Campagna di acquisizione dati con laser a scansio ne

Il rilievo eseguito con laser a scansione degli ambienti dell’eremo e del monastero di Camaldoli costituisce, tra le diverse operazioni condotte, la più estensiva. La me- todologia di rilievo utilizzata nella fase di acquisizioni dei dati permette di trasporre informazioni metriche dal monumento ad un modello virtuale sotto forma di una fitta rete di punti.

Il campionamento dello spazio costruito, operato in ogni singola scansione, avviene attraverso l’acritico sistema di acquisizione numerica discontinua di una realtà con- tinua; vengono rilevati un insieme di punti della super- ficie degli oggetti nella scena, senza alcun filtro critico nella ponderazione della misura da acquisire, e privo di qualsiasi gerarchizzazione nella definizione della morfo- logia o della forma del manufatto intercettato dal rilievo. Nelle tecniche di rilievo topografico o di rilievo diretto, l’operazione di valutazione della misura avviene prima dell’atto di misurare, nel rilievo laser scanner la sintesi del costruito avviene nella fase seguente all’acquisizione dati, cioè direttamente in sede di restituzione e rappre- sentazione dei risultati.

Il dato metrico acquisito dalla singola scansione va a co-

stituire una vera e propria banca dati di coordinate spa- ziali, tali da formare una nuvola di punti tridimensionale contenente informazioni che possano essere assimilate alla conformazione tridimensionale dell’architettura re- ale.

Il funzionamento del laser scanner è analogo a quello di una stazione totale meccanizzata: si eseguono misurazio- ni completamente in automatico di una grande quantità di dati, in tempi rapidi vengono registrate ed acquisite la distanza e la posizione angolare dei punti collimati nel- lo spazio. Nel rilievo con stazione totale è l’operatore a scegliere direttamente i punti da sottoporre ad indagine, mentre con lo scanner laser si acquisisce un insieme ge- neralizzato e denso di punti. L’ operatore è chiamato a de- finire esclusivamente il posizionamento dello strumento in relazione all’oggetto che si desidera acquisire e stabi- lire il parametro della densità dei punti con cui desidera eseguire la scansione.

La praticità e versatilità di questo tipo di strumento sono oggi ampiamente riconosciute ed utilizzate nel campo del rilievo architettonico, archeologico e ambientale22_. Lo scanner emette un segnale sotto forma di radiazione elettromagnetica23, l’analisi del segnale di ritorno rifles- so dall’oggetto è il sistema generale con cui si basano i principali sistemi a scansione; le entità ricavate sono

I due principali strumenti laser scanner utilizzati per il rilievo delle fabbriche camaldolesi durante le fasi di acquisizione dati in sito; a sinistra Leica HDS 6100, a destra Faro focus 3D.

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99 Operazioni di rilievo laser scanner in notturna presso la clausura dell’eremo.

grandi insiemi di punti, ciascuno dei quali identificato da una terna di coordinate e caratterizzato da un valore cro- matico dovuto alla quantità di segnale riflesso misurato24_. Gli strumenti di rilevamento laser terrestri utilizzati per queste applicazioni, possono essere diversificati a secon- da del funzionamento dei sensori distanziometrici; quelli più utilizzati sono gli strumenti a tempo di volo, o a dif- ferenza di fase. Nei tempo di volo, lo strumento registra

la distanza di ogni singolo punto attraverso il calcolo del tempo che impiegata l’emissione luminosa per rag- giungere il punto e riflettere nello strumento. Mentre nei sistemi a differenza di fase, la distanza del punto viene calcolata in base alla variazione della lunghezza d’onda del segnale emesso dallo scanner.

Nel rilievo di Camaldoli, principalmente è stato utiliz- zato lo strumento della Leica Geosystem HDS 6100, una

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101 macchina che opera con tecnologia a differenza di fase25_.

Alcuni ambienti interni, in particolare il piano nobile at- torno al chiostro di Maldolo e le camere della foresteria del monastero di Camaldoli, sono stati rilevati con un la- ser scanner Faro Focus 3D, si tratta di uno strumento che opera anch’esso con tecnologia “phase shift”26_.

