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Fotogrammetria digitale e sistemi UAV: applicazioni al monitoraggio ambientale. Cava Grigia a Monsummano Terme

2014

Oggetto del rilievo e finalità

Obiettivo del progetto è fornire la documentazione metrica per effettuare elaborazioni geomeccaniche dettagliate di stabilità (in collaborazione con prof. Carlo Alberto Garzonio, direttore del LAM - Dipartimento di Scienze della Terra, UniFi) della Cava Grigia di Monsummano Terme (Pistoia). Si tratta di una cava dismessa, all'interno di una proprietà privata, la cui parete presenta, in alcune parti, significativi problemi di stabilità. E' stato pertanto stipulato un accordo tra C.A.I., Proprietà delle Cave, Comune di Monsummano Terme, coinvolgendo anche i Comitati direttivi regionali e la commissione Interregionale Scuole di Alpinismo, sciaplinismo e arrampicata libera della Toscana ed Emilia Romagna e l'Università degli Studi di Firenze, per la messa in sicurezza della parete, al fine di consentirne successivamente la fruizione come palestra di roccia.

Cava GrigiaCava Grigia di Monsummano Terme (Pistoia)


Strumenti e metodi

Considerata la conformazione della cava, la cui parete si presenta con forma concava e andamento quasi verticale, è stato scelto di utilizzare un drone ad ala mobile per le riprese fotografiche. L’ottocottero AeroMax600 (Microgeo) monta una camera compatta (Canon PowerShot S100), oltre a GPS e piattaforma IMU. Il sistema è stato pilotato, per realizzare una serie di immagini pressoché ortogonali rispetto alla parete e altre prese del terreno immediatamente antistante la cava. Durante la campagna di rilievo sono state realizzate delle misure topografiche di punti di controllo, posizionati sulla parete rocciosa con l’aiuto di rocciatori esperti del CAI, sezione di Firenze.

droneIl posizionamento dei punti di appoggio sulla parete è avvenuto con l’aiuto di rocciatori esperti del CAI (a sinistra); il rilievo fotogrammetrico è stato realizzato con immagini scattate da un ottocotero AereMax600 (a destra)

Contestualmente alle prese è stato realizzato un rilievo laser scanner (LMS-Z420i, Riegl) del fronte di cava, orientato in modo indipendente nello stesso sistema di riferimento adottato per il rilievo fotogrammetrico. La risoluzione adottata è di un punto ogni 2-5 cm.


Output grafici

Il modello è stato realizzato orientando un blocco di 70 foto pseudo-ortogonali rispetto alla parete e uno di 11 immagini nadirali al terreno, nella zona antistante la cava. Alcuni dei punti misurati topograficamente sono stati impiegati per l’orientamento del modello, mentre altri check point hanno consentito la valutazione dell’accuratezza della ricostruzione 3D.

modello fotogrammetricoModello mesh del fronte di cava

Il modello mesh realizzato con tecniche di dense matching (circa 5 milioni di poligoni) è stato texturizzato calcolando la texture ad alta risoluzione a partire dalle immagini del modello fotogrammetrico.

modello mesh texturizzatoModello mesh texturizzato del fronte di cava

ortofotoOrtofoto con piano di proiezione orizzontale della cava e dell’area antistante (a sinistra) e dettaglio dell’ortofoto con piano di proiezione verticale (a destra)

Confronto tra rilievo fotogrammetrico e laser scanner

Le scansioni 3D sono state realizzate da due postazioni differenti, entrambe collocate alla base della cava; a causa della conformazione dello spazio antistante non è stato possibile realizzare ulteriori acquisizioni da postazioni più elevate. Il modello di punti ottenuto è quindi completamente mancante della parte alta della cava; presenta significative lacune nelle porzioni superiori dei blocchi sporgenti e nelle aree coperte da cespugli; ha una risoluzione ovviamente più elevata nella parte inferiore rispetto a quella superiore, situata a una distanza di acquisizione maggiore rispetto allo scanner.
Il confronto tra i due set di dati (modello mesh derivato dal rilievo fotogrammetrico e modello di punti da laser scanner) evidenzia una sostanziale corrispondenza tra i modelli, se si considera la sola parete rocciosa, con scarti di pochi centimetri. Le differenze significative evidenziate in rosso (a sinistra) sono relative alla vegetazione a cespugli, che è stata “obliterata” nel modello fotogrammetrico dall’applicazione di un filtro di smoothing L’effetto del filtraggio comporta anche una rappresentazione meno dettagliata delle discontinuità rocciose (a destra) rispetto a quanto è possibile interpretare osservando le scansioni.

confronto tra le acquisizioniConfronto tra il modello di punti ottenuto dal rilievo fotogrammetrico (texturizzato nell’immagine di sinistra) e le scansioni terrestri (in falsi colori, corrispondenti alle distanze dal modello precedente)


Credits

Lo studio è stato condotto nell'ambito del progetto “Sperimentazione di tecniche fotogrammetriche e LiDAR da veicoli aerei a pilotaggio remoto per il rilievo ed il monitoraggio del territorio” (fondi di Ateneo per la ricerca scientifica 2012, UniFi) e del Laboratorio congiunto “GeCo|HUB