l'evoluzione delle tecniche di rilevamento: dai metodi...
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Marica Franzini – DRONITALY - 24 ottobre 2014 - Milano
L'evoluzione delle tecniche di rilevamento:
dai metodi tradizionali al GPS e alle nuove
tecnologie mediante l'impiego di SAPR
Vittorio Casella, Marica Franzini - Università degli Studi di Pavia
Giovanna Sona - Politecnico di Milano
Marica Franzini – DRONITALY - 24 ottobre 2014 - Milano
Le radici dell'evoluzione - 1
La topografia ha radici molte antiche.
Testimonianze su rilievi topografici si hanno fin dall'antico Egitto e,
ovviamente, molte cose sono cambiate da allora .
Come per altri settori, gli ultimi 40 anni hanno rappresentato un periodo
di rapido e profondo mutamento le cui origini vanno ricercate
principalmente in due elementi:
l'elettronica
l'informatica
L'evoluzione è stato così profonda che è stato necessario coniare un
nuovo termine - GEOMATICA - per racchiudere tutte le diverse tipologie
di rilievo oggi esistenti.
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Le radici dell'evoluzione - 2
Questo mutamento non si è limitato ad alcuni aspetti ma ha coinvolto:
strumenti/sensori
tecniche (di rilievo e di processamento)
prodotti
La relazione si focalizzerà principalmente sui primi due punti.
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La Topografia
Iniziamo dalla disciplina più antica soffermandoci però sulla storia più
recente.
Negli anni '60 il rilievo topografico era una disciplina pienamente matura
anche grazie alla presenza di strumenti ottico-meccanici di elevata
qualità.
Quando si parla di strumento topografico ci si riferisce ad un dispositivo
capace di misurare:
angoli (azimutali e zenitali)
distanze
Se per gli angoli non si sono mai avuti problemi, la misura della distanza
ha rappresentato per molti anni un grosso ostacolo.
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Misure di distanza
Agli inizi la distanza veniva determinata sulla base misure angolari.
Ad esempio mettendo in
relazione:
l'angolo al vertice tra due
collimazioni effettuate su una
stadia verticale
la lettura effettuate sulla stadia
stessa
Tali misure erano di scarsa qualità (anche con un buon teodolite l'errore
risulta superiore a 25 cm su 100 m) e per rilievi di precisione ci si basava
unicamente su misura angolari (triangolazioni).
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Nascita degli EDM
Risalgono alla fine degli anni '50 i primi esperimenti per determinare la
distanza percorsa da un fascio di luce basandosi sulla differenza di fase
tra l'onda emessa e quella riflessa.
Nascono i dispositivi EDM - Electronic Distance Measurement
Nel 1968, Zeiss combina per la prima volta un
teodolite con un distanziometro elettronico
dando vita di fatto alla prima "Stazione Totale"
(Zeiss ELTA 46).
Un primo traguardo importante è stato
raggiunto: effettuare misure di distanza di
qualità.
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Con o senza prisma?
I primi distanziometri richiedevano però che sul punto da misurare fosse
presente un elemento altamente riflettente - il prisma.
Questo costituiva un limite soprattutto in relazione alla produttività.
Il progredire dell'elettronica ha permesso la nascita delle misure senza
prisma - reflectorless; nasce nel 1986 il primo distanziometro senza prisma
(WILD Dior).
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La Topografia moderna
Nella topografia classica più recente l'evoluzione si è avuta grazie:
alla capacità di misurare la distanza con elevata qualità
alla possibilità di misurare la distanza senza l'ausilio di prismi
Questo ha influito :
sul rilievo - una maggiore produttività
sul processamento dei dati - possibilità di effettuare rilievi con sole
misure di distanza (trilaterazioni)
La nascita dei distanziometri elettronici ha avuto, come vedremo, anche
ricadute al di fuori del settore topografico; essa ha portato alla nascita di
una nuova tipologia di sensori legati unicamente alla misura di distanza: i
laser scanner.
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Topografia satellitare
Nello stesso periodo:
la topografia tradizionale evolveva fino a raggiungere l'attuale
configurazione
maturava un sistema di posizionamento capace di rivoluzionare
totalmente il modo di effettuare il rilevamento
Nel 1960 la NASA, il DoT (Department of Trasportation) e il DoD
(Department of Defence) cominciano a pensare ad un sistema di
posizionamento globale.
Nel 1977 nasce il programma NAVSTAR GPS.
