IL RILIEVO AUTOMATICO

LASER SCANNER

La tecnica del laser scanning rappresenta un nuovo ed efficiente metodo per la digitalizzazione e la modellizzazione di oggetti e di porzioni di territorio aventi qualsiasi forma e dimensione. La digitalizzazione avviene in modo discreto attraverso la misurazione della posizione di un elevato numero di punti. La tecnica del laser scanning si basa sul metodo di misurazione delle distanze per mezzo di onde elettromagnetiche.
Questa tecnica di misura nasce nel 1933 grazie al sovietico Balaicov che brevetto il primo distanziometro ad onde ed il connazionale Lebedev che ne costruì il primo prototipo nel 1938. A partire dagli anni '70 furono messi in commercio, a prezzi accessibili anche alla piccola utenza, i primi distanziometri ad onde.
Questa introduzione ha decretato la fine del rilievo delle distanze con metodi tradizionali a vantaggio di un metodo di misura avente precisione maggiore ed una più rapida esecuzione delle misure stesse. La possibilità di misurare distanze con estrema facilita ha portato come logica conseguenza ad una rivoluzione dei metodi di rilevamento e di calcolo consentendo agli operatori di svincolarsi dai vecchi schemi di rilievo a favore di nuovi sistemi.
Lo strumento viene definito scanner poiché l'acquisizione avviene secondo specifici criteri di organizzazione dei dati raccolti (analoghi a quelli degli strumenti di scansione tradizionali come stazioni totali). Questi criteri possono essere riassunti nella capacità di operare in modo automatico e sistematico; nella velocità di acquisizione (si arriva a migliaia di punti al secondo); e nella possibilità di avere accesso ai dati in tempo reale. 
I laser scanner oggi presenti sul mercato sono molti ed ognuno di essi presenta caratteristiche differenti nel principio di acquisizione, nella precisione ottenibile, nella portata e nella velocità di acquisizione. Nonostante le molteplici differenze tra di essi è possibile classificare i sensori laser in alcuni gruppi principali.
La prima classificazione che è possibile effettuare è quella che distingue gli strumenti a seconda del principio di acquisizione che utilizzano:
• Laser scanner distanziometrici
• Laser scanner triangolatori.

Iter operativo

La prima impressione che si ha utilizzando un laser scanner di tipo terrestre è che l'acquisizione dei dati sia semplice e che non richieda alcun accorgimento particolare. Messo lo strumento in stazione si effettua la scansione dell'oggetto desiderato e si ha disposizione il suo modello digitale sotto forma di nuvola di punti.
Questo modo di affrontare una acquisizione laser pero non è del tutto corretto e, se utilizzato, può rendere la tecnica di acquisizione laser meno produttiva di quanto in realtà essa non sia.
Bisogna innanzitutto pensare al fatto che un rilevamento laser scanner è sempre effettuato per ottenere un prodotto finale (ad es. ortofoto, modello orientato ecc.). Nel procedimento per ottenere quanto desiderato la fase di acquisizione è solo il primo di una serie di passaggi ed in quanto tale la sua bontà si riflette in tutti i passaggi successivi. Se l'acquisizione avviene in modo arbitrario od errato il rischio è quello di non riuscire ad ottenere il risultato che ci si è preposti e quindi di dover ripetere, nel peggiore dei casi, le operazioni di rilievo (con costi e tempi aggiuntivi).
Per questo motivo è di fondamentale importanza, quando si vuole effettuare un rilevamento utilizzando un sensore laser scanner, progettare a priori la fase di acquisizione dei dati.
Il progetto di una campagna di acquisizione laser dev’essere perciò effettuato considerando i seguenti aspetti:
• Tipo di laser utilizzato (precisioni, portata e campo di acquisizione);
• Soggetto che si vuole rilevare (geometria e dimensione);
• Ambiente nel quale si trova il soggetto.
Altrettanta accortezza dev’essere usata durante la fase vera e propria di acquisizione, prestando particolare attenzione a:
• garantire un posizionamento ottimale dei target di riferimento ed una buona visibilità degli stessi;
• posizionare il laser facendo attenzione alle zone d’ombra che si vengono a creare;
• effettuare più scansioni laser da diversi punti, in modo da poter ricostruire l’intera area, senza vuoti.
Al termine delle operazioni di acquisizione è possibile procedere al trattamento del dato laser per l'ottenimento del prodotto finale.
Tale procedura verrà descritta dettagliatamente nell’esempio applicativo che segue.

