Using UAV acquired photography and structure from motion techniques for studying glacier landforms: application to the glacial flutes at Isfallsglaciären

Glacier and ice sheet retreat exposes freshly deglaciated terrain which often contains small-scale fragile geomorphological features which could provide insight into subglacial or submarginal processes. Subaerial exposure results in potentially rapid landscape modification or even disappearance of the minor–relief landforms as wind, weather, water and vegetation impacts on the newly exposed surface. Ongoing retreat of many ice masses means there is a growing opportunity to obtain high resolution geospatial data from glacier forelands to aid in the understanding of recent subglacial and submarginal processes. Here we used an unmanned aerial vehicle to capture close-range aerial photography of the foreland of Isfallsglaciären, a small polythermal glacier situated in Swedish Lapland. An orthophoto and a digital elevation model with ~2 cm horizontal resolution were created from this photography using structure from motion software. These geospatial data was used to create a geomorphological map of the foreland, documenting moraines, fans, channels and flutes. The unprecedented resolution of the data enabled us to derive morphological metrics (length, width and relief) of the smallest flutes, which is not possible with other data products normally used for glacial landform metrics mapping. The map and flute metrics compare well with previous studies, highlighting the potential of this technique for rapidly documenting glacier foreland geomorphology at an unprecedented scale and resolution. The vast majority of flutes were found to have an associated stoss-side boulder, with the remainder having a likely explanation for boulder absence (burial or erosion). Furthermore, the size of this boulder was found to strongly correlate with the width and relief of the lee-side flute. This is consistent with the lee-side cavity infill model of flute formation. Whether this model is applicable to all flutes, or multiple mechanisms are required, awaits further study.

The Accuracy and Reliability of Traditional Surface Flow Type Mapping: Is It Time for A New Method of Characterising Physical River Habitat?

Surface flow types (SFT) are advocated as ecologically relevant hydraulic units, often mapped visually from the bankside to characterise rapidly the physical habitat of rivers. SFT mapping is simple, non-invasive and cost-efficient. However, it is also qualitative, subjective and plagued by difficulties in recording accurately the spatial extent of SFT units. Quantitative validation of the underlying physical habitat parameters is often lacking, and does not consistently differentiate between SFTs. Here, we investigate explicitly the accuracy, reliability and statistical separability of traditionally mapped SFTs as indicators of physical habitat, using independent, hydraulic and topographic data collected during three surveys of a c. 50m reach of the River Arrow, Warwickshire, England. We also explore the potential of a novel remote sensing approach, comprising a small unmanned aerial system (sUAS) and Structure-from-Motion photogrammetry (SfM), as an alternative method of physical habitat characterisation. Our key findings indicate that SFT mapping accuracy is highly variable, with overall mapping accuracy not exceeding 74%. Results from analysis of similarity (ANOSIM) tests found that strong differences did not exist between all SFT pairs. This leads us to question the suitability of SFTs for characterising physical habitat for river science and management applications. In contrast, the sUAS-SfM approach provided high resolution, spatially continuous, spatially explicit, quantitative measurements of water depth and point cloud roughness at the microscale (spatial scales ≤1m). Such data are acquired rapidly, inexpensively, and provide new opportunities for examining the heterogeneity of physical habitat over a range of spatial and temporal scales. Whilst continued refinement of the sUAS-SfM approach is required, we propose that this method offers an opportunity to move away from broad, mesoscale classifications of physical habitat (spatial scales 10-100m), and towards continuous, quantitative measurements of the continuum of hydraulic and geomorphic conditions which actually exists at the microscale.

Geometric versus Model Predictive Control based guidance algorithms for fixed-wing UAVs in the presence of very strong wind fields.

The recent years have witnessed increased development of small, autonomous fixed-wing Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). In order to unlock widespread applicability of these platforms, they need to be capable of operating under a variety of environmental conditions. Due to their small size, low weight, and low speeds, they require the capability of coping with wind speeds that are approaching or even faster than the nominal airspeed. In this thesis, a nonlinear-geometric guidance strategy is presented, addressing this problem. More broadly, a methodology is proposed for the high-level control of non-holonomic unicycle-like vehicles in the presence of strong flowfields (e.g. winds, underwater currents) which may outreach the maximum vehicle speed. The proposed strategy guarantees convergence to a safe and stable vehicle configuration with respect to the flowfield, while preserving some tracking performance with respect to the target path. As an alternative approach, an algorithm based on Model Predictive Control (MPC) is developed, and a comparison between advantages and disadvantages of both approaches is drawn. Evaluations in simulations and a challenging real-world flight experiment in very windy conditions confirm the feasibility of the proposed guidance approach.

