La fotogrammetria è il processo di misurazione mediante immagini. Si tratta di immagini acquisite con un'ampia gamma di dispositivi, tra cui droni, aerei e fotocamere portatili, per citarne alcuni. Queste immagini vengono utilizzate per generare modelli 2D e 3D accurati e precisi. Numerosi settori possono trarre vantaggio da queste ricostruzioni, dalla sicurezza pubblica alle ispezioni industriali all'agricoltura.

Le teorie e i concetti alla base della fotogrammetria possono sembrare complessi all'inizio, per questo abbiamo creato un elenco delle 10 cose più importanti da sapere quando si utilizza la fotogrammetria. Sono:

1. Geometria
2. Radiometria
3. Triangolazione
4. Parametri interni ed esterni
5. Parametri iniziali e calcolati
6. RTK E PPK
7. Sistema di coordinate
8. Punti di collegamento
9. Distanza di campionamento del terreno
10. Misura del volume

Grazie a questo elenco, potrete comprendere le idee di base della fotogrammetria, capire come funziona la tecnologia ed essere pronti ad applicarla nel vostro campo!

La geometria

La geometria è un insieme di caratteristiche che utilizziamo per definire le dimensioni, la forma, l'orientamento e la posizione di un oggetto. Queste informazioni possono essere ricostruite e analizzate con il software di fotogrammetria. Come funziona? Una fotografia cattura la "colinearità". Colinearità, a livello di base, significa che almeno tre punti appaiono sulla stessa linea. Con la fotogrammetria, consideriamo tale linea come un raggio di luce. Su questo raggio di luce, o linea, si troveranno quindi tre punti fondamentali: un oggetto, il punto messo a fuoco dalla fotocamera e l'immagine dell'oggetto sul sensore della fotocamera.

Ora, con il software giusto, è possibile interpretare come i punti che intersecano un raggio di luce siano parte di una scena più grande che è stata catturata dalla fotocamera. La lunghezza e l'angolo della "linea" sono influenzati dall'esatta posizione della fotocamera al momento dello scatto. Il software di fotogrammetria analizza il comportamento della luce e degli elementi colineari per ricreare la geometria della scena. Per semplificare: i nostri software di fotogrammetria (PIX4Dmapper, PIX4Dfields, PIX4Dmatic, PIX4Dcloud, PIX4Dinspect) utilizzano i dati della fotocamera e le foto stesse per generare una ricostruzione geometricamente accurata di un'area di progetto.

Radiometria

La radiometria è un metodo per analizzare la radiazione elettromagnetica. È un modo per misurare il modo in cui la luce interagisce con diversi oggetti, comprese le lunghezze d'onda dell'energia non visibili all'occhio umano. Cosa c'entra questo con la fotogrammetria?

Ogni volta che si guarda un oggetto, si vede riflessa la luce di colori specifici. Ci sono più colori di quanti se ne possano vedere: noi percepiamo solo quello che i nostri occhi sono in grado di rilevare. Ad esempio, quando si osservano le piante, di solito si nota una predominanza di verde. La luce verde viene riflessa dalle piante perché non la utilizzano quando assorbono l'energia dal sole. Con la radiometria è possibile misurare il modo in cui le piante riflettono la luce, nonché le quantità e le variazioni di luce che non possiamo vedere a occhio nudo.

Per utilizzare la radiometria in fotogrammetria, è possibile utilizzare sensori e telecamere specifici che rilevano la luce del vicino infrarosso, noti anche come sensori multispettrali. Queste fotocamere analizzano la luce in modo diverso da una fotocamera RGB (rosso-verde-blu) standard. I dati provenienti da queste fotocamere specializzate possono essere utilizzati per la fotogrammetria agricola. Se i dati vengono sottoposti a formule specializzate, è possibile creare un indice di vegetazione. Si tratta di una mappa 2D di una coltura o di un campo che analizza il modo in cui le piante riflettono la luce. Il modo in cui una pianta riflette la luce ci informa sulla sua salute, sullo stadio di crescita e sul fatto che sia sotto stress prima ancora di poterla vedere con i nostri occhi. Grazie a questo metodo di utilizzo dei droni e del telerilevamento, i coltivatori possono usare la fotogrammetria per conoscere meglio le loro colture rispetto a quanto è visibile all'occhio umano.