La posizione di ogni punto è calcolata misurando l’an- golo di incidenza ed il ritorno del raggio, i valori ricavati per calcolare le coordinate nello spazio di ciascun punto rilevato sono riferiti rispetto ad un’origine del sistema di riferimento, posizionato al centro dello scanner.

Ogni scansione ha una propria “autonomia”: un centro ed un orientamento definito da una terna cartesiana con l’origine posta al centro dello strumento, ed una sostan- ziosa quantità di punti che rappresentano la scena inqua- drata. Questo fatto implica ovviamente il problema di come ricomporre in maniera organica le singole scansio- ni, operando mediante accorgimenti tecnici sia durante il rilevamento, che nella successiva fase di “messa a regi- stro” dei dati. Al momento della misurazione, vengono applicati nell’area di scansione degli elementi di indub- bia riconoscibilità, detti comunemente target, in numero sufficiente a permettere successivamente la corretta col- limazione delle nuvole27_.

Per programmare una successione di scansioni laser è necessario posizionare lo strumento in più punti di sta- zione e prevedere un sufficiente grado di definizione e un adeguato grado di sovrapposizione delle riprese in corri- spondenza dei target. Negli spazi di sovrapposizione tra

scansioni contigue saranno appositamente posizionata una maglia di punti omologhi atti ad unire due differenti postazioni di stazioni; è fondamentale disporre di alme- no tre punti omologhi tra le singole nuvole di punti, per poter collimare le loro reciproche posizioni nelle tre tra- slazioni e tre rotazioni nello spazio.

L’operazione di unione delle singole scansioni avviene attraverso il riconoscimento dei target presenti nella sce- na del rilievo. Tali target sono stati precedentemente in- dividuati nelle zone in cui si sono eseguite misurazioni con stazione totale, invece nelle porzioni di fabbricato escluse dal rilievo topografico, soprattutto negli ambienti interni, si è operato il riconoscimento dei singoli target e attraverso il processo di individuazione di punti omolo- ghi da parte dell’operatore in fase di montaggio28_. Oltre all’attenzione rivolta alla progettazione delle ope- razioni di messa a registro delle scansioni, la pianifica- zione ha, tra i suoi principali obiettivi, quello di minimiz- zare il numero di stazioni, cercando di individuare quali viste permettono di ottimizzare il tempo di acquisizione e l’accuratezza dei rilievi proposti, assicurando comun- que la presenza di aree di sovrapposizione, in modo da ricoprire interamente le superfici sulla quale sono stati posizionati i target.

Le singole scansioni sono inoltre disposte in modo da ridurre gli spazi di occlusione prodotti dal laser rispetto al punto di vista previsto, l’operatore sceglie il posizio- namento dello strumento nei punti un cui si possa descri- vere al meglio la struttura indagata con alcune piccole

Snapshot di viste dell’eremo di Camaldoli provenienti da singole scansini laser scanner. In questa pagina: scansione eseguita all’interno dell’orto di una cella; scansione eseguita lungo un viale della clausura; scansione eseguita su uno spalto sopra le celle. Pagina a fianco: scansione del piazzale d’ingresso dell’eremo con vista della facciata e delle torri campanarie della chiesa; scansione del refettorio (vista dall’esterno e dall’interno dell’ambiente); scansione di una porzione dell’eremo con la cintura di abeti circostante, (vista verso la cappella del Papa).

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Snapshot di viste del monastero provenienti dalla singola scansine laser scanner. In questa pagina: sopra, scansione eseguita in una sala del monastero con evidenziato l’aspetto della tessitura muraria; a fianco, scansione eseguita in un braccio del chiostro dei Fanciulli; sotto, scansione singola eseguita di fronte al portone d’ingresso al monastero.

