Fotogrammetria aerea low cost in archeologia

The last few years have seen an exponential growth in the use of UAV photogrammetry. This evolution has opened new possibilities and new scenarios for close range surveying, due to the combination of aerial and terrestrial techniques and relatively low-costs compared with traditional aerial techniques. The growing use of software for extracting point clouds from non-oriented images has obtained great attention not just from the “geomatic” scientific community, but also by users from other disciplines including archaeologists. It is easy to understand this success: the various software packages combine high quality results, both in qualitative and quantitative terms, with ease of use. The spread of these products also coexists with a growth in the market of low cost off-the-shelf cameras, able to acquire high quality and high-resolution images. The research developed during the three years of my PhD focused on the use of micro UAVs for close range photogrammetry. Though a number of case studies carried out in the Laboratory of Photogrammetry of IUAV University, I used and analysed many different configurations of these systems, regarding both the type of cameras used and the type of vehicles on which the cameras were mounted. The techniques were used in different fields and on objects with different morphologies, from the archaeological survey to the survey of Cultural Heritage more generally. From the experiences gained during these years, and after the development of amateur aerial vehicles on one side and lighter cameras on the other, the research began to focus on the analysis of the potentials of a system integrating those two components in the archaeological field. In this field economic considerations are often an issue and the metric aspect of the data is frequently subordinated to its interpretative value. The use of “action cameras” for photogrammetric purposes has had a slow development because the images acquired by the first sensors had a quality and resolution that were insufficient to obtain the accuracies of a photogrammetric survey. Nowadays, however, compact cameras can acquire high-resolution images even in extreme activities, such as free fall, underwater swimming and diving. This thesis is concerned with testing these cameras and the analysis of the results they can achieve: in particular we analysed the Go Pro Hero3 Black Edition. This camera allows the acquisition of images up to a resolution of 12MP (4000x3000) and its weight and dimensions (76 g – camera with battery - 60x40x20 mm) allow them to be mounted on non-professional aerial vehicles, such as the Parrot Ar.Drone 2.0. These vehicles are made for recreational purposes and for this reason are cheap and easy to pilot as they can be controlled via tablet or smartphone through specific applications. In this way, we are able to obtain a low cost easy-to-use system, suitable for archaeologists and for archaeological documentation. The main limit of this system is the fact that the photograms acquired by these cameras have a great level of distortion and consequently raise problems in the calibration process. During my research I performed a number of tests using different software products (free, low-cost and implemented ad hoc) and different methodologies (test field calibration; self calibration) to calculate the interior parameters of the camera. I also performed a number of tests to analyse the whole acquisition system and test the accuracy of the results we could reach on different typologies of objects and with different network geometries. After this first phase, this system was used during an intensive surveying campaign in an archaeological site in Molise, the ancient city of Altilia. Here, we performed a number of acquisitions on different objects and following different workflows. The data obtained was compared with that acquired through more traditional close range photogrammetric systems (calibration cameras on professional drones) and/or a laser scanner. In this phase, the system proposed was used in different modes: the vehicle was flown manually, while another operator controlled the capturing on the GoPro App, or with automatic flight, using the GPS module “Flight Recorder” and setting the GoPro in time lapse. In addition we chose different morphologies of monuments: 3D objects (Porta Benevento); bi-dimensional objects (the forum of the city) and 2.5D objects (the shops at the side of the decumanus; the sanctuary of San Pietro di Cantoni). The Ground Control Points were acquired through an RTK GPS survey (centimetric precision), using both natural points on the architectures or specific checkerboard targets. The results obtained were compared to those acquired by well-established techniques. I analysed all the possible products achievable: surface models; point clouds; 3D coordinates of some checkpoints on the models and 2D coordinates of checkpoints on the ortophotos. A large variety of different acquisition techniques were compared through the different case studies, in order to fully comprehend the possibilities of the methodology proposed here.

