L'introduzione di nuova sensoristica e dei SAPR Sistemi Aereomobili a Pilotaggio Remoto (Chiamati droni), a supporto dell'archeologia

1. Nuove strumenti per Archeologia e l'utilizzo di SAPR

2. Remote Sensing - definizione
Il telerilevamento, in inglese remote sensing, è la disciplina tecnico-scientifica o scienza
applicata con finalità diagnostico-investigative che permette di ricavare informazioni,
qualitative e quantitative, sull'ambiente e su oggetti posti a distanza da un sensore mediante
misure di radiazione elettromagnetica (emessa, riflessa o trasmessa) che interagisce con le
superfici fisiche di interesse.
Le potenzialità e i risultati offerti da tale metodologia sono notevoli se si considera la relativa
facilità di ottenere informazioni di qualsiasi tipo (in particolar modo i parametri ambientali),
in breve tempo, a distanza, ripetute nel tempo o addirittura in
alcuni casi in maniera quasi continua, con una grande copertura
spaziale, con maggior oggettività e precisione ed anche con
una maggiore economicità complessiva rispetto ai metodi di
rilevazione convenzionali.

3. Remote Sensing - differenze
Fondamentalmente ci sono 3 modi di acquisire dati di telerilevamento
Satellite (>800km), Aeromobile (>500ft), Aeromobile a Pilotaggio Remoto (0 <500ft)
la differenza evidente è la distanza di acquisizione del dato, più è distante la presa
dello stesso e maggiore è l’area di interesse, che porta a un dato più esteso, più
economico, ma meno dettagliato.
Ci sono inoltre anche altre problematiche secondarie da satellite, riguardanti
distorsioni e condizioni meteo.
Il calcolo dell’accuratezza/precisione con la quale andremo ad effettuare il nostro
rilievo è molto semplice ed è chiamato GSD - Ground Sample Distance.
Esso rappresenta la proiezione del pixel del nostro sensore a terra, per fare un
esempio estremo con un satellite possiamo avere
un GSD di 10mt con un APR di 5mm, salendo per l’analisi spettrale a
3cm per APR e 60mt per Satellite (Sentinel 2)

4. Ground Sample Distance
*Remote Sens. 2015, 7(3), 2971-2990; doi:10.3390/rs70302971

5. Tecniche di scansione
Le tecniche e di conseguenza gli strumenti utilizzabili
per rilievo archeologico sono molteplici, i principali che
andremo ad illustrare sono:
● Visivo
● Fotogrammetrica
● Multi-spettrale
● Termica

6. Analisi visiva
Prima di svolgere un’analisi tecnica,
attraverso la percezione di dati possiamo fornire un punto
di vista “altolocato” ed in alta risoluzione per uno sguardo di
insieme ed un primo screening superficiale percettivo,
andando a lavorare con le curve di colore
possiamo anche individuare sommarie
aree di interesse attraverso la vegetazione

7. Fotogrammetria
Spesso chiamata anche SFM (Structure From Motion) 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.”

8. 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).

9. Le fasi delrilievo 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 pro-durre, come risultato finale,
un disegno, un insieme numerico di coordinate o una immagine raddrizzata.

10. Presa
La parte di “Presa” viene effettuata con camere di diverso tipo, le componenti
fisiche essenziali della camera sono:
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)

11. 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.

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
più 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 sia collocata 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 distorsione detta 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 ora alla fase di orientamento esterno il quale serve a 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.
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. 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.

22. 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

23. 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).

24. 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 svolte in forma numerica dal calcolatore. Inoltre, con i
restitutori analitici è possibile compensare con maggior affidabilità gli
errori connessi a tutte le fasi del processo fotogrammetrico.

25. Restitutori digitali
Il restitutore digitale è costituito da un computer e da un software capace di
correggere le distorsioni e le aberrazioni e ricavare la posizione geografica dei
fotogrammi e fornire le coordinate spaziali dei punti individuati dalla marca mobile.
I dati rilevati possono essere elaborati
per ottenere una rappresentazione,
in tempo reale, del modello
ottenuto con il rilievo

26. Restitutori digitali
L’elaborazione delle immagini, essendo molto pesante, passa per un processo
piramidale il quale 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

27. 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 ad
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.