Confronto tra tecniche di remote sensing per la caratterizzazione di un ammasso roccioso presso le Gole di Scascoli, Loiano (BO)

Il versante sinistro delle Gole di Scascoli (BO) è caratterizzato da una marcata tendenza evolutiva per crollo e ribaltamento. Negli ultimi 25 anni si sono verificati eventi parossistici con volumi di roccia coinvolti rispettivamente di 7000 m3, 20000 m3 e 35000 m3. Il sito è di grande rilevanza a causa del forte fattore di rischio rappresentato per la strada di fondovalle ad esso adiacente. Il lavoro di tesi è stato finalizzato allo studio dei fenomeni di versante di una parete rocciosa inaccessibile nota in letteratura come “ex-Mammellone 1” mediante tecniche di telerilevamento quali TLS (Terrestrial Laser Scanning) e CRP (Close Range Photogrammetry) al fine affiancare il rilievo geomeccanico soggettivo dell’area svolto nel 2003 da ENSER Srl in seguito ai fenomeni di crollo del 2002. Lo sviluppo di tecnologie e metodi innovativi per l’analisi territoriale basata sull’impiego di UAV (Unmanned Aerial Vehicle, meglio noti come Droni), associata alle tecniche di fotogrammetria digitale costituisce un elemento di notevole ausilio nelle pratiche di rilevamento in campo di sicurezza e tempi di esecuzione. Il lavoro ha previsto una prima fase di rilevamento areo-fotogrammetrico mediante strumentazione professionale e amatoriale, a cui è seguita l’elaborazione dei rispettivi modelli. I diversi output sono stati confrontati dal punto di vista geomorfologico, geometrico, geomeccanico e di modellazione numerica di caduta massi. Dal lavoro è stato possibile indagare l’evoluzione morfologica del sito in esame negli ultimi 10 anni, confrontare diversi metodi di rilevamento e analisi dati, sperimentare la robustezza e ripetibilità geometrica del metodo fotogrammetrico per il rilievo di fronti rocciosi e mettere a punto un metodo semiautomatico di individuazione e analisi delle giaciture delle discontinuità.

Posizionamento GNSS di fotogrammi acquisiti da UAV

L’oggetto di studio di questa tesi consiste nel primo approccio di sperimentazione dell’utilizzo di tecnologia UAV (Unmanned aerial vehicle, cioè velivoli senza pilota), per fotogrammetria ai fini di una valutazione di eventuali danni ad edifici, a seguito di un evento straordinario o disastri naturali. Uno degli aspetti più onerosi in termini di tempo e costi di esecuzione, nel processamento di voli fotogrammetrici per usi cartografici è dovuto alla necessità di un appoggio topografico a terra. Nella presente tesi è stata valutata la possibilità di effettuare un posizionamento di precisione della camera da presa al momento dello scatto, in modo da ridurre significativamente la necessità di Punti Fotografici di Appoggio (PFA) rilevati per via topografica a terra. In particolare si è voluto sperimentare l’impiego di stazioni totali robotiche per l’inseguimento e il posizionamento del velivolo durante le acquisizioni, in modo da simulare la presenza di ricevitori geodetici RTK installati a bordo. Al tempo stesso tale metodologia permetterebbe il posizionamento di precisione del velivolo anche in condizioni “indoor” o di scarsa ricezione dei segnali satellitari, quali ad esempio quelle riscontrabili nelle attività di volo entro canyon urbani o nel rilievo dei prospetti di edifici. Nell’ambito della tesi è stata, quindi, effettuata una analisi di un blocco fotogrammetrico in presenza del posizionamento di precisione della camera all’istante dello scatto, confrontando poi i risultati ottenuti con quelli desumibili attraverso un tradizionale appoggio topografico a terra. È stato quindi possibile valutare le potenzialità del rilievo fotogrammetrico da drone in condizioni vicine a quelle tipiche della fotogrammetria diretta. In questo caso non sono stati misurati però gli angoli di assetto della camera all’istante dello scatto, ma si è proceduto alla loro stima per via fotogrammetrica.

