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FOTOGRAMMETRIA
Fotogrammetria
E’ una tecnica in cui le operazioni di campagna vengono effettuate con una macchina
fotografica invece che con un goniometro come precedentemente.
In questo modo il terreno, con le sue particolarità e i suoi infiniti punti, diventa sempre
disponibile per le misure e le elaborazioni (rilievo continuo), senza richiedere la presenza fisica
sugli elementi da rilevare.
Per dare una definizione :
“La fotogrammetria è quella tecnica che consente
di definire la posizione, la forma e le dimensioni
degli oggetti sul terreno, utilizzando le informazioni
contenute in opportune immagini fotografiche
degli stessi oggetti, riprese da punti diversi.”
a cosa serve
I “prodotti” finali ottenibili dalla fotogrammetria possono essere:
• rappresentazioni grafiche:
cioè carte topografiche, o, più in generale, disegni degli oggetti
• rappresentazioni numeriche:
cioè coordinate di punti appartenenti agli oggetti rilevati
• ulteriori immagini:
cioè fotografie elaborate come le immagini raddrizzate o gli ortofotopiani.
Principi di base
Una sola immagine piana non contiene informazioni sufficienti a definire la posizione e le
dimensioni di un oggetto tridimensionale (lo sarebbe solo se anche l’oggetto fosse piano,
mediante procedura di raddrizzamento).
In effetti dalla figura “a” si può osservare che il punto A’, sul piano di
una sola lastra con centro di presa O1, non è l’omologo del solo punto A
sul terreno (oggetto), ma lo è anche per tutti gli infiniti punti A1, A2, …
che si trovano sul raggio proiettante r1 (AO1 Al), rendendo il problema
indeterminato.
In questo contesto al punto A del terreno corrisponde il punto omologo A’
sulla prima fotografia e il punto A’’ sulla seconda fotografia.
Principi di base
Conoscendo con precisione la posizione dei punti omologhi A’ e A’’ sulle due fotografie, e la
posizione spaziale delle due lastre e dei due punti di presa O1 e O2, il punto A rimane
geometricamente definito, in quanto punto di intersezione dei due raggi proiettanti r1 e r2, che
congiungono i due punti omologhi con i centri di presa corrispondenti figura “b”.
Le posizioni dei centri di presa O1 e O2
e l’orientamento delle lastre, però
(salvo poche eccezioni), non sono note a priori.
Tuttavia è possibile ottenere queste informazioni
dalle stesse fotografie, se queste contengono
un certo numero di punti di appoggio sul terreno
le cui posizioni vengono ricavate da
tradizionali operazioni topografiche
(fase di orientamento assoluto).
Le fasi del rilievo fotogrammetrico
● acquisizione/presa: operazioni riguardanti la presa delle immagini fotografiche, effet-
tuate con opportune macchine fotografiche, dette camere, e opportune tecniche.
● orientamento: operazioni preliminari per la determinazione dei parametri che
consentono di posizionare i centri di presa e le lastre con la stessa posizione nello spazio
che avevano al momento della presa, quindi la ricostruzione della forma e delle
dimensioni dell’oggetto ripreso.
● restituzione: operazioni che consentono di effettuare misure sul modello dell’oggetto
ricostruito, utilizzando strumenti detti restitutori, in grado di produrre, come risultato finale,
un disegno, un insieme numerico di coordinate o una immagine raddrizzata.
Presa
La parte di “Presa” viene effettuata con camere di diverso tipo, le componenti
fisiche essenziali della camera sono le seguenti :
Obiettivo: sistema complesso di lenti a fuoco fisso (f = costante).
Sensore, lastra o pellicola: sono il supporto fisico all’emulsione
fotosensibile; su di esse si forma l’immagine fotografica e devono essere perfettamente piane
Cono oscuro: elemento scatolare a forma piramidale che collega rigidamente obiettivo e
lastra;
Telaietto o cornice portalastra: sui suoi lati (o angoli) sono realizzate 4 (o 8) piccole
incisioni che al momento della presa impressionano la zona sensibile contestualmente
all’oggetto ripreso. Esse sono dette marche fiduciali (repers) e hanno il compito (collegando
ciascuna delle due coppie di marche opposte) di materializzare un sistema di riferimento xyz
interno alla camera (detto sistema lastra)
Presa
Nella camera, poi, possono poi essere definiti i seguenti elementi
• centro di presa O: coincidente con il secondo punto nodale
dell’obiettivo, e punto comune della stella dei raggi proiettanti;
• asse della camera: coincidente con l’asse del sistema ottico obiettivo; il costruttore deve
disporlo in modo perpendicolare alla piano della lastra.
• punto principale P: intersezione dell’asse della camera con il piano della lastra
(dunque anche proiezione di O sulla lastra).
• distanza principale p: di fatto è la lunghezza del segmento PO che si considera
coincidente con la distanza focale dell’obiettivo: p = f.
Anche questo parametro fa parte all’orientamento interno e deve essere noto con precisioni del
centesimo di mm.
Presa: Tre tipologie di camere
Camere metriche: appositamente costruite per scopi fotogrammetrici,
sono dotate di costosi obiettivi in grado di limitare la distorsione radiale e,
comunque di cui deve essere nota la legge di variazione (curva di distorsione);
i parametri di orientamento interno sono periodicamente verificati attraverso operazioni di
calibrazione, i cui risultati sono contenuti nel relativo certificato allegato alla camera. Le camere
per presa aerea classica sono sempre metriche.Camere semimetriche: progettate per
scopi non fotogrammetrici ma adattate a questi successivamente, in esse non tutti i parametri
di orientamento interno sono stabili e affidabili, e l’obiettivo, meno complesso di quello delle
camere metriche, presenta distorsioni più pronunciate, di cui deve comunque essere nota la
relativa legge di variazione.
Camere amatoriali: di uso comune, vengono impiegate solo per applicazioni di scarsa
precisione e associate a procedure operative non convenzionali. I parametri di orientamento
interno non sono elementi noti, ma vengono calcolati nell’ambito della stessa procedura
(autocalibrazione), oppure mediante procedura apposita.
Presa: Obiettivi aerei
Di fatto molte aberrazioni vengono corrette in modo soddisfacente da questi sofisticati sistemi
di lenti, tuttavia una di queste, la distorsione, è particolarmente importante in ambito
fotogrammetrico.