L'avvento del GPS ha avuto ricadute in tutte tutti i settori del rilevamento,
terrestre ed aereo.
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Cos'è il GPS?
Il GPS è un sistema di posizionamento satellitare globale.
E’ costituito da una costellazione di satelliti che emettono
incessantemente dei segnali elettromagnetici verso la Terra.
Tali segnali i vengono captati, memorizzati ed elaborati da speciali
ricevitori al fine di determinare, con elevata precisione, la posizione
occupata.
Lo scopo è permettere:
in ogni istante, in ogni luogo e con ogni condizione climatica
il posizionamento tridimensionale di oggetti sia fermi che in movimento
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Rivoluzione GPS
Perché il GPS è stato una rivoluzione?
Perché andava, in alcuni casi, a scardinare alcune principi su cui la
topografia classica si poggiava:
il vincolo dell'intervisibilità tra punti
il rilievo basato su osservazioni relative
il rilievo di punti statici
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Intervisibilità tra i punti
TOPOGRAFIA: è basata sulla collimazione di punti e si può misurare solo
ciò che si può vedere
GPS: permette di determinare la posizione reciproca tra due punti senza
che essi siano intervisibili
Un esempio …
… per calcolare la posizione relativa di due punti distanti, poniamo 20
Km, è sufficiente mettere in stazione due ricevitori sui due punti per circa
un'ora …
… un lavoro analogo, se svolto con metodi topografici classici,
richiederebbe probabilmente, su un territorio come quello italiano, molti
giorni di lavoro
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Posizionamento assoluto e rilievo cinematico
TOPOGRAFIA: effettua misure relative di angoli e distanze
GPS: determina direttamente le coordinate in un sistema di riferimento
assoluto
TOPOGRAFIA: tradizionalmente le misure vengono fatte verso punti fermi
sul territorio
GPS: se posiziono un ricevitore GPS su un veicolo in movimento è possibile
determinare la traiettoria seguita del veicolo stesso
Quest'ultimo aspetto, forse poco importante, nell'ottica di un rilievo
terrestre tradizionale, costituisce invece la chiave di volta per l'adozione
del GPS nel rilievo da mezzi in movimento (aerei, elicotteri, etc).
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L'evoluzione del GPS
Al di là della rivoluzione apportata dal GPS nell'ottica del rilievo in
generale, il GPS stesso ha visto internamente profonde evoluzioni:
nelle caratteristiche dei segmenti (satelliti, stazioni di controllo,
ricevitori)
nel soluzioni di processamento (tipologie di segnale)
nelle tecniche di posizionamento (assoluto, relativo, differenziale)
Come già citato le spinte verso tali mutamenti sono sostanzialmente
legate all'elettronica del sistema e all'elaborazione dei dati (informatica).
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Il posizionamento satellitare
Il posizionamento GPS si basa sulla capacità del ricevitore di determinare
la distanza che lo separa del satellite.
Tale distanza viene ottenuta dal tempo di volo. Il passaggio tra il tempo e
la distanza viene banalmente ottenuto come: d = tempo ∙ velocità
Le posizioni sono determinate
combinando le informazione di distanza
satellite-ricevitore e la posizione di punti
noti (nel nostro caso i satelliti).
Questa tecnica è chiamata
trilaterazione.
z
y
x
P
xP
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Tecniche di posizionamento
Esistono tre tecniche di posizionamento :
• posizionamento assoluto (m)
• posizionamento relativo (mm)
• posizionamento differenziale (cm)
Quale scegliere? Dipende dalle finalità del rilievo.
Per le finalità topografiche solo il posizionamento relativo e differenziale
possono essere presi in considerazione.
Questa considerazione, che pare tutto sommato scontata, è un punto
chiave per l'evoluzione che il processamento dei dati GPS sta avendo
nell'ambito del rilievo da drone.
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Il posizionamento relativo
Due ricevitori posizionati su due vertici distinti effettuano misurazioni
simultanee verso uno stesso set di satelliti
I dati raccolti vengono differenziati al fine di eliminare le principali fonti
di errore comuni
Questa tecnica porta al calcolo delle componenti del vettore che
unisce i due punti
Dalla conoscenza della
posizione di un vertice è
possibile determinare l'altro;
la caduta del vincolo di
intervisibilità rende questa
operazione agevole
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Il posizionamento differenziale
La posizione del punto viene ricavata da osservazioni contemporanee
effettuate presso una stazione fissa - Master, di posizione nota, ed un
ricevitore mobile - Rover
Il Master, partendo da queste osservazioni, calcola delle correzioni da
applicare alle misure effettuate dal Rover al fine di migliorarne la
precisione
Se i due ricevitori sono
connessi tra loro, questa
operazione può essere
effettuata in tempo reale
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GNSS
Sempre più spesso viene adottato l'acronimo GNSS quando si sta
parlando di posizionamento satellitare.
