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).

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).

Conoscenze dei concetti principali affrontati nei corsi di topografia e/o geomatica e delle scienze di base (matematica, fisica, 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.

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.

Il testo principale è costituito dagli appunti delle lezioni forniti dal docente e dalle slide proposte durante le lezioni.

Modalità di esame: Prova orale obbligatoria; Elaborato grafico prodotto in gruppo;

Exam: Compulsory oral exam; Group graphic design project;

... 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.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.