ITUD20080243A1 - "metodo di rilevamento aereo tramite lidar" - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione

Avente per titolo:

METODO DI RILEVAMENTO AEREO TRAMITE LIDAR

DESCRIZIONE

Campo tecnico

La presente invenzione riguarda un metodo di rilevamento aereo ed in particolare un sistema di rilevamento comprendente una apparecchiatura LIDAR (Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging) secondo le caratteristiche della parte precaratterizzante della rivendicazione 1.

Definizioni

Nel corso della presente descrizione si farà uso delle seguenti definizioni.

“Aeromobile” indica genericamente un veicolo volante atto a portare il sistema di rilevazione. Per lo scopo della presente invenzione esso può essere un elicottero, un aereo o altro veicolo volante, indifferentemente dotato di pilota, teleguidato o automatico.

“Rilevazione nadirale” indica una rilevazione effettuata con l’asse di rilevazione (per es., nel caso di una macchina fotografica, l’asse ottico) disposto perpendicolarmente rispetto alla superficie terrestre, che ovviamente non coincide con la direzione ortogonale al suolo da rilevare se non nel caso di zone pianeggianti e non inclinate.

“Punto di presa” indica il punto corrispondente ad una acquisizione mentre la base di presa corrisponde alla distanza tra due punti di presa successivi, ovvero alla distanza tra due punti di acquisizione.

“Strisciata” indica una serie di acquisizioni effettuate lungo una certa direzione.

“LIDAR” (Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging) indica una tecnica di telerilevamento che permette di determinare la distanza della superficie e degli oggetti presenti su di essa utilizzando un impulso laser, la distanza essendo determinata misurando il tempo trascorso fra l'emissione dell'impulso laser e la ricezione del segnale retrodiffuso.

Tecnica anteriore

In molte applicazioni si rende necessaria una acquisizione aerea del profilo del terreno mediante diverse apparecchiature per poter successivamente elaborare i dati acquisiti ed effettuare una ricostruzione del profilo del terreno, ovvero ottenere un modello digitale del terreno stesso, sul quale effettuare diversi tipi di analisi.

A solo titolo di esempio le acquisizioni aeree per la realizzazione di modelli digitali del terreno possono servire per:

• Analisi e gestione del territorio finalizzata alla progettazione di infrastrutture (strade, autostrade, ferrovie, aeroporti, ecc.)

• Studi dell’impatto ambientale delle infrastrutture

• Analisi di bacini fluviali per determinare le zone a rischio di inondazioni

• Analisi della evoluzione e/o monitoraggio di fenomeni alluvionali e frane

• Analisi e previsione di fenomeni di ingressione marina

• Manutenzione ed aggiornamento del catasto stradale

• Progettazione, gestione e manutenzione di elettrodotti

• Inquadramento di aree di interesse ambientale e/o archeologico

• Definizione dei canali liberi di propagazione elettromagnetica in città o zone montane per applicazioni di telecomunicazioni

• Monitoraggio e quantificazione di attività estrattive nelle cave, deforestazione, sviluppo urbano, evoluzione volumetrica delle discariche

• Identificazione delle coltivazioni e/o delle varietà vegetali.

L’acquisizione aerea consente la rapida scansione di vasti territori che in alcuni casi sarebbero difficilmente raggiungibili per effettuare rilievi direttamente in loco, ottenendo precisioni, risoluzioni ed evidenza di particolari difficilmente ottenibili con altre metodologie operative.

Dette acquisizioni vengono effettuate mediante una serie di apparecchiature montate su di un aeromobile il quale effettua una serie di passaggi sull’area sulla quale deve essere effettuata la rilevazione. Il volo viene effettuato ad una predeterminata altitudine, detta quota relativa di volo, secondo direzioni rettilinee parallele fra loro. La quota di volo viene scelta in funzione della precisione plano-altimetrica richiesta ovvero della definizione con la quale si vogliono riprodurre i particolari del terreno e deve essere mantenuta il più possibile costante durante la fase di acquisizione. Lungo ciascuna delle direzioni prescelte vengono realizzate delle acquisizioni secondo quanto stabilito in fase di progettazione del volo. La serie di acquisizioni lungo una certa direzione viene detta strisciata. La distanza fra due strisciate adiacenti, generalmente parallele fra loro, viene scelta in modo tale che esse si ricoprano lateralmente (in genere fra il 20 e il 30%). Tale ricoprimento viene detto sovrapposizione laterale. La direzione delle strisciate viene generalmente scelta in funzione della forma e delle caratteristiche orografiche dell’area da acquisire.

In generale anche la velocità dell’aeromobile sarà scelta in funzione della risoluzione al suolo richiesta, della tipologia di acquisizioni da effettuare, delle caratteristiche delle apparecchiature di acquisizione e dell’aeromobile. La scelta dell’aeromobile da utilizzare viene effettuata in funzione della specifica applicazione, l’aeromobile potendo essere un elicottero, un aereo o altro veicolo volante, indifferentemente dotato di pilota o comandato a distanza. Ovviamente l’elicottero sarà l’aeromobile preferito nel caso in cui sia necessaria una inferiore velocità di avanzamento rispetto al suolo, mentre l’aeromobile preferito sarà un aereo nel caso in cui siano consentite velocità di avanzamento rispetto al suolo maggiori.

