Strumentazione utilizzata per il rilievo laser scanner e procedure d

Lo strumento con cui sono stati effettuati i rilievi in questa ricerca è un laser scanner Focus 3D MS120 della FARO (figura 3.6) che presenta le caratteristiche riportate in tabella 3.2.

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Il dispositivo rientra nella famiglia degli scanner distanziometrici a differenza di fase74_{, ha} una portata ottimale di circa 50 m e presenta una precisione di 2.5 mm.

Esso risulta di facile utilizzo grazie alla gestione tramite schermo touch e interfaccia grafica di elevata semplicità. La fotocamera integrata, di risoluzione non molto elevata, consente di acquisire e associare ad ogni punto rilevato le informazioni colorimetriche (RGB), così da restituire con maggiore fedeltà il modello tridimensionale e facilitare le operazioni di registrazione delle scansioni.

Grazie alle sue dimensioni particolarmente compatte lo strumento è risultato particolarmente maneggevole durante le fasi preparatorie di ciascuna scansione. In particolare, in presenza di pavimentazione non pianeggiante, l'esigenza di ricreare le condizioni di orizzontalità necessarie allo strumento per eseguire la scansione rendeva necessario agire direttamente sui supporti del treppiede. Il peso ridotto, dello strumento, ha consentito di svolgere questa operazione, utilizzando un solo operatore, in modo semplice ed efficace.

Figura 3.6. Laser scanner Focus 3D MS120 della FARO.

74 _{si veda capitolo 3.1.}

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SISTEMA LASER

Lunghezza d'onda 905 nm

Divergenza del raggio 0,16 mrad (0,009°) Diametro del raggio (in uscita) 3,8 mm (circolare)

UNITA' DI SCANSIONE

Principio operativo Comparazione di fase

Accuratezza ± 2 mm a 10 m (25 m) con una riflettività della superficie del 10% (90%)

Precisione

A 10 m – dati grezzi: 0,6 mm rms con 90% refl. | 1,2 mm rms con 10% refl.

A 10 m – rumore filtrato: 0,3 mm rms con 90% refl. | 0,6 mm rms con 10% refl.

A 25 m – dati grezzi: 0,95 mm rms con 90% refl. | 2,2 mm rms con 10% refl.

A 25 m – rumore filtrato: 0,5 mm rms con 90% refl. | 1,1 mm rms con 10% refl.

Portata 0,6 m – 20 m con superfici poco riflettenti,

fino a 120 m con incidenza normale del raggio su superfici riflettenti (90%)

Velocità di acquisizione Da 122.000 a 976.000 punti/secondo

Campo visivo Verticale: 300° Orizzontale: 360°

Risoluzione angolare 0,009°

Dimensioni (peso) 240x200x100 mm (5Kg)

Dispositivi integrati

Unità colore: fotocamera integrata con adeguamento automatico della luminosità Sensore di altezza: barometro elettronico che restituisce l'altezza di ogni scansione rispetto ad un punto di riferimento

Bussola: una bussola elettronica interna fornisce l'orientamento della scansione Inclinometro: una bolla elettronica interna serve a posizionare dritto lo strumento

Tabella 3.2. Caratteristiche tecniche del laser scanner utilizzato: sistema laser e unità di scansione, (da www.faro.com).

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Per quanto riguardo l'acquisizione delle scansioni la fase di progettazione delle prese con il laser scanner è un fattore fondamentale ed è determinato principalmente da:

 L'oggetto da rilevare: le dimensioni dell'oggetto e la sua complessità geometrica vincola non solo la tipologia di laser scanner da utilizzare ma anche la strategia di acquisizione. Prima di iniziare il rilevamento è sempre utile progettare il rilievo a tavolino possibilmente con una pianta alla mano per decidere il numero e la posizione sia dei target che delle scansioni al fine di garantire la corretta georeferenziazione delle scansioni. L'utilizzo dei target per rilevare oggetti aventi alta complessità geometrica è indispensabile. Essi possono essere di diverse tipologie (sfere, scacchiere, etc.) (figura 3.7).

Per creare un modello tridimensionale è necessario che ogni scansione, ottenuta spostando la posizione dello scanner in vari punti nello spazio (punto di stazione scanner), abbia una zona comune di sovrapposizione, comprendente non meno di tre punti facilmente riconoscibili nell’area scansionata.

