Triangolazione aerea assistita da DGPS in fotogrammetria da UAV : sperimentazione di una soluzione a basso costo per il DJI matrice 210 V2

The possibility of using UAVs ("Unmanned Aerial Vehicles") to perform photogrammetric surveys with indirect photogrammetry appears to be a consolidated and widely tested reality. The study of alternative procedures to determine the position and orientation of the images without using, if not reduced, Ground Control Points (GCPs), proves to be a particularly topical area of photogrammetric research. The possibility of reducing the number of ground control points offers a lot of advantages, guaranteeing a reduction in working time and costs and providing the opportunity to create photogrammetric models in morphologically complex areas or in emergency situations. The present work is part of this research sector with the aim of proposing a non-invasive, economic and controllable procedure to retrieve the coordinates of the image centres with decimeter accuracy (10-1 m), using an external GNSS receiver. The coordinates of the antenna phase centres, once associated with the imagery and carried by a suitable spatial offset vector in the camera projection centres, allow the implementation of GNSS-assisted aerial triangulation. The proposed method was designed and tested on the DJI Matrice 210 V2 drone equipped, in the case study, with a DJI ZENMUSE X5S photogrammetric camera with a 4/3'' sensor and a DJI MFT 15mm/1.7 ASPH lens mounted on a 3-axis gimbal. The aircraft was fitted with the Emlid reach M, a low-cost, single-frequency (L1) external GNSS receiver, through which the flight path could be tracked with high accuracy through double differences with a virtual station. For the implementation of the proposed procedure, two surveys were carried out in Rossia (Piacenza), on 17/12/2020 and 28/01/2021, by performing two flights in automatic mode, using the UgCS flight planning software. The association of the images with the corresponding GNSS measurements was achieved by exploiting the flight telemetry, contained in a series of telemetry files produced by the drone, the Flight Logs, containing, among other things, the shooting times of the individual photographs. The need to guarantee for each image an accuracy on the shooting time, in virtue of the movement of the drone during the flight, of at least one hundredth of a second (10-2 s), made it necessary to solve the problem of hardware synchronisation and calibrate the system from a temporal, spatial and photogrammetric point of view, before being able to interpolate the trajectory of the images with the GNSS trajectory. With the proposed procedure, it was possible to acquire the coordinates of the camera projection centres with decimeter accuracy, to be used for GNSS-assisted aerial triangulation. It was identified the need to use at least 1 GCP (barycentric) or better 2 GCPs (at the extremes of the site), a particularly robust camera calibration (especially in estimating focal length and radial distortion parameters) and a cross-swept photogrammetric block in order to obtain centimetric accuracies on CPs and models with reduced systematics. Further studies will be needed in the future to strengthen the system calibration estimates (from a spatial and temporal point of view) and the camera calibration, testing the use of dual frequency GNSS receivers and oblique imaging photogrammetric blocks.

La possibilità di utilizzare UAV (“Unmanned Aerial Vehicles”) per l’esecuzione di rilievi fotogrammetrici con fotogrammetria indiretta appare una realtà ormai consolidata ed ampiamente testata. Lo studio di procedure alternative per risalire alla posizione e all’orientamento delle immagini senza far uso, se non ridotto, di Ground Control Points (GCPs), si dimostra un ambito nella ricerca fotogrammetrica particolarmente attuale. La possibilità di diminuire i punti di vincolo al suolo offre infatti numerosi vantaggi, garantendo la riduzione dei tempi e dei costi di lavoro e fornendo l’opportunità di realizzare modelli fotogrammetrici in aree morfologicamente complesse o in situazioni emergenziali. Il presente elaborato di laurea si inserisce all’interno di questo settore di ricerca con lo scopo di proporre una procedura non invasiva, economica e controllabile per poter risalire alle coordinate dei centri di presa delle immagini con precisione decimetrica (10-1 m), adoperando un ricevitore GNSS esterno. Le coordinate dei centri di fase dell’antenna, una volta associate alle immagini e trasportate con un adeguato vettore di offset spaziale nel centro di proiezione della camera, permettono di effettuare la triangolazione aerea assistita da GNSS. Il metodo proposto è stato progettato e testato sul drone DJI Matrice 210 V2 equipaggiato, nel caso di studio, con una camera fotogrammetrica DJI ZENMUSE X5S con sensore 4/3’’e un obiettivo DJI MFT 15mm/1.7 ASPH montati su un gimbal a 3 assi. Sul velivolo è stato montato l’Emlid reach M, un ricevitore GNSS esterno a singola frequenza (L1) e a basso costo, attraverso il quale risalire alla traiettoria di volo con elevata precisione tramite differenze doppie con una stazione virtuale. Per l’implementazione della procedura proposta sono stati eseguiti due rilievi in località Rossia (Piacenza), il 17/12/2020 e il 28/01/2021, effettuando due voli in modalità automatica, sfruttando il software di pianificazione di volo UgCS. L’associazione delle immagini alle corrispondenti misure GNSS è stata realizzata sfruttando la telemetria di volo, racchiusa in una serie di files di telemetria prodotti dal drone, i Flight Log, contenenti i tempi di scatto delle singole fotografie. Il bisogno di garantire per ciascuna immagine un’accuratezza sul tempo di scatto, in virtù del movimento del drone durante il volo, almeno al centesimo di secondo (10-2 s), ha reso necessario risolvere il problema di sincronizzazione dell’hardware e calibrare il sistema da un punto di vista temporale, spaziale e fotogrammetrico, prima di poter interpolare la traiettoria delle immagini con quella GNSS. Con la procedura proposta è stato possibile acquisire le coordinate dei centri di presa con precisione decimetrica, da utilizzare per la triangolazione aerea assistita da GNSS. Si è identificata la necessità di adoperare almeno 1 GCP (baricentrico) o meglio 2 GCP (agli estremi del sito), una calibrazione della camera particolarmente robusta (soprattutto nella stima della focale e dei parametri di distorsione radiale) ed un blocco fotogrammetrico a strisciate incrociate, per poter ottenere accuratezze centimetriche sui CP e modelli con sistematismi ridotti. Ulteriori studi saranno necessari in futuro per irrobustire le stime di calibrazione del sistema (da un punto di vista spaziale e temporale) e di calibrazione della camera, testando l’uso di ricevitori GNSS a doppia frequenza e blocchi fotogrammetrici con immagini oblique.