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105 Snapshot di viste del monastero di Camaldoli provenienti dalla singola scansine laser scanner. In questa pagnia: sopra, scansione eseguita sul pianerottolo del vano scala che dalla biblioteca porta verso il coro, a fianco e sotto, scansione eseguita all’interno del coro del monastero di Camaldoli.

accortezze pratiche, per esempio evitando di posizionar- si frontalmente rispetto ad elementi sporgenti. Per garan- tire una omogeneità in termini di accuratezza è opportu- no posizionare lo scanner ad una distanza mediamente costante rispetto alla superficie di interesse da rilevare. Fissato il passo di scansione un oggetto più lontano sarà

descritto con un numero di punti minore rispetto ad un oggetto vicino. Questo implica che la scelta del passo di scansione andrà decisa sulla base della distanza media dell’oggetto dallo scanner in modo da ottenere un rilievo costituito da una serie di scansioni con precisioni omo- genee29_.

Il passo della scansione è principalmente dettato dalla morfologia dell’apparato architettonico in esame, dipen- de dal livello di accuratezza e dalla portata dello stru- mento30, scelti in base alla finalità del rilievo.

L’obiettivo posto per la realizzazione del rilievo laser scanner è di ottenere il giusto compromesso tra livello di dettaglio ed un ragionevole contenimento della quantità di dati raccolti, evitando così un eccesso di misurazioni che avrebbe reso difficoltosa sia la gestione del progetto di rilievo, sia le procedure di trattamento del dato31_.

L’accuratezza, la risoluzione, la ripetibilità o il grado di incertezza delle range camera, per il momento è sem- plicemente l’utente che deve di volta in volta mettere a punto tecniche per assicurare un certo livello di affida- bilità del dato rispetto a ciò che viene misurato32_{, non} esistono convenzioni, solo l’esperienza e il senso critico dell’operatore può gestire questa fase del rilievo.

Le campagne di rilievo si sono susseguite in diversi pe- riodi dell’anno e sono state vincolate alla disponibilità di accesso agli spazi della casa dei monaci camaldolesi e in base alla disponibilità del reperimento della strumen- tazione laser.

Nel corso della campagna di rilievo laser scanner sono stati realizzati eidotipi per l’individuazione schematica delle postazioni di stazione dello scanner e del posizio- namento dei target, inoltre si sono realizzati schemi per segnalare il numero d’ordine dei target visibili da ogni singola scansione.

Durante le operazioni di acquisizione dati laser scan- ner si possono presentare delle problematiche dettate dall’intercettazione del raggio luminoso di elementi di disturbo che corrompono una parte del dato.

Tali elementi di disturbo dovranno essere rimossi con procedure di “pulizia”del dato acquisito, nel momento in cui si affronta la fase di elaborazione dei dati, dunque si predilige l’attenzione a limitare questi problemi libe- rando e ripulendo al massimo delle possibilità la scena del rilievo.

Operazioni di individuazione e nomina dei punti omologhi. Con l’ausilio del software Leica Cyclone, il target viene registrato all’in- terno del database della nuvola di punti attraverso un procedimento manuale che consente di riconoscere e nominare il centro del target.

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107 avviene attraverso processi matematici impostati nella seguente fase di elaborazione dati.

In totale sono state realizzate 244 per l’eremo e oltre 400 per il monastero.

Le singole scansioni vengono successivamente registra- te in un unico sistema di riferimento, in modo da formare un’unica maglia di punti che rappresenta la totalità delle misure ricavate dal rilievo. L’operazione di registrazione

Eidotipi a supporto della campagna di rilievo laser scanner con indicati i punti di stazione e i target rilevati visibili da ogni scan- sione.

Sotto: Tabella Excell che esplicita i target rilevati e visibili da ogni scansione, utile per poter riconoscere i punti omologhi per eseguire con ordine le operazioni di registrazione.

Sequenza del posizionamento delle stazioni del laser scanner eseguite in corrispondenza della zona di clausura destinata alle celle eremitiche dell’eremo. Nell’altra pagina: sequenza del posizionamento delle stazioni laser durante la prima campagna di rilievo al monastero.

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