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L’impiego del drone per la verifica degli imboschimenti

L’impiego del drone per la verifica degli imboschimenti
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di Simone Seccaroni, Francesca Crea, Francesco Grohmann.

L’avanzamento tecnologico ha recentemente aperto la possibilità di un impiego sistematico dei droni per la verifica in situ degli imboschimenti. L’articolo descrive come la Regione Umbria ha adottato questo sistema per velocizzare la fase istruttoria di alcune tipologie di intervento finanziate con le risorse del Programma di Sviluppo Rurale 2014/2022.

Il Reg. (UE) n. 1305/2013 sul sostegno allo sviluppo rurale ha fra i propri obiettivi il potenziamento e il miglioramento delle risorse forestali al fine di promuovere la conservazione e il sequestro del carbonio, attraverso l’aumento delle superfici forestali e la salvaguardia, ripristino e miglioramento della biodiversità.
Per il conseguimento dei suddetti obiettivi, il Programma di Sviluppo Rurale 2014/2022 per l’Umbria prevede l’intervento 8.1.1 “Sostegno alla forestazione e all’imboschimento”, articolata nelle seguenti tipologie di impianto:

  • Imboschimenti permanenti multifunzionali a prevalente funzione protettiva;
  • piantagioni legnose con finalità principalmente produttive;
  • Imboschimenti con piante forestali micorrizate.

A seguito della realizzazione degli interventi i beneficiari presentano la domanda di saldo del contributo, completa dello stato finale degli stessi. L’istruttoria di tale domanda prevede sempre la verifica di quanto realizzato mediante sopralluogo (controllo in situ).
La modalità operativa impiegata della Regione Umbria fino al 2021 è stata quella del rilievo topografico mediante ricevitore GPS per registrare la posizione delle piantine, accompagnato da alcune foto e misurazioni residuali con il metro. Tale modalità risultava sufficientemente precisa e affidabile ma molto onerosa in termini di tempo.
Si è dunque iniziato a sondare la possibilità di sostituire il rilievo mediante ricevitore GPS, con un rilievo aerofotogrammetrico da drone.
È stata quindi condotta una fase sperimentale finalizzata a verificare la fattibilità del rilievo con drone in impianti di recente realizzazione. In questo articolo si riportano i risultati di questa sperimentazione e le modalità percorse dalla Regione Umbria nel rilevare gli interventi finanziati con le risorse dell’intervento 8.1.1 del PSR 2014/2022.

 

Metodo prima del 2021

Il controllo in situ previsto per la liquidazione dei contributi concessi per la realizzazione di imboschimenti e impianti per arboricoltura da legno, prevede verifiche sia in termini qualitativi, sia quantitativi.
I lavori in computo metrico tipicamente sono costituiti da: lavorazioni preliminari del terreno (scasso e ripassatura), squadro ed apertura delle buche, acquisto e messa a dimora delle piantine forestali, acquisto e posa in opera di tutori, più eventuali altri lavori migliorativi che taluni beneficiari scelgono di realizzare (acquisto e messa a dimora di shelter, acquisto e messa a dimora di pacciamatura, realizzazione di recinzione e impianto di irrigazione).
In fase di sopralluogo, tramite una rapida ispezione visiva e con l’ausilio di un metro, è agevole verificare la congruità della tipologia dei tutori (bambù, pali di castagno o plastica), della pacciamatura, degli shelter (a retina o a parallelepipedo chiuso) e le caratteristiche costruttive della recinzione e dell’impianto di irrigazione. È abbastanza rapido anche il riconoscimento delle specie delle piantine forestali (le più usate sono cerro, roverella, carpino e nocciolo), in quanto è ragionevole limitarsi ad una verifica a campione volta a confermare la giusta mescolanza tra le specie e lo schema di impianto previsto.
Più impegnativa risulta l’attività di acquisizione di dati volti a risalire direttamente o indirettamente, al numero e alla posizione planimetrica di tutte le piantine e alla lunghezza e andamento planimetrico delle recinzioni.
Il controllo effettuato dalla Regione Umbria fino al 2021, era condotto tramite rilevatore portatile GPS Topcon GRS1, che grazie alla correzione EGNOSS-SBAS, in condizioni di buona ricezione, permetteva l’acquisizione dei punti con errore entro il metro. Venivano acquisiti (figura 1):

  • un punto per ogni piantina facente parte del perimetro esterno del lotto
  • un punto per ogni piantina facente parte delle due file più lunghe ed ortogonali tra di loro
  • un punto per ogni palo di recinzione, in corrispondenza degli angoli e cambi di direzione.

