Fotogrammetria da drone e terrestre applicata alla meccanica delle rocce

Analisi geomeccanica da “non contatto” su nuvole di punti tridimensionali per la verifica di stabilità di ammassi rocciosi ed il progetto di interventi di consolidamento.

Il rilievo geomeccanico, in campo geotecnico e geologico, è una procedura indispensabile per la caratterizzazione di un ammasso roccioso. È necessario per conoscere le caratteristiche del materiale, per studiare il suo grado di stabilità, per valutare possibili interventi di messa in sicurezza e per progettarli sulla base di dati robusti.

Il rilievo geomeccanico è condotto da tecnici specializzati che, tipicamente, accedono alle aree oggetto di indagine e ne acquisiscono le informazioni geologico-tecniche: dimensioni, discontinuità, giaciture, fratture, rugosità. Ma un ammasso roccioso da studiare può essere potenzialmente pericoloso per il geologo in campo che lo deve rilevare, specialmente se è fratturato, instabile, esposto e tendente al crollo. Inoltre l’avvicinamento e l’accesso alle aree del rilievo è spesso difficile, talvolta rischioso o addirittura impossibile, a meno di utilizzare tecniche ed attrezzature alpinistiche.

In sinergia con il DISEG – Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Edile e Geotecnica - del Politecnico di Torino è stato condotto uno studio in cui si sono applicate tecniche di rilievo fotogrammetrico per elaborare modelli tridimensionali di media, alta ed altissima risoluzione e si è valutato il grado di rispondenza dei risultati delle analisi geomeccaniche condotte su tali modelli con quelli delle campagne di indagine di campo.

Il lavoro di campo si è svolto sul caso pratico di una cava di marmo del bacino marmifero delle Alpi Apuane. Si sono adottate tecniche di rilievo fotogrammetrico terrestre, rilievo aerofotogrammetrico da APR (Aeromobile a Pilotaggio Remoto), rilievo topografico tradizionale, modellazione fotogrammetrica “structure from motion” e rilievo geomeccanico classico “da contatto”. Si sono elaborati i dati e confrontati i risultati per valutare l’efficacia delle tecniche fotogrammetriche a supporto delle indagini di campo. Lo studio è stato argomento della tesi di Laurea Magistrale dell’Ing. Adriana Zingarelli – Ingegneria Civile Geotecnica – Politecnico di Torino – aprile 2019.


 

Si può sostituire un geologo che conduce un’analisi geomeccanica di campo su un ammasso roccioso con lo studio di un modello tridimensionale della roccia, ricavato da elaborazioni fotogrammetriche?

Personalmente non lo credo.

La sensibilità del fattore umano e l’esperienza del professionista permettono di leggere la roccia oltre la sua geometria, individuare la criticità nascosta tra le discontinuità e guidare le scelte di un progetto di messa in sicurezza.

Tuttavia un modello tridimensionale, dettagliato e rappresentativo dell’ammasso da studiare, può essere di non poco aiuto, sia al geologo che studia la roccia che all’ingegnere che progetta interventi di consolidamento.

Accedere ai dati topografici, morfologici e geomeccanici contenuti nel modello 3D di un ammasso:

  • evita al geologo ed al personale di campo esposizioni prolungate a rischi per la propria salute e sicurezza, derivanti dai fattori ambientali tipici di questi ambiti: crolli, cadute e scivolamenti;
  • permette di avere informazioni uniformemente distribuite nell’area di indagine con un’elevata densità spaziale, irraggiungibile, concretamente, con le tecniche di rilievo classico;
  • congela lo stato di fatto dell’ambito studiato al momento del rilievo, consegnan- do un dato ispezionabile, sempre accessibile nel tempo, indipendentemente dai cambiamenti che potranno accadere, e disponibile per chiunque abbia interesse, titolo o competenze ad interrogarlo.

 

Applicazione di tecniche di rilievo fotogrammetrico al caso studio di una cava di marmo 

L’area di studio

L’area oggetto dello studio applicativo è la “Cava Piastrone” nel Comune di Seravezza, in Provincia di Lucca. Si tratta di una cava di marmo del bacino della Alpi Apuane, con un’estensione planimetrica di poco superiore a 4 ettari e sviluppo, in elevazione, di oltre 100 m.

È uno dei siti estrattivi più importanti del versante settentrionale del Monte Altissimo. È il più antico ed uno dei più grandi dell’intero comparto. La sua morfologia è legata agli aspetti gestionali. È una “cava a fossa”. Ha un pozzo centrale contornato, su due lati, da pareti quasi verticali e di oltre 60 m, mentre in corrispondenza delle altre due parti si trova l’accesso alla zona di coltivazione, formata da gradoni di altezza compresa tra 10 e 15 metri (Fig. 1).

 

Applicazione di tecniche di rilievo fotogrammetrico al caso studio di una cava di marmo

Fig. 1 – Ripresa aerea da A.P.R. della Cava Piastrone (fonte Paolo Corradeghini - 3DMetrica)

 

Come la maggiore parte delle cave apuane, la “Cava Piastrone” si sviluppa prevalentemente in altezza. Le strade di arroccamento, ripide e mutevoli, permettono l’accesso solo ad alcune parti dell’area estrattiva. La maggior parte delle pareti rocciose esposte non sono accessibili direttamente da parte di operatori e tecnici, se non tramite attrezzature e tecniche alpinistiche (calate in corda). L’esposizione a Nord lo rende, climaticamente, un ambiente poco confortevole per via delle basse temperature e dei venti freddi.