Triangolazione

Le foto raccolte per la fotogrammetria sono in 2D e per molti output, come i modelli digitali di superficie o le nuvole di punti, è necessario convertire i dati per renderli utilizzabili in 3D. La triangolazione è la tecnica per creare misure di punti in 3D.

La triangolazione è utilizzata anche dai nostri occhi. L'idea è che le immagini scattate da luoghi diversi possano essere utilizzate per creare un modello 3D confrontando le differenze tra loro. Ogni foto rappresenta una linea di vista diversa, che può essere corroborata con altre foto per trovare le intersezioni tra i punti. Come abbiamo visto con la colinearità e la geometria, è possibile utilizzare questi dati per misurare le distanze e, aggiungendo la sovrapposizione tra più foto, è possibile utilizzare la triangolazione per creare un modello 3D. Di conseguenza, il team di supporto di Pix4D consiglia di raccogliere le foto con la quantità appropriata di sovrapposizione per assicurarsi di avere abbastanza dati per creare un modello 3D accurato e senza spazi vuoti.

Parametri interni ed esterni

Abbiamo illustrato la scienza di base che sta alla base della conversione delle foto in modelli 2D e 3D. Per sfruttare questa tecnologia, è necessario disporre di uno strumento di raccolta dati di fotogrammetria adeguato, come un drone o una fotocamera.

Ogni fotocamera ha determinate caratteristiche determinate dal progetto. Queste specifiche influenzano il funzionamento della fotocamera, ad esempio la presenza o meno di un otturatore a rullo. I parametri includono

• Obiettivo interno della fotocamera
• Posizione del centro di proiezione della fotocamera
• La matrice di rotazione che definisce l'orientamento della fotocamera

Alcuni di questi parametri sono interni alla fotocamera (ad esempio, l'obiettivo della fotocamera), mentre altri sono esterni, come la posizione della fotocamera quando vengono scattate le foto. Quando si elaborano le foto con un software di fotogrammetria, è necessario definire questi parametri per assicurarsi che vengano presi in considerazione durante l'elaborazione. In questo modo si garantisce l'accuratezza dei risultati, poiché il software adatterà le impostazioni di elaborazione in base alla fotocamera utilizzata.

Parametri iniziali e calcolati

Per essere sicuri di poter generare ricostruzioni accurate, abbiamo bisogno di alcune informazioni di base sull'attrezzatura utilizzata per ricostruire la scena: la fotocamera (e, se pertinente, il drone). La fotocamera può essere definita da due serie di parametri. In primo luogo, i parametri interni riguardano la geometria della fotocamera stessa. Il modo in cui la fotocamera interpreta la luce è specifico della fotocamera e influisce sull'elaborazione delle immagini per una ricostruzione 3D. D'altra parte, i parametri esterni definiscono la posizione e l'orientamento della fotocamera al momento dell'acquisizione delle foto.

In un mondo ideale, queste informazioni sarebbero disponibili fin dal momento dell'acquisizione dell'immagine attraverso i metadati, ma non sempre sono precise. Di conseguenza, un software specializzato in fotogrammetria raccoglie tutti i parametri iniziali di un progetto prima dell'elaborazione.

Il software ottimizzerà quindi tali parametri, ovvero calcolerà una serie di parametri che rappresentano in modo più accurato la geometria, la posizione e l'orientamento della fotocamera. I parametri vengono modificati da quelli iniziali a quelli calcolati. Queste modifiche garantiscono l'accuratezza del progetto. Più un progetto è accurato, più applicazioni possono essere utilizzate. Se un modello 3D è preciso entro pochi centimetri, può raggiungere gli standard industriali definiti dagli enti di certificazione, come Bureau Veritas, ed essere utilizzato per importanti progetti di costruzione o di rilievo, o anche in indagini legali per incidenti e ricostruzione di scene del crimine.