I dati rilevati venivano scaricati dal GPS mediante software Meridiana 2013 e importati in QGIS per le successive analisi spaziali. Determinato il perimetro esterno e quindi la superficie planimetrica in esso racchiusa, sulla base del sesto di impianto, si determinava il numero di piante poste a dimora. Tale stima risultava affidabile, anche in caso di forti pendenze.
Registrare la posizione di tutte le piantine sarebbe stato certamente troppo oneroso in termini di tempo e la modalità di conduzione del rilievo descritta, costituiva un bilanciamento fino ad allora accettabile tra durata di rilievo e qualità delle verifiche. Ciò nonostante, l’elevato numero di interventi in corso di realizzazione ed ancora da verificare entro la conclusione della programmazione comunitaria (Dicembre 2025) ha imposto ad un certo punto una riflessione sulla necessità di ridurre i tempi per i rilievi in campo.

 

Sperimentazioni preliminari

Si è quindi deciso di fare delle sperimentazioni di rilievo tramite drone per vedere se tale tecnologia potesse aiutare in tal senso. Sono stati effettuati dei test da personale regionale mediante drone DJI Phantom 4, versione base, guidato mediante app di volo Litchi, in modalità volo automatico, programmato anche grazie il software DJI Flight Planner [1].
Sono stati effettuati rilievi di 3 lotti, tutti posti su versanti collinari e quindi aventi una pendenza non trascurabile (20% circa), situazione topografica piuttosto frequente.
Al fine di ottenere una georeferenziazione dell’ortofotomosaico avente una accuratezza stimata non inferiore all’accuratezza dei punti che si poteva ottenere con il ricevitore GPS GRS-1, sono stati utilizzati dei marker come punti di controllo a terra (GCP) e come punti di verifica (CP). Le coordinate dei marker sono state misurate con ricevitore U-Blox dotato di antenna e connesso alla rete regionale GPS-Umbria in maniera da acquisire una correzione in tempo reale mediante internet ed operare quindi in modalità RTK, ottenendo precisioni centimetriche.
L’elaborazione dei fotogrammi è stata effettuata con software Agisoft Metashape ed ha portato per ogni lotto, in primo luogo, alla produzione di un ortofotomosaico come risultato diretto della procedura e in secondo luogo, mediante fotointerpretazione, alla determinazione di tutti i dati d’interesse principale per l’istruttoria, ovvero la posizione di ogni piantina e l’andamento planimetrico della recinzione, necessari per la valutazione della spesa rendicontata.

 

Problematiche riscontrate

alla conduzione di queste sperimentazioni e dall’esame finale dei risultati, si è verificato che il rilievo da drone dei giovani imboschimenti è fattibile in generale, già con un drone consumer come il DJI Phantom 4, tuttavia l’efficienza è funzione delle condizioni stazionali dei siti.
Il parametro più vincolante da tenere in considerazione nella progettazione di questo tipo di attività è l’altezza di volo, alla quale è direttamente correlata la dimensione del pixel a terra (GSD).
Un GSD di 1cm/pixel può essere sufficiente qualora le piantine siano dotate di shelter, di pacciamatura ben conservata, di tutori spessi o di una combinazione di queste dotazioni accessorie, in quanto quest’ultime diventano l’elemento di riconoscimento determinante nella fotointerpretazione.
Al contrario, quando le piantine sono particolarmente piccole, dotate solamente di tutori sottili e piantate in terreno con colorazione che tende a confondere, diviene indispensabile un GSD di 0,5cm/pixel (Figura1).

art Impiego droni imboschimenti Figura1

Figura 1 -  a sinistra, piantine alte provviste di tutori in castagno. Al centro, piantine con tutori in pvc ben visibili. A destra, piantina piccola con erbe intorno dello stesso colore.

Effettuare un volo puntando a raggiungere tale risoluzione però, è risultato ai limiti del tecnicamente possibile con il drone DJI Phantom 4 e quindi non estendibile al di fuori di contesti sperimentali, simili a quello di Butlers et al. (2019). Questo perché per avere un GSD e poi un ortofotomosaico da 5mm/pixel, con una fotocamera da 12Mpx (e sensore da 1″ e lunghezza focale equivalente a 35mm pari a 20mm), è necessario che il drone nel suo percorso rimanga sempre ad un’altezza dal suolo non superiore a circa 14 metri. Ciò risulta problematico per il rischio di collisione con piante sparse o con linee elettriche/telefoniche; infatti anche supponendo mediante un’attenta ispezione preliminare del sito, di conoscere con precisione l’altezza delle piante sparse e l’altimetria del terreno, rimarrebbe il limite di accuratezza di navigazione del drone stesso, che nel posizionamento verticale è particolarmente scarsa nei modelli senza tecnologia RTK quali il Phantom 4 base.
Inoltre, volando a quota molto bassa, per ricoprire con le strisciate fotogrammetriche una certa superficie, sono necessari più scatti e la frequenza degli scatti massima limita la velocità massima di volo impostabile.
Un altro limite del rilievo effettuato mediante Phantom 4 è la necessità di apporre i marker per ottenere una georeferenziazione sufficientemente precisa (almeno 5-6 per lotto), cosa che richiede tempo stimabile in 5-10 minuti per marker, tra spostamento a piedi per raggiugere il punto, apporre a terra il marker e misurare.

