RILIEVO AEROFOTOGRAMMETRICO DI CAVA CON DRONE E RILIEVO GEOMECCANICO DEI FRONTI DI SCAVO
Il rilievo di cava con drone ci ha permesso di condurre un rilievo aerofotogrammetrico mettendo in campo la nostra tecnologia più idonea per acquisire con grande precisione ed in tempi brevi tutte le informazioni geometriche, morfologiche e geomeccaniche di un sito complesso e difficilmente accessibile con le tradizionali topografiche. L’acquisizione di una considerevole quantità di immagini aeree da drone, immagini ad elevata definizione, inoltre ci ha consentito di rilevare aree non accessibili, franose, in rapida trasformazione.
La fotogrammetria digitale è quel metodo di rilievo che consente l’acquisizione di informazioni metriche di un oggetto a partire dalla elaborazione di sue immagini fotografiche scattate da punti di vista differenti. Presupposto fondamentale è, quindi, l’acquisizione di fotogrammi e misure. L’aspetto fondamentale di questa metodologia, sul quale la 3DeFFe punta particolarmente per la garanzia del risultato, è la progettazione preliminare di ogni fase operativa e di post elaborazione.
Il rilievo di cava con drone, metodo da noi seguito per una cava sita nel comune di Ventimiglia, ha interessato un’area in pianta di circa 35 ettari, un dislivello complessivo del fronte roccioso di circa 300 m. e una larghezza di 200 m. L’area di scavo è distribuita su 14 gradoni ciascuno con un dislivello medio di 20m. La fascia più bassa della cava, fino al sesto gradone, è franosa e quasi completamente inaccessibile. L’accessibilità ai gradoni superiori ed a quelli bassi fin dove consentito avviene attraverso tortuose strade laterali che si intrecciano nella boscaglia circostante. La tipologia di materiale che caratterizza il sito, una roccia calcarea ed arenacea piuttosto friabile, nonché la continua attività estrattiva rendono il sito continuamente in trasformazione e le pareti instabili.
Le condizioni di rilievo non erano quindi facili, per l’ampiezza dell’area di cava, per la sua percorribilità e per la costante instabilità dei fronti di scavo. L’impiego del drone in questo caso si è dimostrato, secondo la nostra esperienza, l’unica soluzione nel contempo efficace e rapida per ottenere un rilievo completo, preciso, nel minor tempo possibile in sito.
Il metodo fotogrammetrico ha quindi “fotografato” lo stato di fatto in un lasso di tempo sufficientemente breve da ridurre al massimo la probabilità di eventi modificatori del sito. Nello stesso tempo ha soddisfatto la necessità della committenza di avere un rilievo preciso, con carattere di continuità esteso anche alle zone inaccessibili, georiferito e inserito in CTR regionale. L’impiego del SAPR – drone – come “mezzo di trasporto” della macchina fotografica ha offerto un importante valore aggiunto consentendo di soddisfare completamente le necessità della committenza: la possibilità di acquisire fotogrammi aerei ampliando così il campo visivo e acquisendo dati anche nelle zone altrimenti inaccessibili.
Rilievo di cava con drone: obiettivo
L’obiettivo del rilievo è stata la produzione di un modello digitale del terreno sufficientemente dettagliato da permettere di procedere a:
Elaborazione di piano quotato in cad in scala 1:500 dell’intera superficie della cava;
Elaborazione di Ortofoto RGB georiferita e sua sovrapposizione alla CTR regionale in Gauss Boaga;
Estrapolazione di curve di livello del terreno ad intervallo di 10 m e 1 m. sull’intero fronte di scavo;
Elaborazione di sezioni longitudinali e trasversali lungo linee di sezione precedentemente stabilite;
Definizione dell’assetto geostrutturale dell’ammasso roccioso, determinazione dei sistemi di discontinuità e della giacitura dei piani medi per due fronti di scavo (gradoni 10 e 12).
Rilievo di cava con drone: il progetto di rilievo:
1. ANALISI DEI DATI DI PARTENZA
Il progetto di rilievo è stato predisposto sulla base dei seguenti dati:
Dimensioni complessive del sito: superficie 35ha, dislivello 300 m, ampiezza area di cava 200 m. valutazione necessaria per la stima della quantità dei voli necessari ad ottenere la completa ricopertura dell’area;
valutazione della esposizione prevalente, necessaria per l’acquisizione di immagini con condizioni di illuminazione e contrasto il più possibile omogenee;
Valutazione delle condizioni di accessibilità del sito, necessaria per predisporre il posizionamento dei GCP, per la definizione dei punti di atterraggio / decollo del SAPR e la conseguente stima della quantità di voli necessari e loro requisiti.
L’analisi dei dati di cui sopra e la loro valutazione in funzione dell’obiettivo del rilievo ha condotto alla scelta di un metodo di rilievo aerofotogrammetrico con l’utilizzo di un drone. Si sono quindi predisposte le seguenti fasi operative: rilievo topografico, rilievo fotografico, elaborazione dei dati (allineamento dei fotogrammi e elaborazione del modello a nuvola di punti), estrazione di ortofoto georiferita e DEM e loro sovrapposizione alla cartografia tecnica regionale, elaborazione di sezioni.
