Mediante una forte connotazione professionalizzante, questo insegnamento 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 fotogrammetriche mediante l'approccio Structure from Motion (SfM). L’utilizzo di metodi di rilievo metrico mediante strumenti topografici (stazioni totali, livelli e ricevitori GNSS, laser 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 patrimonio costruito e del contesto territoriale in cui è inserito, 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 sul 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 metricamente controllate; • rappresentazioni cartografiche in forma fotografica: ortofoto ordinarie, di precisione, solide. In particolare, in questo insegnamento 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. 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).

Al termine dell'insegnamento, lo studente possiederà le abilità professionali necessarie per: • 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.

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

Il programma dell'insegnamento prevede una serie di lezioni teoriche suddivise in 4 moduli (descritti nel seguito per un totale di 30 ore circa) e una serie di esercitazione pratiche svolte presso il laboratorio di Geomatica, Fotogrammetria e GIS del Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture (DIATI) e il laboratorio di Geomatica per i beni culturali (G4CH) del Dipartimento di Architettura e Design (DAD). Lezioni 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 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.

Le esercitazioni verranno svolte in gruppi composti da 3-4 allieve/i possibilmente legati a percorsi di studio differenti al fine di impostare un corretto approccio multidisciplinare al tema permettendo una condivisione di competenze e abilità già acquisite negli altri insegnamenti.

L'insegnamento prevede la suddivisione in 4 moduli di lezione teorica (30 ore, mezzi aerei non convenzionali, Structure from Motion, il rilievo del territorio e dell'architettura mediante droni, genrazione degli elaborati finali) e una serie di esercitazioni pratiche (30 ore). 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). 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. Per eventuali chiarimenti e approfondimenti si consigliano i seguenti testi: - Andrea Fusiello (2013). “Visione computazionale. Tecniche di ricostruzione tridimensionale”, ed. Franco Angeli - Thomas Luhmann, Stuart Robson, Stephen Kyle, Jan Boehm (2013) "Close-range photogrammetry and 3D Imaging". Ed De Gruyter - Wolfgang Förstner, Bernhard P. Wrobel (2016) “Photogrammetric Computer Vision”, ed. Springler - J. L. Carrivick, M. W. Smith, D. J. Quincey (2016) "Structure from Motion in the Geosciences" ed. Wiley Blackwell

Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria; Elaborato grafico prodotto in gruppo;

Exam: Written test; Compulsory oral exam; Group graphic design project;

... La valutazione finale è composta da tre parti. La prima valutazione, che ne costituisce la parte principale, si basa sullo svolgimento delle esercitazioni pratiche per analizzare le abilità raggiunte dall'allievo nell'applicare in modo approfondito e critico le conoscenze teoriche descritte al fine di affrontare e risolvere in modo corretto ed efficace il problema del rilievo del territorio e dell'architettura mediante immagini acquisite da drone (come indicato nei risultati di apprendimento attesi) così come si presenta nella pratica professionale. In particolare la valutazione avverrà in due momenti diversi: - per il 40% rispetto alle revisioni e discussioni durante lo svolgimento delle esercitazioni in itinere; - per il 60% rispetto alla correzione della relazione conclusiva (il book dell'insegnamento) composta dagli elaborati finali che descrivono le varie fasi delle esercitazioni. La prima votazione espressa in trentesimi valuterà la capacità di progettare correttamente un intervento di rilevamento mediante droni, di realizzare l'acquisizione e l'elaborazione dei dati mediante tecniche di Structure from Motion, di criticare in termini di precisione e accuratezza i risultati delle varie vasi del processo fotogrammetrico, di integrare consapevolmente le diverse tecnologie in coerenza con le scale di rappresentazione richieste, di presentare in modo graficamente piacevole, incisivo e accattivante il lavoro professionale svolto. Tra gli elementi di valutazione vi sarà la capacità di rispettare le scadenze interne allo svolgimento dell'esercitazioni del corso e quindi di concludere il book nei tempi previsti. La seconda valutazione (prova scritta) è rivolta alla comprensione delle conoscenze raggiunte dallo studente sugli aspetti teorici che dovrebbe aver consapevolmente applicato nello svolgimento delle esercitazioni. La votazione espressa in trentesimi valuterà l'effettiva conoscenza degli aspetti analitici che regolano il processo di SfM, le modalità di calcolo per la pianificazione delle attività di rilievo, le caratteristiche qualitative e quantitative degli elaborati finali, le regole operative generali. La prova verrà svolta in aula, avrà una durata di 1.5 ore e dovrà essere svolta senza l'ausilio di dispense, libri e appunti inerenti gli argomenti dell'insegnamento. La terza valutazione (prova orale) verificherà la capacità dello studente di utilizzare correttamente i termini, i metodi e le procedure descritte nel programma, approfondendo gli aspetti legati alla progettazione delle varie fasi del processo fotogrammetrico e all'analisi critica dei risultati ottenuti in funzione della scala di rilievo. Questa prova verrà svolta in aula con una durata di 10-15 minuti e senza l'ausilio di appunti, dispense o libri inerenti gli argomenti dell'insegnamento. La valutazione della terza prova permetterà di incidere nell'intervallo +-3 punti rispetto alla media delle valutazioni della prima e della seconda prova.

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.