In effetti, in questo contesto, non è sufficiente limitare
tale aberrazione, ma di essa è necessario conoscere
la sua legge di variazione.
Gli obiettivi delle camere per la presa aerea vengono classificati in base al valore dell’angolo di
campo, indicato con alpha, definito come angolo che ha per vertice il centro di presa O e i cui
lati passano per gli estremi della diagonale del formato dell’immagine (230 # 230 mm). Il suo
valore, dunque, dipende sia dalla distanza focale dell’obiettivo, sia dalle dimensioni della parte
sensibile.
Presa: I fotogrammi
Il termine fotogrammi si riferisce alle immagini realizzate con una camera metrica che, come
visto, rappresentano le proiezioni centrali; essi consentono di ricostruire accuratamente la
posizione del piano dell’immagine rispetto
al centro di presa.
La differenza tra fotogramma e fotografia stà
nel fatto che il fotogramma viene ottenuto da
camera metrica, quindi consente di effettuare
su di esso misure di posizione dei punti
immagine.
Nelle fotografie normali non è consentita
alcuna operazione di misura.
Nelle immagini di presa aerea possiamo
vedere delle informazioni in una striscia
detta data strip
Presa: come effettuarla
Fino ad ora abbiamo analizzato la presa dal punto di vista tecnico e da aereomobile classico,
ma non dimentichiamoci che la presa può essere effettuata anche da APR di dimensioni ridotte
come multirotori e tuttala (quindi a bassa quota) o persino a terra per rilievi terresti come la
facciata di un palazzo. In tutti i casi, gli assi della camera, durante la presa, devono rimanere il
meglio possibile paralleli e perpendicolari alla base di presa, in modo che anche i fotogrammi
ottenuti nella presa possano essere ritenuti paralleli.
E’ importante che l’oggetto della nostra presa sia presente in almeno 2 fotogrammi, alcuni
consigliano per una resa ottimale una sovrapposizione almeno dell’ 80%
Presa: la base di presa
Quindi, abbiamo identificato il nostro obiettivo, abbiamo deciso il tipo di ripresa, ora
dobbiamo capire il rapporto tra p e D e la densità della griglia di ripresa e/o tempo di
scatto, quindi :
Se D è uguale a 24m (H nel caso di riprese aeree), il nostro obiettivo è uguale a p = 80 mm e
ha un sensore di 60x60mm, volendo ottenere un ricoprimento longitudinale del 60% per
un’immagine stereoscopia, la base di presa dovrà essere:
Il rapporto base altezza B/D è di 1/3.3 , in linea con i valori, quindi da
aereomobile che viaggia a 50km/h avremo uno scatto ogni 500ms.
Orientamento
Dopo aver ripreso tutti i fotogrammi necessari al rilievo (la presa, esaminata in precedenza),per
poter ottenere il prodotto finale del rilievo (carta, disegno ecc.) con la restituzione, è necessario
che la stella di raggi proiettanti di ogni fotogramma siacollocata nello spazio nella stessa
posizione che aveva all’atto della presa.
Questa condizione viene imposta con un insieme di operazioni, preliminari alla restituzione ed
eseguite da personale tecnico con strumenti detti restitutori; queste operazioni costituiscono la
fase di orientamento.
Ci sono 2 fasi di orientamento :
● Interno
● Esterno
Orientamento interno
La geometria della presa, come detto in precedenza, è quella della proiezione centrale;
pertanto, dopo avere sviluppato il positivo della lastra, è necessario conoscere i parametri che,
sullo stesso positivo, possano permettere la ricostruzione dei raggi proiettanti nella geometria
della proiezione centrale.
Essendo peculiari della camera, essi sono identici per tutti i fotogrammi del rilievo.
Questi parametri, di fatto, sono quelli che consentono di definire la posizione del centro di
presa O rispetto al piano della lastra.
Questa operazione costituisce l’orientamento interno del fotogramma.
Per eseguire l’orientamento interno è necessario conoscere la distanza principale p e la
posizione sulla lastra del punto principale P: xP e yP. Il costruttore tenta di collocare P
(proiezione di O sul piano della lastra) nell’origine del sistema di riferimento
lastra xy, ma in realtà esso è leggermente spostato di una quantità (alcuni
centesimi di mm), che deve poi essere misurata con precisione.
Orientamento interno
La correzione delle distorsioni fa parte delle operazioni di orientamento interno dei
fotogrammi, che in definitiva richiede la conoscenza dei seguenti parametri:
● posizione del punto principale P nel sistema lastra: xP e yP;
● distanza principale p;
● curva di distorsione dell’obiettivo.
Tutti questi parametri sono contenuti nel certificato di calibrazione della camera,
con precisioni almeno al centesimo di mm (!0,01 mm).
Le entità di queste deformazioni, per fortuna, rimangono stabili per una data
configurazione dell’obiettivo, e possono essere modellizzate con appositi diagrammi
forniti dalla casa costruttrice della camera, affinché possano essere corrette.
Comportamento
Il comportamento teorico dell’obiettivo è dato da un raggio luminoso incidente
passante per N1 (primo punto nodale) viene rifratto uscendo da N2 (secondo punto
nodale) parallelamente al raggio incidente; dunque i due raggi luminosi formano lo
stesso angolo a rispetto all’asse ottico.
Il comportamento dell’obiettivo reale differisce da quello di un sistema ottico
teorico, e ciò produce diversi tipi di deformazioni nell’immagine dovute a varie cause
Tra queste, nel nostro contesto, è particolarmente temibile
la distorsionea dette a barilotto o cuscino.
Essa è causata dal mancato rispetto della condizione
prima citata; in effetti il raggio rifratto emergente da N2
non è esattamente parallelo a quello incidente,
ma forma un angolo delta al rispetto all’asse ottico leggermente diverso da alpha
Certificato Camera o di Calibrazione
Marche fiduciarie
Orientamento esterno
Eseguito l’orientamento interno per ogni punto collimato sull’immagine è
possibile scrivere l’equazione della retta proiettiva.
Si passa alla fase di orientamento esterno che serve per determinare la
posizione dell’immagine rispetto al sistema di riferimento del terreno.