Una maggiore precisione nell'allineamento e nella registrazione globale delle nuvole di punti può essere ottenuta rilevando i target con la stazione totale. L'ultima fase del rilievo in campo comprende la realizzazione di una campagna fotografica ad alta risoluzione dell'oggetto scansionato per la realizzazione del mapping fotorealistico del modello. I laser in commercio dispongono di una macchina fotografica interna, che acquisisce l'immagine digitale contemporaneamente alla scansione.

Figura 3.7. Target utilizzati per l'allineamento delle scansioni laser. A sinistra le sfere e a destra le scacchiere.

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Solitamente le macchine fotografiche presenti nel laser hanno una risoluzione molto bassa; per ottenere ad esempio un ortofoto ad alta risoluzione dell’oggetto rilevato è utile acquisire fotografie di quest’ultimo, utilizzando una macchina fotografica esterna, che saranno successivamente spalmate sul modello tridimensionale ottenuto dalle scansioni laser. Viceversa se si deve effettuare un rilievo avente l’obiettivo di produrre esclusivamente pianta e sezioni le prese fotografiche non servono ed anche la densità della nuvola di punti dovrà essere minore.

 Risultato finale da ottenere: è bene stabilire a priori quale è il risultato finale che si vuole ottenere dal rilevamento con il laser scanner. Se ad esempio si vuole ottenere una vista ortografica della facciata di un edificio è consigliabile acquisire la geometria della facciata con prese il più ortogonali possibili ed eseguire, successivamente, una presa fotografica posizionandosi circa nella stessa posizione del laser scanner o sempre in maniera ortogonale dell’oggetto rilevato.

La procedura di restituzione dei dati rilevati con il laser scanner segue un processo completamente opposto al tradizionale metodo di rilievo. Nei rilievi con strumentazione topografica tradizionale la scelta degli elementi da rilevare viene fatta direttamente sul campo, al contrario, con il laser scanner vengono rilevate tutte le caratteristiche geometriche sia dell'oggetto sia dell’intero spazio circostante in tempi molto rapidi e solo in fase di elaborazione vengono scelti gli elementi di interesse. I tempi di elaborazione dipendono dal tipo di risultato che si vuole ottenere e vengono generalmente stimati in un rapporto di cinque volte superiori alla fase di acquisizione. L'elaborazione delle scansioni viene eseguita con programmi specialistici, idonei a trattare grandi volumi di dati e si svolge nelle seguenti fasi:

 Pre-processamento dati: consiste nel filtraggio della nuvola di punti in quanto i laser scanner sono soggetti a diversi rumori (errori di divergenza del raggio, errore strumentale dei goniometri, errore termico del sensore in fase di emissione e ricezione, etc.). Tutti questi rumori interni dello strumento posso essere trattati in fase di pre-processamento applicando filtri statistici che hanno lo scopo di eliminarli salvaguardando la complessità e la risoluzione della nuvola di punti.  Allineamento delle scansioni: dopo l'acquisizione, le nuvole di punti devono essere

roto-traslate secondo un medesimo sistema di riferimento. L'allineamento consiste nell'aggancio tramite target o punti omologhi delle nuvole di punti contigue.

 Mappatura del colore: la texture mapping è caratterizzato dall’associazione delle riprese fotografiche sul modello. Per eseguire questa operazione è necessario

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individuare almeno undici punti omologhi tra l’area scansionata con il laser scanner e le immagini fotografiche. Questa operazione viene effettuata soprattutto su rilievi di carattere archeologico (documentazione di scavi e monumenti in antichi) dove il colore rappresenta un aspetto fondamentale per l’interpretazione del dato.

 Creazione delle mesh poligonali: consente di ricostruire la superficie dell’oggetto rilevato tramite l’interpolazione geometrica (triangoli quadrilateri) dei dati misurati. E’ possibile impostare numerosi parametri per la costruzione delle mesh (dimensione e quantità di triangoli utilizzati) che influenzano fortemente il risultato finale.

 Estrazione dati: dal modello tridimensionale è possibile estrarre diverse informazioni (piante, sezioni, DEM) di tipo metrico necessarie alla valutazione dell’oggetto e della sua superficie. L’analisi geometrica rappresenta uno dei contributi fondamentali del rilevamento con laser scanner in quanto ogni calcolo risulta facilmente ricavabile direttamente dal computer.