Rilievo e Digitalizzazione BIM – Bacino estrattivo di Guidonia

Il servizio riguarda il rilievo e la digitalizzazione BIM del Bacino Estrattivo di Guidonia.

METODOLOGIA DI RILIEVO

Come anticipato nella premessa per l’esecuzione dei rilievi di cui in oggetto sono state utilizzate varie metodologie di rilievo, perfettamente complementari ed integrabili, che verranno descritte puntualmente nei paragrafi seguenti. Il lavoro svolto è suddivisibile in de grandi macro aree: rilievo sul campo ed elaborazione dei dati.

Posizionamento target e rilievo con GPS

La prima fase del rilievo ha consistito nel rilevamento di alcuni capisaldi di coordinate note, di proprietà del comune, posizionati in prossimità del bacino estrattivo, e parallelamente nel posizionamento di nuovi punti fissi di riferimento per il nuovo rilievo. 

Per il rilievo dei target è stato utilizzato un GPS GEOMAX ZENITH 20PRO che supporta i sistemi GNSS GPS, Glonass, Galileo e BeiDou connesso alla rete ITALPOS; mentre i target sono stati di varia tipologia: target circolari in plastica, target a scacchiera plastificati target con bomboletta.

A seguire si riporta una mappa dei target ufficialmente utilizzati per l’elaborazione dei dati, sono circa duecento omogeneamente distribuiti su tutta l’area.

Come visibile dall’immagine sovrastante i target sono stati posizionati si all’interno del bacino estrattivo, sia fuori dai perimetri autorizzativi, al fine di svincolare parte dell’attività dagli accessi nelle aree.

I punti battuti con il GPS, possono essere distinti in tre tipologie, aventi tre fini differenti:

• Punti battuti per la georeferenziazione del modello;
• Punti battuti come riferimenti per l’elaborazione dei rilievi eseguiti da drone;
• Punti battuti per determinare le quote dei “pelo dell’acqua” dei vari laghetti, al fine di unificare correttamente i dati provenienti dalla batimetria con quelli da GPS e drone.

I rilievi sono stati condotti proseguendo per aree, alternando rilievo con GPS al rilievo con drone e batimetria, infatti la natura dei luoghi, in continua evoluzione, i vincoli temporali imposti dall’aeroporto e le condizioni meteo non garantivano la permanenza dei target per più giorni.

RILIEVO BATIMETRICO

Il rilievo batimetrico ha riguardato i bacini di acqua all’interno dell’area estrattiva, nel complesso sono stati contati 13 “laghetti”.

Le indagini sono state effettuate con un piccolo gommone motorizzato ed equipaggiato con le seguenti strumentazioni:

– GPS Leica RTK

SBES Gecho 200 Khz precisione 1 cm

Software acquisizione: Nettuno 2

Per il rilievo batimetrico viene utilizzato un sistema di acquisizione dei dati automatico-digitale, con posizionamento del natante in tempo reale tramite tecnologia GPS con correzione delle coordinate via radio modem. Tale sistema permette di realizzare il rilievo delle linee senza alcun allineamento e di avere una correzione istantanea delle quote.

Per il rilievo in oggetto, comunque, si è proceduto realizzando secondo una griglia regolare di navigazione, il GPS di bordo trasmette in tempo reale, a frequenze molto elevate, le coordinate (Est, Nord e quota) al software di navigazione. L’operatore sul natante dirige l’imbarcazione seguendo le indicazioni sul video del calcolatore, ove è indicata la traccia che rappresenta la linea teorica da rilevare e la posizione istantanea del natante.
Una volta portata l’imbarcazione in allineamento con la sezione da rilevare, l’operatore segue con maggior precisione possibile la linea di progetto visualizzata, iniziando l’acquisizione dei dati. Sono inoltre visibili il fuori-rotta, la velocità in nodi, l’angolo di governo, la distanza dall’inizio e dal fine rotta, il numero di evento e altri valori utili per il rilievo.