Pianificazione di coperture fotogrammetriche mediante RPAS

Il seguente elaborato di tesi tratta il problema della pianificazione di voli fotogrammetrici a bassa quota mediante l’uso di SAPR, in particolare è presentata una disamina delle principali applicazioni che permettono di programmare una copertura fotogrammetrica trasversale e longitudinale di un certo poligono con un drone commerciale. Il tema principale sviluppato è la gestione di un volo fotogrammetrico UAV mediante l’uso di applicativi software che permettono all’utente di inserire i parametri di volo in base alla tipologia di rilievo che vuole effettuare. L’obbiettivo finale è quello di ottenere una corretta presa fotogrammetrica da utilizzare per la creazione di un modello digitale del terreno o di un oggetto attraverso elaborazione dati in post-processing. La perfetta configurazione del volo non può prescindere dalle conoscenze base di fotogrammetria e delle meccaniche di un veicolo UAV. I capitoli introduttivi tratteranno infatti i principi della fotogrammetria analogica e digitale soffermandosi su temi utili alla comprensione delle problematiche relative al progetto di rilievo fotogrammetrico aereo. Una particolare attenzione è stata posta sulle nozioni di fotogrammetria digitale che, insieme agli algoritmi di Imagine Matching derivanti dalla Computer Vision, permette di definire il ramo della Fotogrammetria Moderna. Nei capitoli centrali verranno esaminate e confrontate una serie di applicazioni commerciali per smartphone e tablet, disponibili per sistemi Apple e Android, per trarne un breve resoconto conclusivo che le compari in termini di accessibilità, potenzialità e destinazione d’uso. Per una maggiore comprensione si determinano univocamente gli acronimi con cui i droni vengono chiamati nei diversi contesti: UAV (Unmanned Aerial Vehicle), SAPR (Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto), RPAS (Remotely Piloted Aicraft System), ARP (Aeromobili a Pilotaggio Remoto).

Evaluation of vegetation recovery after fire: a case study in Calde, central region of Portugal

Remote Sensing has been used for decades, and more and more applications are added to its repertoire. With this study we aim to show the use of Remote Sensing in the field of vegetation recovery monitoring in burned areas and the added value of data with a high spatial resolution. This was done by analysing both Landsat 7 and 8 scenes, after the forest fire of summer 2012 in the parish of Calde, in the central region of Portugal, as well as an orthophoto produced with images acquired by an unmanned aerial vehicle.

Sistema de rádio comunicações para UAV

Os veículos aéreos não tripulados, mais conhecidos por drones, têm tomado atualmente uma posição importante na sociedade. Para além da sua importância no meio militar, têm sido cada vez mais utilizados para meios comerciais uma vez que o seu custo é relativamente baixo e podem ser utilizados para inúmeras aplicações. Devido à sua importância em missões de salvamento, reconhecimento de terreno e até mesmo de ataque, é fundamental uma boa comunicação entre a aeronave e a estação terrestre. Sendo a antena um dos principais elementos do sistema de comunicação, esta dissertação centrou-se no desenvolvimento de uma agregado de antenas a operar à frequência de 2.45GHz. Pretende-se que este agregado apresente polarização circular direita bem como um ganho e largura de banda elevados. Com o objetivo de se obter uma comunicação mais eficiente entre a aeronave e a estação terrestre, o agregado permitirá o redirecionamento do feixe principal do diagrama de radiação. Para tal, serão analisadas três abordagens distintas recorrendo a linhas de atraso e switches, permitindo que seja efetuado beamforming.

