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Droni per il rilievo territoriale e architettonico

01SAOMO, 01SAOJM, 01SAOLM, 01SAOLP, 01SAOLU, 01SAOLZ, 01SAOMC, 01SAOMH, 01SAOMK, 01SAOMN, 01SAONX, 01SAOOA, 01SAOPC, 01SAOPI, 01SAOPL, 01SAOPM, 01SAOPW

A.A. 2020/21

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea in Ingegneria Per L'Ambiente E Il Territorio - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica (Mechanical Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica (Computer Engineering) - Torino
Corso di Laurea in Electronic And Communications Engineering (Ingegneria Elettronica E Delle Comunicazioni) - Torino
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Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino
Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale - Torino
Corso di Laurea in Architettura - Torino
Corso di Laurea in Pianificazione Territoriale, Urbanistica E Paesaggistico-Ambientale - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
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Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ICAR/06 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
Il corso costituisce un insegnamento professionalizzante per le aree dell’ingegneria e dell’architettura e si propone di descrivere gli strumenti, i metodi e le procedure operative necessari per applicare i mezzi aerei non convenzionali, denominati droni o in inglese Unmanned Aerial Vehicle (UAV), al rilevamento del territorio e dell’architettura mediante un approccio basato sulle tecniche di Structure from Motion (SfM). L’utilizzo di metodi di rilievo strumentale mediante metodi topografici (stazioni totali, livelli e ricevitori GNSS, lase scanner), richiede la presenza sul terreno di tecnici e rilevatori e di conseguenza costi elevati e lunghi tempi di realizzazione. I droni permettono di acquisire rapidamente immagini fotografiche con visione dall’alto del territorio e dell’architettura utili per estrarre le informazioni metriche necessarie per la documentazione del territorio stesso e del patrimonio architettonico, limitando la presenza sul terreno degli operatori e demandando la gran parte delle operazioni di estrazione dei dati richiesti nelle attività di laboratorio. Grazie ai recenti progressi legati alla computer vision e alla fotogrammetria digitale, le tecniche di SfM permettono un efficace utilizzo delle immagini aeree acquisite dai droni conducendo in modo rapido, e quasi automatico alla generazione di: • nuvole di punti dense sull’oggetto ripreso, in analogia agli strumenti di scansione laser; • informazioni territoriali metriche e cartografiche; • modelli altimetrici del terreno e di superficie, ordinari e densi; • modelli tridimensionali anche fotorealistici mediante l’applicazione di texture digitali reali e metricamente controllate; • rappresentazioni cartografiche in forma fotografica: ortofoto ordinarie, di precisione, solide. Gli strumenti e i metodi descritti permettono di affrontare un ampio spettro di applicazioni quali il rilevamento territoriale e ambientale, il rilievo della, città, dell’architettura e dei beni culturali, l’agricoltura di precisione (precision farming).
The course aims to describe the instruments, methods and operating procedures for the use of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for surveying purposes, using an approach based on images and Structure from Motion (SFM) techniques. The use of traditional survey methods using topographic instruments (total stations, levels and GNSS receivers., Laser scanner), requires the presence on the ground of technicians and surveyors that are expensive and time spending. The UAVs allow to quickly acquire aerial images, limiting the presence of operators in the field. Thanks to recent advanced methods related to computer vision and digital photogrammetry, the SFM techniques allow to efficient use aerial images captured by the drones for an automatic generation of: • points cloud on the object, as made as laser scanning instruments; • 3D spatial information useful for mapping; • digital terrain models (DTM) and digital surface models (DSM); • textured photorealistic 3D models; • orthophotos, solid images (RGBD images) and solid orthophotos. The tools and methods presented allow the students to have a knowledge for a wide range of applications such as for territorial and environmental surveys, for urban, cultural heritage and architectural aspects and for precision farming.
