Il Rilievo fotogrammetrico con il Drone alla Diga di Ridracoli
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REPORTS
Il Rilievo fotogrammetrico con
il Drone alla Diga di Ridracoli
di Marco Barberini
e Matteo Rubboli
La tecnologia SAPR ben si integra
con altre tecniche di rilievo
in attività svolte in ambienti
morfologicamente complessi.
In questo articolo divulghiamo E’ sorta dunque l’esigenza e la gare come documentazione di
possibilità di testare la corri- riferimento per evidenziare nel
l’attività di documentazione
spondenza tra la geometria del tempo l’eventuale evoluzione
fotogrammetrica eseguita presso modello e la reale dimensione dello stato di conservazione del-
la Diga di Ridracoli in provincia di del manufatto, che rappresenta la diga.
Forlì Cesena. un momento centrale di valida-
zione delle simulazioni svolte e La soluzione al problema:
delle successive analisi, in grado la fotogrammetria con il
di ridurre l’indeterminatezza Drone
D
a alcuni anni è in es- dei risultati attesi. In diversi Sulla base delle esigenze di co-
sere una Convenzione incontri di coordinamento del noscenza reale del manufatto
di Ricerca tra il DICA Comitato Tecnico Scientifico, è stata predisposta un’attività
(Dipartimento di Ingegneria è stata valutata la possibilità di sperimentale di rilievo e model-
Civile ed Ambientale) dell’U- effettuare con tecnologie ap- lazione dell’intero corpo diga e
niversità di Perugia e la Società propriate il rilievo integrale del di ampie porzioni dell’orografia
Romagna Acque – Società manufatto con una doppia fi- di imposta dello sbarramento.
delle Fonti S.p.a concernenti nalità: rilevare la geometria allo La prima fase della sperimen-
attività di ricerca sulla Diga di stato attuale, da impiegare come tazione, del rilievo e della rico-
Ridracoli. Tra le diverse attività base di riferimento per ogni struzione 3D è stata focalizzata
tecnico scientifiche previste attività tecnica futura anche col- sui seguenti punti: impiegare
dalla Convenzione, il DICA ha laterale a quella specifica della i droni per effettuare il rilievo
svolto la modellazione statica Convenzione; rappresentare con fotografico ad alta risoluzione
del corpo diga ad elementi finiti una documentazione fotografica del paramento emerso della
(FEM) utilizzando un modello ad alta risoluzione, in un siste- diga e di una porzione signifi-
geometrico precedentemente ma geo-referenziato, lo stato cativa delle imposte della stessa,
ricostruito: tale modello, ter- esterno dei paramenti da impie- a monte e a valle dello sbarra-
minate le prime simulazioni, è
risultato abbastanza affidabile
e adeguatamente approssimato
per le analisi standard. Non è
stato però possibile verificare
l’esatta rispondenza del mo-
dello geometrico alla realtà, in
quando la base geometrica di
tale modello di riferimento è
riconducibile a documenti non
sempre completi del progetto
esecutivo della diga e mediante
punti singolari dello stato fina-
le del manufatto.
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mento artificiale; effettuare la dell’incarico di rilievo e rico- ottenuti rispettivamente dal
ricostruzione 3D dell’intero struzione 3D. rilevamento diretto con stazione
corpo diga per mezzo di scan- La seconda fase della sperimen- totale e dal modello digitale
sione da foto con la metodica tazione ha coinvolto diretta- rilevato con APR. In particolare
denominata “Structure from mente il DICA nell’attività di sono stati impiegati per la vali-
Motion”; restituire un congruo controllo del metodo di rilievo, dazione particolari riconoscibili
numero di sezioni orizzontali e verifica e validazione dei dati inequivocabilmente sulla super-
verticali del corpo diga nonché acquisiti. Per conseguire questi ficie pavimentata, su manufatti
un’ortofotopiano ad alta risolu- risultati si è operata la valida- in calcestruzzo in generale e
zione dell’intero impianto. zione del modello 3D Mesh da punti sul terreno naturale.
