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Massimiliano Campi » 16.Il Lidar


Il lidar I

LIDAR Ligh Imaging Detection And Ranging
Applicazione della tecnologia Lidar da Aereo ed Elicottero per le scansioni da mezzo in movimento:
Una delle applicazioni più recenti consiste nell’utilizzare la tecnica di scansione laser, unita a sistemi di navigazione , utilizzando piattaforma inerziale e sistema Gps .
Si è potuto realizzare un sistema di rilievo 3D per la rappresentazione di strade, edifici e zone costiere da veicolo o imbarcazione.

Il lidar II

Applicazioni
• Catasto strade, rilievo e mantenimento del manto stradale e segnaletica.
• City Modelling – rapido rilievo 3D per la generazione di modelli 3D delle città.
• Mappatura veloce degli ingombri di strade soggette a passaggi di carichi sporgenti.
• Rilievo delle linee aeree elettriche con diametro di 3mm.
• Mappatura della vegetazione.

Il lidar III

Il LIDAR (Light Detection and Ranging) è una tecnica di telerilevamento “attivo” per l’esecuzione di rilievi topografici di alta risoluzione.
Il rilievo viene effettuato con un mezzo aereo sul quale è installato un laserscanner composto da un trasmettitore (essenzialmente un laser), di un ricevitore (costituito da un telescopio) e di un sistema di acquisizione dati. La peculiarità del sistema è l’altissima velocità di acquisizione dei dati abbinata ad una elevata risoluzione.

Il lidar IV

LIDAR permette di determinare la concentrazione di specie chimiche nell’atmosfera.

LIDAR permette di determinare la concentrazione di specie chimiche nell'atmosfera.


Il lidar V

Altri termini per questa tecnica sono:

  • ALSM (Airborne Laser Swath Mapping) e altimetria laser.
  • LADAR (Laser Detection and Ranging) si usa spesso in ambito militare.
  • Anche il termine radar laser viene a volte usato, ma è fuorviante perché la sorgente usata è ottica e non radio, con proprietà e comportamenti del tutto particolari.

Il lidar VI

Come funziona
Un impulso di luce laser viene trasmesso nell’atmosfera e l’energia retro-diffratta viene misurata in funzione del tempo (o della distanza di andata-ritorno); l’intensità della luce di ritorno è proporzionale alla densità dell’atmosfera. La luce diffusa da ogni bersaglio, opportunamente scalata del quadrato della distanza del bersaglio (secondo l’ “equazione dei LIDAR”) dipende infatti dall’area della sezione d’urto, dal livello di luce incidente, e dall’efficienza di scattering di una determinata particella con la sua dimensione, forma e composizione.

Il lidar VII

Il laser scanning è una tecnologia in continua evoluzione, lungo tre direttrici principali:

  • l’acquisizione contemporanea del dato laser e dell’immagine ad alta risoluzione del territorio sorvolato;
  • l’aumento della frequenza di misura dei punti;
  • l’aumento dell’altezza massima dal suolo.

Cosa si ottiene attraverso il rilievo LIDAR I

Intensità e coordinate spazio temporali del segnale in uscita sono quindi ben note, ed è perciò possibile misurarne e interpretarne le riflessioni con grande precisione.Ciò che si ottiene con un rilievo Lidar è dunque una distribuzione di punti per ognuno dei quali si otterranno le coordinate e la quota (XYZ) ed il valore dell’ intensità riflessa (I).

Cosa si ottiene attraverso il rilievo LIDAR II

Analizzando i punti riflessi si osserva un ritorno multiplo del segnale, ed in presenza di vegetazione (non eccessivamente densa) il Lidar penetra riflettendo punti a vari livelli della fronda e al suolo.


Cosa si ottiene attraverso il rilievo LIDAR

Il raggio laser penetra la vegetazione, se non eccessivamente densa, e riflette quindi punti a vari livelli
Dalla nuvola di punti si ottengono, per elaborazioni successive, che comprendono sia un filtraggio automatico che uno manuale, un modello digitale di superficie (in inglese DSM, Digital Surface Model) e un modello digitale del terreno (DTM, Digital Elevation Model), con una maglia dell’ordine del metro ed una precisione decimetrica.Dal DTM sono quindi possibili elaborazioni varie quali, ad esempio: curve di livello del terreno e modelli tridimensionali

Punti riflessi lungo un profilo lidar.

