Il rilievo laser scanner 3D

Il rilevamento delle architetture presenti nel settore Nord dell’Isola di Kizhi è stato condotto tramite le metodologie integrate di rilievo, abbinando in modo complementare alle tecniche e strumenti tradizionali di presa diretta delle misure con metodologie indirette che si sono avvalse dell’ausilio strumentale di siste- mi topografici e laser scanner D. Il laser scanner terrestre, in particolare, no str mento di nat ra topografica c e permette di ac isire na grande antit di

coordinate spaziali in reve tempo. E possi ile rilevare completamente le s perfici visibili di un determinato contesto o oggetto architettonico attraverso operazioni relativamente rapide, che permettono di rimandare l’elaborazione dei dati acqui- siti strumentalmente e la scelta degli elaborati da produrre ad una fase di post- produzione. In questa fase interpretativa il dato acquisito viene confrontato con i dati ricavati dagli altri rilievi eseg iti e discretizzato in elementi classifica ili e rappresentabili attraverso il disegno e la modellazione bidimensionale o tridimen- sionale. I vantaggi di un rilievo condotto tramite l’ausilio di un laser scanner sono dunque la riduzione dei tempi di acquisizione delle misure sul campo (importante, ad esempio, per l’esecuzione di rilievi in ambienti caratterizzati da un clima parti- colarmente rigido come quello russo) e la possibilità di rilevare in modo molto det- tagliato geometrie complesse (necessario nel caso delle architetture lignee, dove l organicit della materia non prevede alc na semplificazione o approssimazione geometrica). Nelle esperienze di rilievo laser scanner è stato sempre usato il mo- dello ScanStation 2, prodotto da Leica Geosystems, utilizzando, per il riferimento nelle coordinate relative delle singole nuvole di punti, target HDS piani ad alta ri ettanza. Il laser scanner tilizzato si compone di n generatore di raggio laser, uno specchio rotante sul suo asse orizzontale che forma un angolo di 45° rispetto alla direzione del raggio e un supporto meccanico che consente la rotazione intorno all’asse verticale. Il meccanismo consente una rotazione di 360° sul piano e di 270° rispetto al piano verticale; l’area che rimane esclusa dal range di scansione è esclusivamente la porzione tronco conica che si estende dal centro dello strumento verso il basso sino ad un raggio (variabile a seconda dell’altezza a cui viene posi- zionato lo scanner) di circa 1 mt (la mancanza di questo dato ha un peso irrilevan- te perc é corrisponde per lo pi allo spazio occ pato dal s pporto treppiede c e sostiene lo strumento da terra, ed è comunque facilmente integrabile nella fase di registrazione). La posizione di ogni singolo punto rilevato è calcolata misurando l’angolo di incidenza ed il tempo di volo del raggio (lo scanner utilizzato rientra infatti nella famiglia degli scanner denominati TOF sigla che indica il nome Time Of Flight); tali valori vengono utilizzati per calcolare le coordinate cartesiane nello spazio di ciascun punto rilevato rispetto ad un’origine data del sistema di riferi- mento, coincidente con il centro dello strumento stesso (Fig. 117).

a tecnologia tilizzata in grado di mis rare fino a . p nti per secondo, con un’ampiezza di raggio visivo variabile tra i 200 e i 300 m a seconda del valore della ri ettanza dell oggetto scansionato. gni singola scansione rappresenta per n solo p nto di vista e, per ottenere na copert ra soddis acente delle s perfici che caratterizzano un elemento architettonico o porzioni di territorio nelle quali insistono più strutture come quelle rilevate, sono necessarie molteplici scansioni eseguite da più punti di vista, per poter ottenere una “copertura” completa degli oggetti. L’unione di due o più scansioni è possibile solo nel caso in cui siano dispo- nibili tre o più punti (chiamati target) in comune tra le diverse scansioni; tali punti omologhi consentono l’allineamento delle singole nuvole di punti con un piano di ri erimento com ne, fissando le loro reciproc e posizioni nelle tre traslazioni e rotazioni nello spazio.