Per queste attività la Società Dense Point Cloud ottenuto Nel primo caso (superfici ben
Romagna acque S.p.a. ha pre- tramite rilevamento con APR, definite) il valore medio delle
disposto un articolato bando effettuato con strumentazione differenze di coordinate nelle
di gara selezionando una serie topografica di precisione (sta- tre componenti X, Y e Z fra le
di società attive nell’ambito zione totale) e laser scanner, ar- due determinazioni è risultato
dell’uso dei droni e con capacità ticolando le attività in 3 step. coerentemente compreso tra ±
professionali idonee alla predi- Il primo step è consistito nella 0.03 metri, mentre nel caso di
sposizione delle offerte, che è comparazione tra le coordinate terreno naturale il valore medio
stato redatto in relazione ad un X,Y e Z dei Ground Control delle differenze di coordinate
Disciplinare tecnico contenen- Points (GCP) ottenute rispetti- nelle tre componenti X, Y e Z
te le specifiche di esecuzione vamente dal rilevamento diretto fra le due determinazioni è stato
del lavoro, la restituzione dei con stazione totale e dal model- fissato tra ± 0.05 m.
prodotti informatici e soprat- lo digitale rilevato con APR. Come terzo ed ultimo step, per
tutto le tolleranze cui attenersi Il secondo step ha coinvolto porzioni di superfici pari a varie
nell’ottenimento dei risultati. la comparazione tra le coordi- decine di metri quadrati è stato
Italdron Srl è risultata segnataria nate X,Y e Z di punti naturali eseguito un controllo basato
sull'impiego di strumentazione
laser scanner terrestre. Nello
specifico sono state determinate
le distanze tra punti acquisiti
con laser scanner (precisione
sub-centimetrica) ed il relativo
modello 3D Mesh, i dati trat-
tati con software scientifici e i
confronti effettuati sintetizzati
in forma tabellare (numerica e
statistica) e grafica.
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Pregi e peculiarità
dell’utilizzo dei SAPR
L’uso delle tradizionali metodo-
logie di rilievo non è risultato
idoneo per l’esecuzione dell’ac-
quisizione dello stato di fatto
della diga, principalmente in
relazione alla dimensione dello
sbarramento, della conforma-
zione orografica delle spalle, e
non ultima la particolare doppia
curvatura policentrica che de-
scrive sia il paramento di valle
sia quello di monte della diga.
La diga di Ridracoli è infatti
definita tecnicamente come una
diga ad arco/gravità, ossia una
costruzione che reagisce alla di 2/3 metri nei punti maggior- Eseguire un ottimo rilievo
spinta dell’acqua grazie alla pro- mente indagati), ha consentito fotografico non è di per sé ga-
pria forma ad arco ed al proprio di realizzare un rilievo fotogra- ranzia della possibilità di poter
peso. fico di pregio tecnico dell’intera ricostruire un modello 3D, ma
Con un’estensione del corona- struttura, totalmente assente occorre un attento ed ordinato
mento di 432 metri (sul quale prima dell’esecuzione del lavo- studio delle caratteristiche della
corre una strada carrabile a ro, e base di paragone per le fu- macchina fotografica impiegata,
doppia corsia) ed un’altezza di ture operazioni di comparazione del soggetto, della posizione re-
103,5 metri, il rilevamento con con successivi rilievi. lativa tra soggetto e drone e del-
laser scanner e la strumenta- le condizioni d’illuminazione e
zione topografica tradizionale Preparazione del lavoro trasparenza dell’aria. Gli ultimi
avrebbero sicuramente com- La pianificazione delle operazio- parametri sono stati la defini-
portato un notevole numero ni di volo ha richiesto numerose zione delle immagini finalizzate
di stazioni per coprire tutte le riunioni per poter coordinare alla ricostruzione 3D e quelle
superfici da rilevare, con no- l’intensa attività da svolgersi sul relative all’indagine dei dettagli
tevole impegno di personale campo. In primo luogo la vasti- costruttivi. Tenendo conto di
e lunghi tempi di esecuzione, tà dei manufatti da rilevare ha tutti i fattori sopracitati è stato
con tutte le difficoltà ed i rischi necessitato un attento studio dei infine predisposto un Piano di