La corrispondente teoria per la scelta dei parametri di acquisizione (velocità di volo, quota relativa di volo e sovrapposizione laterale) si considera, ai fini della presente invenzione, nota e non sarà discussa in maggior dettaglio.

Le apparecchiature di acquisizione possono essere una combinazione dei seguenti, i quali vengono riportati a solo titolo di esempio e senza limitazioni ai fini della presente invenzione, intendendo che altri tipi di apparecchiature possono essere utilizzati o abbinati a quelle citate in funzione della particolare applicazione:

• Macchine fotografiche analogiche o digitali

• Videocamere analogiche o digitali

• Rilevatori spettrali per acquisizione di frequenze esterne al campo del visibile (distinti in multi, super e iper spettrali in funzione del numero di bande spettrali acquisite)

• Rilevatori termici

• Altimetri

• Telerilevatori laser ed in particolare apparecchiature LIDAR

• Ricevitori GPS

• Rilevatori inerziali o accelerometri.

D’ora innanzi, con “sistema di acquisizione” si indicherà genericamente l’insieme delle apparecchiature di acquisizione utilizzate in funzione della specifica applicazione.

Le caratteristiche di accuratezza e le linee guida da seguire per le acquisizioni aeree possono variare da paese a paese ed in funzione della particolare applicazione oltre che naturalmente dalla tipologia delle apparecchiature di acquisizione utilizzate. In generale per garantire i livelli di accuratezza richiesti è necessario innanzitutto garantire la corretta georeferenziazione dei dati acquisiti. Questo viene effettuato incrociando diversi dati e, in particolare, rilevamenti GPS di tipo geodetico della posizione dell’aeromobile, stazioni GPS a terra posizionate in punti noti, in prossimità dell’area sottoposta ad acquisizione, misure dei telerilevatori laser e dei rilevatori inerziali a bordo dell’aeromobile, ricorso a punti di controllo a terra, “ground control point” o GCP, ovvero punti facilmente identificabili sia sulle acquisizioni che su cartografie eventualmente già disponibili. La corrispondente teoria per la georeferenziazione dei dati acquisiti si considera, ai fini della presente invenzione, nota e non sarà discussa in maggior dettaglio.

Particolare rilevanza rivestono i telerilevatori laser ed in particolare le apparecchiature LIDAR (Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging) che permettono di determinare la distanza della superficie e degli oggetti presenti su di essa utilizzando un impulso laser, la distanza essendo determinata misurando il tempo trascorso fra l'emissione dell'impulso laser e la ricezione del segnale retrodiffuso.

La tecnologia LIDAR ha molteplici vantaggi rispetto alle altre tecnologie pre-esistenti tra cui:

• Restituzione pressoché immediata di un modello digitale 3D del terreno senza la necessità della ”foto-interpretazione” da parte di un operatore

• Restituzione della morfologia del terreno anche in presenza di zone fortemente vegetate in quanto il raggio laser raggiunge il terreno attraversando il fogliame • Possibilità di rilievo notturno o con condizioni meteo non ottimali.

Nella generalità dei casi le acquisizioni aeree, ed anche le acquisizioni LIDAR, vengono eseguite mantenendo l’asse del sistema di acquisizione verticale. Una acquisizione eseguita con l’asse di acquisizione (ovvero con l’asse della apparecchiatura facente parte del sistema di acquisizione) perfettamente verticale viene detta acquisizione nadirale. In pratica solo raramente una acquisizione aerea risulterà perfettamente nadirale.

In ogni caso si dovranno poi applicare tecniche di orto-proiezione o orto-rettifica, che è una operazione geometrica che trasforma una qualunque geometria proiettiva in una proiezione ortografica avente raggi proiettivi paralleli fra loro, che è l’unica in grado di garantire la minimizzazione delle deformazioni indotte da sistema di acquisizione e morfologia acquisita. Problemi della tecnica anteriore

Come precedentemente esposto il metodo di acquisizione aerea della tecnica anteriore si basa essenzialmente su acquisizioni di tipo nadirale, sebbene variazioni contenute dell’asse di acquisizione rispetto all’asse verticale siano ammesse, in genere inferiori ai 5 gradi, dette acquisizioni essendo dette quasi-nadirali.

Le limitazioni derivanti dalla acquisizione di tipo nadirale sono rilevanti sotto diversi aspetti.

Innanzitutto la acquisizione di tipo nadirale non permette il rilievo di superfici verticali, o oltre, e quindi nei casi di acquisizione in zone montane, bacini idrogeologici o comunque di zone con forti pendii il numero di punti laser sulle superfici oltre un certo grado di inclinazione è insufficiente se non nullo.

Tali situazioni vengono inoltre gestite dagli applicativi, in fase di post-processing dei dati, come condizioni di errore in quanto gli attuali metodi non prevedono la possibilità di acquisizione di superfici verticali, questo comportando una inferiore qualità delle acquisizioni delle aree soggette ad elevate variazioni altimetriche.