RTK E PPK

Abbiamo già parlato di "precisione" alcune volte. L'accuratezza è una delle principali preoccupazioni della fotogrammetria: come ci si assicura che il modello 3D creato sia fedele alla realtà? Esistono diversi metodi per farlo, che si basano su una geolocalizzazione accurata, ovvero sulla possibilità di individuare esattamente la propria posizione sulla terra.

RTK (real-time kinematic) e PPK (post-processing kinematic) sono metodi per misurare e registrare i dati geolocalizzati. Sono entrambe tecnologie di correzione GPS che raccolgono dati sulla posizione, identificano gli errori e apportano correzioni durante o dopo il rilevamento.

L'RTK avviene durante un rilievo o un volo di drone. Un drone o uno strumento di raccolta dati, come il viDoc RTK Rover, è dotato di un ricevitore GNSS RTK che raccoglie dati dai satelliti e si connette a una stazione base o a una rete locale per raccogliere informazioni geolocalizzate durante l'acquisizione delle immagini. Questi dati vengono inseriti nelle foto. Le posizioni della fotocamera sono calcolate in tempo reale con riferimento a una stazione base locale. I calcoli vengono utilizzati per correggere la posizione della fotocamera se non è stata registrata con precisione, contribuendo a portare la precisione entro due o tre centimetri in orizzontale e in verticale.

Il PPK viene completato dopo la raccolta dei dati e può essere utilizzato in assenza di hardware con funzionalità RTK. Il drone scrive le geocoordinate su ogni immagine basandosi sul ricevitore GNSS a bordo del drone. Allo stesso tempo, un'unità di base (come una rete CORS o una stazione di base GNSS) registrerà le informazioni sulla posizione. Questi dati vengono utilizzati per determinare i punti e i riferimenti di geolocalizzazione. Il PPK può essere utilizzato se l'RTK non è un'opzione o non ci sono punti di collegamento disponibili, come nelle missioni di mappatura rapida o nelle missioni di recupero dei droni in caso di calamità.

Entrambe le tecniche hanno lo scopo comune di garantire l'accuratezza di un progetto, mantenendolo preciso entro i centimetri (se fatto correttamente). Si discute se sia meglio il PPK o l'RTK e in genere dipende dal progetto. Qualunque sia il sistema utilizzato, questi vi aiuteranno a creare risultati professionali che possono essere utilizzati per applicazioni reali come il rilievo o il monitoraggio del terreno.

Sistemi di coordinate

Un sistema di coordinate è un modo di organizzare linee o curve di riferimento per definire le posizioni nello spazio. Esistono diversi sistemi di coordinate utilizzati in tutto il mondo, poiché alcuni Paesi hanno il proprio.

Chi utilizza un software di elaborazione fotogrammetrica deve definire quale sistema di coordinate sta utilizzando prima di elaborare i dati. In caso contrario, il software potrebbe interpretare i dati di geolocalizzazione in modo errato e restituire misurazioni imprecise o addirittura distorcere i risultati finali.

Sistemi di coordinate diversi daranno risultati leggermente diversi dopo l'elaborazione a causa delle variazioni tra i sistemi. Per questo motivo è importante sapere quale sistema di coordinate si sta utilizzando quando si raccolgono i dati, in modo da poterlo definire nel software durante l'elaborazione e ottenere risultati che mostrino correttamente dove ci si trova, invece di scambiare il sito del progetto per un luogo completamente diverso!

Punti di unione

Un punto di collegamento è un punto comune a più immagini che può essere utilizzato per collegarle. Si tratta di punti di ancoraggio, ovvero di un punto in cui la posizione geografica è assoluta. Esistono diversi nomi per i tie point (ad esempio, punti di controllo del terreno o punti di controllo).