Può essere eseguito in modi diversi:
-orientando singolarmente le immagini
-unendo a coppie adiacenti le immagini ed orientando la coppia (modello)
-mediante i processi di triangolazione (a modelli indipendenti o a stelle
proiettive)
Orientamento esterno
In pratica, si collimano alcuni punti di coordinate terreno note, punti di appoggio,
ogni punto diventa noto nelle coordinate modello e terreno,
questo mi permette di determinare una relazione (biunivoca) tra
il modello ed il terreno.
Mi servono almeno 3 punti per risolvere i 7 parametri.
La buona pratica consiglia di usarne almeno 5, quattro dei quali
disposti ai bordi del modello e l’ultimo al centro.
Questo può essere fatto in modo assoluto o relativo
Orientamento relativo
Non conoscendo, al momento, quale fosse la posizione spaziale della coppia di fotogrammi
all’atto della presa (immaginandoli collegati rigidamente), rispetto al sistema di riferimento
assoluto XYZ (o NEQ) legato all’oggetto, con l’orientamento relativo essi verranno collocati l’uno
rispetto all’altro nella stessa posizione reciproca che avevano al momento della presa,
disponendo però i due centri dipresa O1 e O2 (base di presa) a una distanza arbitraria (ciò
genererà un modello a una scala generica).
Per determinare i parametri dell’orientamento relativo si adotta un sistema di riferimento
temporaneo X’Y’Z’ solidale con il primo fotogramma, la cui configurazione spaziale annulla 7 dei
12 parametri dell’orientamento esterno,lasciandone 5 da determinare.
Orientamento assoluto
L’orientamento assoluto è dato da l’orientamento di ogni fotogramma acquisito, quindi per ogni
lastra si avranno i 3/5 punti noti a terra, questa tecnica rende note anche le coordinate terreno
dei punti di legame usati per unire i blocchi, ma dall’altro canto, questo risulta molto complesso
nel caso di acquisizione di grandi aree
Ad aiutarci in questo ci sono 2 procedure :
● procedura a modelli indipendenti
● procedura a stelle di raggi proiettivi
Stelle di raggi proiettivi
Questo metodo di triangolazione aerea è così chiamato perché, per ogni fotogramma, si
considera come elemento fisico di riferimento, il fascio di raggi che, avendo come centro il punto
di presa, congiungono i punti immagine con i corrispondenti punti
del terreno che li hanno generati.
E’ appunto questo ideale fascio
di raggi, inteso come stella di direzioni proiettanti i punti che dà
origine al nome di questo tipo triangolazione aerea.
Per comprendere il principio di base del metodo dobbiamo ricordare
che la ripresa dei fotogrammi viene effettuata con un ricoprimento
longitudinale tra fotogrammi di almeno il 60% e un ricoprimento
trasversale tra strisciate contigue di almeno il 10%.
Con riferimento alla figura che segue si vede come,
ad esempio, il punto P abbia molteplicità 5,
in quanto la sua immagine compare sui fotogrammi 2,3,4,6 e 7.
Modelli indipendenti
Costituzione di un blocco di modelli stereoscopici, per essi viene effettuato soltanto
l’orientamento relativo. Ricordiamo che questa operazione non richiede nessun punto di
appoggio a terra, ma solo punti scelti sui fotogrammi.
I modelli appartenenti al blocco, vengono poi collegati tra loro mediante un certo numero di
punti comuni, detti punti di passaggio, e collocati nelle fasce di sovrapposizione del 10%
comuni a due modelli adiacenti (dunque a 3 fotogrammi consecutivi). Questo blocco di
modelli, di fatto, realizza un unico grande modello il cui orientamento assoluto può essere
effettuato, in teoria, con 5 soli punti (o addirittura 3), cioè quelli necessari a orientare un solo
modello; tuttavia, per contenere la propagazione degli errori che la procedura provoca, se ne
usano altri distribuiti lungo il blocco di fotogrammi.
Come conseguenza delle precedenti operazioni, tutti i modelli che costituiscono il blocco sono
orientati correttamente, ed è pertanto possibile, per ciascuno di essi, individuare un certo
numero di punti di appoggio e ricavare analiticamente le corrispondenti coordinate assolute.
Restituzione
La restituzione è l’insieme delle operazioni ottico-meccaniche o analitiche che consentono di
passare dal modello stereoscopico dell’oggetto fotografato alla rappresentazione grafica (carta
topografica, disegni ecc.) o numerica (file di coordinate).
La restituzione deve essere preceduta dalle due fasi di orientamento che, come sappiamo, sono:
● orientamento interno
● orientamento esterno
Solo dopo aver orientato i fotogrammi è possibile eseguire la restituzione,che consiste nelle
misure effettuate sui fotogrammi (coordinate lastra) in grado di produrre come esito finale un
disegno, una carta topografica, un file numerico di coordinate o una immagine orto-proiettata.
Restituzione
Quindi l’operatore inizia la fase vera e propria di restituzione.
In questa fase sono collimati i punti che vengono giudicati necessari a concorrere alla
ricostruzione dell’oggetto ripreso. Per ciascuna collimazione il software di gestione del sistema
trasforma le coordinate lastra (x; y) in coordinate assolute (X; Y; Z) del punto collimato,
utilizzando le equazioni di collinearità in cui compariranno i parametri di orientamento interno ed
esterno calcolati nelle precedenti fasi. Lo stesso software di gestione, poi, è anche in grado di
trasformare ulteriormente le coordinate assolute (X; Y; Z) sia in coordinate geografiche ({, m), sia
in coordinate cartografiche (E; N; Q).
Ci sono diversi tipi di restitutori :
● Restitutori analogici
● Restitutori analitici
● Restitutori digitali
Restitutori analogici
Sono strumenti che adottano un principio di funzionamento che riproduce l’evento della presa a cui, pertanto, è
analogo. In prevalenza l’analogia è di tipo meccanico (restitutori a proiezione meccanica), altre volte di tipo
ottico (restitutori a proiezione ottica). Si tratta di strumenti provvisti di due supporti sui quali vengono collocati
con precisione i due fotogrammi da restituire; essi corrispondono alla camera nelle due posizioni di presa.
Nei restitutori a proiezione meccanica i raggi proiettanti r1 e r2 vengono materializzati da due bacchette
d’acciaio che possono ruotare attorno a un giunto cardanico:
il baricentro del giunto materializza il centro di proiezione della camera
da presa. Le altre due estremità convergono in un punto che corrisponde
al punto di intersezione di una coppia di raggi proiettanti.