connessi allo spostamento e tempi di volo, delle distanze di Volo (condiviso con Romagna
posizionamento della strumen- presa fotografica e delle ottiche acque S.p.A. e con il DICA)
tazione in zone non protette da utilizzarsi. Parallelamente si relativo al rilevamento sia del
verso la caduta nel vuoto. L’uso è dovuto tener conto dei diversi manufatto della diga sia delle
dei droni ha enormemente sem- materiali da rilevare e successi- parti spondali (destra e sinistra,
plificato il lavoro topografico di vamente modellare (calcestruzzo monte e valle) e successivamen-
base per poter geo-referenziare per i manufatti, roccia sedi- te in parte modificato sul posto
il modello 3D, riducendo al mentaria, terreno vegetale, ve- in relazione alla logistica ed
minimo le stazioni necessarie, e getazione arbustiva ed arborea, all’effettivo inquadramento del-
principalmente consentendo di acqua). L’insieme di tutti questi le porzioni di territorio da parte
posizionarle in luoghi di agevole fattori è stato poi correlato delle fotocamere. Tali modifiche
e sicuro accesso. all’esposizione ed all’illumina- non hanno comportato sostan-
L’altro aspetto che ha consen- zione che gli elementi avrebbero ziali ritardi nell’esecuzione dei
tito di poter fare affidamento avuto in ogni fase del rilievo, in rilievi in quanto ampiamente
sui droni è stato senza dubbio quanto gli algoritmi dei softwa- nel range dell’operatività di
la possibilità di poter montare re alla base delle elaborazioni Italdron, sia per quanto attiene
un sensore fotografico da 36 per la ricostruzione 3D risento- a mezzi ed attrezzature sia per
Megapixel, che fotografando la no fortemente delle differenze quanto attiene a capacità tecni-
struttura da distanze anche mol- di cromatismo che rappresenta- che di gestione di tali situazioni
to ravvicinate (fino al dettaglio no i medesimi oggetti. “di cantiere”.
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Posizionamento dei punti GCP state dedicate al posizionamento 4) Costruzione Nuvola di Punti
Il posizionamento dei 218 dei punti Marker e la terza gior- a bassa densità
Target previsti ha comportato nata al rilievo con il drone. 5) Pulizia del rumore e affina-
un’attività significativa e coor- A fronte dell’abbassamento mento del modello
dinata tra Italdron, il DICA e dell’invaso sono stati nuova- 6) Costruzione nuvola di punti
Romagna Acque S.p.a., allo sco- mente effettuati, in autunno, ad alta densità
po di poter posizionare gli stessi i rilievi fotogrammetrici delle 7) Pulizia del rumore residuo e
nei migliori punti possibili, parti che risultavano sommerse affinamento del modello
compatibilmente con le esigenze durante il periodo estivo. 8) Costruzione Mesh 3D
di sicurezza per l’accesso alle A conclusione del lavoro sono 9) Inserimento delle Nuvole
aree manifestate dalla Stazione state acquisite 6.000 fotografie di Punti e delle Mesh 3D
Appaltante. Unitamente a ciò con un totale di 23 voli com- nel software Microstation di
un altro vincolo è stato posto plessivi e una durata media del Bentley per la georeferen-
per il metodo di fissaggio e volo del drone di 25 minuti. ziazione e la manipolazione
rimovibilità degli stessi (l’in- 218 sono i punti target posizio- finale.
vaso e lo sbarramento sono nati unitamente ad un totale di
inseriti entro il perimetro del oltre 500 punti naturali rilevati. Al fine di poter conseguire la
Parco Nazionale delle Foreste validazione dei modelli 3D
Casentinesi); parte dei Target Svolgimento della post pro- realizzati, sono state inserite le
sono stati posizionati in posizio- duzione secondo la metodi- coordinate di una sola parte dei
ni stabili e durature nel tempo ca “Structure from Motion” punti disponibili dal rilievo to-
al fine di garantire la ripetibilità La ricostruzione del modello pografico di precisione, mentre
delle misure anche in momenti 3D secondo una Nuvola di la rimanente è servita come veri-
successivi senza dover ripetere Punti condivisibile in formato fica e controllo al DICA.
