Appunti Droni per il rilievo georeferenziato e territoriale e analisi di dati spaziali

CODICI VS FASI DI MISURAZIONI

Le misurazioni del codice si basano sul calcolo dello spostamento tra due

sequenze di bit (diversamente ritardate).

In realtà, una migliore precisione (≈1% della lunghezza d'onda portante l) può

essere ottenuto mediante misure del vettore di fase. Che la gamma satellite-

rover sia espressa come segue: r = N l + f l, dove N è un numero intero e f è

minore di 1 (e maggiore o uguale a 0).

• Una misura di fase è in realtà la misura di f

• Per completare il calcolo dell'intervallo, N deve essere stimato come bene

(ambiguità di fase)

GNSS metodi operativi

Dispositivi GNSS eventualmente coinvolti nelle Misure differenziali:

Misure differenziali con correzioni in tempo reale:

• Collegamento radio tra rover e stazione base (fino a pochi km)

• Connessione Internet con stazione permanente (di riferimento) (con un

fornitore di servizi NTRIP)

Misure differenziali con correzioni in post-elaborazione: nessuna necessità di

collegamento tra rover e stazione base/di riferimento durante l'acquisizione dei

dati (ma la posizione del drone sarà nota a un livello inferiore livello di

precisione...)

• Quando il rover sta effettuando misurazioni senza alcuna informazione da

una stazione base, sta lavorando in modalità SINGOLA.

Nelle stime di posizione basate sulla fase portante il problema dell'ambiguità di

fase deve essere risolto, cioè determinare N (per ogni coppia rover-satellite) in:

r = N� +” o” dove N è un numero intero e f è minore di 1 (e maggiore o

uguale a 0).

Quando il rover effettua la misurazione con le informazioni di una stazione

base, N è incluso nel processo di stima come numero reale.

- Poiché N è calcolato come un numero reale, il suo valore stimato può

essere lontano da qualsiasi intero. In tal caso, il ricevitore funziona in

modalità FLOAT

- Quando il ricevitore stima tutti i numeri di ambiguità di fase sono vicini

agli interi (e i loro valori alternativi sono molto meno probabili di quelli

stimati) in cui il ricevitore sta lavorando Modalità FIX

Network RTK (NRTK) with NTRIP corrections

• Un rover viene utilizzato per acquisire misurazioni in tempo reale, con

correzioni fornite da una stazione permanente

Condizioni operative

• La posizione della stazione di riferimento non deve essere troppo lontana dal

rover. Un riferimento virtuale: la stazione può essere utilizzata in alcuni casi per

affrontare tale problema

• La connessione Internet (e il servizio NTRIP) devono essere disponibili

Vantaggi:

• È necessario un solo ricevitore

• Le misurazioni della posizione e la «precisione» sono note in tempo reale

RTK/PPK (with a base station)

• Un rover viene utilizzato per acquisire misurazioni grezze, con correzioni

fornite da una stazione base (locale) in tempo reale o post-elaborazione

Condizioni operative

• La posizione della stazione di riferimento è vicina al rover

• Poiché le posizioni del rover sono espresse relativamente alla base, la

posizione di quest'ultimo deve essere nota con elevata precisione al fine di

ottenere affidabilità nel posizionamento assoluto

Vantaggi: Utilizzabile in (quasi) qualsiasi luogo se le misurazioni e i sistemi di

riferimento locali sono sufficienti o la posizione di base è nota con precisione.

Precise Point Positioning (PPP)

Cosa succede se le osservazioni differenziali non sono disponibili? Esiste

un'alternativa autonoma? Sì: Posizionamento preciso del punto (PPP)

- In questo caso, le misurazioni da una rete di stazioni di riferimento vengono

utilizzate per fornire informazioni molto accurate e stime delle orbite dei

satelliti e delle derive dell'orologio. Tali informazioni possono quindi essere

distribuite in tutto il mondo (può essere utilizzato globalmente).

- Le misurazioni multifrequenza del ricevitore vengono quindi utilizzate per

stimare un modello affidabile dell’effetto atmosferico sulle misurazioni GNSS.

Pro: La precisione di posizionamento finale (sia in modalità statica che

dinamica) può raggiungere livelli di precisione simili a quelli di posizionamento

differenziale

Contro: se il modello dell'effetto atmosferico deve essere stimato dal ricevitore

dell'utente, i tempi per la convergenza iniziale della procedura di stima del

posizionamento sono molto lunghi

RINEX files

Le misurazioni grezze del ricevitore GNSS possono in genere essere salvate nel

file RINEX. Formato, che può essere utilizzato, ad esempio, per la post-

elaborazione di tali dati.

Tipi di dati:

• File. obs: osservazioni grezze del ricevitore

• File .nav: effemeridi trasmesse

Note:

- Il file. obs da una stazione base è necessario anche per la post-elaborazione

- Orbite satellitari accurate possono essere disponibili per la post-elaborazione

(ad es. ≈ 2,5 cm da IGS (International GNSS Service)

Utilizzo del GNSS nei droni

Il GNSS è utilizzato sia come sistema di posizionamento e navigazione che per

geo referenziare (ed eventualmente sincronizzare) i dati forniti dai sensori di

acquisizione (payload)

Distinguiamo perciò le casistiche nelle due finalità:

Posizionamento e navigazione del drone supportato da GNSS:

• Il GNSS viene utilizzato per stabilizzare il drone (eventualmente in

combinazione con altri sensori) e per garantire al drone stesso la possibilità di

compiere missioni automaticamente. Per esempio, passando una serie di

waypoints, ed eventualmente ritornando nel punto di partenza al termine della

missione o anticipatamente, se necessario (return to home). Il suo utilizzo in

questo caso richiede chiaramente elaborazione dei dati in real-time.

