Sviluppo di un sistema di termocamere 3D per eseguire analisi dall'alto

I sistemi obliqui di telecamere aeree, che registrano immagini tridimensionali ad alta risoluzione, vengono spesso utilizzati per mappare le aree urbane e ottenere dati geografici dall'alto. Fino al 2017, nessuno di questi sistemi era in grado di registrare immagini termiche 3D. In risposta a questa esigenza, un team dell'Università Anhalt di Scienze Applicate di Dessau, in Germania, ha sviluppato un sistema termografico/RGB che produce immagini 3D sovrapponendo le riprese di quattro telecamere digitali e quattro termocamere FLIR A65sc con un campo visivo di 25°.

L'Istituto di geoinformazione e rilievo

L'Università Anhalt di Scienze Applicate di Dessau offre corsi nel settore del rilievo fin dal 1992 e corsi nel campo della geoinformatica dal 2002. L'ex dipartimento di rilievo si è trasformato nell'Istituto di geoinformazione e rilievo. All'interno della Facoltà di Architettura, Gestione infrastrutture e Geoinformazione, l'Istituto raggruppa le competenze accademiche e di ricerca delle discipline di rilievo e geoinformatica. Oltre che sulla didattica, l'istituto si concentra sulla ricerca applicata.

L'idea e le sue aree di applicazione

Uno dei progetti dell'istituto è consistito nello sviluppo di un nuovo sistema di termocamere e telecamere RGB, capace di produrre immagini 3D sovrapponendo le riprese da un girocottero dotato di otto tele- e termocamere. Il professor Lutz Bannehr, che dirige i dipartimenti di Acquisizione dei geodati e Tecnologia dei sensori dell'Istituto, ha elaborato l'idea nell'aprile del 2016. Sebbene fossero disponibili sistemi di telecamere 3D (i cosiddetti sistemi obliqui di telecamere RGB) con risoluzioni molto elevate, nessuno di questi sistemi poteva offrire i vantaggi dei dati termici. Il professor Bannehr aveva già acquisito esperienza termografica, grazie all'acquisto di una termocamera raffreddata FLIR SC3000 nel 2001 e alla partecipazione a corsi di formazione in termografia. Era certo che una soluzione basata su termocamere non raffreddate sarebbe stata fattibile. Una tale soluzione avrebbe potuto avere molti possibili impieghi, tra cui: raccolta di dati di inventario, sorveglianza, monitoraggio volumetrico in progetti minerari a cielo aperto, monitoraggio di incendi boschivi, analisi sull'isolamento, stime di resa per sistemi fotovoltaici e solari, monitoraggio ambientale, elaborazione di immagini geologiche e topografiche e persino produzione di modelli urbani digitali.

Il progetto

Il professor Bannehr ha presentato la proposta di ricerca e organizzato un piccolo gruppo di sviluppo che includeva il suo dottorando, lo studente Christoph Ulrich, Hermann Kaubitzsch di bgk infrarotservice GmbH (Riesa) - una società di servizi di integrazione FLIR, e Henrik Pohl, del produttore di girocotteri Airborne Technical Systems (Berlino). Anche con sovrapposizioni dell'85% in lunghezza e in larghezza, le telecamere convenzionali ad alta risoluzione non riuscivano a rappresentare ogni dettaglio delle facciate laterali degli edifici. Pertanto, il team ha progettato un sistema costituito da quattro telecamere RGB e quattro termocamere disposte in modo che le rispettive immagini si sovrapponessero per produrre immagini termiche 3D e geodati 3D. Questi dati potevano quindi essere analizzati e valutati utilizzando un software standard.

Le telecamere e le termocamere

Per realizzare il sistema, il team ha selezionato quattro termocamere FLIR A65sc e quattro fotocamere RGB compatte di un altro produttore che producono immagini a circa 5 megapixel. Kaubitzsch ha raccomandato al team di utilizzare la termocamera FLIR A65sc "per la sua buona risoluzione dell'immagine termica, di 640 × 512 pixel, la sua frequenza dei fotogrammi a 30 Hz, la porta Ethernet e le dimensioni estremamente compatte, di 106 × 40 × 43 mm". Hermann Kaubitzsch è stato anche responsabile per la sincronizzazione e la valutazione delle telecamere e delle termocamere, che si sono rivelati compiti non secondari.