2. RILIEVO TOPOGRAFICO
L’acquisizione di punti di riferimento per l’elaborazione fotogrammetrica è necessaria affinché il modello finale sia correttamente orientato e scalato. Il rilievo topografico di base è stato effettuato con strumentazione GPS al fine di acquisire le coordinate dei punti di riferimento in un sistema di riferimento geografico. I punti rilevati più strategici sono stati verificati anche con stazione totale, creando una rete topografica locale indipendente. Il rilievo con stazione totale è stato invece necessario per l’acquisizione di punti di riferimento sulle pareti rocciose dei gradoni 10 e 12, dove sarebbero state effettuate, successivamente, le analisi geomeccanice. Su questi fronti, non essendo possibile posizionare materialmente dei marker grafici, si sono individuati dei punti nella fascia bassa segnalizzandoli con una vernice colorata, mentre nella parte alta sono stati catalogati e fotografati di volta in volta aiutandosi con il puntatore laser dello strumento topografico. Complessivamente sono stati acquisiti un centinaio di punti.
3. RILIEVO FOTOGRAFICO
Il rilievo fotografico, con acquisizione di immagini digitali da drone, è stato predisposto sulla base di un attento calcolo in funzione della scala finale richiesta. Si è quindi predisposta una serie di voli, effettuati in modalità manuale, tali da seguire il profilo curvilineo del fronte di scavo e mantenere costante una distanza di circa 30-35 metri dalle pareti rocciose. I voli sono stati effettuati, per ogni gradone, con fotocamera zenitale e inclinata, in maniera tale da ottenere l’adeguato dettaglio tanto nei piani orizzontali dei gradoni quanto sui fronti rocciosi.
Obiettivo fondamentale di qualsiasi rilievo fotogrammetrico, qualsiasi sia la scala di restituzione finale e quindi l’errore che decidiamo di accettare in funzione dell’oggetto da rilevare, è la costanza del dato finale. In altre parole, la distribuzione e la densità dei punti del modello fotogrammetrico, il loro errore medio di posizionamento nello spazio, nonché il loro valore RGB, deve essere il più possibile costante in tutto il modello affinché il dato restituito sia attendibile. Questo ci ha insegnato, con il tempo, le numerose prove effettuate e la valutazione degli errori ottenuti, a pianificare attentamente il rilievo di cava con drone.
In particolare, le riprese fotogrammetriche dei fronti dei gradoni 10 e 12 erano finalizzate ad ottenere un modello digitale complessivo delle pareti rocciose avente spaziatura media tra i punti di circa 3÷4 cm, con precisione stimata in circa 1÷2 cm. Per ottenere il grado di precisione richiesta, tenendo conto del ridotto spazio operativo nell’area antistante i fronti indagati, si è deciso per il drone di utilizzare uno schema di blocco simile a quelli utilizzati in un tradizionale volo aerofotogrammetrico per fini cartografici: una coppia di strisciate orizzontali a distanza costante dalla parete, sommate ad una strisciata di fotogrammi acquisiti alla base della stessa ad integrazione di punti ciechi e/diedri. Si è deciso di utilizzare su drone, un ottocottero a quattro bracci ed eliche contrapposte, un obbiettivo da 8.8 mm (24 equivalenti) montato su una fotocamera digitale Sony RX100M3 con risoluzione 4864 x 3648 pixel. Per i fotogrammi da terra è stata utilizzata una fotocamera Canon EOS 70D con obbiettivo Sigma da 16 mm (25,6 equivalenti), risoluzione 5472 x 3648 pixel. La metodologia adottata per le diprese ha consentito di avere la totale ricopertura dell’area con una sovrapposizione media dell’ 80-90%.
4. ELABORAZIONE DEI DATI
Per eseguire l’orientamento delle strisciate fotogrammetriche sono stati utilizzati algoritmi automatici di structure from motion. Sotto il nome di structure from motion ricadono diverse metodologie e algoritmi che sono finalizzati a ricostruire automaticamente i parametri di orientamento interno della fotocamera utilizzata, di orientamento esterno tramite l’ausilio dei punti di controllo rilevati strumentalmente, le caratteristiche geometriche, materiche e cromatiche dell’oggetto partendo da una sequenza di immagini.
Effettuato il primo allineamento automatico, l’inserimento delle coordinate dei GCP, punti di controllo rilevati a terra, ha consentito l’ottimizzazione dell’allineamento stesso, l’orientamento e la scala del modello, con suo inserimento nel sistema di coordinate geografiche prescelto. Al termine delle operazioni di orientamento dei blocchi fotogrammetrici si è proceduto alla ricostruzione dei modelli digitali di superficie (DSM) dei due fronti, in particolare alla generazione delle nuvole di punti dense. Una volta terminato il modello a nuvola di punti densa, verificato l’errore medio di allineamento e di elaborazione rispetto ai marker rilevati, si è potuto procedere alle fasi successive di produzione della mesh, della texture, dell’ortofoto georiferita, del DEM.
Hanno collaborato il Geologo Damiano Vacha di Torino e lo studio Studio Tre di Sanremo.