La prima fase di rilievo integrato è la fase di progettazione della campagna di ac isizione dei dati, per la ale devono essere en note le finalit e gli o iettivi del rilievo stesso; nel caso di rilievi condotti tramite l’ausilio di laser scanner in questa fase il rilevatore si concentra, in particolare, sulle esigenze della scansione.

strumentazione e metodologie utilizzate. Oltre a questa distinzione, relativamente ai diversi tipi di strumenti, esistono poi gli strumenti a lettura diretta e strumenti a lettura indiretta. Nel primo caso il valore misurato dallo strumento risulta già espresso nell’unità di misura e scala metrica interessata, nel secondo caso la mi- sura compare a una scala differente ma proporzionalmente variata. Fra le attività di rilievo condotte sui villaggi tradizionali careliani è stato estremamente utile il contri to ornito dal rilievo topografico. esto tipo di attivit , applica ile alle diverse scale di analisi, è risultata importante soprattutto per quanto riguarda il ri- lievo a scala territoriale, con l ac isizione di in ormazioni p nt ali di ficilmente registra ili attraverso altre tipologie di str menti. a topografia rappresenta in atti un ramo di studio della geomatica, disciplina che si occupa di acquisire, modelliz- zare, interpretare, elaborare, archiviare e divulgare informazioni geo referenziate, ovvero informazioni caratterizzate da una posizione individuata attraverso coor- dinate spaziali riferite a un prescelto sistema di riferimento. Con il rilievo laser scanner, infatti, si ha la possibilità di acquisire un gran numero di informazioni con un livello di dettaglio molto alto, ma i dati prodotti non risultano geo-referenziati. Questo tipo di rilievo prevede che l’acquisizione delle informazioni avvenga da un solo punto di riferimento (Scan Station e/o ScanWorld), solo in fase di post produzione, le diverse nuvole di punti parziali vengono unite in un unico progetto attraverso l’attività di registrazione e riconoscimento dei target reciproci. Questo tipo di attività, applicato ad una grande scala, come quella dell’intero villaggio, può provocare l’insorgere di errori progressivi che si “accumulano” e “sommano” riferiti più che altro a rototraslazioni delle singole nuvole o imprecisioni sui target. Per esto motivo, il rilievo topografico rappresenta la miglior ase di appoggio e “aggancio” sulla quale posizionare le nuvole di punti ottenute invece da un rilievo laser scanner. Per i villaggi s i ali stato eseg ito anc e n rilievo topografico, la metodologia operativa ha previsto proprio la realizzazione di un rilievo topogra- fico mediamente denso, nel ale sono stati ac isiti non solo i p nti notevoli ne- cessari per la ricostruzione del terreno o dei principali elementi naturali e antropici, ma sono state anche rilevate le informazioni principali relative alle architetture lignee: dimensioni principali (larghezze, altezze e profondità delle architetture), linee di colmo e sottogronda, p nti ondamentali indicanti le cat re di finestre e aperture in genere, elementi di “arredo urbano” come pali della luce e crocevia, elementi puntuali di interesse oltre che all’individuazione del posizionamento delle alberature interne al villaggio (base e altezza). In questo modo la base di suppor- to, realizzata con un’accuratezza ulteriore rispetto alle reali esigenze di un rilievo topografico eseg ito in esto contesto (perc é a fiancato sopratt tto dal rilievo laser) a consentito di avere n controllo metrico ancora pi e ficace e a fida ile per le successive rielaborazioni.

6.3 Il rilievo laser scanner 3D

Il rilevamento delle architetture presenti nel settore Nord dell’Isola di Kizhi è stato condotto tramite le metodologie integrate di rilievo, abbinando in modo complementare alle tecniche e strumenti tradizionali di presa diretta delle misure con metodologie indirette che si sono avvalse dell’ausilio strumentale di siste- mi topografici e laser scanner D. Il laser scanner terrestre, in particolare, no str mento di nat ra topografica c e permette di ac isire na grande antit di

