RILIEVO TLS

La prima fase riguarda il posizionamento dei target, cioè dei quadretti retroriflettenti necessari per unire in fase di post-processing le nuvole di punti create da ogni posizione di scansione. La particolarità di questi target è la superficie riflettente che permette, in fase di rilievo laser, di creare delle aree di punti ad elevata densità. La registrazione di un numero di punti notevolmente maggiore rispetto alle aree limitrofe, consente delle collimazioni molto accurate in post processing.

Per concatenare le diverse nuvole di punti sono necessari punti doppi in modo tale da roto-traslare le singole scansioni nel sistema di riferimento adottato.

Il modello matematico è il seguente:

𝑋̅ = 𝑋̅0+ 𝜆𝑅𝑥̅ (1)

Dove 𝑋̅ è il vettore delle coordinate oggetto, 𝑋̅₀ è il vettore che comprende i tre parametri di traslazione, λ è il fattore di scala, R è la matrice di rotazione e 𝑥̅ è il vettore delle coordinate immagine.

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Le incognite sono in totale 6 (tra parametri di traslazione e i tre angoli di rotazione) quindi per una trasformazione tridimensionale risultano necessario la conoscenza delle coordinate di tre punti.

La qualità delle collimazioni è funzione della densità dei punti. I target retroriflettenti costituiscono i riferimenti più accurati grazie alla densità con la quale vengono misurati. Altri punti che possono essere impiegati per irrobustire il calcolo, sono elementi naturali facilmente identificabili nelle nuvole di punti: ad esempio lo spigolo di una porta, il vertice di una finestra, ecc. Anche se oggetto d’interesse era la facciata della chiesa, i target sono stati distribuiti in modo tale da coprire uniformemente il perimetro della piazzetta creando pertanto una configurazione angolare isotropa.

Sono stati posizionati 7 target e sono state eseguite 5 scansioni laser (Figura 92).

Figura 92: Monografia della piazzetta con il posizionamento dei target (rettangoli) e delle stazioni di scansione laser (cerchi).

In Figura 93 vengono mostrate le fotografie che indicano il posizionamento dei target sui punti prestabiliti e nominati come da rielaborazione dati con il software Riscan Pro.

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a) b) c)

d) e) f)

g)

Figura 93: Posizionamento dei target: target_largo (a), target_gronda_sx (b), target_sl (c), target_gronda_dx (d), target_gronda_lat (e), target_avv (f), target_gronda_ret (g).

Una volta fissati i target e posizionato il laser scanner nella posizione iniziale di scansione, denominata Centrale, è stato messo in stazione lo strumento. Una livella sferica elettronica ha permesso di realizzare la scansione centrale con l’asse principale dello strumento in assetto verticale. Tale scansione, proprio per questa caratteristica è stata nel seguito utilizzata come riferimento per le altre scansioni. Ogni singola scansione infatti genera una nuvola di punti densa riferita in un sistema cartesiano ortogonale locale avente per origine il centro strumentale stesso.

Il rilievo laser è stato condotto mediante lo strumento RIEGL VZ400 (Figura 94) il quale misura la distanza in base al tempo di volo.

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Figura 94: Laser RIEGL VZ400.

Lo strumento ha una portata massima di 600 m e una velocità di acquisizione fino a 125.000 punti al secondo, è caratterizzato da un campo visivo di 360° in orizzontale e 100° in verticale con una risoluzione angolare di 1,8 arcsec, corrispondente ad una risoluzione massima di 5 mm alla distanza di 100 m. Il meccanismo di scansione si basa sulla rotazione veloce di uno specchio poligonale che fornisce linee di scansione completamente lineari, unidirezionali e parallele. Lo strumento può essere utilizzato in due modalità: high speed per misurazioni fino a 280 metri ed elevata velocità di acquisizione e in long range per acquisizioni fino a 600 metri ma con velocità ridotta. Il laser ad alta precisione permette di ottenere una capacità di misura ottime, anche in condizioni atmosferiche avverse, e la valutazione di echi multipli.

Il RIEGL VZ-400 è uno strumento di rilevamento molto compatto e leggero, montabile in qualsiasi orientamento e anche in condizioni di spazio limitato. In Tabella 3 vengono

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descritte le principali caratteristiche e applicazioni mentre, in Tabella 4, vengono mostrate le specifiche tecniche dello strumento.

CARATTERISTICHE PRINCIPALI APPLICAZIONI PRINCIPALI

 Acquisizione dati ad alta velocità;

 Ampio campo di vista, controllabile durante la scansione;

 Alta precisione, basato sulla digitalizzazione eco e l’elaborazione di forme d’onda in linea;

 Capacità di destinazione multipla:

 Funzionalità di misura superiore in condizioni atmosferiche avverse;

 Appoggi di monitoraggio ad alta precisione per la macchina fotografica digitale opzionale;

 Sensori di inclinazione integrati e piombo laser;

 Ricevitore GPS integrato con antenna;

 Diverse interfacce (LAN, WLAN, USB 2.0);

 Memorizzazione dati interna.