Tale problema è un forte limite per l’utilizzatore finale in quanto non permette una misurazione certa delle superfici a forte inclinazione e quindi manca un dato fondamentale in una applicazione, prioritaria per il tipo di rilievo, che è lo studio del territorio per fini di valutazione del rischio connesso all’instabilità dei versanti ed al rischio idrogeologico e successiva realizzazione di piani di protezione ambientale in aree a forte rischio in base al grado di pericolosità.

Tali valutazioni sono generalmente complesse e richiedono la quantificazione, sia a livello spaziale che temporale, della probabilità che ogni tipologia di evento calamitoso possa verificarsi. Per la valutazione della pericolosità è essenziale la presenza di carte tematiche e carta di sintesi della pericolosità del territorio. Inoltre per esplicitare il carattere delle condizioni di instabilità, in funzione dei possibili interventi, è necessario dare indicazioni sulla tipologia dei fenomeni stessi e su alcuni dei loro caratteri geometrici e cinematici (es. area, velocità presunta) poiché questi sono necessari alla valutazione del danno potenziale.

Inoltre, come precedentemente esposto, i metodi di acquisizione della tecnica anteriore prevedono l’esecuzione delle scansioni secondo direzioni rettilinee parallele fra loro che, nel caso di acquisizioni orientate al rilievo di zone montuose o bacini idrogeologici nei quali la morfologia varia notevolmente in tutte le direzioni, comportano un elevato numero di passaggi per poter ottenere la copertura ottimale della zona sottoposta a rilievo. Stessa situazione si presenta anche nel caso di rilievi costieri, nei quali le coste difficilmente sono disposte secondo una linea retta e, quindi, è necessario effettuare diversi passaggi per coprire l’intero andamento costiero.

Un’altra forte limitazione dei metodi di acquisizione della tecnica anteriore è che, come precedentemente spiegato, la quota di volo, venendo scelta in funzione della definizione planoaltimetrica richiesta ovvero della precisione con la quale si vogliono riprodurre in modo corretto i particolari del terreno, deve essere mantenuta il più possibile costante durante tutta la fase di acquisizione. È evidente che nel caso di acquisizioni orientate al rilievo di zone montuose nelle quali la morfologia dei rilievi varia notevolmente presentando altitudini variabili, tale metodologia di acquisizione è particolarmente difficile da seguire, oltre a dare dei risultati peggiori rispetto al caso ideale di rilievi su zone pianeggianti o con scarse variazioni altimetriche.

Nel caso delle indagini a terra per mezzo di metodologie geofisiche, è evidente che tali metodologie sono lunghe da effettuare, richiedono l’intervento di operatori a terra spesso in zone difficilmente raggiungibili ed esponendo gli operatori stessi a condizioni di pericolo. Inoltre molte di tali tecniche non consentono un frequente monitoraggio dell’evoluzione del fenomeno franoso.

Nello stato della tecnica, dunque, non esiste alcun metodo di acquisizione aerea che consenta una efficace modellizzazione del terreno, ottenendo una accurata rappresentazione della morfologia dello stesso, che risulti applicabile nel rilievo di superfici verticali, o oltre, e quindi nei casi di acquisizione in zone montane o comunque di zone con forti pendii o nel caso di bacini idrogeologici oppure ancora di acquisizioni in zone soggette a fenomeni alluvionali ed erosivi, che sono, invece, le aree di maggior interesse per la prevenzione dei rischi dovuti a fenomeni alluvionali e/o franosi.

Scopo dell’invenzione

Lo scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo di rilevamento aereo tramite LIDAR in grado di consentire una efficace modellizzazione del terreno, ottenendo una accurata rappresentazione della morfologia dello stesso, e che risulti applicabile nel rilievo di superfici verticali, o oltre, e quindi nei casi di acquisizione in zone montane o comunque di zone con forti pendii o nel caso di bacini idrogeologici oppure ancora di acquisizioni in zone soggette a fenomeni alluvionali ed erosivi.

Concetto dell’invenzione

Lo scopo viene raggiunto con le caratteristiche della rivendicazione principale. Le sottorivendicazioni rappresentano soluzioni vantaggiose.

Effetti vantaggiosi dell’invenzione

Il metodo di acquisizione in conformità con la presente invenzione, attraverso il notevole apporto creativo il cui effetto costituisce un immediato e non trascurabile progresso tecnico, presenta dei vantaggi dal punto di vista della qualità della ricostruzione del profilo del terreno, ovvero del modello digitale del terreno ottenuto, particolarmente nel caso di rilievo di superfici verticali, o oltre, e quindi nei casi di acquisizione in zone montane o comunque di zone con forti pendii o nel caso di bacini idrogeologici oppure ancora di acquisizioni in zone soggette a fenomeni alluvionali ed erosivi.

Il metodo limita e in alcuni casi elimina del tutto la necessità di avere operatori a terra che effettuano rilievi in zone, sottoposte a forte rischio franoso, per le quali i metodi di rilievo aereo della tecnica anteriore non sono in grado di fornire risultati sufficientemente accurati.

Il metodo presenta inoltre delle peculiarità e differenziazioni anche dal punto di vista operativo in quanto modifica notevolmente il processo di acquisizione stesso, soprattutto nel caso di acquisizioni orientate alla acquisizione, ricostruzione ed analisi del profilo di un particolare rilievo o di una particolare morfologia del terreno, con sostanziali differenze sia dal punto di vista della velocità di acquisizione e successiva interpretazione dei dati.