Operacionalização, no contexto da Força Aérea, de um Sistema Aéreo Autónomo Não-Tripulado Classe II para Vigilância Marítima e Busca e Salvamento

Os sistemas de aeronaves não-tripuladas (UAS-Unmanned Aircraft Systems) são uma realidade nos mais distintos cenários, especialmente nos militares. Atualmente, qualquer força armada credível possui sistemas de armas deste tipo ou planeia adquiri-los a curto prazo. Os militares encontram nesta nova valência do poder aéreo uma forma de ultrapassar alguns desafios colocados, essencialmente, por problemas de restrições económicas, humanas e técnicas. O aumento da mobilidade no transporte marítimo e no transporte aéreo, sobre os oceanos leva a que a zona económica exclusiva possa estar ameaçada, especialmente, a costa portuguesa, justificando-se assim, a existência dos meios necessários à sua vigilância de forma eficiente e eficaz. Para isso o país conta com o apoio Força Aérea Portuguesa, que pretende integrar no seu dispositivo nacional UAS Classe II (peso máximo à descolagem entre os 150kg e os 600kg) e desta forma levar a cabo, juntamente com as outras Unidades Aéreas já existentes, missões de Vigilância Marítima e Busca e Salvamento. Não obstante da capacidade já existente, torna-se relevante que sejam estudadas soluções que possam complementar a missão por ela levada a cabo visando, assim, uma otimização de recursos se possível. Tendo em conta esta moldura enquadradora, a presente dissertação, através de um estudo teórico, tem por objetivo geral analisar a potencial operacionalização de um UAS do tipo Classe II, no contexto das missões da Força Aérea. Para a elaboração deste estudo investigou-se e recolheu-se informações sobre a missão VIMAR e SAR. Para a recolha de dados foram elaboradas entrevistas a alguns militares experientes da organização. Os dados recolhidos possibilitaram a criação e respetiva análise de uma matriz SWOT, assim como tipificar missões, no âmbito da Vigilância Marítima e Busca e Salvamento, nas quais a integração do UAS com as aeronaves tripuladas se revelaria fulcral para o sucesso das operações aéreas. Provado o potencial, termina-se com a enumeração de diversas tarefas, sensores, equipamentos e requisitos que poderão servir de referência aos responsáveis pelo desenho e conceção do UAS.

Reconocimiento de una plataforma para aterrizaje de UAV mediante procesamiento de imágenes

En el año 2016 se vendieron en EE.UU más de un millón de Unmanned Aerial Vehicles (UAVs, Vehículos aéreos no tripulados), casi el doble que el año anterior, país del que se dispone de información. Para el año 2020 se estima que este mercado alcance los 5.600 millones de dólares en todo el mundo, creciendo a un ritmo del 30% anual. Este crecimiento demuestra que existe un mercado en expansión con muchas y diversas oportunidades de investigación. El rango de aplicaciones en los que se utiliza este tipo de vehículos es innumerable. Desde finales del s.XX, los UAVs han estado presentes en multitud de aplicaciones, principalmente en misiones de reconocimiento. Su principal ventaja radica en que pueden ser utilizados en situaciones de alto riesgo sin suponer una amenaza para ningún tripulante. En los últimos años, la fabricación de vehículos asequibles económicamente ha permitido que su uso se extienda a otros sectores. A día de hoy uno de los campos en los que ha adquirido gran relevancia es en agricultura, contribuyendo a la automatización y monitorización de cultivos, pero también se ha extendido su uso a diferentes sistemas, tales como seguridad, cartografía o monitorización, entre otros [1]. Es en esta situación en la que se propone el proyecto SALACOM [2], que explora la posibilidad de utilizar esta tecnología en sistemas de repuesta rápida para la detección y contención de vertidos contaminantes en entornos acuáticos con el apoyo de vehículos autónomos marinos de superficie (USV, Unmanned Surface Vehicles). En el mencionado proyecto se pretende utilizar sistemas UAVs para detectar y analizar las zonas de vertido y proveer la información respecto a la localización y las técnicas de contención adecuadas a los sistemas USV. Una vez se haya realizado el análisis de la situación del vertido, los USV trabajarían conjuntamente con los UAVs para desplegar las barreras de protección seleccionadas en la zona afectada. Para esto, los UAVs o drones, términos similares en lo que respecta a este proyecto y que a lo largo de esta memoria se usarán indistintamente, deben ser capaces de despegar desde los USV y volver a aterrizar sobre ellos una vez realizada su labor. El proyecto que se describe en la presente memoria se centra en la fase de aterrizaje y, más concretamente, en la detección de la plataforma seleccionada como plantilla mediante técnicas de tratamiento de imágenes. Esto serviría como sistema de apoyo para guiar el dron hacia la plataforma para que pueda realizar el descenso correctamente y finalizar así su misión o bien para realizar operaciones de recarga de la batería. El dron está equipado con la correspondiente cámara de visión a bordo, con la que obtiene las imágenes, las procesa e identifica la plataforma para dirigirse hacia ella, si bien, dado que el sistema de procesamiento de imágenes no se encuentra totalmente operativo, este trabajo se centra en el desarrollo de una aplicación software independiente del sistema de visión a bordo del dron, basada en el desarrollo de técnicas de reconocimiento de la plataforma. La plataforma a utilizar proviene de una patente [3], consistente en una figura geométrica con formas características, de muy difícil aparición en entornos de exterior. La figura pintada en negro se halla impresa sobre un panel de fondo blanco de 1m × 1m de superficie. En este trabajo se han explorado diversas opciones disponibles para realizar la identificación de las regiones de interés. El principal objetivo es realizar la selección de una tecnología que pueda cumplir potencialmente con los criterios necesarios para llevar a cabo la tarea y seleccionar los métodos de detección adecuados para realizar la identificación de la figura contenida en la plataforma. Se ha pretendido utilizar tecnologías de fácil uso, amplío soporte y, cuando ha sido posible, de código libre. Todo ello integrado en una aplicación informática, que es la que se presenta en el presente trabajo.

