Riassunto analitico
La creazione di un modello digitale tridimensionale (3D) di un oggetto esistente è, ancora oggi, il risultato di un processo complesso, che inizia con l’acquisizione dei dati e termina con la gestione di una ricostruzione 3D virtuale dell’oggetto stesso. Negli ultimi anni, la modellazione 3D ha avuto grande diffusione in ambito industriale, nel campo dei Beni Culturali (BC) e in quello di pianificazione territoriale. Le sue applicazioni per la documentazione dei BC spaziano dalle tecniche di conservazione e archiviazione digitale fino a quelle di restauro virtuale e prototipazione. A scala spaziale maggiore, i Modelli Digitali del Terreno (DTM) e della Superficie (DSM) rappresentano oggi strumenti efficaci per la conoscenza della morfologia del territorio e la descrizione morfometrica di aree urbane. Al fine di creare tali modelli 3D, sensori attivi e passivi possono essere entrambi applicati in modo efficiente. Tra questi, l’utilizzo di immagini sta ricevendo oggi grande attenzione, grazie allo sviluppo di procedure automatiche per la modellazione 3D imaged-based. A tale interesse si accompagna però la preoccupazione legata alla qualità metrica dei risultati finali. Per rispondere a tali domande, risulta oggi necessaria un’attenta valutazione dell’accuratezza di tali tecniche, per definire il loro potenziale metrico e l’associata incertezza. Questo è lo scopo principale del presente lavoro di ricerca che si è basato sull'esecuzione di test metrologici finalizzati alla produzione di dati comparativi e delle migliori pratiche. È stato adottato un approccio multi-scala, a partire da applicazioni a distanza ravvicinata fino all'uso di immagini satellitari.Oggi sono disponibili molti software open-source per l'estrazione di nuvole di punti a partire da immagini. Alcuni di essi sono stati testati in questo lavoro, ma l'attenzione è stata focalizzata soprattutto sulla suite Apero/MicMac sviluppata dall’ Institut Géographique National (IGN) francese. E’ stato valutato metricamente ogni passaggio in cui si articola la procedura, a partire dall’estrazione dei punti omologhi fino alla generazione del modello 3D. Parte del lavoro è stato svolto in collaborazione con il National Research Council canadese e il Centre National de la Recherche Scientifique francese. Per prima cosa, è stata valutata l’accuratezza delle procedure di calibrazione offerte dai tools dell’IGN. In seguito, la procedura completa è stata applicata alla modellazione 3D di piccoli oggetti per testare l'influenza di diversi parametri. I test sono stati eseguiti impiegando modelli di riferimento appropriati, acquisiti con sensori attivi ad alta risoluzione. A scala spaziale più ampia, sono stati scelti due casi studio architettonici: l'ingresso della Cathédrale de la Major (Marsiglia) e il campanile della Basilica di Santo Stefano (Bologna). La prima applicazione è stata finalizzata ad accertare l'influenza di vari parametri procedurali in ogni fase del processo, a partire da diversi protocolli di acquisizione delle immagini. Un laser scanner a tempo di volo e una stazione totale sono stati utilizzati per definire i modelli di riferimento e il sistema di coordinate. Nel secondo caso, sono state utilizzate immagini acquisite da UAV (Unmanned Aerial Vehicle) per estrarre la nuvola di punti della parte superiore della torre, la cui restante porzione era stata acquisita con laser scanner. Il lavoro è stato volto a testare l'integrazione delle due tecniche di rilievo e dei loro prodotti. La parte finale della ricerca si propone di analizzare, a scala spaziale maggiore, le fasi principali dell’estrazione di DTM e DSM da immagini satellitari. E’ stata impiegata una stereocoppia acquisita dal satellite WorldView-1 sui Colli Albani (Roma) e sono stati confrontati diversi modelli di correzione geometrica delle immagini. Infine, sono stati valutati due approcci volti a rimuovere dal modello gli edifici.
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Abstract
The creation of a digital three-dimensional (3D) model of an as-built object is still the result of a complex process. This process covers techniques of data acquisition up to the management of a PC-interactive 3D virtual reconstruction of that object. In recent years, 3D imaging and modelling have gained large diffusion in industrial applications as well as in both Cultural Heritage (CH) and city modelling applied research fields. Its applications for CH documentation range from digital conservation and accurate archiving up to computer-aided restoration and rapid prototyping. At a larger spatial scale, Digital Terrain Model (DTM) and Digital Surface Model (DSM) represent nowadays powerful tools for the knowledge of the terrain morphology and urban areas morphometric description.
In order to create 3D models, both active and passive optical sensors can be efficiently applied. Among them, the use of image data acquired without structured lighting is receiving great attention thanks to the development of automated procedures for image-based 3D modelling. This interest in using lower cost and versatile image-only methods is accompanied by a preoccupation linked to the quality of their final results. To answer some of the questions, an accuracy assessment of these photogrammetric and computer vision-based methods should be performed to show their metric potential and associated measurement uncertainty.
This is the main purpose of the present research work that was carried out performing metrological validation tests aimed at producing comparative data and best practices. A multi-scale approach was adopted, starting from close-range CH applications up to the use of satellite images.
Many open-source software packages have been developed for the extraction of point clouds from a set of un-oriented images. Some of them were tested in this work but the attention was focused on the public domain Apero and MicMac tools created by the French Institut Géographique National (IGN). Detailed metrological studies were carried out in order to investigate each step of the procedural pipeline, from tie point detection up to the final 3D model extraction. Part of the work was performed in collaboration with the Canadian National Research Council and the French Centre National de la Recherche Scientifique. The accuracy of the automated calibration procedures offered by the IGN tools was initially assessed performing test-range and self-calibration approaches. Afterwards, the complete photogrammetric procedure was applied to the 3D modelling of small objects, testing the influence of different parameters. Appropriate reference models were acquired using different high resolution active sensors of known uncertainties. At a larger scale, two architectural case studies were chosen: the main entrance of Cathédrale de la Major (Marseilles) and the tower of Basilica Santo Stefano (Bologna). The first application was aimed at investigating the influence of different procedural parameters in each step of the pipeline, starting from different image acquisition protocols. A Time-of-Flight (TOF) Laser Scanner and a Total Station were used to set reference models and coordinate system. Images acquired with a Unmanned Aerial Vehicle were used in the latter application to extract the point cloud of the upper part of the tower for which the central and bottom parts were acquired with a TOF Laser Scanner. The integration of the two surveys was metrically evaluated.
The final part of the work is aimed at analysing, at the largest spatial scale, the main steps that constitute the procedure of DTM and DSM extraction from satellite images. A stereo pair captured by WorldView-1 over Colli Albani (Rome) was used and part of the work was performed in collaboration with Planetek Italia Srl. Different models for the image geometric correction were compared. The possibility to remove artefacts like buildings was finally evaluated, testing two different approaches.
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