Unmanned Aerial System

Dalla fine del XIX secolo e dai pionieristici tentativi di Giacomo Boni di impiegare un pallone frenato per scattare fotografie aeree del Foro Romano fino ai nostri giorni477_{, gli archeologi hanno}

sempre più compreso l’importanza di acquisire immagini aeree per documentare, monitorare e conservare il patrimonio culturale478_.

Da un punto di vista lessicale, con l’acronimo inglese UAV sono indicati gli aeromobili progettati per volare senza pilota umano a bordo. Il termine è ampiamente utilizzato in letteratura, sebbene siano diffusi anche alcuni sinonimi quali droni, veicoli a pilotaggio remoto, micro-aerial vehicles ecc… La locuzione Unmanned Aerial System comprende l’intero ‘pacchetto’ costituito dalla piattaforma o dal velivolo, il sensore (o i sensori) e la stazione di controllo a terra (Ground Control

Station - GCS).

Attualmente, i principali impieghi di tecnologie legate a piattaforme unmanned riguardano il campo della documentazione archeologica di scavi, generalmente in 2D, di rilievi, di monumenti o parchi e, soltanto raramente, sono utilizzate per fini diagnostici. Naturalmente, ognuna delle piattaforme impiegate (aquiloni, torrette, palloni, dirigibili, helikite…) presenta particolari vantaggi e svantaggi,

476_{Sono individuabili diversi moduli impiegati in momenti differenti per la divisione dei campi un tempo facenti parte}

del latifondo della Ducea di Nelson.

477_{L’evoluzione della fotografia aerea in ambito archeologico è stata oggetto di un apposito paragrafo a cui rimandiamo}

per informazioni bibliografiche.

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un tema ampiamente sviscerato in letteratura479_{. Il mercato permette di acquisire una buona}

piattaforma per scopi archeologici spendendo da un minimo di mille euro fino anche ai duecento mila euro; in base al budget, infatti, è possibile migliorare l’autonomia in volo del velivolo, il livello della strumentazione interna e molte altre caratteristiche tecniche. Allo stesso tempo, sono anche migliorate le soluzioni low-cost disponibili, che permettono, nonostante alcune limitazioni, di portare avanti in maniera più che dignitosa i progetti legati all’archeologia.

Le principale differenze, da un punto di vista prettamente archeologico, che distinguono le tradizionali piattaforme480 _{(aquiloni, palloni etc) dai mezzi UAV sono insite nell’opportunità di}

avere un controllo molto accurato della piattaforma e una scala d’indagine più adatta per ricerche di archeologia di paesaggio. Qualora si avesse la necessità di ottenere delle ottime fotografie aeree lo strumento delle close-range AP platform è di gran lunga da preferire, soprattutto per la facilità di impiego e il costo irrisorio (se confrontato con quello dei droni).

I velivoli a pilotaggio remoto sono impiegati sempre più spesso nel mondo archeologico. Una prova dell’interesse sempre crescente che tale strumento esercita è fornita dal numero di pubblicazioni, riunioni e congressi internazionali dedicati a tale tema. Citiamo, a tal proposito, la recente conferenza di Archeologia Aerea, celebrata all’Accademia Belgica di Roma nel Febbraio del 2016, dal titolo “From Aerostats to Drones: Aerial Imagery in Archaeology”, con un’apposita sezione dedicata proprio ai droni. Essi sono impiegati con molteplici scopi: dalla documentazione completa di attività di scavo, con la produzione di ortofoto o di modelli 3D per esempio, a rilievi di monumenti ancora in piedi, fino alle mappature in 3D di particolari contesti archeologici481_{. Il}

velivolo può anche essere utilizzato, infine, per trasportare scanner (sensori termici, radar etc) in grado di scovare anomalie nel terreno, rivelando, in molti casi, resti archeologici nascosti da secoli.