As ruturas epistemológicas na cultura aeronáutica resultantes da emergência da guerra aérea remota

A evolução tecnológica e a necessidade operacional de Unmanned Aircraft Systems (UAS) ditarão, a curto trecho, a sua expansão funcional à quase totalidade das áreas de missão tipicamente reservadas às plataformas tripuladas. Talvez a maior barreira à adoção dos UAS de forma plena, pela United States Air Force (USAF) em particular, e por extensão a outras Forças Aéreas que partilhem de valores semelhantes, será a alteração da cultura organizacional, no sentido de promover a aceitação dos sistemas não tripulados como capacidades idênticas às providenciadas pelas aeronaves tripuladas. Este artigo pretende explorar algumas das forças dissociativas que resistem à integração dos UAS na estrutura de força de uma instituição, tomando como exemplo a USAF enquanto maior utilizadora destes sistemas e influenciadora das tendências futuras do Poder Aéreo. Para melhor percebermos os desafios culturais que despontam do emprego em larga escala de UAS de combate, teremos de percorrer o processo de independência da USAF e a validação estratégica do Poder Aéreo enquanto instrumento militar preferencial

Technologies for urban and rural internet of things

Nowadays, application domains such as smart cities, agriculture or intelligent transportation, require communication technologies that combine long transmission ranges and energy efficiency to fulfill a set of capabilities and constraints to rely on. In addition, in recent years, the interest in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) providing wireless connectivity in such scenarios is substantially increased thanks to their flexible deployment. The first chapters of this thesis deal with LoRaWAN and Narrowband-IoT (NB-IoT), which recent trends identify as the most promising Low Power Wide Area Networks technologies. While LoRaWAN is an open protocol that has gained a lot of interest thanks to its simplicity and energy efficiency, NB-IoT has been introduced from 3GPP as a radio access technology for massive machine-type communications inheriting legacy LTE characteristics. This thesis offers an overview of the two, comparing them in terms of selected performance indicators. In particular, LoRaWAN technology is assessed both via simulations and experiments, considering different network architectures and solutions to improve its performance (e.g., a new Adaptive Data Rate algorithm). NB-IoT is then introduced to identify which technology is more suitable depending on the application considered. The second part of the thesis introduces the use of UAVs as flying Base Stations, denoted as Unmanned Aerial Base Stations, (UABSs), which are considered as one of the key pillars of 6G to offer service for a number of applications. To this end, the performance of an NB-IoT network are assessed considering a UABS following predefined trajectories. Then, machine learning algorithms based on reinforcement learning and meta-learning are considered to optimize the trajectory as well as the radio resource management techniques the UABS may rely on in order to provide service considering both static (IoT sensors) and dynamic (vehicles) users. Finally, some experimental projects based on the technologies mentioned so far are presented.