L’esatto posizionamentodelle bacchette, che consente alla loro intersezione
di rappresentare un punto del terreno, viene effettuato dall’operatore
mediante la collimazione stereoscopica dei fotogrammi.
Allo strumento è collegato un piano attrezzato sul quale viene tracciato il
disegno dell’oggetto (di solito una carta topografica).
Restitutori analitici
Il restitutore analitico, di fatto, costituisce l’abbinamento tra uno
stereocomparatore, un computer e un plotter
I restitutori analitici sono decisamente meno ingombranti di quelli
analogici, sono in grado di effettuare le operazioni di restituzione
con una maggior precisione e non sono vincolati dai parametri della
camera utilizzata nella presa (distanza principale, assetto ecc.), in
quanto i loro valori vengono inseriti nel calcolatore come valori
numerici, dunque non devono essere imposti con interventi manuali
su congegni meccanici dello strumento.
Ebbene, anche queste operazioni sono decisamente più semplici e
rapide nei restitutori analitici, rispetto a quelli analogici, essendo
anch’esse effettuate in forma numerica dal calcolatore. Inoltre, con i
restitutori analitici è possibile compensare con maggior affidabilità gli
Restitutori digitali
Questo tipo di restitutori, partendo da file digitali, hanno una vita più semplificata, sia
dalle fasi antecedenti dell’orientamento interno, la quale spesso si basa su
un’autocertificazione dell’ottica (anche se molto onerosa nel calcolo e meno
accurata), e orientamento esterno, dove spesso le immagini vengono importate
tramite un CSV che riporta le coordinate delle stesse e una serie
di Markers presi a terra, questo permette
un’elaborazione molto più veloce della
collimazione delle immagini, lasciando
in alcuni casi all’operatore soltanto la
verifica e eventuale correzione della stessa.
Restitutori digitali
L’elaborazione delle immagini essendo molto pesante, passa per un processo
piramidale, questo serve a velocizzare le operazioni di visualizzazione e velocizzare
la ricerca automatica.
Ad esempio possiamo avere 5 livelli dove il livello 0 è quello con maggiore dettaglio
e il livello 4 è più adatto alla visualizzazioni di grandi aree
Livello 0 1px = 5cm
Livello 1 1px = 10cm
Livello 2 1px = 20cm
Livello 3 1px = 40cm
Livello 4 1px = 80cm
Restitutori digitali
Le operazioni possono essere automatiche o semi automatiche
Le immagini digitali acquisite vengono definite in una rappresentazione raster dove
si divide l’immagine fotografica in elementi di dimensioni finite (pixel) e si associa a
ognuno di essi il numero che rappresenta la radiometria della proporzione di
immagine creando una matrice spesso tridimensionale dove gli elementi
contengono i toni di grigio/colore.
Restitutori e elaborazione sw
Come già detto per scopi meno “critici”, possiamo avvalerci di operazioni quasi del tutto
automatizzate, che ci portano ad avere DTM, Ortofoto dell’area in oggetto e/o molto altro.
Ma il workflow prosegue con una serie di altre operazioni che ci porteranno ad acquisire il
modello 3D dell’aree, questi avviene tramite gli stessi algoritmi di rilevamento topografici citati in
precedenza o tramite altri, derivati dalla computer grafica, queste operazioni generalmente sono:
● Creazionde delle nuvole di punti : che avviene come citato, dalla match delle diverse
immagini e relativa fase di orientamento, quindi se ne definisce la posizione
● Creazione di Mesh : Vengono generate le superfici che passano per le nuvole di punti
● Creazione e mappatura delle texture: una volta ricostruito il modello vengono applicate le
foto come texture
DTM e DSM
DSM: acronimo di Digital Surface Model
DTM: acronimo di Digital Terrain Model
Si tratta della restituzione della superficie dell’oggetto del rilievo.
Viene realizzata restituendo dei punti.
Di solito si estrae in modo semiautomatico-automatico
usando le tecniche di matching.
Ortofoto
Si tratta di un particolare tipo di raddrizzamento riferito a una porzione di terreno
non piano, registrato nei fotogrammi delle prese aeree. Si è visto nel paragrafo
precedente che il fotopiano può essere ottenuto solo da oggetti piani, dunque
da terreni pianeggianti; per terreni accidentati, infatti, non è possibile stabilire
un’attendibile relazione prospettica tra fotogramma e terreno. Esiste, tuttavia,
una tecnica, detta di raddrizzamento differenziale, che consente di utilizzare un
solo fotogramma anche quando il terreno non è né piano né orizzontale; questo
tipo di raddrizzamento viene chiamato ortoproiezione (o ortofoto).
Si tratta, pertanto, di un raddrizzamento differenziale per ciascuna
porzione di terreno rappresentata nel fotogramma, dalle quali si ottengono
tanti piccoli fotopiani che verranno poi collegati a mosaico in modo da formare
l’immagine raddrizzata del terreno.
L’operazione di raddrizzamento differenziale viene eseguita in strumenti detti
ortorestitutori
Laser scanner
I laserscanner sono strumenti in grado di misurare ad altissima velocità la
posizione di centinaia di migliaia di punti i quali definiscono la superficie degli
oggetti circostanti. Il risultato dell’acquisizione è un insieme di punti molto
denso comunemente denominato “nuvola di punti”, visualizzabile in un file
grafico tridimensionale. In relazione alle diverse dimensioni degli oggetti da
rilevare esistono vari tipi di laser scanner i quali si distinguono per il principio
di acquisizione utilizzato.
Un altro tipo di strumento viene impiegato per la scansione laser erea,integrano il
sensore laser con un sistema di sensori GPS/INS che servono a mettere in
correlazione le misurazioni della posizione spaziale con le misurazioni della
velocità di volo. La scansione del territorio avviene per strisciate trasversali
rispetto alla direzione di volo. La frequenza di campionamento è elevatissima
(superiore ai 100.000 punti/sec.), la precisione è decimetrica, la densità delle
nuvole è mediamente di circa 10-20 punti al mq.
