Come migliorare in nostri lavori? con i droni naturalmente

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Tra le tecnologie che si stanno attualmente imponendo in tutti i campi di applicazione figura certamente quella dei droni o piu' propriamente Unmanned Aerial Vehicle (UAV) o Sistemi Aerei a Pilotaggio Remoto (SAPR). Attualmente questi dispositivi sono in grado di aviotrasportare sensori anche molto raffinati in grado di acquisire dati sul territorio a costi accessibili da parte del professionista o del piccolo comune.
Il contributo dei SAPR alle Scienze della Terra consiste principalmente nella possibilita' di avere immagini telerilevate in diverse bande e riprese fotogrammetriche ad altissima risoluzione spaziale (pochi centimetri/pixel) a basso costo (da qualche centinaia a qualche migliaia di euro).
Alta risoluzione spaziale e basso costo stanno determinando il rapido ingresso di questa tecnologia nella pratica professionale di geologi e ingegneri ambientali che spesso necessita di acquisizioni a scala di versante.
Tutti i SAPR sono in grado di volare, ma non tutti hanno le caratteristiche di volo adatte al tipo di acquisizione che si vuole effettuare. I SAPR si dividono nelle due grandi famiglie dei "multirotori" (Fig. 1a) e degli "ala fissa" o "plananti" (Fig. 1b).

droni multirotori ala fissa figura 1. Esempi di droni multirotore (a) e ad ala fissa 8b)

I multirotori posseggono ottime caratteristiche di manovrabilita' anche in spazi chiusi, grande stabilita', possibilita' di volo stazionario (hovering), decollo e atterraggio verticali, buona capacita' di carico, ma di contro soffrono di problemi legati alle vibrazioni dei motori che si ripercuotono sui sensori, scarsa autonomia di volo (10 - 20 minuti) legata al consumo energetico, perdita parziale o totale perdita di controllo e caduta al suolo se anche un solo rotore viene meno. Essi sono piu' adatti a rilievi di pareti verticali come falesie, facciate di edifici, pile di viadotti, ecc.
I SAPR appartenenti alla famiglia dei plananti posseggono una maggiore efficienza energetica che consente una buona autonomia di volo (fino a 40 minuti continuativi), stabilita' della rotta impostata e leggerezza. Sono in grado di planare anche se viene meno il motore garantendo maggiore sicurezza per chi sta a terra. Necessitano di spazio per decollare e atterrare come un aeroplano. Essi sono particolarmente adatti per rilievi fotogrammetrici alla scala di versante.
Le potenzialita' di un SAPR dotato di una fotocamera RGB con ottica calibrata sono davvero notevoli. Poiche' i fotogrammi sono ripresi secondo le regole della fotogrammetria, e' possibile ricostruire l'informazione sulla quota della superficie fotografata e generare nuvole di punti il cui dettaglio inizia ad essere paragonabile a quelle ottenute con la tecnologia laser scanner (fig. 2).
droni nuvole punti figura 2. Nuvola di punti ottemibile da immagini fotogrammetriche (a); dettaglio (b)

Le nuvole di punti così ottenute possiedono un estremo realismo dovuto alla grande densita' di punti e al fatto che l'informazione RGB di ciascun punto e' nativa. Un'immagine come quella di figura 1, costituita da punti spaziati di 30-35 cm, facilmente raggiunge i 4 milioni di punti. Tuttavia si gestiscono bene al PC nuvole di punti fino a qualche decina di milioni di punti. Il grande realismo e' particolarmente apprezzato in quanto permette di catturare tutte le sfumature cromatiche del paesaggio che il geologo utilizza quasi inconsciamente durante l'osservazione per delinearne le caratteristiche geologiche e geomorfologiche.
Dalla nuvola di punti e' possibile ottenere i modelli digitali di elevazione (DEM) e in particolare il modello digitale della superficie (DSM), che comprende le quote di oggetti non appartenenti al terreno come gli alberi e gli edifici, e il modello digitale del terreno (DTM), le cui quote sono depurate tramite appositi filtri dagli oggetti estranei ad esso (Fig. 3a e b).
droni modelli digitali terreni figura 3. a) modello digitale della superficie (DSM)); b) modello digitale del terreno (DTM)

Dal DSM e' possibile ottenere la classica rappresentazione a curve di livello che puo' essere sovrapposta all'ortofoto (Fig. 4 a). Infatti, grazie a raffinati algoritmi in grado di estrapolare da ciascun fotogramma la porzione con la minima distorsione ottica, e' possibile costruire ortofoto con risoluzione spaziale di pochi centimetri (Fig. 4b).
droni curve livello ortofoto figura 4. a) curve di livello e ortofoto; b) dettaglio.

L'impatto di una tale tecnologia nella pratica professionale non puo' che essere positivo, perche' permette di superare i problemi legati alla cronica carenza di cartografia aggiornata, specialmente nelle aree di versante instabili dove le condizioni geomorfologiche possono cambiare con cadenza stagionale. I modelli digitali di elevazione possono essere utilizzati per la modellazione idraulica di dettaglio, per gli studi di stabilita' dei versanti, per stimare le cubature di sbancamenti e rinterri, calcolare le volumetrie di discariche e cave e seguirne l'evoluzione nel tempo attraverso voli programmati. Applicazioni sono possibili anche durante la gestione di crisi legate a frane veloci, alluvioni. E' possibile effettuare stime rapide di danno in seguito ad eventi sismici e perimetrazione di aree boschive percorse da incendi.
Il mercato sta gia' proponendo sensori in grado di operare in bande spettrali diverse dal visibile che aprono la strada a studi ambientali e agronomico-forestali. Tramite gli indici di vegetazione e' possibile effettuare accurate stime di biomassa, individuare fitopatologie, identificare le essenze arboree e attuare le strategie dell'agricoltura di precisione.
Altre applicazioni sono possibili nel settore dei beni culturali grazie alla produzione di accurati modelli geometrici di edifici storici e di pregio e la identificazione dei materiali costitutivi.
Tutto questo e' soltanto all'inizio e ben presto i geologi utilizzeranno quotidianamente queste tecnologie quasi quanto il loro martello.