SAPR - Utilizzo dei droni per riprese aeree in ambito geologico, ingegneristico e ambientale

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Il mondo dei SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto) o droni sta rivoluzionando il concetto di telerilevamento, ponendo nuove frontiere sia in termini di qualità del dato a terra sia per la grande versatilità del metodo. 
Esistono numerose tipologie di Droni, non solamente quelli aerei che tuttavia si suddividono in:

  • Droni multirotori, ovvero dei droni dotati di rotori che garantiscono la portanza del mezzo. Permettono manovre entro spazi limitati non avendo necessità di ampie aree per l'atterraggio e per il decollo. Sono utili qualora si voglia eseguire inoltre un volo stazionario detto volo hovering;
  • Droni ad ala fissa, ovvero dei mezzi che basano la loro portanza non solo sulla presenza del rotore ma soprattutto sull'ala che garantisce quindi di planare. Possono coprire agevolmente grandi aree grazie alla maggiore durata delle batterie.

Tra i mezzi aerei esistono poi i meno utilizzati Dirigibili ed Elicotteri
 

Drone multirotore equipaggiato con sensore ottico
Figura 1 - Drone multirotore equipaggiato con sensore ottico

 

Drone ad ala fissa equipaggiato con sensore ottico
Figura 2 - Drone ad ala fissa equipaggiato con sensore ottico
 

 

Tuttavia con il termine drone si possono includere anche quelli marini, che si possono suddividere in mezzi di superficie (i natanti) oppure subacquei. I droni Natanti permettono, tra l'altro, di rilevare la superficie del fondale utilizzando un sonar, che potrà essere in configurazione Singlebeam (sonar che manda impulsi puntuali) e Multibeam (sonar che manda fasci di impulsi, quest'ultimo è assoggettabile al LiDAR aereo).
Si possono citare i Droni terrestri, i cosiddetti Rover, utilizzati per esempio per il trasporto di materiali e per operazioni terrestri di difficile accesso per l'uomo.

I Droni aerei sono dei mezzi in grado di ospitare una numerosa gamma di sensori che vengono utilizzati in diversi ambiti settoriali. Tra i sensori più comuni vi sono:

  • Fotocamera, si tratta di un sensore passivo in grado di catturare la luce che attraversa l'obiettivo e di impressionare il sensore fotosensibile. Il processore della fotocamera in base all'intensità luminosa e la tonalità, in termini di RGB, è in grado di ricostruire un'immagine associando ad ogni pixel una colorazione con gradazione differente. Il sensore fotografico applicato al drone permette di acquisire dataset fotogrammetrici che elaborati con la tecnica dello Structure for Motion, permetteranno di estrarre un output fotogrammetrico. I principali campi applicativi della fotogrammetria riguardano l'ambito geologico come per esempio una fotogrammetria di un versante o di una cava, il campo ingegneristico, come potrebbe essere la ricostruzione di un'infrastruttura ed il campo ambientale come per esempio il monitoraggio dello stato di salute di una discarica;
  • Termocamera, si tratta di un sensore sensibile alla radiazione dell'infrarosso lontano (termico). L'utilizzo di questo sensore permette di rilevare l'emissività di un corpo e quindi il calore che viene rilasciato. La termografia permette di acquisire dataset che possono indicare o meno la temperatura assoluta del corpo e rispettivamente si parlerà di termocamere radiometriche (anch'esse suddivisibili in radiometriche centrali qualora rilevassero la temeperatura unicamente nel punto centrale della foto, oppure radiometrica totale che rileva la temperatura entro tutto il range compreso nell'ifov della foto) e termocamere non radiometriche che permettono unicamente di determinare le relazioni di temperatura tra diversi punti della foto. I settori applicativi principali riguardano l'ambito geologico per la determinazione di strutture sepolte quali paleoalvei, nel campo ingegneristico per determinare la temperatura dei pannelli fotovoltaici per determinare se sono presenti o meno hot spot oppure per valutare lo stato di salute di organi meccanici soggetti a frizione e nel settore agronomico per vedere lo stato di salute delle piante e quindi valutando l'umidità della pianta stessa;
  • Sensore Multispettrale, in questo caso si tratta di un sensore fotosensibile ma a quattro bande. Non è lo stesso sensore multispettrale installato sui satelliti, in questo caso si tratta di un sensore in grado di acquisire un dato in RGB e nell'infrarosso vicino. Alcuni sensori sono sensibili anche al Red Edge, ovvero una lunghezza d'onda compresa tra l'infrarosso vicino ed il rosso. Questo sensore viene utilizzato in agricoltura di precisione per il calcolo dell'indice di stato vegetativo, ed in particolare per l'indice normalizzato NDVI. Viene quindi utilizzato per determinare lo stato di salute delle piante;
  • Sensore Iperpsettrale, un sensore poco commercializzato visto l'alto prezzo, è in grado di acquisire un dato su una vasta gamma di lunghezze d'onda. Il numero di canali definisce quanti range spettrali divisi è in grado di acquisire. Un sensore fondamentale per determinare la firma spettrale degli oggetti e quindi discriminare un materiale da un altro semplicemente sfruttando una foto aerea. Può essere utilizzato in svariati ambiti, dal settore geologico per determinare la natura geologica di un determinato materiale, all'ambito forestale per distinguere le varietà di piante;
  • Sensore LiDAR, ovvero un sensore attivo in grado di lanciare un impulso verso terra che rimbalzerà in ogni direzione per scattering una volta colpita la superficie. Alcuni di questi impulsi tornano all'emettitore che svolgerà anche il ruolo di ricevitore e permettendo la ricostruzione della superficie sia in termini di Digital Terrain Model (DTM) corrispondenti quindi all'ultimo ritorno ed il Digital Surface Model (DSM) corrispondenti al primo ritorno. Il settore applicativo riguarda l'ambito geologico per la ricostruzione della superficie del terreno, l'ambito ingegneristico ed il settore ambientale.