Rilievo della facciata del capannone di via Galvani, Dalmine (BG)

e di un'aula universitaria

La funzione che permette l’esportazione di piante e sezioni è lo strumento Ortophoto, in grado di scattare una sorta di ‘fotografia ortogonale’ all’area di nostro interesse.
La definizione di tale area avviene attraverso l’utilizzo del ‘ClippingBox’, una casella di ritaglio che permette appunto l’individuazione delle porzioni di scansione da includere nell’ortofoto.

La scelta di un’opportuna area di ritaglio consente l’estrapolazione di piante, prospetti e sezioni, a seconda della necessità.

Il software restituisce dunque un’immagine in formato TIF, di cui offre la possibilità di scegliere la definizione, in relazione alla densità di pixel/metro. Tale possibilità è vincolata alla qualità delle scansioni stesse: più punti la scansione ha raccolto, più alta potrà essere la definizione.

Le immagini vengono restituite dal software in scala 1:1, in questo modo si può facilmente andare a rilevare direttamente misure di nostro interesse.​

Le immagini ottenute possono anche essere utilizzate per una restituzione grafica di pianta, sezione e prospetto. La scala di restituzione sarà, come spiegato nella teoria degli errori, funzione dell'errore di graficismo rilevato.

Definizione

Tecnica nata per il rilievo delle architetture, ma sviluppatasi principalmente per il rilevamento del territorio, la fotogrammetria mira a ricostruire in modo rigoroso la corrispondenza geometrica tra immagine e oggetto al momento dell’acquisizione.
È legata, nei suoi principi teorici, alla storia della geometria descrittiva (in particolare, alla formulazione della teoria della prospettiva), mentre, nella sua applicazione, alla storia dell’ottica, della fotografia ed alle relative scoperte tecnologiche.
In relazione alle specifiche applicazioni che ne vengono fatte, si distingue in:
• fotogrammetria aerea (o aerofotogrammetria): l’acquisizione avviene da piattaforma spaziale aerea;
• fotogrammetria terrestre: le prese vengono effettuate con camere posizionate a terra e gli oggetti rilevati sono architetture o parti di queste.
Nella prassi consolidata si parla di fotogrammetria dei vicini quando gli oggetti interessati sono situati ad una distanza dalla camera da presa fotogrammetrica inferiore a circa 300 m; in caso di distanze maggiori, si parla di fotogrammetria dei lontani.
Sulla base della forma di rappresentazione del dato, quindi degli strumenti utilizzati per la restituzione, si distingue tra:
• fotogrammetria tradizionale se l’immagine disponibile è su supporto fotografico;
• fotogrammetria digitale se l’immagine è registrata in forma digitale.

Iter operativo

Al fine di relazionare lo spazio oggetto tridimensionale con lo spazio immagine bidimensionale in maniera univoca, si compiono i seguenti passaggi:
 

1. acquisizione/registrazione delle immagini;
 

2. orientamento delle immagini e ricostruzione del modello tridimensionale attraverso tecniche stereoscopiche secondo due diversi approcci:
 

 analogico, in cui è l’azione fisica di componenti ottici, meccanici ed elettronici a ricostruire le corrispondenze geometriche (sistema ormai superato);
 

 analitico, in cui la ricostruzione è affidata alla modellazione matematica rigorosa supportata dall’elaborazione digitale.
 

3. restituzione, cioè misura dell’oggetto e formalizzazione numerica o grafica delle sue caratteristiche dimensionali; si ottengono, così, due tipi di prodotti:
 

 prodotti immagine, derivati da immagini originali per trasformazioni geometriche più o meno complesse (raddrizzamento di immagini o fotopiano, ortofoto e mosaici);
 

 prodotti numerici puntuali o vettoriali, in cui la restituzione passa attraverso la determinazione di punti oggetto in un sistema di riferimento tridimensionale (cartografie, disegni architettonici vettoriali in proiezione ortogonale e profili)

Esempio applicativo