GNSS sta per Global Navigation Satellite System (sistemi di navigazione
satellitare globale). Il GNSS più noto è GPS ma non è l'unico.
Altri sistemi di posizionamento globale esistenti o in programma sono:
Glonass - Russia
Compass (Beidou) - Cina
Galileo - Europa
Tutti i sistemi hanno caratteristiche diverse ma si basano sostanzialmente
sulla stessa architettura e sui medesimi principi di posizionamento appena
illustrati.
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Topografia classica e satellitare
Il GPS ha evidenziato immediatamente le sue potenzialità nel
rilevamento terrestre affiancando in breve tempo le tecniche
topografiche classiche in quello che viene diffusamente chiamato rilievo
integrato.
GPS:
coordinate tridimensionali assolute di elevata qualità
superamento del vincolo di intervisibilità
Topografia:
capacità di misurare la posizione di punti non stazionabili
capacità di misurare punti situati al chiuso o in zone con scarsa
visibilità dei satelliti
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GPS per la determinazione di veicoli in movimento
Nell'ambito del rilevamento, la capacità di poter determinare la
posizione, e la traiettoria, di oggetti in movimento, ha reso il GPS un
valido supporto per molte tecniche:
fotogrammetria aerea
laser scanner aereo (Lidar)
droni
MMV - Mobile Mapping Vehicle
Affrontiamo a questo punto l'evoluzione che hanno avuto le tecniche di
rilevamento da aereo cominciando da quella che, parallelamente alla
topografia, è stata una protagonista principale nell'ultimo secolo: la
Fotogrammetria.
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La Fotogrammetria - 1
Le tecniche topografiche, classiche e GPS, sono caratterizzate:
da un'elevata qualità
da una bassa produttività
Produrre cartografia di un centro
storico significa misurare le
coordinate di decine o centinaia
di migliaia di vertici.
La topografia misurando un solo
punto alla volta richiederebbe:
tempi lunghissimi
costi elevatissimi
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La Fotogrammetria - 2
Un’immagine aerea cattura in un
solo istante la posizione di
innumerevoli punti.
E' possibile ricostruire le coordinate
che un oggetto ha nel mondo a
partire dalla posizione che
occupa nelle immagini.
Nasce la FOTOGRAMMETRIA.
E' una disciplina più giovane rispetto alla topografia, ma vanta un storia
centenaria:
1867 viene per la prima volta utilizzato il termine in una pubblicazione
1910 nasce l'ISPRS
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Principio di collinearità
Un medesimo punto oggetto P può essere visto su due distinte
fotogrammi su cui avrà formato i punti immagine P1 e P2.
Durante la fase di restituzione,
la posizione di P viene
individuata come intersezione
delle due rette omologhe
determinate tramite il
principio di collinearità.
Occorrono almeno due
immagini per realizzare la
restituzione fotogrammetrica.
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L'evoluzione in fotogrammetria
La fotogrammetria ha, nel corso degli anni, subito importanti evoluzioni in
diversi settori:
nei sensori utilizzati per l'acquisizione
negli strumenti usati per la restituzione fotogrammetrica
nelle procedure di calcolo per la determinazione degli parametri di
orientamento esterno dei fotogrammi
Le tecnologie attualmente utilizzata nel rilievo da drone hanno avuto
origine dalle evoluzioni che la fotogrammetria aerea a avuto nel recente
passato.
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La Fotogrammetria analogica
Come per la topografia, fin dagli anni '70 esistono camere aeree di alta
qualità. Le camere producono immagini su pellicola della dimensione di
23 x 23 cm.
Le prime importanti evoluzioni che la fotogrammetria ha subito negli anni
recenti sono legate agli strumenti di restituzione.
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Restitutore analogico e analitico
Restitutore analogico: fino agli anni '70, le immagini acquisite venivano
poste in restitutori analogici che determinavano le coordinate tramite
dispositivi ottico meccanici
Restitutore analitico: lo sviluppo e la diffusione dei computer ha permesso
di accoppiare a restitutori di tipo ottico-meccanico la potenzialità di
calcolo di un PC
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Restitutore digitale
La capacità di digitalizzare i fotogrammi con appositi scanner a reso il
processo completamente digitale: nascono le DPW - Digital
Photogrammetric WorkStation.