 

Il rilievo fotogrammetrico

La fotogrammetria consente di definire posizione, forma e dimensioni di elementi, oggetti, superfici e versanti, utilizzando le informazioni contenute in immagini degli stessi, purché riprese da punti diversi.

Nella fotogrammetria da drone la macchina fotografica è montata a bordo di sistemi aeromobili a pilotaggio remoto, controllati da stazioni di terra, e scatta immagini aeree. Si parla pertanto di aerofotogrammetria da APR.

I prodotti della fotogrammetria sono nuvole di punti ad alta densità di informazioni spaziali (georeferenziate, orientate e scalate), modelli tridimensionali ad alta definizione (superficie a mesh e texture), modelli digitali di elevazione (DEM – Digital Elevation Model) ed ortomosaici.

La fotogrammetria si deve necessariamente appoggiare a misure topografiche per restituire risultati robusti. Tuttavia le informazioni ed i dati per la modellazione sono nelle immagini. Pertanto è possibile scattare fotografie di pareti ed affioramenti rocciosi senza doverli necessariamente raggiungere a piedi. E se le fotografie sono “buone” (per i criteri fotogrammetrici) il modello che ne risulta lo sarà altrettanto.

La fotogrammetria è stata quindi la scelta tecnica per la ricostruzione di modelli tridimensionali della cava “Piastrone” (e parti di essa) ed il rilievo si è condotto su quattro livelli di approfondimento crescenti.

 

Aerofotogrammetria da drone (A.P.R.) per la topografia generale

Il primo rilievo fotogrammetrico è servito per caratterizzare la topografia generale, l’orografia e la morfologia dell’intera cava. Si è trattato di aerofotogrammetria da drone.

Si è impiegato un aeromobile a pilotaggio remoto (A.P.R.), un multicottero a quattro eliche, pilotato in modalità manuale, per scattare circa 500 fotografie dell’intera area di cava. Le immagini scattate avevano orientamento nadirale (ottica rivolta verso il basso, lungo la verticale), frontale ed obliquo.

Tale scelta è legata al fatto che, per modellare bene i particolari di un oggetto, è importante avere fotografie tali che l’asse ottico uscente dall’obiettivo incida perpendicolarmente sulla superficie dell’elemento (“presa normale”). Pertanto fronti verticali richiedono fotografie frontali, mentre i piani orizzontali necessitano di fotografie nadirali. Le immagini oblique (inclinate di 45° rispetto all’orizzonte), oltre a lavorare bene per i versanti e per le superfici inclinate, funzionano come dataset di collegamento tra i due precedenti.

Una parte imprescindibile del rilievo di campo è stata la misura di coordinate di punti noti attraverso strumentazione topografica di alta precisione. Si tratta dei “punti di appoggio” o GCP (Ground Control Points). Le loro coordinate sono state inserite all’interno del software di elaborazione fotogrammetrica e permettono al modello risultante di essere: orientato, georeferenziato, scalato e geometricamente corretto.

I punti rilevati a terra permettono inoltre la stima dell’accuratezza generale della restituzione a seguito di un’analisi statistica agli scarti quadratici medi tra coordinate modellate e coordinate rilevate in campo.

Si sono posizionati in campo 25 target ad alta visibilità di cui si sono rilevate le coordinate tramite rilievo integrato a mezzo di un ricevitore GNSS in modalità RTK ed una stazione totale elettronica.

 

Aerofotogrammetria da drone (A.P.R.) per la geomeccanica

Nello stesso modo con cui si è approcciata l’aerofotogrammetria generale per la topografia dell’intero sito estrattivo, è stato condotto anche il primo livello di approfondimento in corrispondenza di un ammasso roccioso, su cui si sono condotti anche i rilievi geomeccanici “da contatto”.

In questa parte della cava si sono scattate circa 300 foto aeree ravvicinate, per assicurare un maggiore grado di dettaglio nel modello elaborato, e rilevate le coordinate di 20 punti di appoggio (Fig. 2).

Fotogrammetria da drone e terrestre applicata alla meccanica delle rocce

Fig. 2 – Area di indagine dei rilievi aerofotogrammetrici di maggior dettaglio (fonte Paolo Corradeghini - 3DMetrica)

 

Se le fotografie scattate da mezzo aereo per ricostruire la topografia generale sono state prese da una distanza media di circa 70 m, quelle per modellare questa parte di roccia avevano una distanza tra la fotocamera e la parete di circa 15 m. A parità di sensore fotografico e di ottica ciò si traduce in immagini più dettagliate ed in una maggiore ricchezza di informazioni del modello tridimensionale.

 

Fotogrammetria terrestre per modelli digitali ad alta definizione

Allo scopo di elaborare modelli digitali tridimensionali ancora più ricchi, sono state condotte altre due campagne di acquisizione di dati con un sistema fotografico terrestre caratterizzato da un sensore digitale di grande dimensione (full frame) e distanze di presa ridotte (inferiori a 5m).

Lo scopo di questa acquisizione è stato disporre di informazioni tali da permettere di effettuare ricostruzioni avanzate e confrontare le basi di dati disponibili per il rilievo da non contatto.

Anche per questa fase di rilievo non sono mancati i punti di appoggio topografico, opportunamente materializzati in sito e rilevati con elevate precisioni sulle coordinate planimetriche ed altimetriche.

Altre 300 foto, per ognuna delle due acquisizioni, si sono aggiunte ai dati da elaborare. 

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Il presente articolo fa parte degli ATTI DEL CONGRESSO NAZIONALE 2019 DELL’ASSOCIAZIONE MASTER