6.1.5.3 Phantom 4

Nel caso specifico rappresentato dalla nostra ricerca, grazie alla collaborazione con la cattedra di

479_{VERHOEVEN et al. 2009.}

480_{Si tratta di un settore, un po’ di nicchia all’interno del telerilevamento, definito Close-range aerial photography.} 481_{Sul potenziale multidimensionale delle foto aeree in formato analogico e digitale vedi il lavoro di G. Verhoeven e F.}

Vermeulen della Ghent University all’interno del Potenza Valley Survey. I due studiosi stanno elaborando un modello 3D dei siti di Montarice e Colle Burchio in cui è rappresentata anche la copertura vegetale presente al momento della ripresa delle foto. Presentato nel 2016 alla II Conferenza di Archeologia Aerea, del progetto si è già data notizia in VERHOEVEN-VERMEULEN 2016, pp. 4-12; un lavoro simile condotto con il medesimo approccio in SEVARA et al. 2017.

Automatica dell’Università di Catania482 _{è stato possibile disporre di un drone, il Phantom 4.}

Si tratta di uno degli ultimi modelli della fortunata serie, arrivata adesso al numero 5. Il drone a nostra disposizione aveva un costo al momento della sua immissione nel mercato di 1599 euro, abbassatosi dopo qualche anno soltanto di poche centinaia di euro. Il velivolo ha rappresentato per molti aspetti tecnici un netto miglioramento rispetto alla versione precedente; al di là del peso della batteria, aumentato di circa cento grammi, è stata aumentata la velocità di volo massima, il tempo di volo, la velocità di discesa e ascesa nonché la capacità della batteria. Anche la fotocamera del DJI Phantom 4 presenta una qualità complessiva maggiore; infatti, il miglioramento delle ottiche ha ridotto alcuni disturbi come l’aberrazione cromatica483_{, aumentando la nitidezza delle immagini}

soprattutto negli angoli. Inoltre, il sensore registra484 _{alla risoluzione di 4K (con 30 fps), mentre alla}

risoluzione di FHD 1080p riesce a raggiungere i 120 fps. È, infine, montato un particolare sistema di trasmissione delle immagini, definito Lightbridge, che lavora ad una risoluzione di 720p fino all’incredibile distanza di cinque chilometri. Associando il sistema ad un semplice dispositivo mobile, è possibile seguire in HD dal vivo la telecamera del Phantom.

La vera innovazione si trova, però, nel sistema che, attraverso cinque telecamere485 _{e un apposito} software, è in grado di vedere (anche) gli ostacoli che lo circondano. Tale abilità rende, pertanto,

molto difficile che il drone si schianti contro il muro, in quanto esso riconoscerà prima l’ostacolo, diminuendo la velocità. Le telecamere catturano immagini che il programma utilizza per costruire un modello 3D della realtà intorno a sé. Inoltre, attraverso l’Active Track, il drone è in grado di inquadrare un qualsiasi bersaglio in movimento e seguirlo autonomamente, avvicinandosi fino a un metro e mezzo di distanza.

482_{Ringraziamo sinceramente il professore Muscato, ordinario di Automatica, per aver messo a disposizione nostra il}

suo tempo, la sua lunghissima esperienza e la sua attrezzatura.

483_{Si tratta di una delle principali aberrazioni ottiche. Il difetto è dovuto al diverso valore di rifrazione delle lunghezze}

d’onda componenti la luce bianca; poiché ad ogni radiazione corrisponde una determinata distanza focale, il fenomeno si manifesta con la comparsa di un alone rosso con uno sfondo azzurro e viceversa.

484_{Queste le risoluzioni supportate:}

● UHD: 4096x2160 (4k) 24/25p ● 3840x2160 (4k) 24/25/30p ● 2704x1520 (2.7k) 24/25730p

● FHD: 1920x1080 24/25/30/48/50/60/120p ● HD: 1280x720 24/25/30/48/50/60p

146 Figura 7.. Il Phantom 4 in volo sopra la contrada Sciare di Santa Venera. Sullo sfondo il centro urbano di Maletto e

l'Etna vista dal versante settentrionale (foto dell'autore).