Grazie!
antonio@apritalia.com
afeliziani
desartstudio
antoniofeliziani
3476279689

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Introduzione alla Fotogrammetria

  • 2. Fotogrammetria E’ una tecnica in cui le operazioni di campagna vengono effettuate con una macchina fotografica invece che con un goniometro come precedentemente. In questo modo il terreno, con le sue particolarità e i suoi infiniti punti, diventa sempre disponibile per le misure e le elaborazioni (rilievo continuo), senza richiedere la presenza fisica sugli elementi da rilevare. Per dare una definizione : “La fotogrammetria è quella tecnica che consente di definire la posizione, la forma e le dimensioni degli oggetti sul terreno, utilizzando le informazioni contenute in opportune immagini fotografiche degli stessi oggetti, riprese da punti diversi.”
  • 3. a cosa serve I “prodotti” finali ottenibili dalla fotogrammetria possono essere: • rappresentazioni grafiche: cioè carte topografiche, o, più in generale, disegni degli oggetti • rappresentazioni numeriche: cioè coordinate di punti appartenenti agli oggetti rilevati • ulteriori immagini: cioè fotografie elaborate come le immagini raddrizzate o gli ortofotopiani.
  • 4. Principi di base Una sola immagine piana non contiene informazioni sufficienti a definire la posizione e le dimensioni di un oggetto tridimensionale (lo sarebbe solo se anche l’oggetto fosse piano, mediante procedura di raddrizzamento). In effetti dalla figura “a” si può osservare che il punto A’, sul piano di una sola lastra con centro di presa O1, non è l’omologo del solo punto A sul terreno (oggetto), ma lo è anche per tutti gli infiniti punti A1, A2, … che si trovano sul raggio proiettante r1 (AO1 Al), rendendo il problema indeterminato. In questo contesto al punto A del terreno corrisponde il punto omologo A’ sulla prima fotografia e il punto A’’ sulla seconda fotografia.
  • 5. Principi di base Conoscendo con precisione la posizione dei punti omologhi A’ e A’’ sulle due fotografie, e la posizione spaziale delle due lastre e dei due punti di presa O1 e O2, il punto A rimane geometricamente definito, in quanto punto di intersezione dei due raggi proiettanti r1 e r2, che congiungono i due punti omologhi con i centri di presa corrispondenti figura “b”. Le posizioni dei centri di presa O1 e O2 e l’orientamento delle lastre, però (salvo poche eccezioni), non sono note a priori. Tuttavia è possibile ottenere queste informazioni dalle stesse fotografie, se queste contengono un certo numero di punti di appoggio sul terreno le cui posizioni vengono ricavate da tradizionali operazioni topografiche (fase di orientamento assoluto).
  • 6. Le fasi del rilievo fotogrammetrico ● acquisizione/presa: operazioni riguardanti la presa delle immagini fotografiche, effet- tuate con opportune macchine fotografiche, dette camere, e opportune tecniche. ● orientamento: operazioni preliminari per la determinazione dei parametri che consentono di posizionare i centri di presa e le lastre con la stessa posizione nello spazio che avevano al momento della presa, quindi la ricostruzione della forma e delle dimensioni dell’oggetto ripreso. ● restituzione: operazioni che consentono di effettuare misure sul modello dell’oggetto ricostruito, utilizzando strumenti detti restitutori, in grado di produrre, come risultato finale, un disegno, un insieme numerico di coordinate o una immagine raddrizzata.
  • 7. Presa La parte di “Presa” viene effettuata con camere di diverso tipo, le componenti fisiche essenziali della camera sono le seguenti : Obiettivo: sistema complesso di lenti a fuoco fisso (f = costante). Sensore, lastra o pellicola: sono il supporto fisico all’emulsione fotosensibile; su di esse si forma l’immagine fotografica e devono essere perfettamente piane Cono oscuro: elemento scatolare a forma piramidale che collega rigidamente obiettivo e lastra; Telaietto o cornice portalastra: sui suoi lati (o angoli) sono realizzate 4 (o 8) piccole incisioni che al momento della presa impressionano la zona sensibile contestualmente all’oggetto ripreso. Esse sono dette marche fiduciali (repers) e hanno il compito (collegando ciascuna delle due coppie di marche opposte) di materializzare un sistema di riferimento xyz interno alla camera (detto sistema lastra)
  • 8. Presa Nella camera, poi, possono poi essere definiti i seguenti elementi • centro di presa O: coincidente con il secondo punto nodale dell’obiettivo, e punto comune della stella dei raggi proiettanti; • asse della camera: coincidente con l’asse del sistema ottico obiettivo; il costruttore deve disporlo in modo perpendicolare alla piano della lastra. • punto principale P: intersezione dell’asse della camera con il piano della lastra (dunque anche proiezione di O sulla lastra). • distanza principale p: di fatto è la lunghezza del segmento PO che si considera coincidente con la distanza focale dell’obiettivo: p = f. Anche questo parametro fa parte all’orientamento interno e deve essere noto con precisioni del centesimo di mm.
  • 9. Presa: Tre tipologie di camere Camere metriche: appositamente costruite per scopi fotogrammetrici, sono dotate di costosi obiettivi in grado di limitare la distorsione radiale e, comunque di cui deve essere nota la legge di variazione (curva di distorsione); i parametri di orientamento interno sono periodicamente verificati attraverso operazioni di calibrazione, i cui risultati sono contenuti nel relativo certificato allegato alla camera. Le camere per presa aerea classica sono sempre metriche.Camere semimetriche: progettate per scopi non fotogrammetrici ma adattate a questi successivamente, in esse non tutti i parametri di orientamento interno sono stabili e affidabili, e l’obiettivo, meno complesso di quello delle camere metriche, presenta distorsioni più pronunciate, di cui deve comunque essere nota la relativa legge di variazione. Camere amatoriali: di uso comune, vengono impiegate solo per applicazioni di scarsa precisione e associate a procedure operative non convenzionali. I parametri di orientamento interno non sono elementi noti, ma vengono calcolati nell’ambito della stessa procedura (autocalibrazione), oppure mediante procedura apposita.
  • 10. Presa: Obiettivi aerei Di fatto molte aberrazioni vengono corrette in modo soddisfacente da questi sofisticati sistemi di lenti, tuttavia una di queste, la distorsione, è particolarmente importante in ambito fotogrammetrico. In effetti, in questo contesto, non è sufficiente limitare tale aberrazione, ma di essa è necessario conoscere la sua legge di variazione. Gli obiettivi delle camere per la presa aerea vengono classificati in base al valore dell’angolo di campo, indicato con alpha, definito come angolo che ha per vertice il centro di presa O e i cui lati passano per gli estremi della diagonale del formato dell’immagine (230 # 230 mm). Il suo valore, dunque, dipende sia dalla distanza focale dell’obiettivo, sia dalle dimensioni della parte sensibile.
