Rilievo Lidar con droni: ecco come funziona

Lidar significa: Light Detection and Ranging ed è una tecnica di telerilevamento attivo per eseguire dei rilievi topografici ad alta risoluzione. Il rilievo lidar con droni avviene attraverso un laser scanner composto da un trasmettitore (laser) e un ricevitore (telescopio), oltre che da un sistema di acquisizione dati. Si tratta di una tecnologia efficiente e innovativa, caratterizzata da un’elevata velocità di esecuzione e una precisione senza pari. Oggi cerchiamo di capire nel dettaglio come funziona materialmente e quali sono i vari campi di applicazione.

Rilievo Lidar con droni: ecco come funziona

Come abbiamo poco prima accennato, il sistema di rilevamento lidar è composto da tre distinte parti:

  • Distanziometro laser (laser scanner) – emette un impulso stretto e ad alta frequenza che è deviato, perpendicolarmente, alla traiettoria da uno specchio rotante. Il segnale è registrato automaticamente da un sensore che ne riscontra l’intensità del riflesso e la quota dal terreno. La distanza dal terreno è calcolata in base alla differenza di tempo che intercorre tra il segnale emesso e quello riflesso.
  • Sistema di posizionamento satellitare (GPS) e il sistema inerziale di navigazione (INS) – questi due elementi sono montati direttamente a bordo del drone e servono a determinare la posizione (x, y) e l’orientamento del mezzo aereo in ogni istante del volo.
  • Stazione GPS a terra – le postazioni a terra sono posizionate sui vertici della rete geodetica che è appositamente creata per correggere la posizione dell’aereo in fase di post processing dei dati.

Rilievo Lidar con droni: i dati ottenibili

Da un rilievo lidar con droni si può ottenere

  • un insieme di punti a ognuno dei quali è associato un dato relativo alle coordinate geografiche
  • quota Z calcolata in base alla differenza di tempo intercorsa tra segnale emesso e riflesso
  • valore dell’intensità di segnale riflessa (I)

In presenza di vegetazione, non eccessivamente densa, il lidar penetra riflettendo punti a vari livelli delle fronde e al suolo. La nuvola di punti ottenuta contiene, al suo interno, informazioni geografiche di ciascun elemento riflettente presente. Il laser acquisisce la posizione di molteplici impulsi. Per questo motivo è necessario procedere successivamente alla classificazione del volume dei dati, per riuscire ad attribuire a ciascun singolo punto, un riferimento fisico ben preciso.

Alla fine dell’elaborazione, la nuvola di punti acquisiti, da vita a un modello digitale di superficie (DSM – Digital Surface Model). Estraendo solo i punti che appartengono al suolo si ottiene invece un modello digitale del terreno (DTM – Digital Elevation Model).

Rilievo Lidar con droni: applicazioni pratiche

Overfly utilizza da anni la tecnologia Lidar per effettuare diversi rilievi:

  • su linee di trasmissione e distribuzione elettrica – per una gestione e un’analisi più conveniente e veloce delle linee, rispetto ai tradizionali metodi di rilevamento e controllo
  • modellazione accurata d’infrastrutture (strade, fiumi, ferrovie) – il rilievo lidar con droni consente di effettuare telerilevamenti anche in prossimità d’infrastrutture difficili da raggiungere con aeromobili convenzionali
  • in ambito d’ingegneria progettuale – in questo ambito, i prodotti finali ottenibili dai telerilevamenti lidar sono molto apprezzati perché contribuiscono a migliorare la qualità del controllo della costruzione in tempo reale e facilitano il processo decisionale
  • per eseguire la modellazione delle aree inondabili – questa tecnologia applicata all’ambito del dissesto idrogeologico, consente di ottenere dataset topografici e altimetrici di aree potenzialmente a rischio.

L’elaborazione dei dati acquisiti tramite rilievo con drone è complessa, anche se in buona parte è automatica. L’automatismo rende questa tecnologia particolarmente veloce e prestante. Il sistema, prima di effettuare il vero e proprio rilevamento, è accuratamente calibrato. Il rilievo vero e proprio si svolge in quattro distinte fasi:

  • calcolo della traiettoria + calcolo dell’orientamento del sensore utilizzando il DGPS/INS
  • registrazione e creazione di un archivio di punti XYZ (nuvola di punti)
  • classificazione dei punti
  • generazione dei modelli digitali in base ai punti classificati

Inoltre, la correzione della quota, è effettuata durante il rilievo grazie all’impiego di DTM contigui.

Rilievo Lidar: il laser pulsato per i rilievi tridimensionali del territorio

I rilievi Lidar servono a mappare i territori tridimensionalmente. 