 

Impiego del drone dji matrice 300 rtk

Il DJI Matrice 300 RTK è un drone professionale che può essere equipaggiato con diversi payload, tra cui la fotocamera Zenmuse P1 (45 Mpx di risoluzione, sensore full frame, frequenza di scatto max 0,7 s e 3 obiettivi intercambiabili con diverse lunghezze focali).
Grazie a tale accessorio un GSD di 0,5cm/pixel può essere raggiunto agevolmente volando a circa 40 m dal suolo, altezza che consente di stare a riparo quasi sempre da interferenze od ostacoli quali piante sparse o linee elettriche/telefoniche (per altro il Matrice 300 RTK, oltre ad essere dotato di serie di sensori anti-collisione in tutte le direzioni, può montare un accessorio aggiuntivo, il CSM radar, specifico per evitare collisioni con gli ostacoli più sottili). Grazie a un doppio modulo RTK, le coordinate dei punti di presa di ogni fotogramma sono acquisite con precisione centimetrica e secondo il produttore si possono ottenere elaborati georeferenziati con precisione sub-decimetrica senza necessità di apporre marker a terra (anche se lo stesso produttore e la letteratura indipendente, per esempio Kersen et al. (2022) consigliano l’impiego di almeno 1 GCP). Tutto ciò si traduce in tempi di sopralluogo ridotti.
In Tabella 1, sono messi a confronto i tempi di rilievo che si impiegavano con il rilievo tradizionale con ricevitore GPS GRS1, con quelli necessari per fare la stessa attività con i droni Phantom4 PRO e Matrice 300. Trattasi di tempi indicativi, quelli del rilievo con GPS in quanto ottenuti come media approssimativa della durata di decine di sopralluoghi effettuati in lotti aventi variabilità di difficoltà (pendenza, presenza o meno di recinzione) e di dimensione (tra 1 e 10 ettari), quelli del DJI Phantom 4 PRO e del Matrice 300 in quanto stimati dall’app di volo DJI Pilot e incrementati del tempo di piazzamento dei marker.
La tabella mostra che maggiore è la dimensione del lotto da rilevare, maggiore è la convenienza in termini di risparmio di tempo del rilievo da drone rispetto al rilievo GPS tradizionale, con il solo Matrice 300 ad essere praticamente conveniente in tutti gli scenari.

art Impiego droni imboschimenti Tabella1

Tabella 1 -  Confronto tempi tra rilievo con GPS a terra e rilievo con drone

È doveroso prendere in considerazione anche un altro fattore, ovvero il tempo che l’attività di post-elaborazione del dato fotogrammetrico richiede.
Il tempo effettivo in più richiesto dalla post-elaborazione del dato, rispetto a quello acquisito con il GPS, è modesto, poiché l’intervento dell’operatore nel software fotogrammetrico Agisoft Metashape si limita al caricamento della cartella dei fotogrammi e all’attribuzione agli eventuali GCP delle coordinate misurate con GPS a terra e delle coordinate degli stessi sui fotogrammi. Per il resto, gli step dell’elaborazione del dato grezzo sono svolti senza necessità di supervisione e la nuvola di punti, il modello digitale della superficie e l’ortofotomosaico vengono prodotti automaticamente in circa 1 ora o poco più (a seconda della grandezza del lotto e della potenza del computer).
Gli ortofotomosaici a 0,5cm/pixel e anche a 1cm /pixel derivanti da fotogrammi acquisiti con camera Zenmuse P1, sono molto nitidi e dettagliati (la grande dimensione del sensore full frame fa la differenza, oltre alla risoluzione in sé), cosicché l’individuazione delle piantine è agevole e rapida: non è necessaria cioè una vera e propria fotointerpretazione basata sull’ ispezione di fotogrammi o della nuvola di punti all’interno del software fotogrammetrico, ma  è sufficiente basarsi direttamente sull’ortofotomosaico. Si può procedere direttamente a vista o aiutandosi ricostruendo le linee di squadro e guardando alle intersezioni. Ciò può essere fatto sia in Agisoft Metashape, sia su software esterno tipo AutoCad o QGIS.

art Impiego droni imboschimenti Figura2

Figura 2 -  ortofotomosaico di giovane imboschimento realizzato con piantine micorrizate, a 3 livelli di zoom, dall’impianto completo alla singola piantina; ottenuta elaborando immagini da drone a 1cm/px.

