Rilievi topografici con drone

Rilievi topografici con drone

Impiego dei Droni in Topografia: Vantaggi e Costi

Cos’è la topografia

La topografia è la scienza che studia gli strumenti ed i metodi operativi, sia di calcolo sia di disegno, che sono necessari per ottenere una rappresentazione grafica, più o meno particolareggiata, di una parte della superficie terrestre. (Wikipedia)

Partendo dalla definizione di Wikipedia, la parola “topografia” racchiude tutti i sistemi necessari per rappresentare parte della superficie terrestre.  Alla luce di ciò possiamo dire che è possibile realizzare rilievi topografici con droni.  Altro discorso sono l’accuratezza e la precisione.  Proviamo con questo articolo a fare un po di chiarezza.

Quali sono gli strumenti tradizionali?

Parlando di topografia intesa nell’uso comune, vengono in mente i rilievi fatti con la stazione totale, sistema ad altissima precisione ma ideale per rilievi locali. Per poter invece inserire il rilievo in un sistema di posizionamento globale è necessario invece il collegamento con il GPS, attualmente con precisione centimetrica. L’integrazione di questi due sistemi è oggi una buona soluzione integrata.

Da qualche periodo sono sul mercato i laser scanner ovvero strumentazione attiva in grado di rilevare superfici con precisioni millimetriche tramite raggi laser. Sono sistemi costosi ma con una precisione altissima. Hanno la massima resa quando operano con i raggi il più perpendicolari possibili alla superficie da rilevare, mentre la qualità diminuisce se i raggi colpiscono la superficie in modo sempre più obliquo.

A cosa servono i rilievi topografici con drone?

I rilievi topografici hanno lo scopo di rilevare e modellare la realtà, relativa alla superficie terrestre, ad esempio per catasto, rilievi di appezzamenti di terreni, rilievi di scavi, cave, rilievi di frane, smottamenti e molto altro.  Si può parlare di rilievi topografici anche quando i rilievi riguardano ad esempio facciate di edifici, conformazioni di tetti, coperture, ecc.

Quando sono stati introdotti i droni?

I droni o meglio i SAPR (Sistemi aerei a pilotaggio remoto), sono nati per scopi militari e da circa una decina d’anni stanno prendendo piede anche per scopi commerciali, in quanto sempre più performanti, più sicuri e con più autonomia.

Come viene utilizzato il drone in topografia?

Semplificando al massimo, il drone per rilievi topografici, utilizza la tecnica della fotogrammetria, una tecnica molto vecchia ma in realtà un po’ abbandonata. Oggi, con i computer sempre più potenti, è tornata prepotentemente alla ribalta.

In pratica la fotogrammetria compone le immagini, in questo caso scattate da drone, riconoscendo i punti omologhi presi da più fotogrammi ed uniti con idonei software. Il risultato è una nuvola di punti nello spazio, che può venir gestita ed utilizzata per ottenerne prodotti diversi.

Chi può fare rilievi con droni?

Fare un rilievo con un drone sembra molto facile.  Ci sono infatti molte persone che pensano che sia sufficiente acquistare un SAPR, inserirci un’applicazione per iPad o Smartphone che pianifica voli in modo quasi automatico ed acquisire immagini per poi farle elaborare da software. Noi riteniamo che la conoscenza dei principi base di topografia, tecniche di rilievo, fotografia, georeferenziazione dei modelli, siano fondamentali per poter operare in modo serio.

Poi tutto sta nel risultato atteso e dallo scopo del rilievo.   Banalizzando, vi fareste fare un rilievo del terreno dove volete costruire casa vostra, magari con un fosso, una scarpata, degli alberi, ecc, da una persona che vi fa un rilievo con un doppio metro oppure preferireste un topografo che opera da anni con esperienza con una stazione totale accoppiata ad un gps?

Cosa prevede la normativa?

La normativa oggi prevede che un SAPR sia di fatto equiparato ad un aeromobile e di conseguenza ne deve rispettare le regole e restrizioni. In particolare il campo SAPR è gestito e regolamentato da ENAC (Ente Nazionale Aviazione Civile) che divide nettamente i droni aeromodelli da quelli per operazioni specializzate. Tutte le operazioni eseguite con droni che hanno a bordo una fotocamera eseguono operazioni specializzate.

