Monitoraggio di aree alpine inaccessibili con fotogrammetria UAV low cost

ABSTRACT This thesis work focuses on the use of UAS photogrammetry (Unmanned Aerial Systems), for mountain territory monitoring. After a first introductory chapter, which contains an analysis of advantages and disadvantages of this technique in high mountain environment, in the second chapter we will describe the case study of this paper: the Belvedere Glacier, located on the eastern side of Monte Rosa, in the municipality of Macugnaga (VCO). Its historical evolution during the last century will be briefly described. We will proceed by describing the surveys carried out by Politecnico di Milano and Politecnico di Torino as part of several measurement campaigns, all performed by UAV photogrammetry, between 2015 and 2020. These surveys allowed to obtain photogrammetric products such as Point Clouds, Digital Elevation Models (DEM) and orthoimages of the glacier surface for each year, realized by the Agisoft Metashape© photogrammetric software. In the third chapter, the campaign of summer 2020 will be described, in terms of instruments used, techniques of data collection and issues occurred. It will be also illustrated the procedure followed for data elaboration and achievement of the photogrammetric products. Then, it will be described the analysis of volumetric comparison with the models of the past years, realized by the software Cloud Compare, in order to establish the ice volumetric loss occurred during the year between summer 2019 and summer 2020. Finally, the volumetric loss of the last year will be compared to the ones of the past periods. The fourth chapter deals with the formulation of a proposal for a different typology of drone trajectory acquisition, that allows to realize the orientation of images by aerial triangulation assited by GNSS (AAT). This method could bring important benefits, by simplifying the in-field measurement procedures, essentially allowing for a significant decrease in the amount of Ground Control Points (GCPs, measured via GNSS) needed to georeference and constrain the model. Being less dependent on GCPs, in addition to streamlining field operations, would especially allow to overcome various problems encountered in several measurement campaigns, including the most recent one in summer 2020. We will therefore describe the operations necessary to equip the chosen UAV with some new sensors (including a dual-frequency GNSS receiver, thus potentially suitable for precision positioning), allowing this type of photogrammetric application. These are rather invasive and quite complex procedures, which also required a phase of reliability testing and calibration of all the different sensors on board the drone. Finally, in the fifth and last chapter, an orientation of the photogrammetric block of the glacier will be simulated with the CALGE software, which will allow to evaluate the effectiveness of the new acquisition method, estimating its robustness and accuracy. This simulation will be the starting point for the formulation of the photogrammetric survey project scheduled for the summer 2021, which will take place from July 26 to 30 during the Summer School organized by DICA of Politecnico di Milano.

ABSTRACT Il presente lavoro di tesi si focalizza sull’impiego della fotogrammetria da UAS (Unmanned Aerial Systems) per il monitoraggio del territorio montano. Dopo un’introduzione in cui si analizzeranno i vantaggi e gli svantaggi di questa tecnica in un ambiente montuoso di alta quota, svolta attraverso un’indagine basata su diversi studi, nel secondo capitolo si passerà a descrivere il caso di studio di questo elaborato: si tratta del Ghiacciaio del Belvedere, situato sul versante orientale del Monte Rosa, nel comune di Macugnaga (VCO). Verrà brevemente descritta la sua evoluzione storica nel corso dell’ultimo secolo. Si procederà descrivendo i rilievi svolti dal Politecnico di Milano e di Torino nell’ambito di diverse campagne di misura, tutte eseguite tramite fotogrammetria da UAV (Unmanned Aerial Vehicle), tra il 2015 e il 2020. Questi rilievi hanno permesso di ottenere prodotti fotogrammetrici come nuvole di punti (Point Clouds), Modelli Digitali del Terreno (DTM) e ortoimmagini della superficie del ghiacciaio per ciascuna annata, realizzati con il software fotogrammetrico Agisoft Metashape©. Nel terzo capitolo verrà trattata la campagna di misura svolta nell’estate 2020, in termini di strumenti, modalità di misura e problematiche riscontrate. Sarà descritto anche il procedimento eseguito per elaborare i dati e ottenere i prodotti fotogrammetrici di interesse. In seguito verrà svota un’analisi di confronto volumetrico con i modelli degli anni precedenti, attraverso il software CloudCompare, allo scopo di determinare la perdita di volume del ghiacciaio nel corso dell’annata 2019-2020 e confrontarla con la corrispettiva perdita delle annate precedenti. Il quarto capitolo tratta di una proposta per una differente tipologia di acquisizione di dati di traiettoria del drone, che permette di realizzare la triangolazione aerea assistita da GNSS (AAT). Questo metodo può portare a notevoli benefici dal punto di vista della semplificazione delle procedure di misura in campo, consentendo in sostanza di diminuire notevolmente la quantità di punti di appoggio (Ground Control Points, misurati tramite GNSS) necessari a georeferenziare e vincolare il modello. Il fatto di essere meno dipendenti dai GCPs, oltre a snellire le operazioni in campo, permetterebbe soprattutto di ovviare a diversi problemi riscontrati in diverse campagne di misura, compresa la più recente dell’estate 2020. Si descriveranno pertanto le operazioni necessarie a dotare il veicolo UAV prescelto di alcuni nuovi sensori (tra cui un ricevitore GNSS a doppia frequenza, quindi potenzialmente adatto ad un posizionamento di precisione), che permettano questo tipo di applicazione fotogrammetrica. Si tratta di procedure piuttosto invasive e abbastanza complesse, che hanno richiesto anche una fase di test di affidabilità e calibrazione di tutti i diversi sensori a bordo del drone. Infine, nel quinto e ultimo capitolo, si andrà simulare l’orientamento del blocco fotogrammetrico del ghiacciaio con il software CALGE, che consentirà di valutare l’efficacia del nuovo metodo di acquisizione, stimandone la robustezza e l’accuratezza. Tale simulazione costituirà il punto di partenza per la formulazione del progetto di rilevamento fotogrammetrico in programma per l’estate 2021, che si svolgerà dal 26 al 30 luglio nell’ambito della Summer School organizzata dal DICA del Politecnico di Milano