Il metodo in conformità con l’invenzione presenta anche dei vantaggi dal punto di vista della qualità della rappresentazione dei dati acquisiti che sono caratterizzati da un effetto tridimensionale, in presenza di zone fortemente boscate, con maggior dettaglio della vegetazione rispetto ai metodi della tecnica anteriore.

Descrizione dei disegni

Viene di seguito descritta una soluzione realizzativa con riferimento ai disegni allegati da considerarsi come esempio non limitativo della presente invenzione in cui:

Fig. 1 è una vista tridimensionale illustrante il tipico metodo di acquisizione LIDAR della tecnica anteriore.

Fig. 2 è una vista bidimensionale illustrante il tipico metodo di acquisizione LIDAR della tecnica anteriore.

Fig. 3 è una vista bidimensionale illustrante il metodo di acquisizione LIDAR realizzato in conformità con la presente invenzione.

Fig. 4 è una vista tridimensionale illustrante i tipici percorsi di acquisizione del metodo di acquisizione LIDAR della tecnica anteriore.

Fig. 5 è una vista tridimensionale illustrante i percorsi di acquisizione LIDAR del metodo di acquisizione LIDAR realizzato in conformità con la presente invenzione.

Fig. 6 è una vista bidimensionale illustrante il tipico metodo di acquisizione LIDAR della tecnica anteriore nel caso della acquisizione di un profilo costiero.

Fig. 7 è una vista bidimensionale illustrante il metodo di acquisizione LIDAR realizzato in conformità con la presente invenzione nel caso della acquisizione di un profilo costiero.

Descrizione dell’invenzione

La descrizione della presente invenzione sarà svolta con l’ausilio delle figure allegate in cui si sono usati gli stessi numeri di riferimento per indicare elementi simili. Si sottolinea che le figure illustrano una forma preferita del metodo in conformità con la presente invenzione, ma è evidente che molte possibili alterazioni, modifiche e varianti saranno immediatamente chiare agli esperti del settore alla luce della successiva descrizione. Così, va sottolineato che l'invenzione non è limitata dalla descrizione e dalle figure allegate, ma include tutte quelle alterazioni, modifiche e varianti in conformità con le annesse rivendicazioni.

I metodi di acquisizione LIDAR della tecnica anteriore (Fig.1) si basano essenzialmente su acquisizioni di tipo nadirale. Un aeromobile (1) supportante un sistema di acquisizione (2), nel caso specifico un sistema LIDAR, si muove ad una prestabilita quota di volo su di un suolo (13) che presenta un dislivello (7) con una parete approssimativamente verticale che presenta delle rientranze (8) rispetto al margine superiore (14) di detta parete. Il sistema di acquisizione è di tipo nadirale, ovvero con asse di acquisizione (12) che viene mantenuto il più possibile verticale rispetto alla superficie terrestre e non rispetto al suolo (13) da rilevare, sebbene variazioni contenute dell’asse di acquisizione rispetto all’asse verticale siano ammesse, in genere inferiori ai 5 gradi, dette acquisizioni essendo dette quasi-nadirali. Durante una strisciata l’acquisizione viene effettuata, per un sistema LIDAR, lungo aree di acquisizione (3) successive approssimabili essenzialmente ad una “linea” proiettata sul suolo dal trasmettitore laser, la cui ampiezza dipende, ovviamente, essenzialmente dalla quota di volo e dalla apertura angolare del fascio. Gli impulsi di ritorno sono acquisiti e registrati mediante uno scanner. Una volta completata una strisciata, ovvero l’acquisizione lungo la direzione di avanzamento longitudinale (6), l’aeromobile procede con la strisciata successiva, parallela e parzialmente sovrapposta alla strisciata precedente, dopo aver effettuato uno spostamento nella direzione di spostamento trasversale (10) che è essenzialmente ortogonale alla direzione di avanzamento longitudinale (6). Oltre alla acquisizione mediante laser-scanner occorre anche acquisire e registrare i dati necessari alla successiva interpretazione delle acquisizioni. In particolare per la corretta interpretazione dei valori acquisiti è necessario avere a disposizione un sistema di posizionamento satellitare (GPS) che determini la posizione dell’aeromobile mediante satelliti (4), un sistema inerziale di navigazione per determinare l’orientamento dell’aeromobile e stazioni GPS a terra (5), in genere posizionate sui vertici della rete geodetica per correggere la posizione dell’aereo in fase di interpretazione dei dati.