Le operazioni specializzate si dividono in operazioni non critiche ed operazioni critiche in base alle situazioni in cui operano.  Senza entrare nel dettaglio, diciamo che per fare rilievi in zone non critiche, dobbiamo presentare una dichiarazione ed Enac, completa di manuali e modulistica varia ed attendere di essere inseriti in un elenco specifico.   In caso di operazioni critiche bisogna invece chiedere autorizzazione specifica ad Enac. In entrambi i casi è sempre obbligatoria l’assicurazione specifica.

Oltre all’autorizzazione del mezzo, è necessario che il Pilota sia in possesso di un brevetto di Pilota specifico e relativo al peso dell’APR e certificato medico sempre in corso di validità.

Da sottolineare che le sanzioni in caso di inottemperanza dei regolamenti sono molto pesanti.

Quali droni si possono usare?

Per scattare immagini da inserire in software fotogrammetrici, è sufficiente una qualsiasi macchina fotografica e di conseguenza paradossalmente qualsiasi drone.

Ovviamente l’accuratezza del risultato dipende moltissimo dalla qualità delle immagini di partenza. E qui il mercato offre un po di tutto: dalle piccole videocamere da 12 pixel con un sensore da 1/2,3′ CMOS (tipo il DJI Sparks) fino a formati full-frame e sensori da oltre 40 mpixel con obiettivi dedicati di altissima qualità.  Anche di droni ne abbiamo da molto piccoli e piuttosto instabili a droni più grossi e pesanti, con sistemi di navigazione automatica ridondante e molto stabili in caso di vento.

Anche qui torniamo allo scopo del rilievo. Più un rilievo deve essere preciso, accurato e misurabile e più abbiamo la necessità di usare un drone con caratteristiche superiori.

Quali tecniche si possono usare?

Come abbiamo accennato, per restituire un’elaborazione fotogrammetrica, sono sufficienti delle fotografie scattate con la corretta sovrapposizione tra una e l’altra in modo che ogni punto della scena sia ripreso da più scatti.

E’ chiaro che la corretta sovrapposizione diventa quindi il punto debole del sistema.

Sebbene sia possibile eseguire un volo manuale scattando le fotografie in modo manuale, è preferibile pianificare il volo mediante un software automatico, che si occupa del calcolo della corretta sovrapposizione, del seguire la rotta stabilita, mediante navigazione gps, e di scattare le fotografie nei punti giusti. Per contro, scattare a mano in abbondanza, crea una grande mole di dati che appesantisce la gestione dell’elaborazione.

Un’altro accorgimento fondamentale per ottenere un rilievo corretto e misurabile, è quello di posizionare sulla scena dei target a terra (GSP) che verranno rilevati dal drone e battuti topograficamente, con gps o stazione totale. Inserendo quindi le coordinate note dei singoli target nel modello elaborato, lo stesso diventerà metricamente corretto e georeferenziato (nel caso di utilizzo di coordinate globali).

Altro paramento importante per determinare la qualità del rilievo è il GSD (ground sample distance) ovvero la distanza tra il centro di due pixel a terra. Più la misura è piccola e più i pixel saranno vicini, quindi con definizione migliore. Dipende dai seguenti fattori: qualità delle immagini scattate e quota di volo. Questa variabile dovrebbe essere sempre richiesta quando si chiede un rilievo fotogrammetrico o aerofotogrammetrico.

Quali software si possono usare?

Per l’elaborazione delle immagini scattate è necessario utilizzare un software che si occupa della parte di “structure from motion” ovvero di creare la struttura del modello 3D partendo dal movimento, una tecnica facente parte della computer vision.

Semplificando, il software deve cercare in ogni immagine più punti omologhi corrispondenti. Con un’equazione, tramite le coordinate piane di due punti su due immagini diverse, il software è in grado di determinare le tre coordinate spaziali di ogni punto nello spazio. I vari punti dello spazio creano quindi una nuvola di punti 3D che può essere gestita in vari modi, per produrre il risultato desiderato. Ogni punto nello spazio ha anche un’informazione legata al colore, quindi più una nuvola è densa e definita e più si ha la percezione immediata del modello 3D. Dalla nuvola si può poi passare ad una mesh, ovvero delle facce triangolari che uniscono 3 punti vicini e successivamente una mesh completa di texture.