Questa tecnologia offre notevoli vantaggi; calcolando infatti il GPS, oltre che le coordinate, anche la quota assoluta del trasduttore in tempo reale e con precisione centimetrica, diventa possibile, in abbinamento con i dati provenienti dall’ecoscandaglio, correggere automaticamente tutte le oscillazioni della superficie marina durante il rilievo. Gli ecoscandagli utilizzati sono di tipo idrografico con una precisione di 1-2 cm, la frequenza adottata è di circa 200 KHz; un buon compromesso per garantire un rilievo accurato del fondale con poca interferenza della colonna d’acqua. Il cono di emissione dello strumento è inoltre molto stretto al fine d garantire una elevata risoluzione geometrica. È richiesta una frequenza di almeno un impulso (beam) per secondo. Per garantire la congruenza tra le misure di profondità e quelle planimetriche, l’ecoscandaglio è stato posizionato in asse al ricevitore per la posizione planimetrica. Prima di iniziare il rilievo è stato battuto il “pelo dell’acqua”, condividendo il punto battuto anche precedentemente con il GPS. La regolazione della velocità strumentale in base alla velocità degli ultrasuoni in acqua viene effettuata tramite il metodo del “Bar Check” (misurazione della profondità di immersione di una barra o disco metallico calato al di sotto del trasduttore e sospeso ad un cavo graduato). Si procede quindi alla correzione digitale sul software di navigazione dell’eventuale errore.

Spesso, per problemi di economicità, in questa tipologia di indagini non vengono usati sensori di moto per la correzione del rollio e beccheggio ed effettuato il calcolo delle variazioni in quota del traduttore, considerando lo scenario di un laghetto affossato rispetto al piano stradale, l’errore commesso è stato ritenuto più che tollerabile. Eseguendo il rilievo direttamente in formato digitale tutti i dati vengono registrati sul PC di bordo.
Successivamente alle fasi di rilievo in campagna, i dati sono stati elaborati con il software 2Surfer 8” al fine di interpolare il dato e tirare fuori un DTM metrico e georeferenziato e delle isobate a 0,5m in formato vettoriale.

I perimetri dei laghetti sono stati definiti sovrapponendo al dato le ortofoto metriche georeferenziate elaborate da drone.

RILIEVO DRONE

Il DJI PHANTOM 4 PRO V.2: Grazie alle sue dimensioni ridotte ed alla sua grande resistenza ed efficienza è ideale per questa tipologia di rilievi. È dotato di un sensore da 20 Mpx ed inoltre ha la possibilità di effettuare video in 4K; grazie a queste caratteristiche permette di rilevare aree di 2,00 ha in 20 minuti di volo con una risoluzione di 3cm/pixel volando ad una quota di 100 m e 4,00 ha con una risoluzione di 5cm/pixel, volando ad una quota di 150m.

Il drone, inoltre, è dotato di dispositivi di sicurezza, come il rilevamento automatico di eventuali ostacoli lungo il tragitto o la modalità di ritorno automatico alla base in caso di perdita di seganle o livello di carica basso.

A seguire si riportano le caratteristiche tecniche del DJI Phantom 4 PRO V2.

La prima fase del rilievo ha consistito nel posizionamento a terra di alcuni target fissi, che sono stati distribuiti sull’area sia da un punto di vista planimetrico che altimetrico, come abbiamo visto nei paragrafi precedenti. Tali target hanno la funzione di georeferenziare il rilievo da drone con la precisione di un GPS da terra professionale, i target vengo infatti ripresi dalle foto scattate con il drone e vengono anche “battuti” con il GPS. Successivamente, in fase di elaborazione, ai target sul modello tridimensionale vengono assegnate le coordinate rilevate con il GPS ed il modello viene allineato, tale procedura avviene direttamente tramite un software di elaborazione dei dati come vedremo di seguito.

Il rilievo da drone è stato eseguito in volo automatico, procedendo per aree, come concordato ogni qual volta con i tecnici del comune.