Esse sono soprattutto caratterizzate da un alto grado di automatismo.
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Camere aeree digitali
Rispetto al mondo della fotografia amatoriale, sono recentemente
(ultimo decennio) la fotogrammetria aerea diviene totalmente digitale
con la comparsa delle prime camere aeree digitali.
Nonostante gli sviluppi tecnologici, a tutt'oggi, queste camere non
permettono ancora l'acquisizione di immagini di dimensioni simile a
quelle analogiche.
La necessità di mantenere la produttività simile a quella garantita fino a
questo momento ha portato le case produttrici ad adottare diverse
strategie di acquisizione:
a matrice
a linee
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Acquisizione a matrice
La camera dispone di più obbiettivi che acquisiscono porzioni diverse di
terreno garantendo però zone di ricoprimento.
L’immagine finale viene ottenuta come composizione delle immagini
acquisite dai singoli sensori.
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Acquisizione a linee
La camera ha un unico obbiettivo e sul piano focale sono disposti
numerosi sensori CCD a linee.
Le immagini vengono acquisite da almeno tre angolazioni diverse.
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I sensori multispettrali
Le camere aeree digitali permettono di avere una vasta gamma di
immagini diverse: immagini multi ed iperspettrali.
Le camere digitali acquisiscono le immagini registrando la radianza
emessa dagli oggetti in diversi intervalli dello spettro; tipicamente le tre
bande relative allo spettro visibile sono il rosso, il verde e il blu.
"Impacchettando" le tre immagini è possibile formare l'immagine così
come noi la vediamo.
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I sensori iperspettrali
Le camera iperspettrali operano in modo analogo registrando:
una maggior porzione di spettro (non solo il visibile)
suddividendo lo spettro in intervalli più piccoli
L'immagini finale è l'"impacchettamento" di tutte le immagini registrare;
spesso si parla di "cubo iperspettrale".
Se inserisco in un grafico il
valore di riflettenza registrato
per ognuno degli intervalli
spettrali è possibile identificare
gli elementi presenti in un
immagine.
Creo la cosiddetta "firma
spettrale".
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Esempio
Immagine di immagine pancromatica, multi-spettrale e a falso colore
acquisita contestualmente da una camera Leica ADS40 (SH52).
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La determinazione dei parametri di orientamento
E' possibile effettuare la misura fotogrammetrica una volta noti i
parametri di orientamento esterno dei singoli fotogrammi.
Questo significa conoscere:
la posizione del centro di presa
(X, Y, Z )
l'orientamento della camera (ω,
φ, κ )
Questi 6 numeri sono definiti parametri di orientamento esterno ed
esistono 6 parametri di orientamento per ogni fotogramma acquisito.
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Triangolazione aerea - 1
In passato non era possibile determinare direttamente tali parametri e il
problema veniva risolto con un procedimento chiamato triangolazione
aerea.
L'operatore doveva effettuare la misura sulle immagini al alcuni punti; essi
erano divisi in due grandi categorie;
punti di legame (TP): punti di cui si conoscono solo le coordinate
immagine misurate
punti di appoggio (GCP): punti di cui si conoscono le coordinate
immagine misurate e le coordinate in un sistema di riferimento assoluto
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Triangolazione aerea - 2
Basandosi sul principio della collinearità si costruisce un sistema di
equazione che mette in relazione:
le coordinate immagine di TP e GCP - note
le coordinate oggetto dei GCP - note
i parametri di orientamento esterno - incogniti
La risoluzione di questo sistemata di equazione permette di determinare i
parametri di orientamento di ogni fotogramma.
Per risolvere il problema in questo modo occorre conoscere e quindi
rilevare preliminarmente per via topografica le coordinate oggetto dei
GCP.
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Fotogrammetria diretta - 1
Il GPS e i sensori inerziali (IMU) hanno comportato l'ultima importante
evoluzione nel campo della fotogrammetria aerea.
Il GPS permette di determinare la posizione della camera.
Il sistema IMU permette di determinare gli angoli di assetto.
In questo modo, in linea teorica, non è necessario effettuare alcuna
triangolazione aerea. Si parla in questo caso di fotogrammetria diretta.
