Riassunto analitico
La ricostruzione 3D da immagini nasce con la fotogrammetria, negli ultimi anni ha avuto un grande crescita grazie allo sviluppo di algoritmi di Structure from Motion (SfM) e Unmanned Aerial System (UAS). Le SfM coniugano le pratiche della computer vision e i principi base della fotogrammetria tradizionale. Si parla di fotogrammetria moderna, la fase di acquisizione non è rigorosa, si possono utilizzare fotocamere non calibrate, bisogna garantire abbondante sovrapposizione delle immagini (>80%) e alcune osservazioni a terra. Questa disciplina si adatta alle acquisizioni da piattaforme instabili, come gli UAS. Lo scopo di questo lavoro di tesi è indagare aspetti e strategie che consentano la creazione di modelli 3D adatti alle applicazioni di monitoraggio. Occorre ricercare una adeguata accuratezza metrica nel prodotto e la ripetibilità del rilievo. Gli aspetti legati all’acquisizione delle immagini, le caratteristiche dell’area, distribuzione e numerosità dei Ground Control Points (GCPs) saranno indagati. Dopo una prima fase di entusiasmo dovuto alla facilità nell’ottenere prodotti tridimensionali ad altissima definizione e alle nuove prospettive offerte dagli UAS, occorre ricercare una procedura per la ricostruzione che porti a prodotti rigorosi dal punto di vista metrico e informativo. Accuratezza metrica e ripetibilità si ottengono se la fase di rilievo è progettata accuratamente dal punto di vista di tipo di fotocamera, geometria di acquisizione, GCPs, rilievo delle coordinate dei GCPs, sistema di riferimento. Il lavoro di tesi spiega gli step e i principali algoritmi utilizzati nelle Structure from Motion, richiamando i concetti chiave della fotogrammetria tradizionale e le differenze con la fotogrammetria moderna. I casi studio proposti sono utili a dimostrare l’affidabilità della metodologia in contesti molto diversi fra loro: un sito archeologico, una cava e una barriera corallina. Nei casi proposti la ricostruzione 3D è realizzata con immagini terrestri, da UAS e subacquee. L’analisi indaga l’accuratezza dei prodotti ottenuti proponendone l’utilizzo a scopo documentativo e di monitoraggio. In conclusione è proposta una discussione sugli aspetti rilevanti nelle indagini del monitoraggio, dove occorre confrontare modelli 3D creati in momento diversi.
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Abstract
Photogrammetry allowed the 3D reconstruction from images. In recent years this technique has grown thanks to Structure from Motion algorithms (SfM) and Unmanned Aerial System (UAS). SfM combine the practices of computer vision and the principles of traditional photogrammetry in a modern photogrammetry. Acquisition phase is not rigorous, not-calibrated cameras can be used, high overlapping of images (> 80%) and some ground observations are required. This technique is well suited for acquisitions by unstable platforms, such as UAS.
The purpose of this thesis work is to investigate issues and strategies for the creation of 3D models suitable in monitoring applications. Acquisition of the images, surveyed area, distribution and numerousness of Ground Control Points (GCPs) will be investigated. Scientific community welcomed the new perspectives offered by UAS and the easiness in obtaining 3D high-definition products. A 3D reconstruction leading to metric and informative products is necessary. An adequate metric accuracy in generated products and survey repeatability can be obtained if the acquisition step is carefully designed: camera, acquisition geometry, GCPs positioning and coordinates’ detection, reference system.
This work explains steps and algorithms used in Structure from Motion algorithms, key concepts of traditional photogrammetry and differences with the modern photogrammetry are shown. Proposed case studies demonstrate the reliability of the methodology in different contexts: an archaeological site, a quarry and a coral reef. In proposed cases 3D reconstruction is made from terrestrial, UAS and underwater imagery. The accuracy of obtained products is evaluated for documentation and monitoring purposes. In conclusion, a discussion on main requirements for the comparison of 3D models created at different epochs and monitoring applications is proposed.
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