I punti di controllo del terreno (Ground Control Point, GCP) sono punti con coordinate note. Vengono misurati con precisione con un ricevitore GNSS RTK o PPK, o con un'apparecchiatura nota come stazione totale. I GCP servono a localizzare con precisione un progetto per ottenere una ricostruzione fedele alla realtà.

I punti di controllo sono come i GCP, ma non georeferenziano un progetto. Vengono invece utilizzati per valutare l'accuratezza geometrica del progetto.

Con i GCP e i punti di controllo, il topografo può essere sicuro che i risultati della fotogrammetria siano geolocalizzati correttamente e che le misurazioni effettuate dal modello 2D o 3D siano accurate.

Distanza di campionamento a terra

Sempre in tema di accuratezza, si inserisce la distanza di campionamento a terra, o GSD. La GSD è la distanza tra due centri di pixel adiacenti misurata sul terreno. È il modo in cui si mettono in relazione le distanze sullo schermo con quelle reali.

Maggiore è il valore GSD, minore è la risoluzione spaziale dell'immagine. Ciò significa che ci sono meno dettagli.

Questo va bene se si sta rilevando un paesaggio molto ampio e si vuole ottenere una panoramica generale di un'area. Tuttavia, se si cercano elementi più fini per un'indagine su un incidente o una topografia dettagliata, si potrebbe desiderare un GSD più piccolo per poter cercare nel modello in modo più completo.

Il GSD è determinato dall'altezza di volo e dalle specifiche della fotocamera, tra cui la larghezza dell'immagine, la larghezza del sensore e la lunghezza focale. Un GSD di 5 cm significa che un pixel dell'immagine rappresenta 5 cm al suolo in modo lineare (cioè mostra 25 centimetri quadrati). Un GSD di 30 cm significa che un pixel equivale a 900 centimetri quadrati (o 30 x 30 cm). La differenza è enorme. È possibile ottenere un GSD più piccolo volando più vicino al suolo, ma ciò comporterà un set di dati più grande e tempi di elaborazione più lunghi. I fotogrammetristi professionisti adattano la raccolta dei dati in base al GSD desiderato.

Misure di volume

Questo concetto può risultare familiare, a differenza di altri che abbiamo elencato! È anche uno dei più semplici. I volumi possono essere misurati in base alla base di un oggetto rispetto alla sua altezza o profondità. Possono essere misurati con PIX4Dsurvey, PIX4Dcloud e PIX4Dmapper. I dati possono essere raccolti per misurare i volumi con il rover RTK viDoc o con un drone.

Le misure di volume possono essere effettuate con precisione con il software di fotogrammetria.

La misurazione dei volumi con la fotogrammetria è utilizzata dai professionisti dell'edilizia che lavorano a progetti che prevedono la gestione delle scorte, nonché dai geometri o dagli operatori della pubblica sicurezza che devono analizzare il terreno. L'uso della fotogrammetria per misurare le scorte o i volumi consente di risparmiare tempo e di migliorare la sicurezza, in quanto evita al rilevatore di dover camminare su una pila per misurare il profilo del materiale. Si elimina la necessità di utilizzare attrezzature manuali e ingombranti e si può persino completare il lavoro con voli automatizzati di droni e con il caricamento automatico dei dati su PIX4Dcloud. L'intero processo si traduce in un risparmio di tempo e denaro, con un ritorno diretto sugli investimenti derivanti dall'uso della fotogrammetria.

Per saperne di più sulla scienza alla base della fotogrammetria

Complimenti per aver letto fino a qui! Alcuni degli argomenti trattati in questo blog sono altamente tecnici e potrebbero risultare poco familiari a chi è nuovo del settore. La fotogrammetria è uno dei metodi più interessanti per la misurazione e l'analisi dei dati. La buona notizia è che c'è un aiuto se ne avete bisogno: la base di conoscenza di Pix4D sul nostro sito di supporto è piena di informazioni che hanno informato questo articolo, e i nostri formatori esperti possono anche fornire lezioni a chi è nuovo alla fotogrammetria e al lavoro con Pix4D.

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