Di seguito vengono riportate sinteticamente le fasi attraverso cui vengono elaborate le immagini:

1. Structure from motion (SfM) e Multiview Stereo Reconstruction (MVS): il software analizza i dati gps delle immagini riuscendone a dedurre la posizione di scatto, successivamente dà avvio ad un processo di triangolazioni a stelle proiettiva (bundle adjustement). Quindi vengono definiti dei punti chiave che hanno delle proprie coordinate (tie points) che costituiscono la nuvola di punti sparsa (sparse point cloud). Successivamente partendo dai punti chiave, la nuvola viene infittita fino alla nuvola di punti densa.
2. Mesh Reconstruction: i punti della nuvola densa vengono uniti con delle superfici poligonali generalmente triangolari, dette mesh, che costituiscono una superficie continua.
3. Attribuzione del colore: la mesh in origine non ha colore, questo viene attribuito con un processo chiamato texture mapping: le immagini di partenza vengono “spalmate” sulla mesh, ottenendo così una superficie colorata con una qualità visiva pari alla qualità della macchina fotografica.

Al termine di tale processo il modello è stato georeferenziato importando le coordinate dei GCP (Ground Control Point) ed utilizzando l’apposito editor del software per il riconoscimento dei target sulle foto.

Il software inoltre ha estrapolato in modo automatico una nuvola di punti strutturata, da cui sono state estrapolate ortofoto, DTM e curve di livello.

QGis

I dati estrapolati da drone e dalla batimetria sono stati rimessi insieme ed è stato quindi possibile generare un unico DTM partendo da vari DTM (elaborazioni da drone più i vari laghetti), questo passaggio è stato molto importante al fine di interpolare i dati e poter estrarre delle curve di livello continue, senza discontinuità tra le varie zone.

Gli stessi dati sono stati, inoltre, sovrapposti con le cartografie catastali fornite dal Comune di Guidonia Montecelio.

Tale sovrapposizione ha permesso di determinare sul DTM i limiti delle varie concessioni, e di estrapolare gli elaborati in scala 1:1000 o al 2000, precedentemente concordata con i tecnici comunali, quali:

• Laghi con isobate ogni 0,5m;
• Morfologia del territorio con isobate ogni 1m con evidenziazione di quelle ogni 5m;
• Elementi di rilievo come fabbricati o impianti a servizio delle attività di cava (carri ponti o capannoni);
• Particelle catastali;
• Perimetri e nomenclatura concessioni autorizzative;
• Rete viaria.

La restituzione cartografica consente di produrre degli output facilmente gestibili e di semplice interpretazione.

Gli strumenti che vengono utilizzati in questa fase sono software GIS e CAD per la produzione e la gestione della GeoInformazione.

Le specifiche tecniche ed operative sono state sviluppate attenendosi al documento fornito e denominato allegato 1 “SPECIFICA DISPONIBILITA’ AD ASSUMERE INCARICO PROFESSIONALE Avviso n. 1/2018 del 09-10-2010”.

Il Sistema di Riferimento utilizzato per la produzione cartografica è il WGS84 UTM 33N contraddistinto dal codice EPSG 32633.

A livello cartografico le Analisi GIS eseguite hanno consentito la produzione dei seguenti output:

Cartografia e perimetrazione: volta alla perimetrazione delle aree a coltivazione attive e non con indicazione delle quote perimetrali riferite a livello del mare, per l’intera area estrattiva utilizzando i dati catastali forniti. Il dato servirà per valutare il riferimento della cava a livello catastale inteso come inquadramento dell’area estrattiva. Il dato è stato fornito in formato *.dwg pertanto per inserirlo all’interno del progetto QGIS è stato necessario convertirlo dapprima in un file *.dxf e successivamente omogeneizzato all’interno del progetto creando un ESRI Shapefile.