Occorre a questo punto esplicitare il vero valore aggiunto che il rilievo da drone comporta rispetto a quello tradizionale da GPS, ovvero la completezza del dato ottenibile, che garantisce una testimonianza visiva fedele dello stato dei luoghi e delle lavorazioni eseguite alla data del rilievo. Se necessario, dall’esplorazione del modello 3D è possibile spingersi a misurare grandezze quali altezza delle recinzioni, diametro delle tubazioni di irrigazione, pendenze del terreno ecc…
La Regione Umbria, Servizio foreste ha pertanto deciso di esternalizzare il rilievo degli impianti finanziati con le risorse di cui al PSR 2014/2022, affidando il servizio ad una ditta esterna, che a seguito del rilevo con drone restituisce i seguenti dati elaborati: shapefile delle piantine, delle recinzioni e delle linee elettriche e ortofotomosaico (oltre che ai dati “grezzi” ovvero tutti i fotogrammi e le coordinate degli eventuali marker e ai report di elaborazione), pronti da caricare sul GIS per le valutazioni istruttorie finali.
Nell’assegnare l’esecuzione dei rilievi, si ha cura di controllare la documentazione fotografica preliminare mandata dai beneficiari, al fine di controllare l’eventuale eccesso di erbe incolte nell’impianto e valutare la necessità di uno sfalcio propedeutico al volo, e al fine di scegliere il GSD più opportuno 0,5 cm o 1 cm, in maniera da ottimizzare le risorse.
Dalla campagna di rilievi condotta dalla ditta esterna con drone Matrice 300 RTK, in più di 100 lotti rilevati, si è sempre riusciti a condurre a termine il lavoro con successo, in tutte le stagioni dell’anno.

 

Conclusioni

La tecnologia di rilievo con drone professionale applicata alle ispezioni di giovani imboschimenti permette di risparmiare tempo rispetto alla tecnica di rilievo con GPS a terra. Inoltre, garantisce una quantità e qualità di dati raccolti in campo nettamente maggiore, che rappresentano meglio i lavori realizzati.
La risoluzione di 5mm/pixel dell’ortofotomosaico adoperata in alcuni dei rilievi descritti, pur molto spinta per gli standard attuali, non è sufficiente generalmente a distinguere per ogni piantina, la specie di appartenenza, tramite semplice ispezione visiva dei fotogrammi e/o dell’ortofotomosaico. Tuttavia, visto il trend di rapido avanzamento tecnologico attuale (sia a livello di hardware e sensoristica, sia di software che sfruttano il machine learning – si pensi alla popolare App Pl@antNet https://identify.plantnet.org/it ) non è difficile immaginare un futuro non lontano in cui anche questo tipo di controlli potranno essere automatizzati.
Ove le dimensioni delle piantine siano maggiori, perché già messe a dimora da un paio di stagioni, come in alcuni impianti della filiera del tartufo e del nocciolo della misura 16 del PSR Umbria (su cui è stata  recentemente estesa la campagna rilievi con drone) ci si può limitare alla risoluzione di 1cm/pixel o maggiore, sorvolando più velocemente estensioni più consistenti e risparmiando ancora più tempo.

Riconoscimenti: i rilievi con il DJI Matrice 300 sono stati eseguiti da LS Rilievi s.n.c. (Perugia).

Autori:
Simone Seccaroni
, Regione Umbria. E-mail .

Francesca Crea, Regione Umbria. E-mail .

Francesco Grohmann, Servizio “Foreste, Montagna, sistemi naturalistici e Faunistica-venatoria - Regione Umbria  .

Butlers, T. M., D. Belton, e Adam T. Cross. «Multi-Sensor UAV Tracking of Individual Seedlings and Seedling Communities at Millimetre AccuracyDrones 3, n. 4:81 (2019).

Kersen, Thomas, Joshua Wolf, e Maren Lindstaedt. «Investigations Into the Accuracy of the Uav System Dji Matrice 300 Rtk with the Sensors Zenmuse p1 and l1 in the Hamburg Test FieldInt. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spat. Inf., 30 05 2022: 336-339.

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