Progetto preliminare e modellazione CAD di UAV ad ala rotante per impieghi agricoli

In questa tesi viene descritto uno studio preliminare su un velivolo ad ala rotante UAV (Unmanned Aerial Veichle) per supportare l'agricoltura di precisione. E' stato implementato in ambiente Matlab un semplice modello matematico per stimare la trazione del rotore principale in un elicottero. Successivamente, è stata presa in considerazone una meccanica commerciale per modellismo che potrebbe essere adottata per sveltire i tempi di sviluppo di questo UAV: la Graupner UNI-Mechanics 2000. E' stato, quindi, modellato al CAD un prototipo di struttura da realizzare tramite tecniche di Additive Manufacturing: questa parte è stata concepita per essere collegata alla meccanica dell'elicottero e può ospitare due taniche contenenti le sostanze da irrorare sulle colture. A livello di sviluppo futuro, si propone di applicare tecniche di ottimizzazione topologica alla struttura di collegamento per ottenere uno sfruttamento ottimale del materiale e ridurre le masse di questo componente.

Assessing the relationship between bee/flower diversity and vegetation structural heterogeneity through UAV photogrammetry

The ecosystem services provided by bees are very important. Factors as habitat fragmentation, intensive agriculture and climate change are contributing to the decline of bee populations. The use of remote sensing could be a useful tool for the recognition of sites with a high diversity, before performing a more expensive survey in the field. In this study the ability of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) images to estimate biodiversity at local scale has been analysed testing the concept of the Height Variation Hypothesis (HVH). This approach states that, the higher the vegetation height heterogeneity (HH) measured by remote sensing information, the higher the vertical complexity and the higher vegetation species diversity. In this thesis the concept has been brought to a higher level, in order to understand if the vegetation HH can be considered a proxy also of bee species diversity and abundance. We tested this approach collecting field data on bees/flowers and RGB images through an UAV campaign in 30 grasslands in the South of the Netherlands. The Canopy Height Model (CHM) were derived through the photogrammetry technique "Structure from Motion" (SfM) with resolutions of 10cm, 25cm, 50cm. Successively, the HH assessed on the CHM using the Rao's Q heterogeneity index was correlated to the field data (bee abundance, diversity and bee/flower species richness). The correlations were all positive and significant. The highest R2 values were found when the HH was calculated at 10cm and correlated to bee species richness (R2 = 0.41) and Shannon’s H index (R2 = 0.38). Using a lower spatial resolution the goodness of fit slightly decreases. For flower species richness the R2 ranged between 0.36 to 0.39. Our results suggest that methods based on the concept behind the HVH, in this case deriving information of HH from UAV data, can be developed into valuable tools for large-scale, standardized and cost-effective monitoring of flower diversity and of the habitat quality for bees.

Flower cover and bee diversity estimate by drone RGB images

Worldwide, biodiversity is decreasing due to climate change, habitat fragmentation and agricultural intensification. Bees are essential crops pollinator, but their abundance and diversity are decreasing as well. For their conservation, it is necessary to assess the status of bee population. Field data collection methods are expensive and time consuming thus, recently, new methods based on remote sensing are used. In this study we tested the possibility of using flower cover diversity estimated by UAV images (FCD-UAV) to assess bee diversity and abundance in 10 agricultural meadows in the Netherlands. In order to do so, field data of flower and bee diversity and abundance were collected during a campaign in May 2021. Furthermore, RGB images of the areas have been collected using Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and post-processed into orthomosaics. Lastly, Random Forest machine learning algorithm was applied to estimate FCD of the species detected in each field. Resulting FCD was expressed with Shannon and Simpson diversity indices, which were successively correlated to bee Shannon and Simpson diversity indices, abundance and species richness. The results showed a positive relationship between FCD-UAV and in-situ collected data about bee diversity, evaluated with Shannon index, abundance and species richness. The strongest relationship was found between FCD (Shannon Index) and bee abundance with R2=0.52. Following, good correlations were found with bee species richness (R2=0.39) and bee diversity (R2=0.37). R2 values of the relationship between FCD (Simpson Index) and bee abundance, species richness and diversity were slightly inferior (0.45, 0.37 and 0.35, respectively). Our results suggest that the proposed method based on the coupling of UAV imagery and machine learning for the assessment of flower species diversity could be developed into valuable tools for large-scale, standardized and cost-effective monitoring of flower cover and of the habitat quality for bees.