coordinate spaziali in reve tempo. E possi ile rilevare completamente le s perfici visibili di un determinato contesto o oggetto architettonico attraverso operazioni relativamente rapide, che permettono di rimandare l’elaborazione dei dati acqui- siti strumentalmente e la scelta degli elaborati da produrre ad una fase di post- produzione. In questa fase interpretativa il dato acquisito viene confrontato con i dati ricavati dagli altri rilievi eseg iti e discretizzato in elementi classifica ili e rappresentabili attraverso il disegno e la modellazione bidimensionale o tridimen- sionale. I vantaggi di un rilievo condotto tramite l’ausilio di un laser scanner sono dunque la riduzione dei tempi di acquisizione delle misure sul campo (importante, ad esempio, per l’esecuzione di rilievi in ambienti caratterizzati da un clima parti- colarmente rigido come quello russo) e la possibilità di rilevare in modo molto det- tagliato geometrie complesse (necessario nel caso delle architetture lignee, dove l organicit della materia non prevede alc na semplificazione o approssimazione geometrica). Nelle esperienze di rilievo laser scanner è stato sempre usato il mo- dello ScanStation 2, prodotto da Leica Geosystems, utilizzando, per il riferimento nelle coordinate relative delle singole nuvole di punti, target HDS piani ad alta ri ettanza. Il laser scanner tilizzato si compone di n generatore di raggio laser, uno specchio rotante sul suo asse orizzontale che forma un angolo di 45° rispetto alla direzione del raggio e un supporto meccanico che consente la rotazione intorno all’asse verticale. Il meccanismo consente una rotazione di 360° sul piano e di 270° rispetto al piano verticale; l’area che rimane esclusa dal range di scansione è esclusivamente la porzione tronco conica che si estende dal centro dello strumento verso il basso sino ad un raggio (variabile a seconda dell’altezza a cui viene posi- zionato lo scanner) di circa 1 mt (la mancanza di questo dato ha un peso irrilevan- te perc é corrisponde per lo pi allo spazio occ pato dal s pporto treppiede c e sostiene lo strumento da terra, ed è comunque facilmente integrabile nella fase di registrazione). La posizione di ogni singolo punto rilevato è calcolata misurando l’angolo di incidenza ed il tempo di volo del raggio (lo scanner utilizzato rientra infatti nella famiglia degli scanner denominati TOF sigla che indica il nome Time Of Flight); tali valori vengono utilizzati per calcolare le coordinate cartesiane nello spazio di ciascun punto rilevato rispetto ad un’origine data del sistema di riferi- mento, coincidente con il centro dello strumento stesso (Fig. 117).

a tecnologia tilizzata in grado di mis rare fino a . p nti per secondo, con un’ampiezza di raggio visivo variabile tra i 200 e i 300 m a seconda del valore della ri ettanza dell oggetto scansionato. gni singola scansione rappresenta per n solo p nto di vista e, per ottenere na copert ra soddis acente delle s perfici che caratterizzano un elemento architettonico o porzioni di territorio nelle quali insistono più strutture come quelle rilevate, sono necessarie molteplici scansioni eseguite da più punti di vista, per poter ottenere una “copertura” completa degli oggetti. L’unione di due o più scansioni è possibile solo nel caso in cui siano dispo- nibili tre o più punti (chiamati target) in comune tra le diverse scansioni; tali punti omologhi consentono l’allineamento delle singole nuvole di punti con un piano di ri erimento com ne, fissando le loro reciproc e posizioni nelle tre traslazioni e rotazioni nello spazio.

La prima fase di rilievo integrato è la fase di progettazione della campagna di ac isizione dei dati, per la ale devono essere en note le finalit e gli o iettivi del rilievo stesso; nel caso di rilievi condotti tramite l’ausilio di laser scanner in questa fase il rilevatore si concentra, in particolare, sulle esigenze della scansione.