Punti riflessi lungo un profilo lidar.


Il lidar I


Il lidar II

Dal DTM sono quindi possibili elaborazioni varie quali, ad esempio:

  • curve di livello del terreno;
  • modelli tridimensionali.
Curve di livello del terreno.

Curve di livello del terreno.

Modelli tridimensionali.

Modelli tridimensionali.


Descrizione della tecnologia lidar I

Il laser scanning è basato sulla scansione del territorio sorvolato da un aereo o da un elicottero per mezzo di un telemetro laser, che determina la distanza fra il punto di emissione A, materializzato dal telemetro, e il punto di riflessione B, che rappresenta il generico punto appartenente al terreno e colpito dal laser.

Funzionamento del laser scanning.

Funzionamento del laser scanning.


Descrizione della tecnologia lidar II

Schema descrittivo di funzionamento del sistema per l’acquisizione dei dati Lidar.

Schema descrittivo di funzionamento del sistema per l'acquisizione dei dati Lidar.


Descrizione della tecnologia lidar III

L’elaborazione dei dati Lidar, è complessa anche se in buona parte automatica e quindi di rapida esecuzione. L’intero processo di calcolo e rettifica dei punti laser è stato preceduto da una fase di calibrazione del sistema (effettuata prima dell’inizio del rilievo).L’intero processo di elaborazione dei dati si svolge in quattro fasi:

  1. Il calcolo della traiettoria e dell’orientazione del sensore mediante DGPS/INS.
  2. La generazione di un archivio di punti XYZ.
  3. La classificazione dei punti (sulla base dell’altezza, intensità della riflessione, ecc.).
  4. La generazione dei modelli a partire dai punti classificati.

La correzione della quota viene via via effettuata analizzando DTM contigui.

La sequenza di produzione dei dati I

Si illustra la successione delle operazioni che consentono di produrre i dati con la scansione laser.
Dopo l’installazione dei sensori sull’aeromobile è necessario eseguire la calibrazione. I tre sensori, GPS, IMU e telemetro materializzano in realtà altrettanti sistemi di riferimento indipendenti ed è necessario pertanto conoscere i parametri delle rototraslazioni spaziali che li legano, in modo da ricondurre le misure fatte dai singoli sensori a un unico sistema di riferimento.

La sequenza di produzione dei dati II

La strategia per risolverlo, differente per i vari strumenti, è generalmente basata sui seguenti passi: seguire precise e opportune strategie nel montaggio dei sensori; misurare direttamente, all’interno dell’aereo, alcune grandezze, come il vettore eccentricità del centro di fase dell’antenna GPS rispetto all’origine del sistema inerziale; eseguire un volo di calibrazione su un poligono opportuno e determinare in modo indiretto le rimanenti grandezze, come gli angoli della rotazione nello spazio che connette il sistema di riferimento materializzato dal IMU con quello del telemetro.

La sequenza di produzione dei dati III

Prima del volo è necessario eseguire l’allineamento, una fase in cui i sensori sono accesi e registrano, ma l’aeromobile sta fermo sulla pista. Tale fase è necessaria per determinare la posizione e l’assetto iniziali. Le modalità con cui l’allineamento viene eseguito, e la sua durata variano molto a seconda del sensore usato; inoltre vi è uno sforzo da parte dei ricercatori e delle ditte produttrici a ridurre il più possibile tale fase senza compromettere la qualità dei risultati. E’ ragionevole aspettarsi che in poco tempo esisterà una modalità di inizializzazione simile alla on-the-fly per il GPS.

La sequenza di produzione dei dati IV

Durante il volo l’aeromobile acquisisce tutto il territorio da rilevare mediante strisciate, una tecnica ben nota ai fotogrammetri.


La sequenza di produzione dei dati V

I vari sensori, GPS, IMU, telemetro, ed eventualmente la camera digitale, acquisiscono i loro dati in modo indipendente, ma associano a ogni loro misura una etichetta temporale secondo una scala comune, quella data dal GPS: solo così sarà possibile sincronizzare le varie misure, una volta finito il volo. I sensori operano dunque indipendentemente, ma comunicano fra di loro tramite i vari apparati elettronici di servizio.