  • 11. Presa: I fotogrammi Il termine fotogrammi si riferisce alle immagini realizzate con una camera metrica che, come visto, rappresentano le proiezioni centrali; essi consentono di ricostruire accuratamente la posizione del piano dell’immagine rispetto al centro di presa. La differenza tra fotogramma e fotografia stà nel fatto che il fotogramma viene ottenuto da camera metrica, quindi consente di effettuare su di esso misure di posizione dei punti immagine. Nelle fotografie normali non è consentita alcuna operazione di misura. Nelle immagini di presa aerea possiamo vedere delle informazioni in una striscia detta data strip
  • 12. Presa: come effettuarla Fino ad ora abbiamo analizzato la presa dal punto di vista tecnico e da aereomobile classico, ma non dimentichiamoci che la presa può essere effettuata anche da APR di dimensioni ridotte come multirotori e tuttala (quindi a bassa quota) o persino a terra per rilievi terresti come la facciata di un palazzo. In tutti i casi, gli assi della camera, durante la presa, devono rimanere il meglio possibile paralleli e perpendicolari alla base di presa, in modo che anche i fotogrammi ottenuti nella presa possano essere ritenuti paralleli. E’ importante che l’oggetto della nostra presa sia presente in almeno 2 fotogrammi, alcuni consigliano per una resa ottimale una sovrapposizione almeno dell’ 80%
  • 13. Presa: la base di presa Quindi, abbiamo identificato il nostro obiettivo, abbiamo deciso il tipo di ripresa, ora dobbiamo capire il rapporto tra p e D e la densità della griglia di ripresa e/o tempo di scatto, quindi : Se D è uguale a 24m (H nel caso di riprese aeree), il nostro obiettivo è uguale a p = 80 mm e ha un sensore di 60x60mm, volendo ottenere un ricoprimento longitudinale del 60% per un’immagine stereoscopia, la base di presa dovrà essere: Il rapporto base altezza B/D è di 1/3.3 , in linea con i valori, quindi da aereomobile che viaggia a 50km/h avremo uno scatto ogni 500ms.
  • 14. Orientamento Dopo aver ripreso tutti i fotogrammi necessari al rilievo (la presa, esaminata in precedenza),per poter ottenere il prodotto finale del rilievo (carta, disegno ecc.) con la restituzione, è necessario che la stella di raggi proiettanti di ogni fotogramma siacollocata nello spazio nella stessa posizione che aveva all’atto della presa. Questa condizione viene imposta con un insieme di operazioni, preliminari alla restituzione ed eseguite da personale tecnico con strumenti detti restitutori; queste operazioni costituiscono la fase di orientamento. Ci sono 2 fasi di orientamento : ● Interno ● Esterno
  • 15. Orientamento interno La geometria della presa, come detto in precedenza, è quella della proiezione centrale; pertanto, dopo avere sviluppato il positivo della lastra, è necessario conoscere i parametri che, sullo stesso positivo, possano permettere la ricostruzione dei raggi proiettanti nella geometria della proiezione centrale. Essendo peculiari della camera, essi sono identici per tutti i fotogrammi del rilievo. Questi parametri, di fatto, sono quelli che consentono di definire la posizione del centro di presa O rispetto al piano della lastra. Questa operazione costituisce l’orientamento interno del fotogramma. Per eseguire l’orientamento interno è necessario conoscere la distanza principale p e la posizione sulla lastra del punto principale P: xP e yP. Il costruttore tenta di collocare P (proiezione di O sul piano della lastra) nell’origine del sistema di riferimento lastra xy, ma in realtà esso è leggermente spostato di una quantità (alcuni centesimi di mm), che deve poi essere misurata con precisione.
  • 16. Orientamento interno La correzione delle distorsioni fa parte delle operazioni di orientamento interno dei fotogrammi, che in definitiva richiede la conoscenza dei seguenti parametri: ● posizione del punto principale P nel sistema lastra: xP e yP; ● distanza principale p; ● curva di distorsione dell’obiettivo. Tutti questi parametri sono contenuti nel certificato di calibrazione della camera, con precisioni almeno al centesimo di mm (!0,01 mm). Le entità di queste deformazioni, per fortuna, rimangono stabili per una data configurazione dell’obiettivo, e possono essere modellizzate con appositi diagrammi forniti dalla casa costruttrice della camera, affinché possano essere corrette.
  • 17. Comportamento Il comportamento teorico dell’obiettivo è dato da un raggio luminoso incidente passante per N1 (primo punto nodale) viene rifratto uscendo da N2 (secondo punto nodale) parallelamente al raggio incidente; dunque i due raggi luminosi formano lo stesso angolo a rispetto all’asse ottico. Il comportamento dell’obiettivo reale differisce da quello di un sistema ottico teorico, e ciò produce diversi tipi di deformazioni nell’immagine dovute a varie cause Tra queste, nel nostro contesto, è particolarmente temibile la distorsionea dette a barilotto o cuscino. Essa è causata dal mancato rispetto della condizione prima citata; in effetti il raggio rifratto emergente da N2 non è esattamente parallelo a quello incidente, ma forma un angolo delta al rispetto all’asse ottico leggermente diverso da alpha
  • 18. Certificato Camera o di Calibrazione Marche fiduciarie
  • 19. Orientamento esterno Eseguito l’orientamento interno per ogni punto collimato sull’immagine è possibile scrivere l’equazione della retta proiettiva. Si passa alla fase di orientamento esterno che serve per determinare la posizione dell’immagine rispetto al sistema di riferimento del terreno. Può essere eseguito in modi diversi: -orientando singolarmente le immagini -unendo a coppie adiacenti le immagini ed orientando la coppia (modello) -mediante i processi di triangolazione (a modelli indipendenti o a stelle proiettive)
  • 20. Orientamento esterno In pratica, si collimano alcuni punti di coordinate terreno note, punti di appoggio, ogni punto diventa noto nelle coordinate modello e terreno, questo mi permette di determinare una relazione (biunivoca) tra il modello ed il terreno. Mi servono almeno 3 punti per risolvere i 7 parametri. La buona pratica consiglia di usarne almeno 5, quattro dei quali disposti ai bordi del modello e l’ultimo al centro. Questo può essere fatto in modo assoluto o relativo
  • 21. Orientamento relativo Non conoscendo, al momento, quale fosse la posizione spaziale della coppia di fotogrammi all’atto della presa (immaginandoli collegati rigidamente), rispetto al sistema di riferimento assoluto XYZ (o NEQ) legato all’oggetto, con l’orientamento relativo essi verranno collocati l’uno rispetto all’altro nella stessa posizione reciproca che avevano al momento della presa, disponendo però i due centri dipresa O1 e O2 (base di presa) a una distanza arbitraria (ciò genererà un modello a una scala generica). Per determinare i parametri dell’orientamento relativo si adotta un sistema di riferimento temporaneo X’Y’Z’ solidale con il primo fotogramma, la cui configurazione spaziale annulla 7 dei 12 parametri dell’orientamento esterno,lasciandone 5 da determinare.