Preliminarmente alle operazioni di scansione si procede ad na pianificazione del lavoro, analizzando la cartografia esistente grazie alla ale poter avere na vista di insieme dell’area oggetto del rilievo; in alternativa si procederà ad un rilievo planimetrico a vista dell’oggetto del rilievo. Lo schema realizzato ha come obiet- tivo l’individuazione ottimale della serie di posizioni nelle quali si intende muo- vere lo strumento (chiamate “stazioni” e denominate dal software di gestione Scan World) per eseguire le diverse scansioni, in relazione alla possibilità di costruire una maglia unitaria che inquadri l’oggetto e il territorio circostante a determinate scale di dettaglio. a pianificazione delle scansioni a come o iettivo ello di individuare strategicamente il percorso più breve che deve compiere lo strumento raccogliendo però il maggior numero di dati possibile, in modo da ottimizzare tem- pi di esecuzione in relazione ad accuratezza del dato acquisito. Questa program- mazione avviene contemporaneamente con il posizionamento dei target, creando una rete di punti ben riconoscibili all’interno della banca dati 3D necessari per la successiva fase di registrazione ed unione delle singole scansioni. Tale posiziona- mento deve seguire alcune indicazioni di carattere tecnico e metodologico: i target devono essere distribuiti, all’interno dell’area da scansionare, in modo omogeneo, cercando di formare una rete di triangoli equilateri disposti su piani generici, evi- tando il più possibile il reciproco allineamento rispetto al punto di scansione (que- sta circostanza infatti non consente di effettuare in modo corretto la rototraslazione delle singole nuvole di punti nella fase di registrazione). I target devono essere collocati ad una distanza uniforme dal laser scanner, in modo da essere acquisiti con na risol zione pressoc é omogenea (target posizionati molto lontano dallo scanner possono ris ltare scansionati con n n mero non s ficiente di p nti, im- pedendo in ase di registrazione la determinazione del centro esatto). e specific e caratteristiche del sito in esame hanno reso particolarmente complessa questa fase; l’impianto planimetrico e la conformazione dei territori costieri, oltre alla presenza di vegetazione, hanno determinato la creazione nella nuvola di punti con alcuni coni d’ombra (ovvero zone non rilevate, dove lo strumento non ha potuto eseguire l’acquisizione dei dati), per poter evitare o ridurre la presenza di zone non rilevate sono state eseguite delle ulteriori scansioni da stazioni diverse aumentando così il numero di scansioni previsto all’inizio della campagna di rilievo. Durante l’intera fase di acquisizione delle misure tramite scansione si provvede a registrare su una mappa cartacea, preparata precedentemente, le posizioni occupate dallo strumento e i target rilevati per ogni scansione utilizzando sempre numeri progressivi o codi- ci di facile comprensione.

LeprincipaLiFasidiunriLievoLaserscannercon Scan Station 2. Prima di proce- dere con un rilievo laser scanner è necessario eseguire tre operazioni tecniche di partenza che consistono nel posizionamento dello strumento sull’apposito suppor- to (treppiede) nella posizione scelta per la prima scansione, controllo della “messa in bolla” dello strumento attraverso l’uso delle livelle micrometriche presenti sulla basetta di appoggio, collegamento dello scanner, tramite cavo usb, al computer portatile e tramite alimentatore ad un generatore di corrente elettrica. Dopo l’ac- censione lo strumento effettua un check propede tico per la verifica dell e ficienza di tutti gli apparati elettronici, di emissione e ricezione del raggio laser, e mec- canici. Terminata questa fase preparatoria lo scanner risulta pronto per iniziare a lavorare. Le operazioni precedenti all’inizio della scansione sono quelle dedicate

all inserimento dei parametri prescelti c e rig ardano la definizione della densit dei p nti da rilevare ad na determinata distanza. In esta ase vengono definiti i valori relativi alla risoluzione e alla velocità di scansione; più le scansioni sono accurate e dense di punti più i tempi di esecuzione aumentano. Anche per questo motivo questi parametri sono richiesti sempre per ogni scansione e sarà lavoro dell’operatore capire in che modo ottimizzare le tempistiche di ripresa in relazione alle esigenze prefissate.

