aerofotogrammetria

UgCS è la Universal Ground Control Station della società lettone SPH Engineering: la versione per desktop, disponibile sia per PC che per Mac e Linux, denominata UcGS mapper, si collega al drone tramite un client e l'app installabile su un mobile device, al quale può così inviare i parametri di una missione automatica. UcGS come dice il nome nasce come sistema per il rilevamento aerofotogrammetrico, è compatibile con molte piattaforme di droni, anche autocostruiti, e viene distribuito in forma commerciale con il nome di UgCS Pro: $69 per 1 licenza mensile, $199 per 1 licenza di 3 mesi, $600 per la licenza perpetua che include 1 anno di aggiornamenti. Questa guida è stata redatta con la versione 3.1 (871).

Perché UgCS? Perché integra un pianificatore di volo che consente l'esportazione dei waypoints e delle rotte in formato KML, il formato per la gestione dei dati geospaziali di Google Earth, diventato uno standard per molte applicazioni: basti pensare che un KML per un volo pianificato può essere importato sia in Litchi ma anche in Pix4D Capture se le modalità predefinite di quest'ultima app facessero al caso nostro.

Poiché dunque a noi interessa UgCS come pianificatore di volo, in fase di installazione possiamo togliere la spunta alle voci "UgCS mapper" e "Video service" e a tutte le voci support. Concludiamo l'installazione lasciando le restanti voci così come proposto dal programma. Quando avvieremo il programma per la prima volta ci verrà chiesto di inserire un codice di attivazione o attivare la trial di 14 giorni: chiudiamo semplicemente la finestra perché a noi non interessano le funzionalità aggiuntive di controllo del drone offerte dal software.

Avviato il client, apriamo il menù principale (icona in alto a sinistra) e creiamo una nuova missione: possiamo partire da zero o importare un file esistente. Per le nostre finalità scegliamo la prima opzione. Nella seconda finestra ci viene chiesto il nome da dare al percorso e di selezionare un modello di drone dal database: naturalmente andiamo a cercare e selezionare il DJI Spark. Il database di UgCS contiene i dati di svariate decine di modelli che aiutano il software a pianificare più correttamente la missione, ecco perché selezionare il modello giusto in questa fase ci aiuterà dopo. Nell'ultima finestra lasciamo i parametri come sono e diamo OK.

Se, mantenendo gli stessi dati, avessimo selezionato SLM alla voce tipo di altitudine, avremo ottenuto una missione a quota costante. Confrontando i due risultati, salta subito all'occhio quello che abbiamo spiegato in precedenza: quando cambia la quota del terreno, se il drone non si adatta al terreno il nostro rilievo aerofotogrammetrico avrà GSD differenti nelle sue varie porzioni.

Se vogliamo possiamo anche attivare il segno di spunta alla voce Doppia griglia: in questo modo il software si preoccuperà di creare una seconda serie di strisciate perpendicolari alla prima. Questa soluzione è molto utile quando si deve effettuare un rilievo aerofotogrammetrico con camera obliqua, la condizione operativa necessaria a ottenere il rilievo 3D di elementi verticali affioranti (case, edifici, etc.).

Infine, se attiviamo l'opzione che ci consente di visualizzare il profilo altimetrico della nostra missione, potremo visionare appunto l'andamento in quota del drone e l'altezza di volo adattiva dal terreno, nel nostro caso 39 metri. Per fare questo dovremo cliccare l'icona con i 3 ingranaggi ("parametri") presente accanto al tipo di velivolo selezionato (voce "DJI Spark") e cliccare su "mostra elevazione". Ottenere la quota di volo corretta è importante al fine di calcolare la corretta distanza tra le strisciate del drone.

Siamo dunque pronti a esportare il file KML che contiene il path della nostra missione di volo: ritorniamo sull'icona con i 3 ingranaggi e questa volta clicchiamo su "Esporta in KML". Date un nome al file e salvatelo nella posizione del vostro PC che più vi fa comodo, magari in una cartella sincronizzata con un servizio cloud così da averlo a disposizione anche sui vostri mobile device.

