Tomografia fotogrammetrica marina: nuovo metodo Dual Imago per rilievo 3D dei fondali fino a 950 metri e aree alluvionate.
Introduzione alla tomografia fotogrammetrica marina
Descrizione di un metodo di prospezione e rilievo aerofotogrammetrico dei fondali marini profondi e delle aree alluvionate basato sull’uso di sensori e ottiche avanzate. La tomografia fotogrammetrica marina rappresenta il cuore di questa strategia, integrando hardware e algoritmi proprietari per il monitoraggio persistente massivo ed iperaccurato delle masse d’acqua marine ed oceaniche, dei ghiacciai e dei laghi.
La visione attraverso le masse d’acqua per il rilievo dei fondali e dei corpi immersi. Esempi applicativi del metodo Dual Imago nella scansione delle strutture subacquee in immersione profonda.
Tomografia fotogrammetrica marina: origini della ricerca e sviluppo tecnologico
A partire dal 2018, nel mio lavoro di geomatico, iniziai a occuparmi di dissesto idrogeologico, riqualificazione ambientale di siti contaminati e monitoraggio dei danni a seguito di eventi di piena di fiumi e torrenti. Durante i tre anni che seguirono, il reticolo idrico minore dei Piani d’Erba fu più volte scansionato con attrezzature progettate e costruite in autonomia, affiancate da strumenti come diversi laser scanner e una stazione totale robotizzata. Durante il processamento dei dati fotogrammetrici ottenuti con sensori ibridi, emersero i primi risultati della visione in introspezione delle masse d’acqua grazie al trattamento con codice proprietario. La piattaforma informatica di fotogrammetria, che chiamai Point_Mesh_Studio, operativa dal 2016, disponeva di codice in grado di processare ogni singolo pixel per estrarre informazioni non ottenibili attraverso gli strumenti commerciali di gestione del raster. Tuttavia la potenza di elaborazione e le catene ottiche utilizzate non consentivano di ottenere i risultati attesi a causa dell’impegno computazionale e dei processori grafici che non erano ancora in grado di gestire importanti flussi di dati. Mentre i dataset fotografici erano già di buon livello, la potenza di elaborazione non era ancora in grado di operare in tempo reale. La svolta è arrivata con l’avvento delle schede grafiche nel 2022.
Dual Imago e la sfida dell’ambiente marino
I presupposti scientifici e le sfide affrontate per arrivare alla visione iperdefinita sottomarina ad elevatissima distanza e per il rilievo 3D-4D iperaccurato alla scala del centesimo di millimetro.
La scansione profonda delle infrastrutture in immersione è stata un traguardo raggiunto dopo l’inizio del sodalizio con l’Ing. Orlando Pandolfi, coautore del brevetto Dual Imago e con trentennale esperienza nei rilievi e nelle missioni in mare. Dual Imago nasce a Carrara per dare soluzioni a problemi nel variegato mondo dei monitoraggi geotecnici che sorgono nella coltivazione di una cava di marmo. Tuttavia, l’uso del metodo in ambiente marino, come le criticità nella gestione della luce, hanno richiesto la costruzione di una specifica macchina basata su un progetto ambizioso sia nelle ottiche che nei principi costruttivi. La fotogrammetria subacquea è una disciplina estremamente complessa perché l’ambiente marino altera le leggi dell’ottica e della fisica su cui si basa la fotografia tradizionale terrestre ed aerea. Nonostante i grandi passi avanti fatti dall’intelligenza artificiale e dalla robotica autonoma, rimangono diverse sfide strutturali e l’applicazione di flussi di lavoro non convenzionali. L’acqua è un mezzo meno trasparente dell’aria: agisce come una lente complessa e un filtro selettivo in grado di azzerare a distanza di alcune decine di metri la maggior parte della radiazione luminosa. In realtà nell’ osservazione da distanze chilometriche degli ammassi rocciosi si incontrano fenomeni altrettanto complessi e sfidanti come i moti convettivi dell’aria che alterano la sua densità, la nebbia, la polvere, il fumo, la copertura vegetazionale e soprattutto la visione notturna in totale assenza di luce (fotogrammetria a zero lux a colori, di cui parleremo in un altro contributo).
