Prof. Massimiliano Campi
Arch. Valeria Cappellini
Nel campo del rilievo strumentale si è affacciata da alcuni anni una nuova tecnologia, basata sull’utilizzo del laser scanner, che sta mettendo in discussione le metodologie tradizionali e il ruolo tipico del rilevatore modificando profondamente le procedure di prelievo e di restituzione dei dati metrici dell’architettura.
Nato per applicazioni industriali, il laser scanner è un dispositivo elettro-ottico meccanico che, attraverso la tecnica di scansioni successive, permette di rilevare automaticamente un oggetto nelle sue tre dimensioni.
Il prodotto di una scansione è una nuvola di punti, di coordinate x y z, visualizzabile direttamente sul monitor di un computer come “fotografia tridimensionale“, formata da milioni di punti, che descrivono dettagliatamente la superficie dell’oggetto rilevato, e dalla quale è possibile ricavare informazioni dimensionali e colorimetriche.
Esistono due tipologie di laser scanner:
I sistemi di misura sono:
Il range di azione di questi strumenti può variare da alcuni metri ad alcune centinaia di metri con un margine di errore molto ridotto: da pochi millimetri su distanze fino a 80m, a pochi centimetri su distanze dell’ordine di 2000 metri. Vengono impiegati, per questo motivo, nel rilievo di oggetti di grandi e medie dimensioni e i campi di applicazione sono molteplici: dall’architettura all’ingegneria civile, dagli impianti nucleari ed energetici alla riproduzione della realtà virtuale di una scena di un crimine.
Per la restituzione digitale di oggetti di piccole dimensioni e per la costruzione di prototipi industriali vengono utilizzati gli scanner laser a triangolazione ottica, che operano su distanze minori ma offrono una precisione dell’ordine dei decimi di millimetro. Il principio di misurazione delle coordinate di un punto è analogo al processo di triangolazione che si effettua in topografia. Emettitore e ricevitore del laser si trovano in due punti differenti. Una lama di luce, emessa dallo scanner, colpisce l’oggetto generando un profilo che viene acquisito da una telecamera a CCD (Charge Coupled Device).
La posizione spaziale dei punti che appartengono al profilo di luce si ottiene per triangolazione conoscendo la posizione dello scanner, della telecamera a CCD e dell’oggetto rilevato. L’insieme dei profili paralleli, ottenuti al termine della scansione, forniscono l’informazione necessaria per la realizzazione di un modello tridimensionale.
Il laser scanner che impiega la tipologia di misurazione a tempo di volo emette un impulso laser a una frequenza pari a una decina di kHz, che dopo aver colpito il punto da rilevare, torna allo strumento stesso.
La misura del tempo intercorso fra l’emissione e la ricezione del raggio riflesso, l’angolo di inclinazione del raggio emesso rispetto all’asse verticale dello strumento e l’angolo azimutale del raggio emesso rispetto ad un asse orizzontale preso come riferimento costituiscono le coordinate sferiche che consentono l’individuazione tridimensionale dei punti rilevati. Le coordinate vengono in una prima fase fornite in un sistema di riferimento cartesiano, che ha origine in un punto dello strumento e che, successivamente può essere georeferenziato in termini assoluti o relativi, anche con un sistema GPS.
Laser scanner a lungo raggio
Il funzionamento del laser scanner che impiega il sistema di misurazione a modulazione di fase, è simile a quello a tempo di volo, anche se il pattern illuminante non è più un raggio ma un’onda sinusoidale che, in termini pratici, permette di rilevare un oggetto con una maggiore velocità in proporzione al tempo impiegato per effettuare la scansione.
I range di azione di questi scanner arriva al massimo a 100m.
Laser scanner a corto raggio
La tecnologia del laser scanning consente, con diverse modalità, di acquisire digitalmente oggetti di varie dimensioni, in maniera automatica e non invasiva.
Il rilievo tridimensionale fornisce quattro informazioni:
le tre coordinate del punto rilevato e il valore della riflettanza, che cambia a seconda della natura del materiale.
La riflettanza rappresenta la capacità dei corpi di riflettere il raggio laser; indica per ciascun punto di una superficie di materiale opaco, colpito da un raggio luminoso, il fattore di risposta, cioè il rapporto adimensionale tra la irradianza, o densità di flusso radiante incidente, e la emittanza, o densità di flusso radiante uscente.
Il software a corredo dello scanner visualizza i risultati di scansione e codifica la riflettanza delle superfici con valori, indicati con DN (Digital Number), compresi tra 0 e 255. Al valore 0 corrisponde riflettanza nulla: si riferisce a quei corpi che assorbono completamente il raggio laser senza rifletterlo, i corpi neri per esempio, mentre il valore 255 sta ad indicare riflettanza massima.
Lo scanner viene trasportato sul posto in cui si trova l’oggetto da rilevare utilizzando la valigia in dotazione, che contiene anche le batterie e i cavi di collegamento; viene montato su un treppiedi dotato di livella a bolla, che consente appunto il suo perfetto posizionamento a livello e viene collegato alle batterie.
Una volta posizionato nella maniera che si ritiene più opportuna, lo scanner viene acceso e programmato con un computer esterno.
I parametri da impostare sono:
Impostati i parametri, lo scanner inizia a emettere il raggio laser che colpisce l’oggetto o meglio la parte di oggetto che rientra nel suo campo visivo. Ciascuna scansione produce una nuvola di punti che descrive solo parzialmente la zona inquadrata perchè il raggio emesso incide sulla stessa da una particolare angolazione: le superfici non colpite resteranno nascoste anche nell’acquisizione digitale.
La presenza di un certo numero di segnali spuri, generati da oggetti che si trovano per caso sul percorso del raggio (pedoni, macchine, etc.) e la deviazione standard dello strumento possono influenzare il rilevamento fornendo posizioni 3D non corrette, difficilmente correggibili nella fase successiva, invalidando il rilievo.
Alla fine di ogni scansione, che dura in media dai 15 ai 20 minuti, a seconda della risoluzione impostata, i dati vengono registrati o sul pc interno di cui è dotato lo scanner o su una scheda di memoria (dipende dal tipo di scanner utilizzato).
I software per il processamento dei dati sono di due tipi:
Il prodotto della scansione è costituito da una o più nuvole di punti ad altissima densità, migliaia o centinaia di migliaia di punti, che descrivono con estrema esattezza la superficie dell’oggetto o di quanto compare nel campo di vista strumentale. E’ un prodotto molto lontano dalle classiche rappresentazioni grafiche realizzate con il metodo del rilevamento diretto o fotogrammetrico: i dati sono indifferenziati qualitativamente, non vi è il “filtro” e la sintesi soggettiva del rilevatore che seleziona, discretizza e codifica gli elementi di interesse.
L’elemento chiave per la gestione e l’uso proficuo di una scansione laser è il software di modellazione, che permette di intervenire in maniera mirata sull’enorme banca dati prodotta dal rilievo digitale.
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