Criticità ambientali, nuove potenzialità di monitoraggio con i droni

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Sintesi dell’intervento di Francesco Mancini, DIEF-Università di Modena e Reggio Emilia, su Monitoraggio di criticità ambientali con droni aerei, nuove potenzialità nella ricostruzione tridimensionale durante la manifestazione Dronitaly 2016 (Modena, 30/9-01/10) insieme ad altre esperienze relative all’uso di droni aerei in aree soggette a dissesti e per attività di controllo e monitoraggio ambientale.

L’attività di monitoraggio, intesa come operazione rivolta alla rilevazione periodica, sistematica e ripetibile di parametri chimici, fisici, biologici, spettrali e geometrici, rappresenta una delle di quelle applicazioni che maggiormente potrebbe giovare dell’introduzione dei droni come piattaforme aeree per una vasta gamma di sensori idonei allo specifico scopo. Il monitoraggio attraverso l’uso di droni può riguardare sia l’osservazione quantitativa sia quella qualitativa, entrambe utili nella raccolta di documentazione sull’evoluzione di fenomeni al suolo o in situazioni di emergenza.
La grande flessibilità nell’uso di droni per scopi di monitoraggio va però adattata ad esigenze generali di tutte quelle applicazioni che comportano indagini successive, e ripetute nel tempo, con confronti tra i risultati ottenuti.

L’affidabilità di un qualunque progetto di monitoraggio è garantita dalla ripetibilità delle indagini effettuate, dall’uso di sensori idonei e dalla qualità dei risultati ottenuti. Questi ultimi dovranno possedere un livello di accuratezza sufficiente a caratterizzare l’oggetto/fenomeno monitorato con il dettaglio desiderato. In particolare i droni possono supportare l’esecuzione di monitoraggi in vari ambiti:

  •  indagini su geometrie, forme, volumi (con utilizzo di camere fotografiche)
  • indagini su proprietà spettrali di materiali, coperture e aree vegetate (tramite camere multispettrali e termiche)
  • indagini su proprietà fisico-chimiche (tramite sensori per il campionamento/analisi dei parametri scelti).

Ognuno di essi richiede competenze specifiche nell’analisi dei dati acquisiti e nell’interpretazione dei risultati.

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Il Laboratorio di geomatica dell’Università di Modena e Reggio Emilia si occupa da alcuni anni di metodi di monitoraggio aereo da drone che richiedono la ricostruzione tridimensionale di porzioni di territorio e manufatti con tecniche di analisi provenienti dalla classica aerofotogrammetria e dalla computer vision.
I software di maggiore diffusione nel trattamento delle immagini acquisite da drone utilizzano la tecnica Structure from Motion, che consente la creazione di modelli tridimensionali senza una preliminare conoscenza parametri di orientamento interno della camera, che sono invece richiesti nel classico approccio fotogrammetrico.

Per la georeferenziazione del modello ottenuto (orientamento assoluto) si possono utilizzare punti di appoggio a terra (GCP, ground control points) rilevati con metodi GNSS (Global Navigation Satellite System) di elevata precisione. Alcune delle esperienze svolte in questo contesto sono orientate alla ricostruzione di ambienti produttivi, quali le cave, dove la disponibilità di modelli tridimensionali di qualità certificata è utile nel calcolo dei volumi di materiale estratto e nel monitoraggio dell’intera attività produttiva. In figura, un esempio di modello 3D di una cava ottenuto con software 3DF Zephyr Aerial (i punti rossi rappresentano la geometria dei GCP disponibili).

Numerosi test condotti per quantificare l’accuratezza dei modelli 3D ottenuti da droni tramite metodi fotogrammetrici hanno consentito di quantificare l’accuratezza di tali modelli in 5-10 cm, valore che si riduce a 2-3 cm in aree con geometrie regolari ben rappresentate nei fotogrammi acquisiti dal drone (Mancini et al. 2013). Questi valori devono essere considerati nelle successivi fasi del monitoraggio per attribuire un livello di affidabilità ai prodotti generati.

Tra le applicazioni del rilevamento aereo con droni che stanno suscitando interesse da parte degli operatori vi sono anche quelle relative agli interventi in condizioni di emergenza o criticità ambientali. Ad esempio, in occasione di eventi sismici, possibili utilizzi di sensori trasportati da drone potrebbero riguardare varie attività di monitoraggio nell’immediato post-sisma, ad esempio come supporto alle operazioni di intervento e soccorso o nella mappatura dei danni rilevabili. Questa tipologia di intervento non rientra nelle classiche attività di monitoraggio, ma il controllo delle lesioni degli edifici e le ispezioni in luoghi inaccessibili possono richiedere rilevamenti ripetuti e la creazione di un inventario dei dati che potrebbe essere di grande utilità nella documentazione del danno e di supporto alle successive fasi di ripristino delle strutture danneggiate.

Gli argomenti citati sono stati oggetto di una relazione orale (vedi presentazione) durante la manifestazione Dronitaly 2016 (Modena, 30/9-01/10) insieme ad altre esperienze relative all’uso di droni aerei in aree soggette a dissesti.

Francesco Mancini
francesco.mancini@unimore.it
DIEF, Università di Modena e Reggio Emilia, via P. Vivarelli, 10 41125 – Modena

Riferimenti

Mancini F. Dubbini M. Gattelli M. Stecchi F. Fabbri S. Gabbianelli G. 2013. “Using Unmanned Aerial Vehicles (UAV) for High-Resolution Reconstruction of Topography: The Structure from Motion Approach on Coastal Environments”. Remote Sensing, 5, 6880-6898.

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