La sequenza di produzione dei dati VI

Alla fine del volo i dati prodotti dal IMU e dai GPS di bordo e di terra vengono anzitutto integrati da un software basato essenzialmente sul filtro di Kalman, che calcola posizione e assetto dell’aereo in ogni istante del volo. Si tratta della fase più delicata di tutto il processamento e la qualità complessiva dei dati finali dipende specialmente dalla qualità con cui è stato ricostruito l’orientamento esterno (posizione più assetto) del sensore laser. Il numero e la lunghezza dei cycle-slips condizionano fortemente i risultati, così come la distanza fra le due stazioni GPS: anche se gli studi sul GPS cinematico puro evidenziano come distanze anche di qualche centinaio di Km siano compatibili con una qualità elevata, nelle applicazioni GPS/IMU è raccomandabile che la distanza master-rover non ecceda i 40/50 Km. Si tratta probabilmente di limitazioni destinate ad essere superate con il perfezionarsi degli algoritmi e degli apparati.

La sequenza di produzione dei dati VII

L’accoppiamento dei dati GPS e inerziali consente di ricostruire posizione e assetto del sensore laser in tutti gli istanti in cui lo IMU ha effettuato una misura: si tratta di un’informazione discreta. Tuttavia è necessario ricostruire l’orientamento del sensore come funzione continua del tempo, perché tale orientamento deve essere noto al momento in cui ogni impulso laser viene emesso: ciò si ottiene mediante una interpolazione.

La sequenza di produzione dei dati VIII

La Figura illustra l’interpolazione dei dati di orientamento esterno. La linea rossa rappresenta la traiettoria vera, misurata negli istanti indicati dai punti. Le crocette rappresentano gli istanti in cui è stato emesso un impulso laser; in tali istanti è necessario conoscere la traiettoria per risolvere le equazioni del laser scanning e calcolare le coordinate dei punti colpiti.


La sequenza di produzione dei dati IX

Una volta calcolato l’orientamento esterno del sensore come funzione del tempo, la combinazione di questa informazione con le misure di distanza effettuate dal telemetro consente di calcolare la coordinate tridimensionali di tutti i punti colpiti: si tratta di un seminato di punti sparsi, che viene normalmente chiamato raw-data.


La sequenza di produzione dei dati X

A questo punto della sequenza, i dati prodotti dal laser scanning sono disponibili, tuttavia il loro uso concreto richiede spesso di effettuare vari altri tipi di trasformazioni riguardanti il loro inquadramento geodetico-cartografico e la loro struttura.
Si può modificare la struttura dei dati, passando dai punti sparsi al grigliato regolare. Invece di rappresentare l’andamento altimetrico del terreno mediante un insieme di punti quotati che vi appartengono, si schematizza il terreno con una superficie regolare costituita da celle quadrate o rettangolari le cui altezze vengono determinate a partire dall’informazione altimetrica contenuta nei punti sparsi. Le griglie occupano in genere molto meno spazio su disco e sono più maneggevoli, tuttavia esse sono un dato di seconda generazione, frutto di una manipolazione.


La sequenza di produzione dei dati XI

Una trasformazione che spesso viene applicata è il filtraggio. Si tratta di una modifica della sostanza dei dati che ha lo scopo di mantenere solo i punti dei raw-data prodotti dal terreno, eliminando tutti quelli prodotti da edifici, lampioni, manufatti in genere, alberi e vegetazione. Nella terminologia del laser scanning, si parla di passaggio dal DSM (Digital Surface Model) al DTM (Digital Terrain Model).


La sequenza di produzione dei dati XII

Una trasformazione che spesso viene applicata è il filtraggio. Si tratta di una modifica della sostanza dei dati che ha lo scopo di mantenere solo i punti dei raw-data prodotti dal terreno, eliminando tutti quelli prodotti da edifici, lampioni, manufatti in genere, alberi e vegetazione. Nella terminologia del laser scanning, si parla di passaggio dal DSM (Digital Surface Model) al DTM (Digital Terrain Model).


La sequenza di produzione dei dati XIII

Un’altra trasformazione che spesso viene applicata è l’estrazione di features, principalmente edifici. La Figura mostra alcuni esempi di modelli tridimensionali di edificato prodotti dati laser scanning.


La sequenza di produzione dei dati XIV

Un’ultima modalità di consultazione dei dati laser che è utile mostrare, anche se non si tratta esattamente di una trasformazione, è quella per sezioni, come la figura mostra.


I materiali di supporto della lezione

Aerial Laser Scanning

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