In questo corso si apprenderanno: • gli aspetti tecnologici legati ai droni nelle componenti sensoristiche (navigazione, imaging, laser scanner); • gli aspetti teorici legati all’utilizzo della immagini per l’acquisizione di informazioni metriche; • le procedure progettuali e operative che permetteranno una corretta pianificazione delle operazioni di rilievo e una efficace applicazione pratico applicativa; • l’utilizzo di alcuni software disponibili (commerciali e/o open source) per affrontare la procedura di elaborazione e di generazione dei prodotti finali (nuvole di punti, ortofoto, modelli tridimensionali); • le caratteristiche metriche, qualitative e quantitative che devono soddisfare i prodotti finali; • il contesto normativo e le regole applicative di riferimento. Al termine del corso, lo studente sarà in grado di: • pianificare le operazioni di acquisizione aerea mediante drone in funzione della scala di rilievo e rappresentazione finale; • elaborare i dati acquisiti per derivare i risultati finali coerenti con la scala di rilievo; • analizzare criticamente i risultati ottenuti in termini di precisione, accuratezza, completezza, livello di dettaglio. Le esercitazioni pratiche comportano l’applicazione dell'intero processo di rilievo mediante droni: la pianificazione del volo per l’acquisizione di immagini nel visibile, la realizzazione del volo mediante droni in possesso del Laboratorio di Geomatica, Fotogrammetria e GIS e del Laboratorio di Geomatica per i beni culturali, l’elaborazione dei dati acquisiti per ottenere informazioni metriche e radiometriche dell’oggetto ripreso, la generazione degli elaborati finali, in funzione del tipo di applicazione (rilevamento territoriale, urbano e ambientale, architettura, beni culturali, precision farming).
In this course, the students will learn: • the technological aspects related to the drones and on-board sensors (for navigation and imaging); • the theoretical aspects related to the use of images in order to acquire metric information; • the design and operating procedures for planning the survey operations; • the use of some available software (commercial and/or open source) to address the processing steps and generation of final products; • metrical requirements (in terms of quality and quantity characteristics) for final products; • a critical analysis about the surveying procedures and the obtainable results; • national and international standards and regulations. After attending the course, students will be able to: • plan the UAVs acquisitions, considering scale and final products; • process acquired data in order to obtain the final results; • analyze obtained results in terms of precision, accuracy, completeness and level of detail, in a critical point of view. The lab activities deal with the entire survey process realized by drones: flight planning for images acquisition, the flight planning, data processing to extract metric and radiometric information of objects, the generation of final products, depending on the different application area (land survey, urban, architectural and cultural heritage, precision farming) will be also considered.
Conoscenze dei concetti principali affrontati nei corsi di topografia e/o geomatica e delle scienze di base (matematica, fisica, ecc.).
Basic concepts about geomatics and/or surveying and basic sciences (mathematic, physics, ecc.).
Il programma prevede la suddivisione in 4 moduli di lezione frontale, per una durata complessiva di 30 ore, e una serie di esercitazioni pratiche da svolgersi presso i LAIB, il Laboratorio di Fotogrammetria, Geomatica e GIS del DIATI, il Laboratorio di Geomatica per i beni culturali del DAD e in apposito campo volo.
The program is divided into 4 modules of lectures, for a total duration of 30 hours, and a series of practical exercises to be performed at both the LAIB, the Laboratory of Photogrammetry, Geomatics and GIS at the DIATI and the Laboratory of Geomatics for Cultural Heritage of DAD and flying field area.
Lezioni (30 ore) Modulo 1: I mezzi aerei non convenzionali (Unmanned Aerial Vehicle) Definizioni e stato dell’arte, I sistemi sperimentati, le riprese fotogrammetriche mediante UAV, alcuni esempi di applicazione. Modulo 2: Structure from Motion La misurazione della realtà mediante immagini digitali, i principi della fotogrammetria e della Structure from Motion, la geometria proiettiva, le immagini digitali e camere digitali (distorsioni radiali, tangenziali e dovute al sensore), la restituzione stereoscopica (la matrice fondamentale e la matrice essenziale), il calcolo della struttura 3D con 2 immagini, l’uso di 3 o più immagini, le tecniche di matching (a pixel intero, sub pixel ai minimi quadrati, operatori d’interesse e features matching). Modulo 3: il processo di acquisizione di informazioni spaziali mediante droni il processo di rilievo, il progetto di presa, il legame tra precisione distanza di presa e molteplicità, la pianificazione e la realizzazione del volo autonomo, gli schemi di presa ad alta ridondanza, la necessità dei punti di appoggio (Ground Control Point, GCP) e dei punti di verifica (Check Point), l’elaborazione del rilievo mediante l’allineamento delle immagini (orientamento esterno), auto-calibrazione delle camere digitali, generazione della nuvola densa. Modulo 4: La generazione dei prodotti finali la generazione del modello 3D, definizione e produzione DSM/DTM (Digital Surface Model, Digital