Laser scanner, droni e fotogrammetria digitale: le nuove tecnologie per il rilievo

Negli ultimi anni l’evoluzione degli strumenti tecnologici nelle professioni ha portato a grandi innovazioni, soprattutto nel campo del rilievo edile e topografico: basti considerare i notevoli vantaggi (di precisione, tempo, costi) che possono derivare da un rilievo effettuato con uno scanner inserito in un drone.

Vantaggi fruibili da tutti i tecnici, grazie soprattutto all’evoluzione dei software, che consentono di ricostruire la mesh tridimensionale dalle fotografie scattate dall’alto: gran parte del lavoro di elaborazione dei dati oggi può essere effettuato con software di semplice utilizzo, che rendono disponibili i dati in modelli 3D.

Nello specifico questi software consentono di trasformare i dati raccolti dagli apparecchi laser e fotografici in nuvole di punti, mesh tridimensionali, Modelli Digitali di Elevazione (DTM) e ortofoto georeferenziate; in altre parole, consentono di ottenere tutto ciò che è necessario per il rilievo degli edifici, la progettazione di infrastrutture nuove o la loro manutenzione.

Un bel passo avanti. Vediamo i principi di funzionamento di queste tecnologie.

Rilievo degli edifici

In un’epoca in cui si costruisce sempre meno e si recupera sempre più il patrimonio immobiliare esistente, assume un’importanza fondamentale il rilievo puntuale dello stato dell’immobile da recuperare.

La conoscenza dettagliata di una struttura, di una facciata o di un sito, consente al progettista di esprimersi al meglio nella fase progettuale. Lo mette nella condizione di fare scelte oculate, di ottimizzare al meglio gli spazi, di computare i lavori da eseguire con notevole precisione.

Fino a qualche tempo fa il rilievo di fabbricati e/o di siti veniva eseguito con strumenti semplici che non consentivano di avere un modello dell’immobile su cui si doveva intervenire.

Le misurazioni eseguite per generare la pianta di un edificio erano molto spesso sezioni orizzontali, a una determinata quota, che non tenevano conto di eventuali inclinazioni dei muri, eventuali anomalie statiche dei solai, ecc. Seppur si poteva arrivare a un modello 3D dell’immobile, lo stesso era comunque condizionato da una serie di approssimazioni, a cui si poteva in parte ovviare con una lunga campagna di misure.

Oggi, le nuove tecnologie consentono di abbinare informazioni metriche, fotografiche, termografiche, ecc.: grazie all’utilizzo di laser scanner e droni, il progettista lavora direttamente sulla struttura conoscendone forma, dimensioni, materiali, situazioni critiche (lesioni, situazioni di insalubrità, ecc.).

Il tutto a vantaggio di una progettazione di altissimo livello.

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Fotogrammetria digitale

La fotogrammetria architettonica è una tecnica di rilievo che permette di acquisire dati metrici di un oggetto (forma e posizione) tramite l’acquisizione e l’analisi di una coppia di fotogrammi stereometrici.

Il rilievo con la fotogrammetria architettonica prevede due fasi:

1. la ripresa, il cui prodotto è la coppia di fotogrammi stereometrici. Essa consiste nel fotografare l’oggetto con la camera stereometrica oppure con la camera metrica, posta in due punti distinti e scelti nel rispetto della stereoscopia artificiale.
2. la restituzione, che utilizza la coppia di fotogrammi stereometrici. Con questa operazione, osservando il modello ottico tridimensionale, è possibile rilevare le dimensioni che interessano, oppure si può elaborare una rappresentazione, in proiezione ortogonale, dell’oggetto fotografato.

La fotogrammetria digitale è la tecnica di rilievo che consente di ottenere informazioni metriche e geografiche, forma e posizione, di oggetti tridimensionali, come terreni ed edifici mediante la elaborazione di immagini fotografiche digitali.

L’applicazione ai droni (aerofotogrammetria) opera attraverso la creazione di modelli digitali del terreno e ortofoto, e produce rilievi architettonici di infrastrutture ed edifici per la creazione di modelli 3D.

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Attualmente l’ aerofotogrammetria rappresenta una delle tecniche di acquisizione dei dati del territorio tre le più affidabili, economiche e precise, molto utile anche nelle analisi del cambiamento del territorio.

La fotogrammetria mediante l’utilizzo del drone ha diverse applicazioni tecniche: ortofoto, rilievi geologici, servizi topografici con drone, modelli 3D (ricostruzioni nuvole di punti, curve di livello), mappatura cantieri e territori, rendering edifici,  monitoraggio siti con dissesto idrogeologico, DEM (Digital Elevation Model).

Partendo da una serie di immagini digitali opportunamente scattate è possibile ottenere un modello tridimensionale di superficie. L’origine dei dati può essere molteplice, le principali sono:

Laser scanner

Il laser scanner misura, in una regione di spazio e secondo una predefinita densità, le posizioni di punti degli oggetti ivi presenti.