 Architettura;  Ingegneria civile;  Archeologia;  Modellazione strutturale e architettonica;  Sondaggi.

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RIEGL VZ-400

Campo visivo 360° (H)x 100°(V)

Massima distanza di misura (in modalità long range)

Per target naturali: ρ≥20% fino a 280 m Per target naturali: ρ≥80% fino a 600 m

Divergenza del raggio laser 0,3 mrad

Velocità di misurazione

42000 misure/sec (long range) 122000 misure/sec (high speed)

Massimo numero di target per

impulsi Praticamente illimitato Lunghezza d’onda del laser Infrarosso vicino

Accuratezza 5 mm

Ripetibilità 3 mm

Tabella 4: Scheda tecnica RIEGL VZ400.

Il sistema di acquisizione del laser è basato sul sistema Time of Flight (TOF), ovvero a tempo di volo: la posizione, ossia le coordinate tridimensionali, di un punto sulla superficie dell’oggetto in acquisizione, sono ricostruite confrontando il tempo che l’impulso laser impiega ad essere rilevato dal sensore CCD, dopo essere stato inviato dalla sorgente sull’oggetto stesso.

Prima della scansione è necessario definire la risoluzione massima dell’acquisizione ed è possibile impostare le dimensioni dell’area di acquisizione, all’interno di tutta l’area acquisibile a quella distanza oggetto-strumento. La geometria 3D della superficie dell’oggetto viene istantaneamente visualizzata al monitor sotto forma di nuvola di punti 3D. Ad ognuno dei punti acquisiti è associata una terna di coordinate X, Y, Z in un sistema di riferimento con l’origine collocata al centro dello strumento. Il fascio laser dalla superficie dell’oggetto porta con sé non solo un’informazione geometrica, ma anche una di tipo materico: il raggio riflesso, infatti, ha conseguentemente un’intensità minore rispetto a quello emesso dalla sorgente, in dipendenza del tipo di materiale di cui l’oggetto è costituito e dall’inclinazione del raggio incidente. Tale informazione è restituita nella nuvola di punti acquisita.

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Il sistema è corredato, in cima al laser, di una camera digitale a colori rigidamente connessa all’apparecchio, che fotografa l’ambiente scansionato e permette quindi di restituire una nube di punti colorata a conclusione del ciclo di misurazione. La camera fotografica utilizzata è una reflex Nikon D90 con un sensore CMOS da 23.6 x 15.8 mm da 12.3 megapixel e con obbiettivo da 50 mm.

Durante il rilievo, lo strumento rimane collegato ad un PC sul quale, attraverso il software dedicato, è possibile comandare lo strumento e monitorare in tempo reale l’acquisizione dei dati. Per la fase di acquisizione e per una parte delle successive elaborazioni è stato usato il software Riscan Pro, a corredo dello strumento.

Una volta individuato lo stato architettonico presente, per ottenere un modello 3D completo, è stato necessario procede con un ulteriore scansione per il raffittimento dei punti della nuvola che ricreano la morfologia tridimensionale della piazza e soprattutto della facciata della chiesa.

Per ottenere un risultato ottimale relativo alla scansione della facciata, si è provveduto a fare un’altra scansione dalla stessa stazione Centrale in modo tale da rilevare l’intera facciata, poiché la distanza di posizionamento dello strumento non è sufficientemente ampia da permettere il rilevamento totale del fronte con una sola scansione.

Per questo motivo, per ottenere la porzione superiore della facciata della chiesa è stato inclinato lo strumento di 30° verso l’alto. Si vuol far notare che la posizione del centro dello strumento è cambiata perché è un punto fisico, per cui in fase di rielaborazione si deve tener conto di tale cambiamento di posizione.

Essendo una seconda scansione, quindi una seconda nuvola di punti, lo strumento va ad individuare i target rilevati con la prima scansione per potersi concatenare una volta finita la campagna di rilevamento.

Le operazioni successive sono le stesse che sono state eseguite con la prima scansione. Per ottenere quindi un buon risultato sono state effettuate cinque “Scan Position”:

 Centrale (su cui verranno concatenate tutte le altre nuvole di punti): lo strumento viene posizionato in modo simmetrico davanti alla facciata nel centro della piazzetta;

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 Centrale inclinata: la posizione è la stessa rispetto a quella Centrale ma lo strumento è inclinato di 30° in modo da rilevare la parte più alta del fronte della chiesa;

 Sinistra: lo strumento è stato posizionato nelle vicinanze del portico situato sulla sinistra della piazzetta;

 Destra: lo strumento viene posizionato nelle vicinanze del portico e della scalinata sulla destra della piazzetta;

 Avvocato: lo strumento viene posizionato nella finestra posta al primo piano di uno studio di Avvocati, il quale si affaccia sulla piazzetta della chiesa. Lo strumento è stato smontato dal treppiedi e posizionato in corrispondenza di una finestra situata al lato opposto della chiesa di Santa Lucia.

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