28. Restitutori e elaborazione sw
Come già detto per scopi meno “critici”, possiamo avvalerci di operazioni quasi del tutto
automatizzate che portano ad avere DTM, Ortofoto dell’area in oggetto e/o molto altro.
Il workflow prosegue con una serie di altre operazioni che porteranno ad acquisire il modello 3D
delle aree, questo avviene tramite gli stessi algoritmi di rilevamento topografici citati in precedenza
o tramite altri, derivati dalla computer grafica. Queste operazioni generalmente sono:
● Creazione delle nuvole di punti : come citato, avviene 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.

29. Alcuni esempi

30. Alcuni esempi

31. Alcuni esempi

32. Alcuni esempi

33. Ortofoto
Si tratta di un particolare tipo di raddrizzamento riferito a una porzione di terreno,
non piano, registrato nei fotogrammi delle prese aeree. Nel paragrafo precedente
è stato visto che il fotopiano può essere ottenuto solo da oggetti piani, dunque
da terreni pianeggianti; infatti, per terreni accidentati 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, dal quale 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.

34. GIS
Fondamentale è la restituzione geolocalizzata
che facilita l’analisi multi-layer.
E’ possibile quindi identificare
ogni particolare nelle aree di
interesse ed esportalo, singolar-
mente o in gruppi, con file di
interscambio Shape o dxf.

35. 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.

36. Analisi multi-spettrale
Questa analisi si basa sul principio della riflettanza la quale può essere percepita
su un’unica lunghezza d’onda attraverso camere NIR o altresì con diversi sensori
e filtri che lavorano con molteplici lunghezze d’onda al fine di avere un dato più
accurato e riuscire di conseguenza ad avere una maggiore correttezza dei dati.

37. Analisi multi-spettale

38. Spettroradiometria - Iperspettrale

39. Analisi termica
Attraverso l’analisi termica del terreno si
riescono ad identificare tutti quei cambi
di densità del terreno e di oggetti, dati
da :
● strutture interrate
● diversa composizione dei materiali
● deflussi idrici irregolari
Anche se interrati sotto qualche metro,
attraverso un differenziale di
temperatura restituita di 1° - 1,5° è
semplice a volte identificare le mura di
strutture storiche.

40. Analisi strutturale termica
GNGTS – Atti del 22° Convegno Nazionale / 12.18 E. Geraldi, F. T. Gizzi e N. Masini

41. Analisi sul terreno

42. Come rilevare ?

43. La nostra flotta
Per dare un migliore servizio abbiamo scelto di avere dei
mezzi dedicati per scopo riuscendo così ad avere un giusto
compromesso qualità-prezzo ed una migliore prestazione
per il settore in cui effettuare il rilievo.
Riconoscimento 5953

44. APRITS900_01
SAPR dedicato al multi-spettrale
e al rilevamento di ampie superfici.
Il sistema e’ attrezzato con la camera
Micasense RedEdge, sensori di rifrazione a
bordo e/o con una Sony RX100 mk3, un
sistema di stabilizzazione superleggero delle
camere che permette in questa configurazione
di volare per più di 30min ed arrivare a coprire
aree da 30Ah per volo.

45. APRITS900_02
SAPR dedicato al rilievo
fotogrammetrico ad alta risoluzione.
E’ dotato di fotocamera Sony A7r con 36,2mpx.
Il sistema e’ attrezzato con un doppio radiocomando,
paracadute e ha un’autonomia di volo superiore ai 22min,
riuscendo così a coprire ampie superfici e
mantentendo il valore di GSD (Ground sample distance)
al di sotto del centimetro .

46. APR-H4IRD-001
SAPR compatto dedicato alla termografia,
integra un camera radiometrica Optris PI450
e una camera per il visivo così da avere il
massimo controllo e sicurezza nelle fasi dell’
opreazione.
Ha un’autonomia di circa 20min.

47. APRINSPR-P01
SAPR dedicato al visivo, utilizzato per video
ad alta risoluzione e definizione.
Sopralluoghi con video streeming in Full-HD, capace di
filmare in 4K e in formati RAW.
Ha la possibilità del controllo
con doppio radiocomando
ed è attrezzato con sistema
di terminazione e paracadute.

48. Grazie!
antonio@apritalia.com
afeliziani
desartstudio
antoniofeliziani
3476279689