All’interno della nostra ricerca, sono stati effettuati numerosi sorvoli con il Phantom, volando sia sopra la macro area 1 sia sulla numero 2. In particolare, il drone è stato utilizzato come strumento di fotogrammetria aerea, per generare in maniera rapida ed estremamente precisa ortofoto486 _{di alcuni}

terreni di contrada Galatese, in cui le precedenti attività di survey avevano supposto la presenza di contesti archeologici. Anche nella seconda macro area, in particolare in contrada Sciare di Santa Venera, il velivolo, dopo alcuni voli preliminari, è stato impiegato con funzione topografica; infatti, oltre all’ortofoto del terreno, è stato effettuato un rilievo delle emergenze archeologiche emerse dopo gli scavi dei recenti anni487_{. Tali strutture sono così state inserite all’interno di una rete di}

inquadramento topografico dell’intera area488_{. L’unico limite è stato rappresentato dalla vicina}

carreggiata della strada statale, che scorre a poche decine di metri di distanza, tagliando, in maniera

486_{Tra i più ricorrenti problemi nel campo del rilievo fotogrammetrico citiamo la calibrazione della distorsione radiale}

degli obiettivi, il livello di risoluzione spaziale e spettrale, la perdita di nitidezza dovuta alle vibrazioni causate e trasmesse dalle eliche. Durante il processo di restituzione un frequente vulnus è rappresentato, invece, dalla qualità dei punti di controllo a terra. Sulle procedure consigliate per la composizione di mappe per finalità geografiche o archeologiche è disponibile una ricca bibliografia; a livello generale vedi VERHOEVEN-SEVARA 2016 pp. 11-13; CALVO 2016; tra le esperienze locali, e siciliane in particolare, BUSCEMI et al. 2014.

487_{Ci riferiamo in particolare agli edifici bizantini pubblicati da CONTI-LIBETTI 2015, pp. 103-132. Anche il grande}

edificio greco a L, la cui datazione oscilla tra il VI e il V secolo a.C., CONTI 2015, p. 100), doveva essere oggetto di un rilievo aereo fotogrammetrico ma il suo stato di conservazione ne ha sconsigliato l’esecuzione.

488_{Come spesso accade, durante le operazioni di scavo ci si è limitati alla generazione di un modello tridimensionale}

(procedura descritta in SIGNORELLO 2015, p. 30) di alcune strutture archeologiche riportate alla luce senza preoccuparsi dell’inserimento puntuale nel contesto topografico.

incredibile, un’area di straordinario interesse archeologico. Com’è risaputo, è assai pericoloso per l’incolumità degli automobilisti e per la sicurezza del drone fare volare lo stesso sopra strade trafficate e, quindi, non è stato possibile estendere l’area d’indagine a Nord. Inoltre, le fotografie scattate dall’alto hanno permesso di meglio identificare alcuni allineamenti di pietre, massi e blocchi di dubbia interpretazione. Siamo di fronte, infatti, ad un contesto paesaggistico pluristratificato, in cui insistono evidenti tracce di trasformazioni dell’ambiente naturale operate dalla natura, soprattutto attraverso la successione di colate laviche, e dall’uomo, che ha tentato di sfruttare il terreno principalmente per attività agricole o legate alla pastorizia. A tale quadro, bisogna aggiungere il rumore di fondo proveniente dalle manomissioni operate in età moderna, con la costruzione della strada statale e della centrale del metanodotto.