La luce attraversa l’acqua, lo schermo della custodia e l’aria interna prima di raggiungere il sensore attraverso un’ottica. Questo crea una distorsione geometrica non lineare. Abbiamo dovuto progettare materiali speciali in grado di superare queste criticità e spingerci a profondità fino a 300 metri con la possibilità di arrivare alle profondità abissali nel prossimo futuro.
Gli algoritmi di fotogrammetria lavorano con il presupposto che i raggi luminosi viaggino in linea retta. In acqua, la rifrazione devia i raggi e assorbe le lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico in base alla profondità. Il rosso scompare nei primi metri, seguito dall’arancione e dal giallo.
La fotogrammetria iperdefinita subacquea a colori ha compreso come gestire questi problemi, sfruttando i principi già utilizzati nel Visual Remote Sensing, la fotogrammetria chilometrica in aria.
Anche le particelle in sospensione come il plancton e i sedimenti deviano la luce. La nostra tecnologia ha risolto il problema noto del backscatter, ossia la nebbia luminosa che si osserva quando si usano fonti di luce in mare riducendo drasticamente la visibilità. Questo ha consentito un miglioramento esponenziale della distanza di cattura del dato nitido in grado di essere utilmente processato con gli algoritmi Structure From Motion.
Observer Aria e Observer Aqua
L’acqua è una lente complessa ed un filtro selettivo: è questa la premessa utilizzata per giungere alla soluzione della visione nel mare in immersione a grandissima distanza e dall’aria all’interno delle masse d’acqua.
Partendo da questo concetto, abbiamo sviluppato due tipologie di strumenti: Observer Aria ed Observer Aqua, governati dallo stesso metodo di scansione fotogrammetrica. Il primo è strutturalmente simile a quello utilizzato nel monitoraggio geotecnico iperaccurato, che raggiunge la stessa qualità metrologica del dato in nuvola densa sulle infrastrutture presenti in immersione. Nella GNO (Geomatica Non Ortodossa) riusciamo a vedere attraverso la materia con diversi metodi: è questa esperienza, fatta di progettazione hardware e software che ci ha permesso di costruire la versione sottomarina dello strumento fotogrammetrico, superando le criticità illustrate nel paragrafo precedente. D’altro canto se la massa d’acqua è al contempo una lente complessa ed un filtro selettivo, allora la strategia è ridurre al massimo l’imperfezione della lente attraverso metodi fisici ed algoritmi di gestione della luce in grado di estrarre informazioni nitide sui corpi immersi nel mare, anche a profondità elevate. I test hanno validato profondità fino a 170 metri in condizioni reali, con potenziale estensione fino a 950 metri sotto il livello del mare. In questo contesto, la tomografia fotogrammetrica marina dimostra la propria superiorità rispetto ai metodi ottici tradizionali, permettendo una lettura geomatica delle masse sommerse anche da grandi altezze e orbite satellitari.
(Baia nel continente americano, vedi figura 6, ma che possono spingersi con adeguate strategie di scansione fino a 950 metri di profondità sorvolando da notevole altezza il corpo d’acqua, fino alle orbite satellitari).
Tomografia fotogrammetrica marina: applicazioni in aree alluvionate
La scansione aerea delle aree alluvionate per la restituzione di rilievi in attraversamento delle masse d’acqua con carico elevato di materiale in sospensione.
L’approccio nella scansione delle acque cariche di sedimento è reso possibile grazie alla gestione del backscattering con tecnica proprietaria divisa in due stadi. Nel primo stadio, a bordo del velivolo, Observer è attrezzato con tecnologia strumentale ottimizzata per restituire in tempo reale la visione introspettiva al di sotto della massa di allagamento. Il velivolo trasmette i dati per valutazioni dove il tempismo diventa cruciale. Nel secondo stadio il processamento attraverso la piattaforma proprietaria Dual Imago migliora sensibilmente gli strati informativi, aggiungendo potere di introspezione ancora più spinto laddove occorra eseguire il rilievo con produzione di nuvole dense. La lettura dei dati del sensore e la sua conversione in strati informativi consente la creazione delle nuvole dense n-dimensionali.
Articolo di Nicola Santoro