Dal momento che il metodo di acquisizione della tecnica anteriore (Fig. 2) prevede l’utilizzo del sistema di acquisizione (2) in configurazione di tipo nadirale, ovvero con asse di acquisizione (12) verticale (13), quando l’aeromobile (1), avanzando lungo la direzione di avanzamento longitudinale (6), incontra un dislivello (7), le eventuali rientranze (8) presenti su detto dislivello (7) vengono mascherate dal margine superiore (14) e questo avviene per tutto lo sviluppo del dislivello che viene rilevato lungo la direzione di spostamento trasversale (10). Inoltre, nel momento in cui l’aeromobile (1) incontra un notevole dislivello (7), esso dovrà necessariamente variare la propria quota di volo, la distanza dal suolo del sistema di acquisizione (2) essendo un parametro essenziale per la successiva corretta interpretazione dei dati. Ne consegue che i metodi in uso nella tecnica anteriore non sono adatti ad effettuare una efficace modellizzazione del terreno, ottenendo una accurata rappresentazione della morfologia dello stesso, nel caso di rilievo di superfici verticali, o oltre, e quindi nei casi di acquisizione in zone montane o comunque di zone con forti pendii o nel caso di bacini idrogeologici oppure ancora di acquisizioni in zone soggette a fenomeni alluvionali ed erosivi, che sono, invece, le aree di maggior interesse per la prevenzione dei rischi dovuti a fenomeni alluvionali e/o franosi.

Inoltre (Fig. 4), anche i percorsi di acquisizione (11) della tecnica anteriore risultano del tutto inefficienti nel caso di rilievi che hanno sviluppi orografici anche non particolarmente complessi, ma semplicemente non rettilinei, come zone montuose, costiere, bacini idrografici, in quanto, essendo necessario che le acquisizioni avvengano lungo strisciate successive parallele fra loro, l’aeromobile dovrà effettuare ripetuti passaggi per garantire la completa copertura dell’area da acquisire.

Il metodo di acquisizione in conformità con la presente invenzione, specificatamente applicabile soprattutto nel caso di acquisizioni mediante sistema LIDAR, attraverso il notevole apporto creativo il cui effetto costituisce un immediato e non trascurabile progresso tecnico, ha comportato la risoluzione di differenti problemi legati non solo alla metodologia di acquisizione, ma anche al metodo di pianificazione delle acquisizioni (quota di volo, percorso di acquisizione, velocità, ecc.), al metodo di analisi dei dati acquisiti ed al metodo di post-elaborazione dei dati stessi.

Il metodo di acquisizione in conformità con la presente invenzione (Fig. 3) prevede la sostanziale modifica della inclinazione dell’asse di acquisizione (12) rispetto all’asse verticale (16), soluzione totalmente differente rispetto al metodo della tecnica anteriore che, come precedentemente spiegato, è di tipo nadirale. Dunque l’asse di acquisizione (12) risulta inclinato rispetto all’asse verticale (16) di un dato angolo α molto maggiore di 0 gradi, o, più specificatamente molto maggiore rispetto al massimo angolo di inclinazione ammesso nelle acquisizioni nadirali che è approssimativamente di 5 gradi. I benefici che si ottengono applicando il metodo di acquisizione in conformità con la presente invenzione sono immediatamente evidenti, in quanto nel caso di una acquisizione di un dislivello (7), le eventuali rientranze (8) presenti su detto dislivello (7) non risultano più mascherate dal margine superiore (14) e, dunque, il rilievo di superfici verticali avviene in maniera ottimale, ottenendo un numero di punti di acquisizione sufficiente a ricostruire con notevole accuratezza un modello digitale del terreno particolarmente efficace per le analisi orientate alla prevenzione dei rischi dovuti a fenomeni alluvionali e/o franosi.

Anche per il metodo in conformità con l’invenzione, oltre alla acquisizione mediante laser-scanner occorre anche acquisire e registrare i dati necessari alla successiva interpretazione delle acquisizioni. In particolare per la corretta interpretazione dei valori acquisiti è necessario avere a disposizione un sistema di posizionamento satellitare (GPS) che determini la posizione dell’aeromobile mediante satelliti (4), un sistema inerziale di navigazione per determinare l’orientamento dell’aeromobile e stazioni GPS a terra (5), in genere posizionate sui vertici della rete geodetica per correggere la posizione dell’aereo in fase di interpretazione dei dati.

Occorre fare presente che la presente invenzione non si limita ad una banale inclinazione del sistema di acquisizione in quanto il metodo esposto comporta l’utilizzo del sistema di acquisizione nel suo complesso in maniera del tutto non convenzionale e completamente al di fuori delle specifiche di utilizzo delle apparecchiature.

Non sono noti tentativi o casi di installazioni simili avvenuti precedentemente.

Il problema del rilievo delle pareti verticali da aeromobile, che non sembrava avere alcuna soluzione percorribile, con il metodo della presente invenzione diventa a questo punto possibile con notevoli precisioni di acquisizione.

Il metodo della presente invenzione prevede, come precedentemente esposto, l’inclinazione dell’asse di acquisizione ben oltre i limiti strumentali consentiti e corrispondenti a piccole variazioni attorno alla posizione nadirale. In particolare la soluzione preferita della presente invenzione prevede una inclinazione tra detto asse di acquisizione (12) e detto asse verticale (16) corrispondente ad un angolo α di 45 gradi rispetto alla posizione nadirale, sebbene diverse inclinazioni siano possibili ed anzi siano desiderate in funzione della particolare morfologia da rilevare, l’inclinazione del sistema di acquisizione divenendo, nella forma di realizzazione del metodo in conformità con l’invenzione, un parametro impostabile dell’acquisizione stessa, al pari degli altri parametri notoriamente utilizzati in questo tipo di rilevazioni, quali, a solo titolo di esempio, la quota di volo, l’orientazione del percorso di volo, il percorso di volo stesso.