È una tecnologia che e si basa sull’emissione di raggi laser che rilevano centinaia di migliaia di punti al secondo. Una tecnologia innovativa e all’avanguardia che consente rilievi ritenuti, fino a poco tempo fa, impossibili. Il Lidar, infatti, riesce a effettuare rilievi anche su terreni ricoperti di vegetazione: il laser arriva al suolo senza alcuna difficoltà e permette di “registrare” la “riflessione” del laser per creare elaborati modelli digitali di superficie (DSM) e modelli digitali del terreno (DTM). 

L’accuratezza di questo sistema è centimetrica. Overfly.me offre nella propria flotta dei SAPR specificatamente equipaggiati con sistemi Lidar, a partire dal versatile DJI Matrice 300 con Lidar L1

Uno strumento molto potente, ma sopratutto capace di effettuare rilievi dal rapporto costo/restituzione al cliente veramente eccezionale, quando impiegato da professionisti in grado di sfruttarlo al meglio (ed entro i limiti della tecnologua Lidar). Ti interessa la materia? Ci fa molto piacere.. entriamo ora maggiormente nel dettaglio di questa tecnologia…

Rilievo Lidar: ecco come funziona

Lidar è acronimo di light detection and ranging, una tecnologia di rilevamento molto simile al radar, che utilizza la luce laser al posto delle onde radio. Per misurare la distanza di un oggetto, il Lidar utilizza i principi della luce riflessa e della precisione dei tempi di arrivo. Funziona a prescindere dalle condizioni di luce, grazie ad un trasmettitore di luce infrarossi usato assieme ad un apposito ricevitore. In pratica il rilievo Lidar dal tempo di volo diretto (dTOF), è in grado di misurare il tempo impiegato dalla luce per raggiungere il bersaglio e tornare indietro.

Rilievo Lidar

Esiste anche una metodo alternativo, chiamato Lidar ToF indiretto (iToF). In questa tecnica è trasmessa un’onda sinusoidale continua di luce. IToF determina il tempo di volo (t) dalla differenza di fase tra le forme d’onda trasmesse e riflesse.

Il secondo metodo è quello che fino ad oggi ha riscontrato il maggior successo. Almeno fino a quando non hanno pensato al rilievo Lidar sui droni. Le applicazioni della tecnica Lidar sono possibili in qualunque ambito a lungo e corto raggio. È un sistema veloce e riesce a misurare anche un singolo eco. Questo si traduce nella capacità di rilevare più oggetti in profondità. In altre parole è una caratteristica che consente di rilevare la superficie terrestre anche se coperta da una fitta vegetazione.

 

Rilievo Lidar: immagini in scala cromatica

Le nuvole di punti sono rilevate in base a quattro distinti parametri: X, Y, Z e la riflettanza. Quando il raggio laser del sistema Lidar installato sul drone, colpisce un target, questo riflette un segnale che cambia di intensità in base alla tipologia di materiale di cui è fatto. I risultati che si ottengono sono quindi rappresentati da immagini in scala cromatica. Molto spesso è usata la scala dei grigi, ma in altri casi anche quella che utilizza toni caldi e toni freddi. Per fare un esempio. Un rilievo lidar di uno specchio d’acqua (fiume, lago, bacino, ecc…), in scala di grigi, risulterà come una macchia nera, molto scura, perché l’acqua, nella lunghezza d’onda dell’infrarosso assorbe completamente il segnale e quindi non riflette.

Rilievo Lidar e SAPR

Il rilievo Lidar su droni fa parte di quelle metodologie di rilevamenti definite: Mobile Mapping (MM). Con il termine si vuole indicare tutte quelle tecniche di rilievo che sfruttano veicoli in movimento (droni, auto, treni, autoveicoli, ecc…). Mentre con l’acronimo MMS si vuole indicare il Mobile Mapping System. Si tratta dell’insieme del sistema di rilevamento, composto da hardware e software, utilizzato per le mappature.

Rilievo Lidar

Grazie all’impiego dei SAPR in combinazione con i sistemi Lidar, è oggi possibile ottenere modelli numerici reali costituiti da nuvole di punti perfettamente georiferite e classificate. 

Il sistema installato sui droni, acquisisce i dati in maniera indipendente. Successivamente, grazie all’impiego di specifici software di gestione, i dati acquisiti sono correlati alla traiettoria di navigazione del sistema generata dai dati GPS

La nuvola di punti geo riferita si crea proprio grazie all’allineamento dei dati acquisiti sulla traiettoria. Si tratta di un sistema molto preciso, pratico, veloce e applicabile ad innumerevoli settori. Il punto di forza di questo sistema è la capacità di effettuare rilievi con elevata precisione, tanto che la geometria tridimensionale dello scenario indagato, è fedele al centimetro rispetto all’originale.

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