  • 22. Orientamento assoluto L’orientamento assoluto è dato da l’orientamento di ogni fotogramma acquisito, quindi per ogni lastra si avranno i 3/5 punti noti a terra, questa tecnica rende note anche le coordinate terreno dei punti di legame usati per unire i blocchi, ma dall’altro canto, questo risulta molto complesso nel caso di acquisizione di grandi aree Ad aiutarci in questo ci sono 2 procedure : ● procedura a modelli indipendenti ● procedura a stelle di raggi proiettivi
  • 23. Stelle di raggi proiettivi Questo metodo di triangolazione aerea è così chiamato perché, per ogni fotogramma, si considera come elemento fisico di riferimento, il fascio di raggi che, avendo come centro il punto di presa, congiungono i punti immagine con i corrispondenti punti del terreno che li hanno generati. E’ appunto questo ideale fascio di raggi, inteso come stella di direzioni proiettanti i punti che dà origine al nome di questo tipo triangolazione aerea. Per comprendere il principio di base del metodo dobbiamo ricordare che la ripresa dei fotogrammi viene effettuata con un ricoprimento longitudinale tra fotogrammi di almeno il 60% e un ricoprimento trasversale tra strisciate contigue di almeno il 10%. Con riferimento alla figura che segue si vede come, ad esempio, il punto P abbia molteplicità 5, in quanto la sua immagine compare sui fotogrammi 2,3,4,6 e 7.
  • 24. Modelli indipendenti Costituzione di un blocco di modelli stereoscopici, per essi viene effettuato soltanto l’orientamento relativo. Ricordiamo che questa operazione non richiede nessun punto di appoggio a terra, ma solo punti scelti sui fotogrammi. I modelli appartenenti al blocco, vengono poi collegati tra loro mediante un certo numero di punti comuni, detti punti di passaggio, e collocati nelle fasce di sovrapposizione del 10% comuni a due modelli adiacenti (dunque a 3 fotogrammi consecutivi). Questo blocco di modelli, di fatto, realizza un unico grande modello il cui orientamento assoluto può essere effettuato, in teoria, con 5 soli punti (o addirittura 3), cioè quelli necessari a orientare un solo modello; tuttavia, per contenere la propagazione degli errori che la procedura provoca, se ne usano altri distribuiti lungo il blocco di fotogrammi. Come conseguenza delle precedenti operazioni, tutti i modelli che costituiscono il blocco sono orientati correttamente, ed è pertanto possibile, per ciascuno di essi, individuare un certo numero di punti di appoggio e ricavare analiticamente le corrispondenti coordinate assolute.
  • 25. Restituzione La restituzione è l’insieme delle operazioni ottico-meccaniche o analitiche che consentono di passare dal modello stereoscopico dell’oggetto fotografato alla rappresentazione grafica (carta topografica, disegni ecc.) o numerica (file di coordinate). La restituzione deve essere preceduta dalle due fasi di orientamento che, come sappiamo, sono: ● orientamento interno ● orientamento esterno Solo dopo aver orientato i fotogrammi è possibile eseguire la restituzione,che consiste nelle misure effettuate sui fotogrammi (coordinate lastra) in grado di produrre come esito finale un disegno, una carta topografica, un file numerico di coordinate o una immagine orto-proiettata.
  • 26. Restituzione Quindi l’operatore inizia la fase vera e propria di restituzione. In questa fase sono collimati i punti che vengono giudicati necessari a concorrere alla ricostruzione dell’oggetto ripreso. Per ciascuna collimazione il software di gestione del sistema trasforma le coordinate lastra (x; y) in coordinate assolute (X; Y; Z) del punto collimato, utilizzando le equazioni di collinearità in cui compariranno i parametri di orientamento interno ed esterno calcolati nelle precedenti fasi. Lo stesso software di gestione, poi, è anche in grado di trasformare ulteriormente le coordinate assolute (X; Y; Z) sia in coordinate geografiche ({, m), sia in coordinate cartografiche (E; N; Q). Ci sono diversi tipi di restitutori : ● Restitutori analogici ● Restitutori analitici ● Restitutori digitali
  • 27. Restitutori analogici Sono strumenti che adottano un principio di funzionamento che riproduce l’evento della presa a cui, pertanto, è analogo. In prevalenza l’analogia è di tipo meccanico (restitutori a proiezione meccanica), altre volte di tipo ottico (restitutori a proiezione ottica). Si tratta di strumenti provvisti di due supporti sui quali vengono collocati con precisione i due fotogrammi da restituire; essi corrispondono alla camera nelle due posizioni di presa. Nei restitutori a proiezione meccanica i raggi proiettanti r1 e r2 vengono materializzati da due bacchette d’acciaio che possono ruotare attorno a un giunto cardanico: il baricentro del giunto materializza il centro di proiezione della camera da presa. Le altre due estremità convergono in un punto che corrisponde al punto di intersezione di una coppia di raggi proiettanti. L’esatto posizionamentodelle bacchette, che consente alla loro intersezione di rappresentare un punto del terreno, viene effettuato dall’operatore mediante la collimazione stereoscopica dei fotogrammi. Allo strumento è collegato un piano attrezzato sul quale viene tracciato il disegno dell’oggetto (di solito una carta topografica).