Ne deriva una nuvola di punti cioè un insieme di punti con definite coordinate nello spazio. Dalla nuvola di punti è possibile definire superfici costituite da triangoli (mesh) e da superfici continue (nurbs). Le superfici possono essere fotorealistiche.

Nato per applicazioni industriali, il laser scanner è un dispositivo elettro-ottico meccanico che, attraverso la tecnica di scansioni successive, permette di rilevare automaticamente un oggetto nelle sue tre dimensioni.

Il rilievo tridimensionale fornisce quattro informazioni: le tre coordinate del punto rilevato e il valore della riflettanza, che cambia a seconda della natura del materiale.

La riflettanza rappresenta la capacità dei corpi di riflettere il raggio laser; indica per ciascun punto di una superficie di materiale opaco, colpito da un raggio luminoso,

• il fattore di risposta, cioè il rapporto adimensionale tra la irradianza, o densità di flusso radiante incidente
• la emittanza, o densità di flusso radiante uscente.

Qualunque sia la tecnologia di scansione laser utilizzata (in campo architettonico la più avanzata è la scansione di fase), il risultato è una nuvola di punti molto densa dalla quale è possibile ricavare un numero impressionante di dati ed elaborazioni:

• Modelli 3D a colori degli edifici rilevati
• Modello 3D a superfici o mesh
• Ortofoto di facciate e prospetti
• Sezioni e planimetrie
• Navigazioni virtuali all’interno della nuvola di punti
• Implementazione in ambienti digitali e software AR (Realtà Aumentata)
• Implementazione in ambienti BIM (Building Information Modeling) per la modellizzazione rapida dello stato di fatto.

Il risultato può inoltre essere integrato con tecnologie GNSS per la georeferenziazione della nuvola, con rilievi aerofotogrammetrici da drone per le coperture degli edifici e qualsiasi altro rilievo digitale pre-esistente.

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Video digitali

La possibilità di utilizzare una videocamera professionale per ottenere un rilievo rende questa tecnologia di facile utilizzo e diffusione, con il vantaggio di poter rilevare velocemente aree anche molto vaste. La trasportabilità degli apparecchi e la autonomia rendono questi strumenti molto indicati per rilievi in aree poco accessibili.

Fotografie digitali

Poter utilizzare una fotocamera digitale come strumento di rilievo permette di rendere ancora più semplice e accessibile questa tecnologia. Il vantaggio maggiore è senza dubbio quello di realizzare fotogrammetria tridimensionale a basso costo.

Nuvola di punti: cosa è?

Quando si esegue una scansione, il laser scanner registra un numero enorme di punti dati restituiti dalle superfici nell’area che si sta scansionando. Questi possono includere muri, finestre, condutture, strutture in acciaio, ecc. Il punto dunque è l’entità fondamentale su cui si fonda il metodo di rilievo fotogrammetrico.

Il risultato che si ottiene è una nuvola di punti, di coordinate x y z, visualizzabile direttamente sul monitor di un computer come “fotografia tridimensionale“, formata da milioni di punti, che descrivono dettagliatamente la superficie dell’oggetto rilevato, e dalla quale è possibile ricavare informazioni dimensionali e colorimetriche.

Semplificando, potremo paragonare una nuvola a una massa 3D composta da piccole goccioline.

I punti rilevati hanno, tra le varie caratteristiche, associato un colore; con la scansione è infatti possibile associare alle coordinate dei punti anche un dato RGB, derivante da una fotocamera.

Quindi la nuvola di punti che il laser scanner cattura è un preciso costruito come un oggetto o spazio, salvato sotto forma di un numero molto elevato di punti che ne definiscono le superfici.

La gestione dei dati

Le scansioni vengono importate all’interno del software di modellazione. Le singole scansioni vengono sottoposte ad operazioni di filtraggio in modo da eliminare in maniera automatica segnali spuri che forniscono coordinate 3D non corrette.

Quindi si passa al processamento dei dati attraverso strumenti di editing, che consentono di gestire migliaia di punti che scaturiscono dal processo di digitalizzazione, semplificando e riducendone il numero in fase di costruzione di geometrie. La nuvola punti viene trasformata in spline, superfici e mesh.

A seguito del processamento dei dati è possibile:

• misurare;
• produrre filmati;
• ottenere immagini rettificate;
• esportare le sezioni ottenute in formato DXF;
• posizionare l’oggetto rilevato secondo un riferimento topografico;
• creare modelli BIM.

I software che consentono la gestione della nuvola di punti sono sempre di più e sempre più performanti: sfruttando la tecnologia structure from motion (SfM) migliorano costantemente i loro algoritmi che ora, ad esempio, permettono di fare un modello tridimensionale di un’automobile scattando le foto con lo smartphone, velocemente e con risultati notevoli.

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Indirizzo articolo: https://biblus.acca.it/nuove-tecnologie-per-il-rilievo-degli-edifici/