le attività di misurazione to- .las per consentire la fase di ve-
pografica, non precludendo rifica e validazione del metodo Validazione del rilievo da
comunque la facile rimovibilità. proposto è avvenuta secondo la parte dell’Università di
Un aspetto particolare è stata sequenza logica seguente: Perugia
l’impossibilità di poter apporre Al fine di validare i dati fo-
Target sul paramento di valle 1) Inserimento delle fotografie togrammetrici rilevati con il
ma solo sul perimetro (coro- nel software ContextCapture SAPR, è stata condotta una
namento, pulvino, porzioni di Bentley vasta campagna di misura basata
accessibili delle spalle) stante la 2) Controllo dei target nelle sull’impiego di strumentazio-
doppia curvatura dell’arco della fotografie, loro numera- ne topografica Stazione Totale
diga. zione coerente col rilievo (TS30 di Leica-Geosystems),
topografico e attribuzione di satellitare Gps (Leica 1230
Svolgimento lavoro pratico Coordinate per la georeferen- di Leica-Geosystems) e Laser
Il lavoro sul campo è stato svol- ziazione Scanner (Z+F 5010 di Zoeller
to durante 6 giornate differenti. 3) Fase di allineamento Fröelich). Per quanto riguarda
Le prime due giornate sono Fotografie il rilevamento topografico è
stata definita una rete primaria
costituita dai 4 vertici già in
uso a Romagna Acque S.p.A.,
materializzati in maniera stabile
e coincidenti con i pilastrini
impiegati per il monitoraggio
periodico della diga.
Successivamente è stata definita
una rete secondaria di punti,
alcuni dei quali sono stati ma-
terializzati con chiodi infissi
al suolo, e collegata alla rete
primaria attraverso misure topo-
grafiche.
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A partire dalla rete primaria e rigorosa con software scientifico dalle coordinate di riferimento
secondaria sono stati rilevati di compensazione ai minimi determinate con strumentazio-
complessivamente 335 punti di quadrati di misure topografiche. ne topografica mentre il secon-
dettaglio, comprendenti marker Dai risultati ottenuti si è evinto do costituito dalle coordinate
e punti naturali. Le misure sono che la deviazione standard di degli stessi punti misurate sul
state effettuate contestualmente ogni singolo punto è risultata modello Dense Point Cloud
alle acquisizioni dei fotogrammi inferiore, nelle 3 componenti generato tramite fotomodel-
da APR al fine di disporre di Est, Nord e Quota, a 1.0 cm e lazione); verifica delle linee, il
dati temporalmente omogenei. in media a 0.7 cm, valori che confronto tra sezioni estratte
I 4 vertici della rete primaria hanno confermato l'idoneità dei da laser scanner e Dense Point
sono stati stazionati con stru- suddetti punti per essere impie- Cloud (la verifica per linee
mentazione satellitare GPS, e le gati per la georeferenziazione consiste nella comparazione
coordinate ottenute sono state dei fotogrammi da APR e per la tra sezioni orizzontali, curve di
trasformate nel sistema carto- validazione del modello stesso. livello, estratte rispettivamente
grafico Gauss Boaga e quote Per quanto riguarda il rilievo dalla nuvola di punti ottenuta
s.l.m. al fine di consentire una laser scanner sono state eseguite da laser scanner e quella ottenu-
corretta georeferenziazione a complessivamente 9 postazioni ta da APR; nella comparazione
livello nazionale dell’intero rile- di acquisizione al fine di poter la nuvola di punti laser scanner
vamento. Per la trasformazione rilevare la maggiore superficie è stata assunta come Reference
è stato impiegato un grigliato possibile di paramento sia a mentre la Dense Point Cloud
fornito da IGMI riferito al rela- monte sia a valle del corona- da APR è stata assunta come
tivo vertice di Santa Sofia (FC) mento. Tutte le acquisizioni Compared); verifica superfici
situato ad alcune centinaia di sono state effettuate con scan- ossia la mappatura differenze
metri dal coronamento della ner Z+F 5010, e le scansioni tra laser scanner e Dense Point
diga. Successivamente i vertici sono state registrate utilizzando Cloud (la verifica superfici si
della rete primaria e di quella i marker impiegati per la geore- basa sulla verifica di una certo
secondaria sono stati stazionati ferenziazione del modello foto- numero di campioni rappresen-
con strumentazione topografica grammetrico da APR al fine di tativi dell'intera superficie rile-
di precisione al fine determina- garantire la perfetta corrispon- vata al fine di verificare l'accu-
re le coordinate est e nord, la denza dei due dati oggetto di ratezza del modello globale nel
quota dei punti di dettaglio e in confronto. I valori di deviazione suo complesso; il confronto tra
parte da punti naturali impiega- standard e i valori medi dei re- i due insiemi di dati ha fornito
ti per la validazione dei risultati. sidui sono risultati inferiori alle le cosiddette "mappe delle dif-
Al fine di migliorare l'accura- accuratezze e deviazioni stan- ferenze" in grado di fornire una
tezza delle coordinate dei punti dard delle coordinate topografi- rappresentazione visiva intuitiva
misurati è stato adottato uno che e pertanto le scansioni sono ed immediata degli scostamenti
schema di misura “iperdetermi- state ritenute idonee per essere tra le due superfici grazie anche
nato”, e le osservazioni acquisite adottate come scansioni di ri- all'istogramma delle distribuzio-
sono state trattate in maniera ferimento. In merito alla fase ni ad esse associate).