L’acQuisizioneFotoGraFica. Questo strumento consente di eseguire l’acquisizione

otografica dell area rilevata, operazione c e viene e ett ata grazie alla presenza di una fotocamera integrata ad alta risoluzione caratterizzata da un’ampiezza del grado visivo estendibile da 0° a 360° lungo le coordinate azimutali e da -45° a 270° l ngo le coordinate zenitali. immagine otografica ac isita viene assem lata s n prisma regolare complesso con acce esagonali, fino a coprire l intera area vi- siva dello strumento. Lo strumento esegue poi l’allineamento fra l’immagine foto- grafica e la n vola di p nti eseg ita dallo stesso p nto determinando na n vola di punti colorizzata. Questa caratteristica consente di avere già nelle primissime fasi di rielaborazione dati un modello tridimensionale (la nuvola di punti) foto-realisti- co, capace di riproporre con na onissima a fida ilit i colori reali dell oggetto del rilievo e le sue informazioni metriche. Dopo aver eseguito la ripresa fotogra- fica possi ile eseg ire le scansioni vere e proprie, ovvero l individ azione delle coordinate dei punti misurati da parte dello scanner. Questa operazione può essere eseguita o sull’intera calotta sferica o solo su una sua porzione grazie all’utilizzo di selezione direttamente dal computer connesso allo strumento. Prima di avviare la scansione è importante controllare che i target posizionati sulla scena siano ben visibili dai punti di stazione interessati. Ad ogni punto scansionato vengono asso- ciate quattro informazioni essenziali: le tre coordinate lungo gli assi e il valore di ri ettanza, c e cam iano a seconda della nat ra del materiale e dell angolo di incidenza del raggio laser su di esso. Talvolta, in condizioni di scarsa visibilità, si è rivelato utile procedere ad una ulteriore scansione molto più densa di informa- zioni, c e prende app nto il nome di ra fittimento , perc é della n vola di p nti acquisita si decide di concentrarsi su una porzione circoscritta e avviare una nuova scansione integrativa della precedente in modo da poter individuare più chiara- mente il target o di approfondire il livello di dettaglio. Il software assegna ad ogni punto rilevato e costituente la nuvola di punti il valore cromatico ad esso riferito e des nto dall immagine otografica ac isita, consentendo, in ase di lett ra ed elaborazione della nuvola di punti, la visualizzazione di essa con una colorazione verosimile degli oggetti. Le porzioni su cui non è possibile attivare tale visualiz- zazione sono quelle riferite a scansioni eseguite nelle ore notturne, quando non è

tile eseg ire l ac isizione otografica. Tale associazione considera le relazioni geometriche esistenti tra i due sistemi, quello della nuvola di punti e quello della multi-immagine ad essa riferita.

La reGistrazionedeLLescansioni. Dopo aver completato il rilievo sul campo ha

inizio la fase di rielaborazione dei dati. La fase di registrazione delle singole nu- vole di punti è la fase operativa delicata nella quale si crea una nuvola di punti complessiva finale dell oggetto del rilievo attraverso l nione delle singole scan- sioni ottenute dal diverso posizionamento dello strumento. Durante questa fase

Preliminarmente alle operazioni di scansione si procede ad na pianificazione del lavoro, analizzando la cartografia esistente grazie alla ale poter avere na vista di insieme dell’area oggetto del rilievo; in alternativa si procederà ad un rilievo planimetrico a vista dell’oggetto del rilievo. Lo schema realizzato ha come obiet- tivo l’individuazione ottimale della serie di posizioni nelle quali si intende muo- vere lo strumento (chiamate “stazioni” e denominate dal software di gestione Scan World) per eseguire le diverse scansioni, in relazione alla possibilità di costruire una maglia unitaria che inquadri l’oggetto e il territorio circostante a determinate scale di dettaglio. a pianificazione delle scansioni a come o iettivo ello di individuare strategicamente il percorso più breve che deve compiere lo strumento raccogliendo però il maggior numero di dati possibile, in modo da ottimizzare tem- pi di esecuzione in relazione ad accuratezza del dato acquisito. Questa program- mazione avviene contemporaneamente con il posizionamento dei target, creando una rete di punti ben riconoscibili all’interno della banca dati 3D necessari per la successiva fase di registrazione ed unione delle singole scansioni. Tale posiziona- mento deve seguire alcune indicazioni di carattere tecnico e metodologico: i target devono essere distribuiti, all’interno dell’area da scansionare, in modo omogeneo, cercando di formare una rete di triangoli equilateri disposti su piani generici, evi- tando il più possibile il reciproco allineamento rispetto al punto di scansione (que- sta circostanza infatti non consente di effettuare in modo corretto la rototraslazione