Tipologie di strumenti laser

Esistono differenti tipologie di sistemi a scansione laser e a tal proposito si è soliti differenziare i vari laser scanners in base ai principi operativi di funzionamento, da cui derivano le seguenti due grandi categorie:

− Triangulation based scanners

− Ranging scanners

4.5.1.1 Triangulation based scanners

Gli scanner triangolatori sono sistemi a scansione che possono raggiungere livelli di precisione ancora più elevati, con un grado di risoluzione fino al decimo di millimetro ed un incertezza di misura di poche decine di micron. Per ovvie ragioni questi sistemi lavorano con un range operativo limitato in genere entro i due metri.⁷⁷ Esistono due soluzioni operative per quanto concerne il loro utilizzo:

• Soluzione a camera singola. Un trasmettitore invia un impulso laser che dopo essere stato riflesso da uno specchio colpisce l’oggetto. Lo specchio è fissato all’estremo di una base meccanica che ruota di un angolo variabile con passo stabilito, mentre all’altro estremo della base è posizionata una camera fissa CCD che lo riprende. La posizione del punto sulla superficie viene ricavata facilmente in quanto è noto il cateto relativo alla base meccanica e i due angoli adiacenti.

• Soluzione a due camere. A differenza del precedente procedimento in questo caso il ricevitore è collocato in posizione intermedia ed al posto dello specchio vi è una camera.

Il raggio laser colpisce l’oggetto in un punto realizzando una scansione regolare mentre il segnale viene catturato dai sensori CCD delle camere poste agli estremi della base fissa. Per ricavare le coordinate del punto il principio è analogo all’intersezione in avanti da base nota in topografia.⁷⁸

77 Russo M., et al., 2011, p.174-175.

78 Spanò, N., Dispense Workshop di fotogrammetria digitale e scansioni 3D per il rilievo dei Beni Culturali, “Sistemi a scansion. LiDAR Tecnology, 2018, p.19-20.

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Figura 34: Schema che raffigura il metodo a camera singola prima e a camera doppia dopo per l‘acquisizione delle coordinate spaziali di un punto in sistemi triangolatori.

Fonte: Spanò, N., 2018, pp.19-20.

4.5.1.2 Ranging scanners

I Ranging scanners, noti anche come sistemi distanziometrici, sono quelli maggiormente utilizzati nei rilievi architettonici e del territorio ed offrono una vasta gamma di applicazioni in base al tipo di rilievo da effettuare. Essi hanno un funzionamento simile alle stazioni totali tradizionali, ma con un maggiore livello di automazione. Ogni punto e le sue relative coordinate spaziali rispetto al centro strumentale vengono determinate mediante la lettura diretta di due angoli ed una distanza. Questi strumenti basano la misura di tale distanza sul principio del Time of Flight (TOF) oppure sul metodo della comparazione di fase. Il principio del TOF permette di misurare il tempo di volo che trascorre tra l’emissione del raggio laser, riflessa dall’oggetto, e il momento del ritorno al sensore. In sostanza quella che viene calcolata è la distanza tra il centro dello strumento e il punto della superficie dell’oggetto colpito dal raggio, in relazione al tempo che intercorre tra la sua emissione e ricezione. Per quanto riguarda invece il metodo della comparazione di fase, il raggio emesso è costituito da un’onda armonica modulata in ampiezza e frequenza che permette di ricavare indirettamente la distanza incognita. Il calcolo si ottiene, una volta nota la lunghezza d’onda dell’onda modulata, misurando la differenza di fase di quest’ultima sia alla partenza che al ritorno, il tutto mediante un comparatore di fase. Il range operativo di questi laser scanners è di media o lunga portata⁷⁹, con precisioni che vanno rispettivamente da un minimo di 2 mm ad un massimo di 2 cm⁸⁰.

79 I laser scanners a media portata (60-80 cm/330 m) raggiungono una precisione compresa tra 2mm e 1cm, mentre i laser scanner a lunga portata (50-1000 m) raggiungono una precisione di 1-2 cm.

80 Spanò, N., Dispense Workshop di fotogrammetria digitale e scansioni 3D per il rilievo dei Beni Culturali, “Sistemi a scansion. LiDAR Tecnology”, 2018, p.14-17.

66 Come affermato in precedenza i sistemi distanziometrici sono quelli maggiormente utilizzati nei rilievi architettonici e del territorio ed offrono una vasta gamma di applicazioni in base al tipo di rilievo da effettuare, dalla scala architettonica a quella territoriale e urbana. A seconda delle diverse condizioni operative questi sistemi si differenziano nelle seguenti due categorie:

• Sistemi a scansione mobile (laser scanner da aerei o elicotteri). In questi sistemi durante l’operazione di misurazione delle coordinate di un punto, bisogna tenere in considerazione il fatto che lo strumento è in movimento. Perciò esso dovrà essere dotato di un ricevitore GPS e di una piattaforma inerziale, oltre che ovviamente di uno strumento LiDAR. La conoscenza delle posizioni relative tra i tre centri strumentali consentirà di identificare non solo il posizionamento del centro dello strumento di scansione ma anche l’effettiva direzione del raggio di misura, il tutto secondo il sistema di riferimento geocentrico WGS84. In questo modo anche il punto colpito dal raggio, una volta calcolata la distanza, potrà essere determinato nello stesso sistema di riferimento.⁸¹