Anche questi parametri, nel metodo in conformità con la presente invenzione, sono calcolati in maniera del tutto non convenzionale e differente rispetto ai metodi della tecnica anteriore.

Nel caso (Fig. 4) di un metodo di acquisizione della tecnica anteriore, per rilevare una zona interessata da una morfologia, quale un rilievo che presenta un notevole dislivello (7) ed in cui la morfologia varia notevolmente in tutte le direzioni, l’aeromobile (1) deve necessariamente eseguire una serie di strisciate ciascuna delle quali parallela alla precedente, seguendo un percorso di acquisizione (11) in andata ed in ritorno che, per coprire con il fascio di acquisizione (9) tutto lo sviluppo orografico, necessariamente non si adatta all’andamento della morfologia in esame, questo non risolvendo comunque il problema degli scarsi risultati ottenuti in relazione alla analisi delle rientranze (8) nascoste dal margine superiore (14) del rilievo. Inoltre (Fig. 2) l’aeromobile dovrà adattare la propria quota di volo in corrispondenza di ogni passaggio su dislivelli (7) di ampiezza elevata.

Nel caso (Fig.5), invece, la quota di volo dell’aeromobile (1) e l’inclinazione del fascio di acquisizione (9) ed il percorso di acquisizione (11) vengono calcolati in funzione della morfologia da analizzare ed in particolare il percorso di acquisizione (11) non è più vincolato dalla necessità di effettuare percorsi di acquisizione in andata ed in ritorno, ma si seguirà una traiettoria più intuitiva e naturale, adattandosi alla morfologia stessa da acquisire e seguendone l’andamento. Anche la quota di volo non sarà più calcolata secondo i metodi della tecnica anteriore ma anch’essa diventerà un parametro dipendente dalla morfologia da rilevare, divenendo essenziale non tanto una costante distanza dal suolo quanto piuttosto una costante distanza dalla morfologia da acquisire, secondo l’asse di acquisizione inclinato.

Occorre evidenziare anche che i vantaggi della presente invenzione non si limitano ai soli casi di zone che presentano notevoli variazioni altimetriche, ma sono particolarmente evidenti anche nel caso di zone pianeggianti o quasi pianeggianti come nel caso di rilievi di bacini idrografici o zone costiere. In quest’ultimo caso, per esempio, nella metodologia della tecnica anteriore (Fig. 6), per ottenere la completa copertura della zona costiera (15), è necessario che il percorso di acquisizione (11) preveda ripetute strisciate al di sopra del suolo (13) che presentino delle zone di sovrapposizione in modo da poter successivamente ricostruire il modello digitale dello sviluppo costiero complessivo, mentre nella metodologia in conformità con la presente invenzione (Fig. 7), il percorso di acquisizione (11) si svilupperà in maniera molto semplice ed intuitiva, parallelamente alla zona costiera (15), richiedendo un numero inferiore di strisciate, se non, al limite nel caso di risoluzioni richieste non eccessive, una sola.

Questo, come evidente, comporta risparmi non solo in termini di costi operativi, ma anche di tempo, sia per quanto riguarda la durata complessiva delle operazioni di acquisizione sia per quanto riguarda la successiva fase di interpretazione dei dati raccolti che non richiederà più l’analisi di un elevato numero di strisciate per le quali individuare le reciproche sovrapposizioni, ma potrà essere gestita, al limite, come una unica strisciata. Al di là dei benefici economici, questo permette anche l’esecuzione di acquisizioni più frequenti, utili nel caso di fenomeni in rapida evoluzione, quali gestione di emergenze causate da dissesto idrogeologico, fenomeni franosi, fenomeni di ingressione marina, ecc.

Il metodo in conformità con l’invenzione consente anche una migliore e più intuitiva rappresentazione dei dati acquisiti in quanto essi sono caratterizzati da un effetto tridimensionale più aderente alla realtà rispetto ai metodi della tecnica anteriore che soffrono di una generale perdita di informazione che non consente la ricostruzione delle zone a sviluppo verticale, in quanto l’acquisizione avviene secondo un asse nadirale.

Questo risulta particolarmente efficace nel caso di rappresentazione tridimensionale dei dati acquisiti di zone in cui sono presenti oggetti che presentano uno sviluppo essenzialmente ortogonale rispetto al suolo, come ad esempio, edifici o zone boschive con vegetazione a fogliame scarsamente fitto. Il metodo in conformità con l’invenzione, infatti, effettuando delle acquisizioni che prevedono di per sé la presenza di punti disposti su superfici essenzialmente verticali, consente una miglior rappresentazione di questi oggetti, la cui conformazione sarebbe invece mascherata, nei metodi della tecnica anteriore, dalla sommità degli stessi.

