciate (tot 30 fotogrammi)• Ricoprimento longitudinale 75%• Ricoprimento trasversale 50%• GSD: 0.013 m• Precisione di stima: 4 m
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19SIMULAZIONI: RS lungo la direzione di volo
∙ ∙ ∙ /dove:• : spostamento delle coord. immagini a causa del rolling shutter• : velocità di volo del drone• : indice che rappresentala la riga i-esima del sensore• : tempo impiegato dalla finestra per muoversi da una riga alla successiva• : tempo di esposizione• c: focale della camera• h: quota di volo ξ
0, 0,4VUAV
ξ
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20RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
Possiamo modellizzare l’effetto del rolling shutter(RS) lungo la direzione di volo con il parametro b1del modello di Fraser
Simulazioneprecisione
di stima [m]
RS 4.1RS + self-calib. (b1) 4.0
RS + OE fisso 8.8RS + self-calib. (b1) + OE fisso 4.6
Esiste una forte correlazione tra i parametri di calibrazione e l’orientamento esterno• Nel caso di solo RS l’errore viene assorbito spostando in quota le camere
(in media 0.38 m)• Con OE bloccato gli effetti sono assorbiti dal parametro b1
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UN CASO REALE: MEDOLAGO• Fotocamera: Tetracam ADC Lite• 2 strisciate per un totale di 17 immagini (solo
canale Green)• h di volo strisciata 1: 50 m• h di volo strisciata 2: 60 m• Estrazione automatica dei punti di legame con
il sw EyeDEA (UniPr)
Blocco Medolagoprecisione
di stima [m]
No self-calibr. 38.2
Self-calib (+K1,K2,P1,P2) 33.7
Self-calib (+b1,b2) 12.6
c K1 K2 K3 P1 P2 b1 b2c 100
K1 0 100K2 1.2 -91.5 100K3 -1.1 85.3 -98.2 100P1 -0.2 -4.7 1.6 -2.4 100P2 -2.2 -2.1 -2.9 3.8 -12.3 100b1 3.6 7.8 -1.3 1.6 -29.7 31.5 100b2 26.2 26.2 -15.5 12.4 -5.1 9.8 61.8 100
Matrice di correlazione
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DIIAR, Laboratorio di Geomatica del Polo Territoriale di Como
TEST SUI SW FOTOGRAMMETRICI
SW di Computer VisionSW fotogrammetrici
LPS → sw commerciale by ErdasEyeDEA+Dense Matcher → homemade (Università di Parma)PhotoModeler scanner → sw comm.by EOS
Agisoft Photoscan→ Agisoft LLCPix4UAV Desktop → Pix4D
1) Orientamento relativo delle immagini (S&M) con selfcalibration in un arbitrario SdR (grazie alla telemetria)
2) Estrazione automatica dei TPs3) Rototraslazione del blocco nel
SdR dei GCPs4) Realizzazione di DSM &
Ortofoto
1) Calibrazione della camera 2) Identificazione dei GCPs3) Ricerca dei TPs4) Orientamento esterno5) Realizzazione di DSM &
Ortofoto
VS
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DIIAR, Laboratorio di Geomatica del Polo Territoriale di Como
RILIEVO DEL POLIGONO DI CISANO BERGAMASCO(BG)
• Quota di volo = 130 m• GSD = 4.5 cm• 5 strisciate• 49 immagini (RGB)• 15 GCP presegnalizzati
23
SwingletCAM SenseFlyProprietà: Studio di Ingegneria
Terradat di Paolo Dosso
Canon Ixus 220HS
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DIIAR, Laboratorio di Geomatica del Polo Territoriale di Como
24RILIEVO DEL POLIGONO DI CISANO BERGAMASCO(BG)
Software TPs’
generator# TPs # obs.
