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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Rilievi multispettrali da UAV per la modellizzazione di ...3dom.fbk.eu/repository/files/uav/slides/pinto.pdf · modellizzazione 3D • Creazione DSM: 0,10x0,10 m2, da editare 8 •
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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
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
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
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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
Modellizzazione 3D da nuvole di punti fotogrammetriche
Villa Castelbarcoa Vaprio d’Adda (MI) (2012)
5ESPERIENZE DI MODELLIZZAZIONI 3D
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)
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)
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
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
• 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
.
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
approssimativamente equivalenti alle bande TM2, TM3, TM4
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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
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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16
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
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
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
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
20RISULTATI DELLE SIMULAZIONI
Possiamo modellizzare l’effetto del rolling shutter(RS) lungo la direzione di volo con il parametro b1del modello di Fraser
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
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
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
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)
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.