In generale, i vantaggi più evidenti che derivano dall’uso di velivoli a pilotaggio remoto consistono nella possibilità offerta agli archeologi di controllare direttamente la piattaforma e il sensore, modificando così, a proprio piacimento, una grande varietà di parametri: la risoluzione, la velocità del volo, l’altezza del volo, il c.d. time window. Inoltre, l’inclusione di applicazioni LiDAR all’interno di tali procedure potrebbe, nel giro di qualche anno, fornire un sostanziale miglioramento dei dati ottenuti nei progetti di archeologia mediterranea. Nella nostra ricerca, il Phantom è stato fatto volare ad altezze diverse489_{, andando così a colmare quel gap di scala su cui spesso ci si}

imbatte nelle ricerche con impostazione tradizionale. Il limite principale dello strumento è insito nella natura del terreno sottoposto a indagine; qualora non si abbia a disposizione sensori multispettrali, radar o termici in presenza di zone alberate o coperte da densa vegetazione l’utilità dell’impiego di un drone scema sensibilmente.

TECNICA SCALE PECULIARITÀ LIMITI

Letteratura edita Macro, semi-micro, micro Punto d’inizio per la formulazione di domande storico-archeologiche

Affidabilità non costante della fonte; localizzazione spesso assai incerta

Ricognizioni di superficie Macro, semi-micro, micro Capacità di individuazione

di emergenze

archeologiche piccole o piccolissime; costo

Praticabile solo su certi terreni; dispendio di tempo

non indifferente;

problematicità

489_{Le altitudini raggiunte sono state 30/40/50 metri. Naturalmente, il tempo impiegato per ricognire un’area è funzione}

dell’altezza impostata. Per l’area di Galatese, il drone ha volato a cinquanta metri, evitando anche i più bassi cavi della luce e il tempo di volo è stato notevolmente inferiore ai dieci minuti. In contrada Sciare di Santa Venera, invece, la necessità di ottenere foto di maggiore dettaglio ci ha indotto a scegliere le altezze inferiori. Un piccolo aneddoto sull’esperienza vissuta; nell’ultimo volo-prova effettuato all’ingresso del percorso di archeo-trekking, subito dopo uno dei due parcheggi per le autovetture, intorno al drone, che volava a 40 metri, ha iniziato a librare un rapace, probabilmente un falchetto. L’animale si è sentito minacciato dalla presenza del velivolo nel proprio territorio e si è avvicinato in maniera molto minacciosa. Onde evitare uno scontro animale-drone, il prof. Muscato ha sapientemente scelto di interrompere il volo e fare atterrare, quasi d’emergenza, il Phantom.

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economico bassissimo; richiesto numero esiguo di partecipanti dell’interpretazione della concentrazione/non concentrazione di materiale archeologico in superficie

Aereo fotointerpretazione Semi-micro, micro Valore storico del paesaggio ripreso; copertura sinottica; consultazione gratuità

Origine cartografica del

materiale; limitate

possibilità ingrandimento; uso quasi esclusivo di pellicole pancromatiche

Immagini da satellite ad alta risoluzione (Worldview2)

Semi-micro, micro Scelta dell’area,

dell’estensione e del giorno di acquisizione; multispettralità e infrarosso vicino; copertura continua; prodotto GIS ready; possibilità di ottenimento d’informazioni numeriche; modalità d’acquisto Dipendenza condizioni atmosferiche; dipendenza copertura vegetale Immagini da satellite a media risoluzione (Landsat 7)

Macro, semi-micro Multispettralità e canale

termico; acquisto gratuito delle immagini

Dipendenza condizioni

atmosferiche;

malfunzionamento nel

sensore; scala più adatta a indagini macro

LiDAR Semi-micro, micro Possibilità di generare DTM; superamento ostacolo vegetazione; scelta periodo anno; interazione con piattaforme UAV

Costo iniziale tecnologia; difficoltà gestione dei dati

GPS Micro Rapidità; precisione;

maneggevolezza; interfaccia sistemi GIS

Visibilità verticale

UAV Semi-micro, micro Possibilità scelta area,

periodo e altezza del volo; possibilità di montare sensori multispettrali, iperspettrali, radar, termici; elevata qualità dei dati; impiego dei dati per numerose applicazioni

Necessità patentino;

limitazione del volo in alcune aeree; costo della strumentazione

CAPITOLO 7