Negli ultimi anni, lo sviluppo della fotogrammetria da drone ha apportato un incremento sostanziale delle applicazioni nel dominio del close range, riuscendo a combinare il rilievo fotografico aereo a quello terrestre e introducendo nuove possibilità low cost rispetto alla tecnica aerea tradizio¬nale. La crescita di soluzioni software per l’estrazione di nuvole di punti da set di immagini non metriche ha ottenuto, inoltre, grande attenzione non solo da parte della comunità scientifica geomatica, ma anche da utenti esterni al settore, quali per esempio gli archeologi. È facile intuire le ragioni del successo di tali sistemi che affiancano a una buona qualità dei risultati, sia dal punto di vista metrico che da quello qualitativo, la semplicità nel loro utilizzo e la loro accessibilità. La diffusione di questi software ha trovato la sua fortuna anche nel costante aumento sul mercato di fotocamere commerciali a basso costo in grado di acquisire immagini di ottima qualità e ad alta risoluzione. Il lavoro sviluppato nel corso dei tre anni di dottorato, sulla base delle numerose esperienze svolte all’interno del Laboratorio di Fotogrammetria dell’Università IUAV di Venezia, si è focalizzato sull’uso di micro UAV per la fotogrammetria aerea del vicino, utilizzando e analizzando diverse configurazioni del sistema, per quanto riguarda la tipologia sia delle fotocamere utilizzate sia dei vettori aerei su cui queste vengono istallate. Questa tecnica è stata, inoltre, utilizzata in differenti campi applicativi e su oggetti con morfologie differenti, dal rilievo archeologico ai Beni Culturali più in generale. A partire dalle esperienze maturate nel corso degli anni e a seguito dello sviluppo di vettori aerei amatoriali da una parte e di fotocamere sempre più leggere dall’altra, la ricerca si è focalizzata sull’analisi delle potenzialità di un sistema che integrasse queste due componenti applicandolo al campo archeologico, dove spesso la questione economica ha una notevole importanza e l’aspetto metrico è frequentemente subordinato a quello qualitativo ed interpretativo. Un gruppo particolare di queste fotocamere sono le cosiddette “action cameras” estremamente compatte, leggere e molto performanti anche in condizioni estreme (rilievo subacqueo). Il loro impiego per scopi fotogrammetrici non ha avuto una particolare diffusione, perché le immagini acquisite dai primi sensori non avevano una risoluzione e una qualità tali da poter ottenere l’accuratezza necessaria al rilievo fotogrammetrico. Ad oggi, di contro, sono reperibili sul mercato alcune fotocamere che possono acquisire immagini ad alta risoluzione pur mantenendo delle dimensioni molto ridotte. La ricerca si pone l’obiettivo di testare tali macchine e analizzare i risultati derivanti dal loro utilizzo: in particolare è stata oggetto di indagine la Go Pro Hero3 Black Edition. Questa fotocamera permette di acquisire immagini fino a una risoluzione di 12MP (4000x3000) e il suo peso e dimensioni (76 g – camera con batteria – 60x40x20mm) ne consentono il trasporto su droni d’uso non professionale, quali il Parrot Ar.Drone. Tali vettori aerei, realizzati per scopo ludico, risultano economici e semplici da pilotare anche tramite applicazioni istallabili su tablet e smartphone. In questo modo, si ottiene un sistema dal costo contenuto e semplice da utilizzare che permetta una fotogrammetria aerea del vicino facilmente applicabile in archeologia dagli stessi addetti ai lavori. I limiti del sistema sono essenzialmente due e sono legati ad entrambi i mezzi utilizzati in questa ricerca. Il limite principale del sensore è rappresentato dal fatto che i fotogrammi acquisiti sono soggetti a una forte distorsione e di conseguenza pongono numerosi problemi di calibrazione. Il limite del vettore, invece, consiste nella difficoltà di mantenere una configurazione di volo adeguata agli scopi fotogrammetrici in condizioni ambientali sfavorevoli. Nel corso della ricerca sono stati, quindi, effettuati diversi test e applicazioni su campo con lo scopo di analizzare quanto questo potesse influire sulla precisione del rilievo e sulla conseguente qualità dei risultati raggiunti. A seguito della prima fase di test, questo sistema integrato di GoPro e Parrot Ar.Drone è stato utilizzato durante una campagna di rilievo intensiva in un sito archeologico del Molise, la città antica di Altilia. Qui sono stati condotti vari test su diversi oggetti e seguendo differenti workflow. I dati ottenuti sono stati confrontati con quelli acquisiti da sistemi per la fotogrammetria aerea del vicino più tradizionali (camere calibrate su droni professionali) e/o laser scanner. In questa fase, il sistema proposto è stato utilizzato in diverse modalità: il velivolo è stato fatto volare in modalità manuale, mentre l’operatore a comando della GoPro controllava da terra lo scatto, oppure con volo automatico, utilizzando il modulo GPS “Flight Recorder” della Parrot, e impostando lo scatto della fotocamera in time lapse. Inoltre, sono state scelte diverse tipologie di monumento da rilevare: da oggetti molto tridimensionali (Porta Benevento), a oggetti piani (il foro della città), a oggetti 2.5D (botteghe a lato del decumano, San Pietro di Cantoni). I punti d’appoggio sono stati acquisiti attraverso un rilievo GPS in RTK con un Sistema GPS Topcon Hiper Pro (precisione centimetrica) e individuati su punti naturali (con conseguenti problemi di collimazione) o su appositi target. Anche per quanto riguarda il processamento dei dati, sono state messe a confronto diversi workflow: dalla rototraslazione del modello (trasformazione a 7 parametri a modello fotogrammetrico già costruito), alla triangolazione aerea, o all’uso di foto già precedentemente corrette delle distorsioni. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli dati da tecniche già ormai consolidate. Le analisi sono state condotte su tutti i possibili prodotti ottenibili: sui modelli per superfici, sulle nuvole di punti, ma anche sui checkpoint 3D sul modello e sui checkpoint 2D sulle ortofoto. In altri termini, le diverse tecniche di acquisizione sono state confrontate nei vari casi studio, in modo da comprendere appieno le possibilità di utilizzo della metodologia presa in esame.