Per modificare la direzione della prua del drone e i dati di navigazione associati a ogni waypoint, dobbiamo prima selezionarlo: si aprirà di conseguenza una finestra sulla destra dello schermo con i "waypoint settings". Primo dato che ci salta all'occhio: UcGS ha sì esportato le traiettorie, ma ha associato ad ogni waypoint una quota di volo di 500 metri, invece che i 39 metri che visualizzavamo nel client. Questo significa che dovremo apportare una modifica su ogni waypoint: un lavoro un po' noioso ma necessario per la buona riuscita della missione. Quindi portiamoci alla voce "altitude" e inseriamo la quota di 40 metri: spuntiamo con un check la voce "Above ground" affinché la quota di volo non sia assoluta dal punto di decollo ma basata sull'andamento altimetrico del terreno, così come già fatto in UcGS. Affinché sia possibile attivare questa opzione, Litchi deve conoscere qual'è il modello di elevazione del terreno per quella località e per questo dobbiamo attivare l'opzione "Use Online Elevation" in the Mission Hub settings.

Ancora meglio, quella che era una funzione a pagamento di UcGS è una possibilità integrata in Litchi: stiamo parlando dell'uso di un DEM per pianificare correttamente l'altezza di volo del drone in funzione delle quote del terreno. Tuttavia Litchi supporta soltanto i DEM in formato .asc WGS-84 Esri ASCII Grid: un formato non particolarmente diffuso rispetto al raster geoTIFF, ma ad esempio il geoportale della Regione Sardegna ha messo a disposizione i dati derivati da LiDAR di una buona parte dell'area costiera dell'isola anche in formato .asc WGS-84.

Ai fini della nostra guida questa opzione non interessa, sarà oggetto di un tutorial avanzato. Quindi affidiamoci all'altimetria del terreno che Litchi prende da Google e terminiamo il lavoro di settaggio dei waypoint. Altro parametro da modificare è il "Gimbal Pitch": esso identifica il tilt del gimbal, in parole povere l'inclinazione della fotocamera. In un lavoro di aerofotogrammetria è importante che l'inclinazione della fotocamera rispetti determinati parametri: per una parete verticale deve essere frontale quindi 0°, per un modello 3D deve essere inclinato, tipicamente tra -50° e -60°, per una ripresa del territorio deve essere nadirale, ovvero -90°. Siccome lo Spark di default ha un'inclinazione compresa tra 0° e -85°, o si modifica tale parametro tramite la DJI GO4 portandolo a -5°/-90° oppure alla voce "Gimbal Pitch" di Litchi dobbiamo selezionare l'opzione interpolate inserendo come valore -85°: non è proprio nadirale al 100%, ma la leggera inclinazione non disturba la qualità del rilievo.

Una volta terminato il lavoro di settaggio dei waypoint, rivediamo alcune impostazioni prima di volare. Ogni waypoint su mappa è accompagnato da due numeri di cui 1 tra parentesi: il primo numero è la quota di volo che abbiamo impostato, il numero tra parentesi il piano determinato dalla quota di volo del primo waypoint. Ad esempio vediamo i valori del waypoint 29 della nostra immagine: 40 metri il primo numero come quota di volo, 23,7 metri come piano della quota attuale in riferimento al terreno. Questo vuol dire che al waypoint 29 il nostro drone avrà una quota di volo inferiore di 16,3 metri rispetto al primo waypoint. Possiamo fare ulteriori verifiche: Litchi per ogni traiettoria ci dice la sua lunghezza, ovvero la distanza tra 2 waypoint. La distanza che a noi interessa è il valore che divide le strisciate principali, quelle più lunghe per intenderci, e che equivale a determinare la percentuale di sovrapposizione (noi abbiamo scelto il 60%) delle fotografie in base alla quota di volo. Per sapere se il software ha lavorato correttamente, possiamo avvalerci del foglio di calcolo messo a disposizione dall'Ing. G. Beretta. Questo file excel ci permette di calcolare una nutrita serie di dati, compreso la distanza che sarà necessario impostare tra strisciate trasversali per mantenere la corretta sovrapposizione: bene, il file ci dice che la distanza si aggira intorno ai 22 metri. Non ci facciamo ingannare dalla dicitura 12,7 - 12,8 che vediamo in Litchi, in quanto quella è una distanza reale e non proiettata, una distanza che dunque tiene conto della pendenza della traiettoria che segue il drone. La distanza trasversale tra le strisciate sarà di ca. 12 metri, quindi ampiamente rispettosa dei parametri, anzi restituente una sovrapposizione reale di quasi l'80%.