  • 28. Restitutori analitici Il restitutore analitico, di fatto, costituisce l’abbinamento tra uno stereocomparatore, un computer e un plotter I restitutori analitici sono decisamente meno ingombranti di quelli analogici, sono in grado di effettuare le operazioni di restituzione con una maggior precisione e non sono vincolati dai parametri della camera utilizzata nella presa (distanza principale, assetto ecc.), in quanto i loro valori vengono inseriti nel calcolatore come valori numerici, dunque non devono essere imposti con interventi manuali su congegni meccanici dello strumento. Ebbene, anche queste operazioni sono decisamente più semplici e rapide nei restitutori analitici, rispetto a quelli analogici, essendo anch’esse effettuate in forma numerica dal calcolatore. Inoltre, con i restitutori analitici è possibile compensare con maggior affidabilità gli
  • 29. Restitutori digitali Questo tipo di restitutori, partendo da file digitali, hanno una vita più semplificata, sia dalle fasi antecedenti dell’orientamento interno, la quale spesso si basa su un’autocertificazione dell’ottica (anche se molto onerosa nel calcolo e meno accurata), e orientamento esterno, dove spesso le immagini vengono importate tramite un CSV che riporta le coordinate delle stesse e una serie di Markers presi a terra, questo permette un’elaborazione molto più veloce della collimazione delle immagini, lasciando in alcuni casi all’operatore soltanto la verifica e eventuale correzione della stessa.
  • 30. Restitutori digitali L’elaborazione delle immagini essendo molto pesante, passa per un processo piramidale, questo serve a velocizzare le operazioni di visualizzazione e velocizzare la ricerca automatica. Ad esempio possiamo avere 5 livelli dove il livello 0 è quello con maggiore dettaglio e il livello 4 è più adatto alla visualizzazioni di grandi aree Livello 0 1px = 5cm Livello 1 1px = 10cm Livello 2 1px = 20cm Livello 3 1px = 40cm Livello 4 1px = 80cm
  • 31. Restitutori digitali Le operazioni possono essere automatiche o semi automatiche Le immagini digitali acquisite vengono definite in una rappresentazione raster dove si divide l’immagine fotografica in elementi di dimensioni finite (pixel) e si associa a ognuno di essi il numero che rappresenta la radiometria della proporzione di immagine creando una matrice spesso tridimensionale dove gli elementi contengono i toni di grigio/colore.
  • 32. Restitutori e elaborazione sw Come già detto per scopi meno “critici”, possiamo avvalerci di operazioni quasi del tutto automatizzate, che ci portano ad avere DTM, Ortofoto dell’area in oggetto e/o molto altro. Ma il workflow prosegue con una serie di altre operazioni che ci porteranno ad acquisire il modello 3D dell’aree, questi avviene tramite gli stessi algoritmi di rilevamento topografici citati in precedenza o tramite altri, derivati dalla computer grafica, queste operazioni generalmente sono: ● Creazionde delle nuvole di punti : che avviene come citato, dalla match delle diverse immagini e relativa fase di orientamento, quindi se ne definisce la posizione ● Creazione di Mesh : Vengono generate le superfici che passano per le nuvole di punti ● Creazione e mappatura delle texture: una volta ricostruito il modello vengono applicate le foto come texture
  • 33. DTM e DSM DSM: acronimo di Digital Surface Model DTM: acronimo di Digital Terrain Model Si tratta della restituzione della superficie dell’oggetto del rilievo. Viene realizzata restituendo dei punti. Di solito si estrae in modo semiautomatico-automatico usando le tecniche di matching.
  • 34. Ortofoto Si tratta di un particolare tipo di raddrizzamento riferito a una porzione di terreno non piano, registrato nei fotogrammi delle prese aeree. Si è visto nel paragrafo precedente che il fotopiano può essere ottenuto solo da oggetti piani, dunque da terreni pianeggianti; per terreni accidentati, infatti, non è possibile stabilire un’attendibile relazione prospettica tra fotogramma e terreno. Esiste, tuttavia, una tecnica, detta di raddrizzamento differenziale, che consente di utilizzare un solo fotogramma anche quando il terreno non è né piano né orizzontale; questo tipo di raddrizzamento viene chiamato ortoproiezione (o ortofoto). Si tratta, pertanto, di un raddrizzamento differenziale per ciascuna porzione di terreno rappresentata nel fotogramma, dalle quali si ottengono tanti piccoli fotopiani che verranno poi collegati a mosaico in modo da formare l’immagine raddrizzata del terreno. L’operazione di raddrizzamento differenziale viene eseguita in strumenti detti ortorestitutori
  • 35. Laser scanner I laserscanner sono strumenti in grado di misurare ad altissima velocità la posizione di centinaia di migliaia di punti i quali definiscono la superficie degli oggetti circostanti. Il risultato dell’acquisizione è un insieme di punti molto denso comunemente denominato “nuvola di punti”, visualizzabile in un file grafico tridimensionale. In relazione alle diverse dimensioni degli oggetti da rilevare esistono vari tipi di laser scanner i quali si distinguono per il principio di acquisizione utilizzato. Un altro tipo di strumento viene impiegato per la scansione laser erea,integrano il sensore laser con un sistema di sensori GPS/INS che servono a mettere in correlazione le misurazioni della posizione spaziale con le misurazioni della velocità di volo. La scansione del territorio avviene per strisciate trasversali rispetto alla direzione di volo. La frequenza di campionamento è elevatissima (superiore ai 100.000 punti/sec.), la precisione è decimetrica, la densità delle nuvole è mediamente di circa 10-20 punti al mq.

Notes de l'éditeur

  1. ho invertito i periodi, altrimenti si parla di deformazioni senza averle mai introdotte
  2. Passaggio da scala in px a mm ps. camera semimetrica
  3. come definisco l’angolo di presa se non sò che a priori è parallelo? per angolo di presa intendi le rotazioni omega, fi, kappa della fotocamera rispetto al s.r. terreno, in questo caso oltre alle tre rotazioni incognite hai come incognite le coord. del centro di presa (nel s.r. terreno) X0,Y0,Z0. La soluzione si trova con un sistema di equazioni, ogni punto noto a terra ti permette di scrivere 3 equazioni (se noto in altimetria e planimetria)
  4. Per chiarezza: i restitutori non vengono usati solo per la restituzione, ma anche per tutte le fasi di orientamento
  5. Domanda per gianluca : l’operazione di Ortofoto passa per un DEM o basta il raddrizzamento e la scala dell’orientamento assoluto? Ti serve la conoscenza del terreno o del terreno+ciò che c’è sopra