Terrain Model), le tecniche di interpolazione, le modalità di generazione, la produzione di ortofoto speditiva, ordinaria e di precisione. Descrizione delle possibili applicazioni nell’ambito del rilevamento del territorio, dell’ambiente, della città, dei beni culturali, dell’architettura, delle risorse forestali e per l’agricoltura di precisione. Esercitazioni (30 ore) I laboratori costituiscono la metà del corso e sono rivolti alla realizzazione di: • pianificazione della presa fotogrammetrica mediante drone e relativa acquisizione sul campo • il pre-processing mediante software commerciale e/o open source per la soluzione dell’orientamento esterno delle immagini; • il post-processing per la generazione della nuvola di punti mediante software commerciale e/o open source; • la generazione degli elaborati finali: ortofoto digitale, modello altimetrico, modello 3D in forma di mesh e mesh con texture. I lavori vengono svolti in gruppo e al termine delle esercitazioni deve essere redatta una apposita relazione descrittiva corredata da alcuni elaborati grafici. Nell’ambito dei vari corsi di laurea si predisporranno esercitazioni specifiche in collaborazione con altri insegnamenti legate al campo del rilievo urbano e dei beni culturali, artistici e architettonici (ing. Edile, Architettura), del rilievo di strutture e infrastrutture (ing. Civile, Architettura), al rilievo territoriale e ambientale quali alvei fluviali, discariche e altro (Ing. Ambiente e Territorio, Pianificazione Territoriale) anche per l’agricoltura di precisione.
Lessons (30 h): Module 1: The Unmanned Aerial Vehicle Definitions and state of the art, systems available, photogrammetric UAV approaches and some application examples. Module 2: Structure from Motion In this module are considered aspects about the measurement of real objects by means of digital images, the principles of photogrammetry and Structure from Motion in addition to projective geometry, digital camera images (radial and tangential distortions due to optics and sensor), the use of stereoscopic images, the calculation of the 3D structure with 2 images, the use of 3 or more images, the matching techniques (pixel, sub pixels by least squares, interest operators and features matching) Module 3: The spatial information process using UAV The survey process, planning activity, planning and implementation of autonomous flight, the use of Ground Control Points and Check Points, the surveying processing by aligning the images (external orientation), auto-calibration of digital cameras, generation of the dense cloud are considered. Module 4: The final products generation In this module are considered aspects about the generation of the photorealistic 3D model, definition and production of DSM/DTM, interpolation techniques, methods of generation and production of orthophotos. Description of possible applications in the field of land surveying, environment, cities, architecture, cultural heritage, the forest resources and precision agriculture are also taken into account. Lab activities (30 h): The lab activities take about half of the course and are focused on: • Planning of photogrammetric surveys using UAVs and on the field acquisition; • data pre-processing using commercial and/or open source softwaretools for the external orientation procedure; • data post-processing for point cloud generation using commercial and/or open source software; • final products generation: orthophotos, digital elevation model, 3D models (mesh and mesh with texture). The works are carried out in team; finally, a special report with graphical drawings must be completed. Some specicif activites will be developed according to the various degree programs in collaboration with other courses in the field of urban, architectural and cultural heritage survey (Building Engineering, Architecture), the survey of facilities and infrastructure (Civil Engineering, Architecture), the territorial and environmental survey such as river beds, landfills and other (Environment, Land and Infratructure Engineering, Urban Planning) and for precision farming.
Il testo principale è costituito dagli appunti delle lezioni forniti dal docente e dalle slide proposte durante le lezioni.
The main text consists of the lecture notes provided by the teacher and slides presented during the classes.
Modalità di esame: prova orale obbligatoria; elaborato grafico prodotto in gruppo;
L’esame si compone di 2 valutazioni: - l’esercitazione svolta durante il laboratorio legata all’intero processo di acquisizione di informazioni metriche spaziali mediante droni. L’esercitazione viene valutata mediante votazione in trentesimi. - l’approfondimento degli aspetti teorici descritti durante il corso su cui si basano le applicazioni pratiche proposte viene valutato mediante una prova orale con votazione in trentesimi. Il voto finale è una media ponderata tra i risultati delle 2 valutazioni precedenti.
Exam: compulsory oral exam; group graphic design project;
The exam consists of 2 parts: - Exercises made during practical activities on the entire process of acquiring spatial metrics information using UAV. The exercises is evaluated as vote/30. - Oral exams where is possible to evaluate theoretical aspects acquired during the course. This part is evaluated as vote/30. The final grade is a weighted average of the results of the 2 previous tests.


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