Si pensi, per esempio, alla acquisizione e successiva rappresentazione a fini urbanistici o di studio di impatto ambientale in zone abitate con presenza di edifici con varie altezze. I metodi di acquisizione della tecnica anteriore, avendo una scarsa, se non nulla, capacità di rappresentazione delle superfici verticali, darebbero luogo ad una irrealistica rappresentazione degli edifici data da una buona rappresentazione della sommità degli stessi e da una rappresentazione falsata delle facciate, rappresentate per lo più come superfici completamente lisce o, peggio, rapidamente degradanti lungo piani fortemente inclinati raccordati tra loro in maniera del tutto innaturale. Il metodo in conformità con l’invenzione, invece, consente una rappresentazione degli edifici del tutto aderente alla realtà e comparabile con quella che potrebbe essere la visione umana, con un effetto tridimensionale molto più naturale, consentendo valutazioni più obiettive e meno soggette alla interpretazione visiva di una rappresentazione poco aderente alla realtà stessa.

Occorre sottolineare che questi non sono solamente vantaggi estetici dovuti alla miglior rappresentazione ottenuta, ma si hanno anche migliori risultati nelle analisi dei dati, come, a solo titolo di esempio, nel rilevamento delle zone boschive in condizioni di fogliame scarsamente fitto, ove i metodi di acquisizione della tecnica anteriore sarebbero soggetti a maggiori possibilità di errore per lo scarso numero di punti rappresentativi della vegetazione con fogliame scarsamente fitto vista secondo un asse di acquisizione nadirale o quasi-nadirale, contrariamente al metodo in conformità con la presente invenzione che garantisce una più fedele rappresentazione anche della vegetazione in condizioni di fogliame scarsamente fitto.

Il metodo in conformità con la presente invenzione ha poi richiesto anche l’individuazione di nuovi metodi di elaborazione dei dati acquisiti, in quanto i metodi di postelaborazione dei dati in conformità con la tecnica anteriore gestirebbero i dati acquisiti come condizioni di errore, non essendo prevista la possibilità di acquisizioni su superfici anche solo approssimativamente verticali. Anche i differenti parametri di volo applicati nel metodo in conformità con l’invenzione, quale per esempio e come precedentemente spiegato, la quota di volo o il percorso di acquisizione, sarebbero gestiti dai metodi di post-elaborazione in conformità con la tecnica anteriore come condizioni anomale. Questo comporterebbe, quindi la perdita dei vantaggi ottenuti con il metodo di acquisizione esposto.

Il nuovo metodo di post-elaborazione in conformità con la presente invenzione, prevede, a differenza dei metodi della tecnica anteriore, l’individuazione di aree con pendenze omogenee, la rotazione degli assi del sistema di riferimento affinché queste appaiano quasi orizzontali “agli occhi” di un metodo di post-elaborazione della tecnica anteriore, l’elaborazione di tali dati secondo metodologie della tecnica anteriore e la successiva sintesi di tutte le singole elaborazioni, ricostruendo lo sviluppo orografico originario mediante accostamento delle singole elaborazioni effettuate, ovviamente ciascuna area con pendenza omogenea prevedendo una sovrapposizione con l’area precedente e l’area successiva, detta sovrapposizione, in generale, non derivando, però, da strisciate distinte, ma da porzioni distinte della medesima strisciata.

In sintesi il metodo di post-elaborazione in conformità con la presente invenzione prevede le seguenti fasi:

- individuazione di aree di acquisizione con pendenze omogenee - per ciascuna di dette aree di acquisizione con pendenze omogenee, rotazione degli assi del sistema di riferimento portando dette aree di acquisizione con pendenze omogenee su un piano quasi orizzontale

- elaborazione dei dati di ciascuna di dette aree di acquisizione con pendenze omogenee nel rispettivo sistema di riferimento con gli assi ruotati

- per ciascuna di dette aree di acquisizione con pendenze omogenee rotazione degli assi del sistema di riferimento riportando gli assi al sistema di riferimento originario

- ricostruzione dello sviluppo orografico acquisito mediante accostamento delle singole elaborazioni ciascuna delle quali relativa ad aree di acquisizione con pendenze omogenee.

Ovviamente, nel caso in cui l’acquisizione dello sviluppo orografico richieda di per sé l’esecuzione di più strisciate di acquisizione per garantire il grado di precisione richiesto, seguirà anche una successiva o concomitante operazione di sovrapposizione che coinvolge strisciate adiacenti.

Sarà evidente agli esperti del settore che il metodo di acquisizione in conformità con la presente invenzione può incorporare un metodo di inseguimento e mantenimento dell’angolo impostato per l’angolo α tra detto asse di acquisizione (12) e detto asse verticale (16), detto metodo di inseguimento e mantenimento dell’angolo impostato comprendente le fasi di rilevamento della inclinazione dell’aeromobile rispetto al suolo e di correzione dell’angolo di acquisizione della apparecchiatura LIDAR per mantenere le variazioni di detto angolo α entro i limiti della particolare apparecchiatura LIDAR utilizzata, che generalmente sono compresi entro 5 gradi.

Sarà evidente agli esperti del settore che mentre nella presente descrizione si è illustrato principalmente il caso di una acquisizione effettuata mediante strumentazione LIDAR, il sistema di acquisizione può incorporare anche altre strumentazioni in funzione delle specifiche rilevazioni da effettuare, quali, a solo titolo di esempio e non limitate alle sole riportate, macchine fotografiche analogiche o digitali, videocamere analogiche o digitali, rilevatori spettrali per acquisizione di frequenze esterne al campo del visibile (multi, super e iper spettrali), rilevatori termici, altimetri, ricevitori GPS, rilevatori inerziali o accelerometri, dette strumentazioni essendo affiancate alla strumentazione di acquisizione LIDAR e l’asse di acquisizione di dette strumentazioni essendo parallelo ed orientato concordemente a detto asse di acquisizione (12) di detta strumentazione di acquisizione LIDAR.