Ora non resta che impostare la velocità di crociera: attualmente lo Spark non supporta un trigger di comando che gli dica in quale momento scattare, dovremo dunque utilizzare la funzione di scatto temporizzato, come se stessimo realizzando un timelapse. Dobbiamo quindi decidere qual'è l'intervallo di tempo necessario per rispettare la sovrapposizione frontale delle fotografie, tenendo presente che il valore minimo da inserire è pari a 2 secondi. Se decidiamo di inserire 3 secondi, dovremo fare in modo che la velocità del drone non oltrepassi l'area di sovrapposizione con l'immagine successiva: a 40 metri, con una sovrapposizione longitudinale del 70% e un intervallo di scatto pari a 3 secondi, la velocità massima del drone è di 4 metri al secondo, che convertiti in Km/h corrispondono a 14,4 Km/h. Questo sarà il valore da inserire alla voce "Cruising speed". Se riteniamo che le condizioni operative potrebbero risultare in un mosso sulle foto a questa velocità, sarà sufficiente aumentare l'intervallo di scatto per diminuire la velocità dell'APR: con un intervallo di 5 secondi tra uno scatto e l'altro, la velocità da tenere è di 2 metri al secondo, pari a 7,2 Km/h.

Teniamo naturalmente presente che la durata operativa della batteria di uno Spark è di ca. 10-12 minuti, quindi sarà necessario parametrare la velocità anche in relazione alla distanza totale da percorrere e alla velocità con la quale verrà percorsa e il ritorno a casa. Nel nostro esempio la missione sull'area da rilevare alla velocità di 2 m/s verrebbe completata in circa 12 minuti, in assenza di vento, quindi al limite di 1 batteria. Meglio sarebbe una velocità di 3 m/s con un intervallo tra gli scatti di 4 secondi.

Una bella funzione al Mission Hub è stata aggiunta da due programmi esterni: si tratta di un software per PC Windows e di una sua estensione per il browser Google Chrome, così da poterlo utilizzare anche su computer Mac e Linux. La Virtual Litchi Mission si scarica dal forum mavicpilots, mentre l'estensione la trovate nel webstore di Chrome. Cosa fa: il software si collega direttamente al Mission Hub, quindi lo si può utilizzare a tutti gli effetti come se stessimo lavorando tramite una finestra del browser. Permette di esportare la missione in un formato che viene interpretato da Google Earth come un percorso di camera: in questo modo la camera si muoverà nel mondo virtuale replicando i parametri della nostra missione come fosse il nostro drone e noi con buona approssimazione potremo vedere un'anteprima di quello che sarà il rilievo sul campo. L'estensione fa la stessa identica cosa ma senza uscire dal browser.

Per generare questo file dovremo posizionare il mouse su "mission" e dare il comando "export as csv": questo software genererà invece un file KML che come detto in precedenza sfrutta la funzionalità tour di Google Earth Pro.

In Google Earth Pro possiamo visualizzare il tour come fosse un video, inoltre registrarlo ed esportarlo, come fatto in questo caso per farvi vedere il risultato del nostro lavoro. Ecco dunque che grazie a questo tool la nostra missione può essere fatta girare in modo virtuale al fine di verificare che le impostazioni inserite siano corrette: percentuale di sovrapposizione, direzione della camera, direzione del volo, etc.

Eseguito il volo e l'acquisizione delle immagini, abbiamo poi provato a fare un'elaborazione in Agisoft Metashape demo per vedere se il risultato generasse una nuvola di punti corretta.

Anche in questo caso il test è stato superato a pieni voti, come potete verificare nelle seguenti immagini.

Poiché l'app Litchi si collega ad AirData, il servizio offerto da Airdata UAV, Inc. che permette l'analisi dei log di volo dell'APR restituendo informazioni molto dettagliate e di vario tipo sul volo effettuato (il dettaglio dipende dal piano di abbonamento che avete sottoscritto), una volta eseguita la missione programmata è possibile verificare su app.airdata.com se il percorso eseguito è stato corretto. Come possiamo vedere dall'immagine che segue, il drone ha rispettato i percorsi e le quote di volo impostate: il fatto che le linee non siano dritte naturalmente è dovuto al fatto che lo Spark è un oggetto volante soggetto alle turbolenze dell'aria.