Sul mercato ci sono ormai diversi software che, pur utilizzando in modo pesante l’hardware dei computer, riescono a fare un ottimo lavoro.  Successivamente nuvole, mesh o modelli, possono essere importati in software di progettazione 3D, in software topografici, e cosi via.

Quali sono i vantaggi dati dall’uso dei droni?

I rilievi eseguiti con la tecnica della fotogrammetria tramite i droni hanno dei vantaggi indiscutibili.

  1. Il rilievo su base fotografica rileva tutto ciò che è presente sul sito nel momento dei rilievo. Ad esempio supponiamo che durante un rilievo topografico di una lottizzazione il topografo si sia dimenticato di rilevare dei pozzetti, oppure al momento non era stato richiesto, con il rilievo fotografico, tali dettagli sono recuperabili anche successivamente senza problemi. Nel caso di rilievo tradizionale sarebbe necessaria una nuova uscita del topografo ed un’integrazione del rilievo. Per non parlare poi dei casi in cui la scena sia stata modificata successivamente ad un rilievo (scavi in corso d’opera, rilievi di incidenti stradali, opere abusive, ecc)
  2. Il drone è in grado di rilevare anche porzioni di aree che il topografo non può raggiungere, ad esempio zone paludose, alvei di fiume, scarpate importanti, ecc.
  3. Nel modello generato dal rilievo effettuato con i droni, ogni singolo punto è rilevato. Immaginiamo di avere un pendio di terreno dove il bravo topografo va a battere tutti i punti in cui vede una variazione di pendenza. Questo implica comunque una certa discrezionalità e la possibilità di omettere alcuni punti importanti, creando così un piano quotato comunque limitato ai punti battuti, obbligando ad interpolare i punti vicini nel caso in cui sia necessario infittire i punti battuti. Il rilievo realizzato con il drone sarà invece una nuvola con tutti i punti presenti, come se fossero stati battuti.
  4. Da ultimo non bisogna sottovalutare la velocità del rilievo fatto con il drone anche per molti ettari.

Dall’altra parte il rilievo topografico ha sempre un’accuratezza superiore dovuta alla misura attiva diretta dei punti battuti.

Quanto costano i rilievi topografici con drone?

Conosco molte persone che dopo aver partecipato a “corsi” tenuti da aziende che rivendono droni hanno acquistato il loro piccolo esemplare, convinti che unendolo ad un software gratuito (o crackato) si possa fare tutti i rilievi possibili e ripagarsi l’acquisto dopo un paio di lavori.

Purtroppo, dietro l’acquisto di un drone (che oggi può avvenire anche in molti supermercati), ci stanno molte altre considerazioni da mettere sul tavolo, ovvero ad esempio:

  • autorizzazione Enac
  • corsi per abilitazione come pilota
  • eventuale iter per richiesta autorizzazioni specifiche
  • formazione specifica
  • assicurazione obbligatoria
  • software di elaborazione e topografici
  • strumentazione topografica per la corretta georeferenziazione dei modelli
  • esperienza nella pianificazione dei voli
  • preparazione nell’acquisizione delle foto
  • quota materiale consumabile (batterie, eliche, manutenzione, ecc)
  • tempo per elaborazione dati
  • idoneo hardware
  • esperienza

Saresti tranquillo se dovessi andare in sala operatoria a farti operare da un chirurgo che non ha mai operato nessun altro? oppure che usa un bisturi riciclato o che non abbia mai fatto corsi di aggiornamento?

E’ un po la stessa cosa:  in tutti i campi serve professionalità, competenza ed attrezzatura idonea.

Ma del resto anche un topografo si deve aggiornare, deve acquistare la giusta attrezzatura, deve mantenerla aggiornata e deve essere competente.

Poi è chiaro che dalla nostra parte ci sta il fatto che dobbiamo stare sul campo meno tempo rispetto ad un topografo tradizionale. Per il rilievo di 2 o 5 ettari, il tempo necessario ad un topografo aumenta di molto, nel caso in cui si usi un drone, l’incremento di tempo è meno sensibile.

E’ quindi difficile dire a priori quanto costa un rilievo con drone in quanto ci sono molte variabili in gioco.

Siamo quindi a disposizione per proporti la nostra migliore offerta e discutere con te le tue necessità.

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