•

I sistemi a scansione fissi sono stato ideati per essere utilizzati sia in ambienti interni che esterni e numerosi sono i loro campi di applicazione: architettura, ingegneria, edilizia, pubblica sicurezza ed indagini forensi o progettazione di prodotti. La compattezza e leggerezza di questi strumenti, sommate alla tecnologia touchscreen, li rendono facilmente trasportabili ed intuitivi da utilizzare. Per misurare le distanze con

81 Sacerdote, F., et al., 2007, p. 18.

Figura 35: Schema che raffigura il metodo per l‘acquisizione delle coordinate spaziali di un punto in sistemi distanziometrici.

Fonte: Spanò, N., 2018, p.16.

67 precisione millimetrica il laser scanner utilizza un raggio laser che viene riflesso nuovamente verso lo scanner una volta che raggiunge la superfice da rilevare. Il calcolo finale viene elaborato attraverso il cambiamento di fase tra il raggio inviato e quello ricevuto. Lo specchio integrato nel dispositivo dirige il raggio laser in direzione verticale sull’oggetto stesso, in modo che l’angolo possa essere codificato allo stesso tempo della misurazione della distanza. Durante il periodo della scansione il laser scanner ruota orizzontalmente di 360° e l’angolo orizzontale viene calcolato contemporaneamente alla misurazione della distanza. Al termine di questo processo sarà possibile quindi determinare con elevata precisione le coordinate 3D dell’oggetto analizzato, che saranno convertite da coordinate polari (d,a,β) a cartesiane (x,y,z).

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4.5.1.3 Sistemi MMS

Una terza tipologia di sistemi a scansione è inoltre rappresentata dagli MMS, Mobile Mapping Systems, i quali sono in grado di combinare strumenti di navigazione e di rilievo. L’azienda che ha investito maggiormente negli ultimi anni nello sviluppo di questa tecnologia è Google, che tramite Street View è riuscita ad acquisire i dati necessari a mappare la maggior parte delle città del pianeta, fornendo all’utente un’esperienza immersiva al loro interno, con un notevole incremento di vantaggi per la documentazione del patrimonio⁸². Per poter effettuare tali acquisizioni Google si è servita di differenti tipologie di veicoli, come per esempio macchine, biciclette, barche e slitte da neve, dotate di macchine fotografiche digitali in grado di acquisire immagini ad elevati passi di scatto⁸³, con tempi di esposizione brevi e con sistemi multicamera o panorami a 360°. Questi veicoli sono inoltre dotati di sensori di movimento per il rilevamento della posizione e di laser scanner.⁸⁴

a) b)

Specialmente negli ultimi anni i sistemi di navigazione mobile equipaggiati ai veicoli sono stati utilizzati per coprire vaste aree del territorio ed ottenere come output finali delle nuvole di punti dense, dall’elevato numero di dati geometrici e radiometrici. In tal senso l’utilizzo maggiore di questi strumenti è da riscontrarsi nei rilievi dei centri urbani, con particolare riferimento alle

82 Spanò, A., Versatilità di metodi e tecniche della Geomatica per la documentazione del patrimonio costruito.

Approcci sostenibili per la valutazione sismica, in Patrimonio architettonico e rischio sismico. Un percorso tra conoscenza e obiettivi di conservazione, R. Ientile, M. Naretto, CELID,2013, p.89.

83 Si parla di 7-15 scatti al secondo per questi dispositivi.

84 Spanò, A., Dispense Workshop di fotogrammetria digitale e scansioni 3D per il rilievo dei Beni Culturali, “Sistemi a scansion. LiDAR Tecnology”, 2018, p.9-10-11.

Figura 36: Rappresentazione di un rilievo fotogrammetrico aereo con relative componenti (a) ed esempio di un veicolo su strada utilizzato per mappare il territorio con sistemi LiDAR e GPS(b).

Fonte: K.I. Bang, Alternative methodologies for LiDAR System calibration., PhD Thesis, 2010.

69 città storiche, caratterizzate da un elevato livello di complessità e dal tessuto edilizio estremamente eterogeneo. Un rilievo per mezzo di sistemi MMS, se integrato con i dati provenienti da acquisizioni di altro tipo (sia terrestri che aeree), può contribuire in maniera consistente alla ricostruzione 3D del territorio, costituendo la prima risorsa di dati ed informazioni geometriche da cui gli approcci di tipo 3D City Modelling possono attingere⁸⁵. La tecnologia LiDAR appena descritta ha rivoluzionato il modo di svolgere e concepire il rilievo architettonico e del territorio. Negli ultimi anni inoltre sono notevolmente aumentati gli studi e i finanziamenti per migliorare ed implementare tale strumentazione. A tal proposito un esempio significativo è rappresentato dalla nuova tecnologia SLAM, una tecnica di rilevamento 3D mobile e portatile che permette all’operatore di acquisire scansioni in movimento.