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Fotogrammetria diretta - 2
L'uso dei parametri di orientamento esterno ricavati da un sistema
GPS/IMU no ci salvaguarda però dell'introduzione di eventuali errori che
possono influenzare il dato finale.
La fotogrammetria diretta funziona:
se la soluzione GPS/IMU è sufficientemente accurata
se i parametri di calibrazione interna della camera sono
sufficientemente stabili
I sensori GPS/IMU e le camere adottate in fotogrammetria aerea
assicurano in linea teorica entrambe le condizioni.
Vedremo che per il rilievo da drone la situazione è un po' più complicata.
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Lidar - 1
Il Lidar aereo è nato poiché:
si ha la capacità di misurare la distanza senza l'ausilio di un prisma
esistono i dispositivi GPS/IMU
E' basato sulla scansione del territorio sorvolato da un aereo o da un
elicottero per mezzo di un telemetro laser.
Esso misura la distanza fra il
punto A, materializzato dal
telemetro stesso, e il punto di
riflessione B, che rappresenta
il generico punto
appartenente al terreno.
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Lidar - 2
Il lidar non si limita solo a misurare la distanza fra i punti A e B ma fornisce
anche le coordinate del punto B.
Perché questo sia possibile occorre conoscere:
la posizione dell’aereo in ogni istante
l’assetto dell’aereo in ogni istante
Questo vi da' la possibilità di
determinare la posizione
tridimensionale dei punti
colpiti.
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Produttività
Un buon topografo impiega pochi secondi a effettuare una misura con
stazione totale.
I nuovi sistemi Lidar aerei hanno una produttività tra 500 e 1000 kHz; ciò
significa determinare la posizione tridimensionale di 1'000'000 di punti al
secondo.
Questa capacità permette di avere una descrizione estremamente
particolareggiata del terreno sorvolato.
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Rilievo da drone
Il rilievo da drone rappresenta l'ultima evoluzione delle tecniche di
rilevamento aereo.
Quanto visto fino ad adesso è il punto di partenza (l'esperienza)su cui si
basano i sistemi di rilevamento da drone.
Gli ultimi anni hanno mostrato l'introduzione sul mercato di sempre
maggiori soluzioni:
in relazione al vettore (droni ad alla fissa o a rotore di varie dimensioni
e payload)
in relazione ai sensori montati a bordo
in relazione alle metodologie di processamento dei dati
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Fotogrammetria aerea vs droni
Il confronto tra la fotogrammetria aerea e da drone viene spontaneo.
Se da un lato esistono innumerevoli punti di contatto ...
tipologia di sensori
tipologia di processamento delle immagini
tipologia di prodotti
... dall'altro alcune peculiarità rendono le due tecniche ancora
sostanzialmente diverse
flessibilità
produttività
calibrazione
orientamento
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Flessibilità e produttività
A differenza della fotogrammetria aerea, che richiede operazioni di
progettazione ed esecuzione del volo affidate a poche ditte
specializzate, il rilievo da drone è "teoricamente" estremamente flessibili:
volo quando voglio
volo con limitato preavviso
La fotogrammetria aerea vanta una maggiore produttività connessa:
alle altezze di volo: 800÷6000 m vs 50÷300 m
alla risoluzione delle camere utilizzate: 190 MP vs 24 MP
Queste caratteristiche, altre alla limitata autonomia di volo, rende il
rilievo da drone più sensibile rispetto all'estensione dell'area da acquisire.
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Calibrazione
Le camere aerea vengono costruite e calibrate in moda da fornire una
geometria praticamente perfetta; esse sono inoltre estremamente stabili
nel tempo e nello spazio.
Le camera montate a bordo dei droni sono invece più deboli da questo
punto di vista e richiedono un'attenta fase di calibrazione interna per
ottenere i risultati attesi.
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Orientamento
La nascita dei sistemi GPS/IMU ha ricoperto un ruolo importante
nell'evoluzione della determinazione dell'orientamento delle immagini
acquisite.
Alcuni sistemi, come il Lidar e le camere aeree a linee, non esisterebbero
senza l'esistenza di sensore GPS/IMU.
La loro importanza è evidente anche nel caso da rilievo da drone dove:
agevolano le operazioni di acquisizione del volo pianificato
possono costituire l'orientamento esterno iniziale per le successive fase
di processamento
La loro qualità non è tuttavia ancora sufficiente per effettuare una
fotogrammetria diretta.