Controlli e specifiche di AOS-TX8

Un team di studenti ha sviluppato una disposizione 3D per le otto unità, che occupasse il minimo spazio possibile nel velivolo ultraleggero. È stata persino realizzata una piastra di supporto su misura, per montare il sistema nel girocottero. Ed è poi stato rapidamente trovato un nome per il "Sistema Aereo Obliquo": AOS-Tx8. Il sistema è controllato via Ethernet e i dati delle immagini vengono visualizzati su uno schermo da 10 pollici. "Alcuni anni fa, avevamo sperimentato una termocamera diversa, ma il controllo via Ethernet non aveva funzionato come promesso", ha spiegato il professor Bannehr. "Con i modelli FLIR A65sc, tuttavia, non c'è stato alcun problema". L'intero sistema AOS-Tx8 pesa solo 11,6 kg e misura 330 × 400 × 320 mm. È dorato di connessioni per l'azionamento manuale delle tele/termocamere e per il sistema di comando del volo, nonché mouse, schermo, tastiera (tutto via USB) e alimentazione.

Sincronizzazione delle termocamere

La sovrapposizione tra le termocamere FLIR è del 12%, o 3°. Le quattro termocamere FLIR hanno richiesto una sincronizzazione per ottenere dati utilizzabili ed evitare variazioni di temperatura nei valori misurati nei punti in cui le immagini si sovrappongono. Per motivi tecnici, le termocamere non raffreddate presentano una variazione fino a ±5% nella misura di temperatura. Un test di tutte e quattro le termocamere, condotto con un faretto di riferimento, ha mostrato la presenza delle deviazioni previste, che però erano distribuite linearmente lungo lo spettro. È stato quindi possibile utilizzare una delle termocamere come dispositivo  di riferimento (idealmente, quella con il valore medio) e regolare poi le altre termocamere in modo che corrispondessero alla termocamera di riferimento.

Volo inaugurale

Il 15 agosto 2017 è giunto il momento di provare il sistema. L'AOS-Tx8 era stato montato nel girocottero ed era pronto per eseguire le sue prime misurazioni dall'alto. La sequenza degli eventi era già stata chiaramente definita. Il team ha utilizzato programmi per la pianificazione del volo per tracciare il viaggio inaugurale e ha utilizzato Google Earth per i dati delle mappe. I dati del piano di volo, compresi i punti in cui scattare le immagini, sono stati copiati nel sistema di gestione del volo. 

Durante il volo, questi dati sono stati utilizzati per comandare l'AOS-Tx8 e altri sensori. Dopo alcuni voli di prova sul campus di Strenzfeld dell'Università di Anhalt, ad agosto sono stati effettuati anche voli su Magdeburgo. Le immagini non solo sono state scattate da un'angolazione verticale (le cosiddette ortofoto a infrarossi), ma anche utilizzate per produrre immagini termiche tridimensionali in 3D che hanno dimostrato l'efficacia dell'isolamento negli edifici.

Risultati ottenuti dal Sistema aereo obliquo (AOS-TX8)

Impiegando l'AOS-Tx8, è stato possibile per la prima volta ottenere un modello di superfici digitali con determinazione precisa dell'altezza degli edifici e un modello digitale del terreno in RGB e a infrarossi. L'AOS-Tx8 è facile da usare e i dati possono essere valutati mediante prodotti software standard come Photoscan o Pix4D.

Prospettive

L'istituto dispone ora anche di una FLIR A655sc per la raccolta di dati aerei che non richiede l'elaborazione di immagini 3D. Possiamo quindi attendere con interesse il prossimo progetto di ricerca a infrarossi svolto dal professor Bannehr e dal suo innovativo team presso l'Istituto di geoinformazione e rilievo dell'Università di Anhalt di Scienze Applicate di Dessau.