Nell'ambito dei Droni aerei dotati di sensore fotografico, si parla, in ambito tecnico di fotogrammetria.
La gestione integrale del dato fotogrammetrico prevede un iter piuttosto complesso che comprende una prima fase di pianificazione durante la quale si dovranno impostare i parametri fotografici e fotogrammetrici corrispondenti all'ambiente da rilevare e successivamente il volo verrà eseguito mediante una gestione totalmente automatizzata. Il volo permetterà di acquisire un dataset fotogrammetrico che sarà la base di partenza per l'estrazione e l'elaborazione degli output quali la Nuvola di Punti, l'Ortofoto ed i Modelli Digitali di Elevazione (DSM e DTM quando possibile).

Il primo step del post processing è relativo l'Aerotriangolazione ovvero la tecnica che permette di calcolare distanze fra punti sfruttando le proprietà dei triangoli ed agendo direttamente sulle foto acquisite. L'Aerotriangolazione avviene per mezzo di riconoscimento di punti omologhi sulla base di una corrispondenza geometria e cromatica, quindi punti analoghi corrispondono allo stesso oggetto sulla superficie. Il processo dell'Aerotriangolazione è il punto di partenza per la ricostruzione della Nuvola di Punti, ovvero un insieme ordinato di punti che possiedono le coordinate x, y, z e le tonalità (RGB). La Nuvola di Punti rappresenta un output fondamentale in quanto fornisce tutti i dati spaziali inerenti la corretta geolocalizzazione del dato.
Interpolare la nuvola di punti significa poter successivamente calcolare una Mesh Poligonale che presenta per sua natura una certa approssimazione dovuta all'algoritomo di interpolazione utilizzato. 

L'ortofoto rappresenta invece il risultato finale (insieme al Modello di Elevazione del Terreno) dell'elaborazione fotogrammetrica. Le Ortofoto sono costituite da un insieme di fotografie aeree che sono state geometricamente corrette e georeferenziate in modo tale che la scala di rappresentazione dell'immagine sia uniforme, cioè la foto può essere considerata equivalente ad una mappa. Vengono corretti gli errori legati alla distorsione geometrica e le aberrazioni tipiche delle lenti e inoltre viene generato un output rappresenta gli oggetti sempre nadiralmente rispetto al punto di vista dell'osservatore.

Infine il Modello Digitale di Elevazione è un raster al quale per ogni pixel corrispondono i valori di X, Y e Z. A differenza della nuvola di punti, il modello di elevazione del terreno è un output continuo sul quale possono essere algoritmi per l'estrazione, l'analisi e la gestione completa del dato dal punto di vista ambientale ed ingegneristico.
 

Nuvola di punti
Figura 3 - Nuvola di punti

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