vera e propria di validazione dei Al termine del processo di ve-
dati acquisti da APR sono stati rifica e validazione, Italdron ha
impiegati, in qualità di riferi- ottenuto un ottimo livello di
mento, i marker, i punti natu- superamento delle prestazioni
rali di coordinate topografiche attese per quanto attiene la
note e i punti da laser scanner. fase propria del rilievo (posi-
Le verifiche effettuate sono state zionamento target, piano di
suddivise in 3 fasi: verifica dei volo, metodica del lavoro, etc.),
punti ossia la comparazione tra ottenendo al contempo un'ele-
punti topografici e punti sin- vata qualità geometrica e radio-
golari estratti da Dense Point metrica del dato acquisto. Per
Cloud (il controllo puntuale quanto attiene la modellazione
consiste nella comparazione tra 3D effettuata, le immagini sono
due set di coordinate relative ai state elaborate con software ba-
marker e ai punti naturali misu- sato sulla tecnica Structure from
rati, con il primo set composto Motion, e la Dense Point Cloud
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generata è stata fornita, come pre- circa 230 gli strumenti impiegati
BIBLIOGRAFIA
visto, in formato compatibile con per il monitoraggio del sistema 2° Rapporto intermedio 2015 della Convenzione
ambiente cad (*.las) con densità diga). L’Azienda proprietaria ed di Ricerca biennale tra Romagna Acque S.p.A. ed il
media superiore a quella richiesta utilizzatrice di tale modello è DICA (Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ampb-
(richiesta = 1 punto ogni 25 cmq Romagna Acque S.p.A. che, in jentale) dell'Università di Perugia. Prof. Ing. Piergiorgio
Manciola.
/ fornita = 1 punto ogni 9 cmq o funzione dei rapporti con l’istituto Relazioni Tecniche Area Test e Rilievo Esteso - Mod-
superiore). La verifica della Dense di controllo e vigilanza (Registro ellazioni 3D. Italdron S.r.l. - Ing. Marco Barberini -
Point Cloud effettuata impiegan- Italiano Dighe) può, grazie al sup- Geom. Gianluca Rovituso.
Relazione Tecnica attività di supervisione e verifica
do come riferimento un campio- porto del DICA dell’Università delle modalità esecutive del Rilievo e dei risultati ot-
ne totale di 124 punti suddivisi di Perugia, effettuare qualunque tenuti. Studio Tecnico Associato Grassi - Perugia
in punti naturali, marker e scan- tipo di analisi, controllo e verifica
sioni laser appositamente realizza- relativamente ai valori registrati PAROLE CHIAVE
Rilievo; fotogramemtria; APR
te ha fornito risultati compatibili dagli strumenti o simulare il com-
o di qualità superiore rispetto alle portamento del modello in rela- ABSTRACT
specifiche richieste. zione alla modifica di parametri SAPR technology integrates well with other technolo-
fondamentali (modulo elastico del gies for survey activities in morphologically complex
areas. In this article is presented a case study carried out
Conclusioni calcestruzzo, temperatura dell’ac- for the photogrammetric documentation of Ridracoli
Il modello tridimensionale fina- qua, livello di invaso, azioni sismi- Dam (Forli Cesena) In Italy.
lizzato alla gestione proattiva della che, etc). La considerazione finale
AUTORE
Diga di Ridracoli serve a simular- è conferma che l’uso dei droni è Ing. Marco Barberini
ne il comportamento in funzione una tecnologia di uso attuale e as- Matteo Rubboli
di eventuali singolarità strutturali/ solutamente affidabile, che risulta Italdron srl
morfologiche/climatiche segnalate particolarmente valida in ambienti info@italdron.com
www.italdron.com
indirettamente dalla sensoristica morfologicamente così complessi e
installata per il monitoraggio del di difficile rilevabilità mediante la
comportamento strutturale (sono strumentazione tradizionale.
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