points#
GCPs0
Theoretical Accuracy
(RMS of std.dev.) of TPs
Empirical accuracy (RMSE) of CPs
# raysper
point
Est Nord h Est Nord h
[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm]
LPS* 285 149215 2.6 109 89 215 - - - 5
5 2.6 119 101 259 50 50 130 5
EyeDEA** 1052 339515 1.4 57 50 142 - - - 3
5 1.4 68 61 181 73 81 329 3
PhotoModeler 13647 55887
15 1.1 23 21 57 - - - 4
5 1.1 26 23 66 54 50 114 4
Pix4UAV 1317 614615 1.0 25 23 61 - - - 5
5 1.0 30 28 76 39 54 213 5
Agisoft PhotoScan 6098 19097
15 0.3 8 7 20 - - - 3
5 0.3 9 8 23 50 19 55 3
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DIIAR, Laboratorio di Geomatica del Polo Territoriale di Como
Compensazione con Calge con OE fisso
Analisi dei residuisui CPs
25RILIEVO DEL POLIGONO DI CISANO BERGAMASCO(BG)
LPS EyeDEA/PM
PhotoModeler Pix4UAV Agisoft
Photoscan
E [mm] 48 16 51 81 74
N [mm] 47 12 41 46 61
h [mm] 90 36 137 214 83
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DIIAR, Laboratorio di Geomatica del Polo Territoriale di Como
26RILIEVO DEL POLIGONO DI CISANO BERGAMASCO(BG)
COMPLETEZZA DEI DSM
Pix4UAV
QUALITA’ DEI DSM
AgisoftPhotoscan
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QUALCHE REALIZZAZIONE
27
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Modelli 3D della Cascina Linterno (MI) (2013)
Hexakopter Mikrokopter con sistema di navigazione NAV Flight Control , GPS (MKGPS) LEA 4H Ublox.Raggio di operatività : 200mpayload: Nikon J1
Rilievo della cascina Linterno per una valutazione qualitativa e quantitativa dello stato di conservazione dei tetti
Inquadramento cartografico
Ortofoto e modello 3D
Immagine campione
Cascina LinternoMilano (MI)
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Modelli 3D del Campus «Arata» (PC) (2013)
Hexakopter Mikrokopter con sistema di navigazione NAV Flight Control , GPS (MKGPS) LEA 4H Ublox.Raggio di operatività : 200mpayload: Nikon J1
Rilievo degli edifici del campus di architettura di Piacenza (ex macello), nell’ambito del laboratorio del Corso di Rappresentazione
Inquadramento cartografico
Modello 3D
Immagine campione
Campus architettura (PC)
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Indagine visiva di ponti e viadotti (2014)
Hexakopter Mikrokopter con sistema di navigazione NAV Flight Control , GPS (MKGPS) LEA 4H Ublox.Raggio di operatività : 200mpayload: Nikon J1
Rilievo di un ponte/viadotto in località «Santa Giulia» come test per l’applicazione di UAV alla verifica di ponti e viadotti
Inquadramento cartografico
Modello 3D e DSM superfici
Immagine campione
Santa GiuliaMilano (MI)
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Calcolo di volumi di cava (Gossolengo – PC) (2013)
Hexakopter Mikrokopter con sistema di navigazione NAV Flight Control , GPS (MKGPS) LEA 4H Ublox.Raggio di operatività : 200mpayload: Nikon J1
Rilievo per la misura di volumi di cava di Gossolengo..
Inquadramento cartografico
Modello 3D
Immagine campione
Gossolengo (PC)
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Rilievo RGB + NIR multitemporale vivaio «Peverelli» (2013)
Hexakopter Mikrokopter con sistema di navigazione NAV Flight Control , GPS (MKGPS) LEA 4H Ublox.Raggio di operatività : 200mpayload: Nikon J1, ADCliteTetracam
Rilievo multispettrale-multitemporale al fine di valutare algoritmi automatici di riconoscimento di specie arboree da immagini RGB+NIR
Inquadramento cartografico
Ortofoto NIR
vivaio «Peverelli» Fino Mornasco (CO)
Immagini campione
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Rilievo RGB + NIR multitemporale aree boscate Parco Adda Nord (2013‐14)
Sensefly swinglet CAM.Raggio di operatività : 1000mpayload: Canon IXUS 220HS
Rilievo multispettrale‐multitemporale su 10 aree al fine di valutare la presenza di specie arboree alloctone all’interno del parco Adda Nord da immagini RGB+NIROrtofoto NIR
Immagini campione
Parco Adda Nord
Inquadramento cartografico
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Calcolo volume di coltre nevosa 2014
Sensefly swinglet CAM.Raggio di operatività : 1000mpayload: Canon IXUS 220HS
Rilievo realizzato per la valutazione dei volumi della coltre nevosa presso il nevaio Malghera in valgrosina per valutazioni idrologiche.
Modello 3D
Immagini campioneInquadramento cartografico
Malghera SO)
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Test per applicazioni di fotogrammetria diretta da UAV (2013)
Hexakopter Mikrokopter con sistema di navigazione NAV Flight Control , GPS (MKGPS) LEA 4H Ublox.Raggio di operatività : 200mpayload: Nikon J1
Voli con GPS Ublox L1 con possibilità di registrare i dati per elaborazione differenziale; confronti con telemetria drone e test di fotogrammetria diretta.
Inquadramento cartografico
Grafici di confronto
Immagine configurazione UAV
Parcheggio cimitero di LambrateMilano (MI)
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Grazie per l’attenzione
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