Monitoraggio del volume di una cava

 
Tutti i dati di questo caso studio sono stati raccolti dallo studio di progettazione Zerolab e sono stati gentilmente forniti dal Geometra Diego Curri e da Simone Malusardi.

Analisi del contesto e obiettivi del rilievo

Situata a nord della città di Milano, la cava ha una superficie di circa 106.000 mq ed è al momento è attiva come discarica di materiale inerte su circa 52.000 mq. Ogni due mesi circa ha la necessità di essere monitorata per verificare quanti metri cubi di materiale sono stati aggiunti.
Periodicamente si ha quindi la necessità di eseguire un rilievo complessivo per poter verificare gli aumenti di volume di materiale contenuto.
Fino a Maggio questo lavoro veniva eseguito esclusivamente con strumentazione topografica GPS dal topografo che, con la sua esperienza in merito, andava a rilevare puntualmente le zone di volta in volta variate.

Ortofoto da mesh dell’intera area della cava. GSD: 5 cm/pixel

Strumentazione fotografica

A partire da Giugno, il rilievo fotogrammetrico ha affiancato quello topografico, usando un SAPR (drone) autorizzato Enac per operazioni critiche. L’APR utilizzato è un esacottero DJI Matrice 600 con elettronica ridondante, con fotocamera mirrorless Sony Full-frame a7R III da 42,6 megapixel ed obiettivo Carl Zeiss da 24 mm.
 

Strumentazione topografica

Al fine di georeferenziare il modello, sono stati posizionati 21 target sull’intera area della cava, e su quote diverse, per meglio modellare l’intero volume. Questi target a terra sono stati materializzati sul terreno usando una bomboletta per velocizzare anche le operazioni di rilievo successive. I target sono stati rilevati con GPS Trimble R8s GNSS, con tracciamento costellazioni GPS e Glonass.  L’accuratezza del posizionamento planimetrico è pari a 8 mm + 0,5 ppm, mentre l’accuratezza altimetrica è pari a 15 mm + 0,5 ppm.
 

Pianificazione del volo e dettagli dell’acquisizione fotografica

Per rilevare la cava con il Matrice 600 Pro e fotocamera da 42,6 megapixel sono stati pianificati due voli: il primo è stato eseguito ad un’altezza di volo pari a 45 metri e fotocamera in posizione zenitale, mentre le sovrapposizione frontale e la sovrapposizione laterale degli scatti sono state impostate rispettivamente all’85% e all’80%.
La fotocamera permette di scattare un immagine al secondo,  e di seguito vengono descritte le impostazioni principali: ISO 200, tempo di posa 1/1000, e diaframma automatico.  Anche la messa a fuoco è stata impostata come automatica, usando 399 punti di messa a fuoco.
Nel corso del primo volo, durato circa 13 minuti, sono state realizzate 573 immagini con una risoluzione a terra pari a 0,9 cm/pixel.
Il secondo volo, trasversale al primo, è stato eseguito ad un’altezza di 40 metri, inclinando la fotocamera di 65°, per descrivere meglio le differenze di quota presenti nella cava. 
In questo secondo volo di circa 10 minuti, è stata mantenuta una sovrapposizione frontale del 80% e una sovrapposizione laterale del 76%.  Ciò ha permesso di scattare 434 immagini ed ottenere una risoluzione a terra pari a 0,8 cm/pixel
 

Elaborazione dei dati

Le immagini sono state elaborate usando 3DF Zephyr 4.5 (versione Aerial) su un computer dotato delle seguenti specifiche:

– Processore Intel Core i9-7920X @ 2.90 GHz
– 128 GB RAM
– NVMe Samsung SSD 970 da 500 GB
– Due schede grafiche Nvidia GTX 1050 TI e una scheda grafica Nvidia GTX 1080

Per le prime tre fasi della ricostruzione 3D è stata selezionata la categoria Foto Aeree e il preset Default, e l’intero flusso di ricostruzione 3D ha richiesto 7 ore e 35 minuti di computazione.
La prima fase ha orientato l’intero dataset (1007 immagini) producendo una nuvola di punti sparsa composta da quasi 390.000 punti. Prima di continuare con le altre fasi della ricostruzione 3D sono stati posizionati 21 punti di controllo definendo le loro posizioni 2D sulle immagini. Dopodiché è stato importato il file di testo contenente le coordinate 3D – wgs84 UTM 32N – dei punti, e la nuvola sparsa è stata scalata e georiferita impostando la soglia di compensazione a stelle proiettive (Bundle Adjustment) all’80%.

Posizionamento dei GCP in 3DF Zephyr – Vincoli (punti rossi) e controlli (punti bianchi)

In 3DF Zephyr, i punti sono stati così definiti: 15 vincoli e 6 controlli.

Il residuo medio finale e gli errori residui di ciascun punto di controllo si possono osservare nella tabella sottostante.

Errore Medio Finale: 0.0288948 metri

L’estrazione della nuvola di punti densa ha generato quasi 11 milioni di punti, mentre l’estrazione della mesh ha prodotto quasi 20 milioni di poligoni. Infine, la texture è stata generata con una dimensione di 8192 pixel, usando come riferimento geometrico tutti i poligoni della mesh di partenza.

Geometria 3D della mesh (a sinistra) e texture (a destra)

La medesima procedura di acquisizione aerea e di impostazioni selezionate in 3DF Zephyr è stata utilizzata anche per i due successivi modelli 3D della cava. Infine, all’interno del software sono stati calcolati i volumi dei tre modelli (filtro Volume da Proiezione) in modo tale da osservare l’aumento di volume di materiale contenuto.

Di seguito è possibile inoltre osservare gli ulteriori output generati da 3DF Zephyr: un’ortofoto (compressa), un modello digitale della superficie (DSM) e le curve di livello generate sul modello 3D e proiettate sul DSM.