Sarà evidente agli esperti del settore che mentre nella forma di realizzazione illustrata è rappresentato un elicottero quale aeromobile (1) supportante il sistema di acquisizione, il metodo in conformità con la presente invenzione è applicabile anche a tutti gli altri tipi di velivoli, compresi aerei o altri veicoli volanti, indifferentemente dotati di pilota, teleguidati o automatico. Nomenclatura utilizzata

Con riferimento ai numeri identificativi riportati nelle figure allegate, si è usata la seguente nomenclatura:

1. Aeromobile

2. Sistema di acquisizione

3. Area di acquisizione

4. Satellite

5. Stazione base a terra

6. Direzione di avanzamento o di “strisciata”

7. Dislivello

8. Rientranza

9. Fascio di acquisizione

10. Direzione di spostamento laterale

11. Percorso di acquisizione

12. Asse di acquisizione

13. Suolo

14. Margine superiore

15. Profilo della costa

16. Asse verticale

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Metodo di rilevamento aereo dell’andamento altimetrico del suolo mediante aeromobile comprendente acquisizioni mediante apparecchiatura sfruttante metodologia di acquisizione LIDAR lungo la direzione di avanzamento dell’aeromobile, acquisizioni dei dati satellitari GPS relativi alla posizione dell’aeromobile ed acquisizioni dei dati da un sistema inerziale di navigazione dell’aeromobile stesso, detto andamento altimetrico essendo rilevato lungo almeno una striscia di acquisizione, detta striscia di acquisizione essendo composta da una successione di “linee” di acquisizione, ciascuna di dette linee di acquisizione corrispondendo alla proiezione sul suolo di un fascio generato dal trasmettitore laser di detta apparecchiatura LIDAR lungo l’asse di detta apparecchiatura, ciascuna di dette linee di acquisizione essendo costituita dagli impulsi di ritorno di detto fascio laser proiettato, l’andamento della successione di dette linee di acquisizione e quindi l’andamento della corrispondente striscia di acquisizione essendo determinato dallo spostamento di detta apparecchiatura LIDAR supportata da detto aeromobile in movimento relativo rispetto al suolo lungo un percorso di acquisizione caratterizzato dal fatto che detto asse di acquisizione (12) di detto fascio di acquisizione (9) è inclinato rispetto all’asse verticale (16) di un angolo α maggiore di 5 gradi. 2.- Metodo di rilevamento aereo in conformità con la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detto angolo α è di 45 gradi. 3.- Metodo di rilevamento aereo in conformità con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il percorso di acquisizione (11) segue una traiettoria corrispondente all’andamento morfologico del suolo (13) sottoposto ad acquisizione. 4.- Metodo di rilevamento aereo in conformità con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la quota di volo lungo detto percorso di acquisizione (11) viene variata in funzione dell’andamento morfologico del suolo (13) sottoposto ad acquisizione. 5.- Metodo di rilevamento aereo in conformità con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il percorso di acquisizione (11) e la quota di volo lungo detto percorso di acquisizione (11) sono variati in modo tale da mantenere costante la distanza dalla morfologia del suolo (13) sottoposta ad acquisizione. 6.- Metodo di rilevamento aereo in conformità con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che si effettuano più strisciate di acquisizione successive, ciascuna strisciata essendo approssimativamente parallela e sovrapposta almeno parzialmente alla strisciata precedente. 7.- Metodo di rilevamento aereo in conformità con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la superficie rilevata ha andamento con pendenza prossima alla verticale, o oltre. 8.- Metodo di rilevamento aereo in conformità con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la post-elaborazione dei dati acquisiti avviene secondo le seguenti fasi: - individuazione di aree di acquisizione con pendenze omogenee - per ciascuna di dette aree di acquisizione con pendenze omogenee, rotazione degli assi del sistema di riferimento portando dette aree di acquisizione con pendenze omogenee su un piano quasi orizzontale - elaborazione dei dati di ciascuna di dette aree di acquisizione con pendenze omogenee nel rispettivo sistema di riferimento con gli assi ruotati - per ciascuna di dette aree di acquisizione con pendenze omogenee rotazione degli assi del sistema di riferimento riportando gli assi al sistema di riferimento originario - ricostruzione dello sviluppo orografico acquisito mediante accostamento delle singole elaborazioni ciascuna delle quali relativa ad aree di acquisizione con pendenze omogenee. 9.- Metodo di rilevamento aereo in conformità con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto metodo comprende anche acquisizioni di foto e/o video e/o immagini spettrali e/o immagini termiche durante dette acquisizioni mediante metodologia LIDAR, l’asse di acquisizione di dette acquisizioni essendo parallelo ed orientato concordemente a detto asse di acquisizione (12). 10.- Metodo di rilevamento aereo in conformità con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto metodo viene attuato mediante un elicottero.