Laser Scanner

Il modello tridimensionale (3D) di Santa Sofia è stato realizzato attraverso l‟impiego del Laser Scanner 3D (Fig. 2.1), uno strumento che consente il rilevamento di modelli tridimensionali tramite misurazioni laser, ad elevata precisione ed ad ampia portata (4 mm di errore ogni 50 metri), attraverso i quali è possibile rappresentare, con notevole accuratezza, elementi di svariate dimensioni.

La tecnologia di acquisizione Laser Scanner 3D rappresenta una delle più moderne tecniche di acquisizione dati. Mediante tale metodologia è possibile acquisire una nuvola di punti che, una volta elaborata in post processing, consente la creazione di un modello 3D dell‟oggetto architettonico rilevato. Il sistema Laser Scanner tridimensionale, infatti, raccoglie, analizza ed immagazzina migliaia di punti al secondo, rendendoli fruibili in pochissimo tempo. Le applicazioni principali risiedono nella documentazione e nell‟archiviazione dello stato di fatto di un qualsiasi manufatto rilevato; permettendo di effettuare diverse analisi a distanza di tempo per osservare eventuali fenomeni in evoluzione (degrado, alterazione o dissesto) oppure pianificare al meglio eventuali interventi di ricostruzione, conservazione o semplice studio di un manufatto (Leckebusch, 2001; Di Tondo e Verdiani, 2007; Bini e Verdiani, 2006).

I Laser a scansione (o Laser Scanner) sono dispositivi capaci di emettere un impulso elettromagnetico e di ricevere il segnale riflesso, misurando l‟intervallo di tempo trascorso e quindi la distanza tra lo strumento ed il punto rilevato.

Il raggio laser viene deflesso mediante un meccanismo di specchi rotanti ed oscillanti che, con il variare dell‟angolo azimutale e zenitale, illumina il terreno in punti contigui. Questo sistema opera misurando anche decine di migliaia di punti al secondo formando, così, delle “nuvole di punti”. Per ogni misurazione il sistema fornisce l‟intensità del segnale di ritorno descrivendo la superficie dell‟oggetto scansionato.

Lo strumento permette di ottenere rilievi con precisione micrometrica, di conseguenza bisogna evitare le vibrazioni causate dall‟esterno. La precisione dello strumento varia al

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variare della distanza e dell‟angolo di incidenza del raggio ed è data dalla combinazione di tutti gli errori insiti nel sistema. Tanto più accurata deve essere la scansione, tanti più punti ravvicinati saranno sottoposti a scansione.

Per risolvere situazioni di probabili anomalie vengono applicati dei filtri che producono una media dei punti scansionati riducendo l‟errore provocato da vibrazioni.

Mediante il Laser Scanner possono essere effettuate diverse tipologie di misurazione, a seconda dell‟area da scansionare:

- Tempo di volo: per scansioni di oggetti grandi e distanti da 0.5 m fino a 6000 m. - Misura alla differenza di fase: per scansioni di oggetti di medie e grandi dimensioni

da 0.6 m fino a ca. 330 m.

- Triangolazione ottica: per scansioni di altissima risoluzione di oggetti di dimensioni ridotte posizionati da 0.2 m a 25 m.

Ovviamente, le specifiche di distanza possono variare in maniera molto significativa da modello a modello, il campo operativo sopra indicato è da intendersi come la gamma di distanze minime e massime tra tutti i modelli attualmente in commercio.

In fase di analisi è necessario seguire una serie di steps:

- Per prima cosa è necessaria la messa in stazione (o in “bolla”) dello strumento: per i laser a scansione terrestre si utilizza un treppiede che non richiede necessariamente di essere messo in “bolla” perché la georeferenziazione completa può attuarsi in fase di elaborazione dei dati. Per i laser che si utilizzano in laboratorio si utilizza un piano ottico sensibile alle oscillazioni. Si passa poi all‟acquisizione dei dati in una singola scansione. In questo modo viene prodotta una nuvola di punti, limitata dalle dimensioni della finestra di scansione dello strumento e dal fatto che una parte dell‟oggetto può essere lasciata in ombra. Nel caso in cui l‟oggetto non sia stato acquisito completamente è necessario eseguire altre scansioni da allineare mediante algoritmi di surface matching e/o mediante mire (target artificiali). Nel caso in cui si utilizzino algoritmi di surface matching, due scansioni adiacenti devono comprendere dei punti in comune (generalmente si ricorre ad una sovrapposizione del 30%). Ogni scansione possiede un proprio sistema di riferimento che generalmente coincide con il centro dello strumento. - Segue poi l’elaborazione dei dati mediante pulitura della nuvola di punti. In questa

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fascio laser ed ai problemi di individuazione della direzione del fascio stesso) e si esegue l‟eliminazione di dati spuri o legati a disturbo (vegetazione, linee elettriche, ecc.). Mediante l‟allineamento delle singole scansioni (o registrazione delle scansioni) è possibile, successivamente, allineare ed unire le singole acquisizioni in una unica nuvola di punti secondo un determinato sistema di riferimento. Questo processo può essere eseguito mediante algoritmi di surface matching (in particolare l‟algoritmo ICP - Iterative Closest Point) che allineano le parti comuni di scansioni adiacenti attraverso la minimizzazione della distanza tra esse, oppure mediante l‟uso di punti di controllo materializzati attraverso target artificiali. Va sottolineato che la precisione ottenibile mediante surface matching è generalmente migliore di quella ottenibile mediante soli punti di controllo; il secondo tipo di registrazione è quindi generalmente limitato a quei casi in cui non sia possibile disporre di una quantità sufficiente di punti in comune tra scansioni adiacenti.

- Si passa poi alla georeferenziazione, attraverso una rete di appoggio topografico, generalmente basata sull‟uso di GPS e/o stazione topografica totale. Nel caso in cui l‟allineamento delle singole scansioni sia eseguito mediante target artificiali, la registrazione delle scansioni e la georeferenziazione possono essere attuate contemporaneamente. Le ultime fasi di elaborazione dei dati riguardano la triangolazione e costruzione della mesh (telaio di punti), la chiusura della mesh e correzione delle facce anormali, la riduzione del modello per renderlo utilizzabile in un database (decimazione), l‟applicazione delle textures al modello 3D e l‟esportazione per l‟uso richiesto (rendering).

La strumentazione utilizzata per il rilevo di Santa Sofia (Fig. 2.1) è costituita da due scanner laser prodotti dalla Leica Geosystems, i modelli “Scan Station 2” e “Scan Station C-10” ad impulsi ad altissima velocità, con compensatore bi-assiale integrato, con una velocità di scansione massima istantanea fino a 50.000 punti/sec. e media variabile in base alla densità di scansione specifica e al campo di vista. La densità di scansione effettuata è stata non superiore a 5 mm.

La scansione mediante Laser Scanner ha interessato sia l‟interno che l‟esterno dell‟edificio. Tale metodologia è stata utilizzata per creare la piattaforma su cui impostare il database GIS 3D e per studiare e misurare la deformazione dell‟edificio.

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Fig. 2.1. Laser Scanner 3D utilizzato per il rilievo di Santa Sofia.