1. Per compiere tali task in applicazioni che non richiedano alta precisione è

solitamente sufficiente utilizzare un ricevitore GPS/GNSS standard.

2. Recentemente sta prendendo sempre più piede l’utilizzo di droni anche per

compiere missioni che richiedono una alta precisione: in tal caso è ad oggi

sostanzialmente obbligatorio l’utilizzo di un drone munito di un sistema di

navigazione basato su GNSS in modalità NRTK o RTK.

Georeferenziazione dati acquisiti dal payload:

• In questo caso il suo utilizzo non richiede necessariamente elaborazione dei

dati in Real time. Quest’ultima ipotesi diventa obbligatoria solo qualora si

voglia anche visualizzare a terra i dati in tempo reale con buon livello di qualità

del dato stesso.

1. In alcune applicazioni semi-professionali viene utilizzato un ricevitore

GPS/GNSS standard.

2. Sta diventando moderatamente comune il caso dell’elaborazione in post-

processing. Questo è ad esempio il caso tipico dell’aggiunta di sensori esterni

(non originali) al drone.

3. Nei droni di fascia medio-alta sta prendendo sempre più piede l’utilizzo di

GNSS (nativo) in modalità NRTK o RTK (tipicamente a disposizione anche del

sistema di navigazione, vedasi quanto già detto).

4. In alcuni casi è indispensabile integrare i dati forniti dal sistema di

riferimento satellitare anche con le misure acquisite da un sistema di

posizionamento inerziale.

5. Un ricevitore GNSS geodetico (non montato su drone) viene tipicamente

utilizzato anche per misurare accuratamente la posizione di alcuni target a

terra.

Camera

Utilizzo delle camere nei droni:

• Sensori di posizionamento – visual odometry

• Payload: – Analisi delle immagini acquisite (e.g. per monitoraggio)

– Fotogrammetria

Fotocamere come strumento di misura

• Essendo l’obiettivo finale quello di acquisire delle misure metriche, o meglio

generare un modello metrico, degli oggetti/edifici è necessario conoscere le

caratteristiche dello strumento che si utilizza per acquisire informazioni su tali

oggetti

• In particolare, è necessario determinare a cosa corrisponde esattamente una

misura fatta tramite la fotocamera

• L’acquisizione delle informazioni necessarie al fine di caratterizzare lo

strumento di misura di nostro interesse (fotocamera) si dice anche calibrazione

• Oltre a conoscerne le caratteristiche, è fondamentale anche garantirne la

resa ottimale durante il suo funzionamento, cioè garantire che le foto risultanti

siano della massima qualità per quanto concerne i nostri fini

Elementi costituenti la fotocamera

• Lente: acquisisce i raggi di luce e li mette a fuoco sul piano su cui si formerà

l’immagine.

• Sensore/pellicola: posizionato sul piano immagine, reagisce alla luce

incidente andando a formare l’immagine stessa.

• Apertura del diaframma: determina/modula la quantità di luce che andrà ad

incidere sul sensore.

• Otturatore: determina il tempo di esposizione alla luce del sensore/pellicola.

• Corpo macchina: involucro che impedisce l’ingresso di luce all’interno della

fotocamera al di fuori di quella che passa attraverso la lente.

Noise

Ogni foto è una rappresentazione imperfetta della realtà.

Un'immagine digitale è composta da una griglia di pixel, dove sono tre numeri

interi associato a ciascun pixel per determinarne il colore corrispondente. Tale

colore è determinato tenendo conto della luce che arriva al sensore dal punto

reale (ad esempio l'oggetto reale che stiamo guardando) corrispondente al

pixel dell'immagine considerato.

Sensor vs Noise

• La capacità del sensore di determinare il valore di colore corretto su un pixel

è proporzionale alla quantità di fotoni che arrivano su tale pixel del sensore

• I sistemi di sensori-lenti più grandi consentono chiaramente di raccogliere più

luce e, di conseguenza, più fotoni per pixel (assumendo l'uso di un numero

invariante di pixel)

• In pratica, più grande è il sensore, meno rumorose sono le immagini (cioè

migliori sono i colori stimati su ogni pixel dell'immagine)

Esposizione

• Una esposizione appropriata determinata dalla combinazione di ISO, apertura

e otturatore corretti valori.

• I parametri geometrici della fotocamera devono essere costanti durante tutta

l'acquisizione dei dati.

• La velocità dell'otturatore deve essere sufficientemente veloce da ridurre la

sfocatura a causa dei traslocatori della telecamera

Parametri interni delle camere

• Coordinate del punto principale e distanza principale.

• Parametri di distorsione (distorsioni radiali e decentranti dell'obiettivo).

• Determinato attraverso una procedura di calibrazione.

Modello Fisico effettivo

Modello utilizzato di solito ma non f