Allegato delle sezioni topografiche: produzione di un allegato pdf contente la documentazione in formato *.pdf che racchiude le informazioni relative alle sezioni realizzate e visibili all’interno del progetto. Il dato pdf è collegato al progetto tramite la costruzione di azioni che consentono il collegamento dello stesso alle linee di sezione realizzate consentendo di interagire con il profilo topografico qualora venisse interrogato il layer della sezione;

Produzione dell’informazione topografica: Unione dei livelli informativi relativi al dato topografico di elevazione DSM (Digital Surface Model) e delle Ortofoto. Il processo si articola nell’unione dei modelli realizzati da post processing in fase di Structure from Motion e quindi tale procedimento risulta essenziale per la costruzione di due output distinti, relativi quindi al DSM e l’Ortofoto. I processi utilizzati per queste operazioni sono molto simili in quanto contemplano l’utilizzo dello strumento merge e successivamente un clip utilizzando come layer di ritaglio la perimetrazione dell’area. Tuttavia, è essenziale sottolineare come vi sia una netta differenza tra i due raster essendo infatti il DSM un dato a 32 bit in virgola mobile mentre l’Ortofoto un Raster a 3 bande di 8 bit. La distinzione di queste due peculiarità si dimostra essenziale nel processo di merge dei raster;

Curve di livello: le curve di livello sono state estratte seguendo tre differenti step spaziali, quindi ogni metro, ogni 5 metri ed ogni 10 metri. Essendo delle curve che rappresentano l’andamento spaziale del terreno, ed essendo esse riferite ad un Modello Digitale di Elevazione ad alta risoluzione, conterranno anche del rumore che potrà essere filtrato indirettamente dapprima con una Display analysis, quindi individuando una lunghezza massima per la quale il dato ricostruito è sostanzialmente una semplice perturbazione dello spazio, e successivamente eliminando i dati vettoriali relativi a queste feature pulendo quindi il dato grezzo. Il passaggio successivo è stato quello di applicare un filtro di smooth per lisciare il dato grezzo e renderlo più omogeneo, mantenendo comunque le impostazioni tali per cui non vi siano distorsioni nel risultato (è stato mantenuto un parametro basso di offset: 0.25);

Estrazione dei dati relativi ai laghi: i laghi sono stati acquisiti con una metodologia differente rispetto al dato terrestre e l’informazione è pertanto da trattare dapprima separatamente e successivamente integrata al dato finale. Il modello digitale estratto contiene un’informazione errata sul livello batimetrico e quindi è necessario sostituirlo con il dato acquisito mediante Single Beam. La prima operazione da eseguire è stata quella di trasformare il dato raster relativo ad ogni singolo bacino in un dato vettoriale per la determinazione dell’estensione areale, successivamente tale dato è stato usato per eseguire l’operazione di clip, con la quale è stato possibile estrare ed eliminare la porzione di raster (elaborata dal dato fotogrammetrico) in corrispondenza dei diversi bacini. Una volta eseguito il passaggio di clip è stato possibile arricchire il Modello Digitale con le informazioni relative al dato batimetrico. Il risultato è pertanto un Modello Digitale unico contenente le informazioni terrestri rilevate mediante l’utilizzo di piattaforme aeree ed utilizzando il natante per le porzioni sommerse;

Calcolo dei volumi: mediante analisi GIS è stato anche ricavato il volume relativo ad ogni singolo lago utilizzando come livello base la porzione di terreno pianeggiante ritenuta omogenea) posizionata in prossimità delle aree sommerse. Il calcolo dei volumi è stato eseguito mediante l’utilizzo del calcolatore raster che ha consentito dapprima di valutare la variazione volumetrica in ogni pixel e successivamente mediante lo strumento di statistiche raster di estrarre il quantitativo totale.

A seguire si riporta un’immagine del software Qgis, dove è stata elaborata e messa a disposizione la piattaforma GIS, per ulteriori approfondimenti sull’utilizzo della piattaforma si consulti l’elaborato 

“RT01-GUIDA PIATTAFORMA GIS”