LiDAR. M. Pasini Topografia Calderini, RCS Libri Education

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1 LiDAR Premesse LiDAR (Light Detection And Ranging) è una tecnica di telerilevamento ottico attiva per l esecuzione di rilievi topografici ad alta risoluzione. Il rilievo ad alta risoluzione permette di generare mappe 2D in numerose applicazioni come ad esempio rilievi tecnici, rilievi delle facciate delle costruzioni ed in qualsiasi progetto in cui siano richieste accurate mappe del costruito e dello stato di fatto. Molto più spesso viene utilizzato per produrre un modello 3D dell oggetto rilevato, come ad esempio quando vengono scansionati gli edifici (per studi progettuali e/o di restauro e conservazione) o delle rocce ma la gamma di oggetti che possono essere ripresi è molto più vasta, infatti la scansione può riguardare la pioggia, i composti chimici, un aerosol e anche le singole molecole. I punti di forza di questa tecnologia sono l altissima velocità di acquisizione dati e l elevata risoluzione, che consentono di eseguire il rilievo geometrico degli oggetti con un ragguardevole livello di dettaglio e completezza (gli strumenti Lidar possono misurare la superficie terrestre, con frequenze di campionamento superiori a 150 khz ovvero impulsi al secondo). Il risultato dello scanning è un insieme numerosissimo di punti (chiamato nuvola di punti ) distribuiti sull oggetto da rilevare, in funzione del grado di dettaglio che si vuole raggiungere, per creare un modello digitale tridimensionale il più possibile aderente alla realtà dell oggetto scansionato. Ad ognuno di questi punti è associato un dato relativo alle coordinate geografiche (sistema WGS 84), alla quota (Z) calcolata sulla base della differenza di tempo intercorsa tra il segnale emesso e quello riflesso ed al valore dell intensità del segnale riflesso; il prodotto finito è quindi una nuvola di punti plano- altimetrici georeferenziati. Il laser scanner consente di registrare, oltre alle informazioni geometriche (coordinate dei punti), anche i valori di riflettività dei materiali in base all intensità ed alla frequenza del segnale ricevuto. Questa tecnologia ha diversi campi di applicazione, ad esempio : - geomatica (insieme delle varie discipline per lo studio del territorio e dell'ambiente, come ad esempio la topografia, cartografia, fotogrammetria, ecc.) - archeologia - geografia - geologia - geomorfologia (è una branca della geografia fisica che studia la morfologia, cioè le forme, della superficie terrestre) - sismologia - silvicoltura (scienza che studia la collocazione, coltivazione e utilizzazione dei boschi) - telerilevamento (Remote Sensing è l insieme di tutte le tecniche di osservazione che permettono di ricavare informazioni, qualitative e quantitative su oggetti posti a distanza, mediante misure di radiazione elettromagnetica emessa) - fisica atmosferica (è una branca della fisica che studia l'atmosfera terrestre) Il lidar viene utilizzato anche in batimetria (branca delle scienze della terra (oceanografia) che si occupa della misura delle profondità degli oceani) ma con un emettitore laser particolare (lunghezza d'onda sul verde) e in genere in aree con acque relativamente poco profonde come ad esempio per le misure costiere. I dati lidar potrebbero essere raccolti anche durante la notte quando l'aria è tersa e vi sono meno effetti rifrattivi, ma spesso la fotogrammetria si associa al lidar e quindi la raccolta viene fatta nelle ore diurne. 1

2 Tuttavia bisogna ricordare che, a differenza del radar, il lidar non può penetrare le nuvole e quindi nelle giornate con pioggia o foschia densa il rilievo deve essere rimandato in un periodo di tempo migliore. La tecnica Lidar può essere sia terrestre che aerea ma non si deve pensare che sia una nuova tecnologia perché in realtà è stata sviluppata oltre 40 anni fa quando fu inizialmente utilizzata per la mappatura delle particelle presenti nell'atmosfera. Dopo il 1980, con lo sviluppo del posizionamento GPS (e GNSS attualmente) questa tecnica fu applicata per la scansione degli oggetti ma anche del terreno mediante l utilizzo di sensori di movimento (aereo o elicottero + lidar). I primi anni 1990 hanno visto il miglioramento della precisione raggiungibile dai sensori inerziali (IMU: Inertial Measurement Unit) che consentivano di determinare l assetto del vettore: elicottero, aereo o auto che trasportava il sensore laser, e quindi la possibilità di raggiungere la precisione del decimetro nelle coordinate dei punti rilevati; alcune applicazioni furono usate per la misurazione dei ghiacciai e dei loro movimenti. Il Lidar terrestre a scansione cominciò a essere usato con risoluzioni assai precise (dell ordine del centimetro o di pochi mm) per mappare densamente la natura e alcune caratteristiche delle superfici dei monumenti o degli edifici storici. Figura 1 - Esempio prodotto di superficie 3D con dati Lidar di una strada in trincea. In colore la vegetazione. Tratta da Lidar 101: An Introduction to Lidar Technology, Data, and Applications (NOAA) Principio di funzionamento del laser LASER significa amplificazione di luce tramite emissione stimolata di radiazioni (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiaton); è costituito da un cilindro allungato che consente di amplificare le radiazioni, ed è inserito tra una coppia di specchi, di cui uno trasparente per consentire al fascio di uscire. La luce laser, che è un insieme di radiazioni luminose di tipo coerente (cioè con tutti i raggi in fase), è monocromatica cioè composta da un solo colore e quindi da una sola frequenza e unidirezionale ovvero che si propaga in una direzione definita (a differenza delle lampadine che emettono radiazioni di diversa frequenza e in varie direzioni). Le radiazioni più utilizzate sono l ultravioletto, la luce visibile o l infrarosso vicino e le lunghezza d'onda (che è la distanza fra 2 punti di massima altezza d'onda) variano quindi da 200 nm a 900 nm. Poiché l'energia per la misurazione viene generata dal laser, il lidar è definito come un sensore attivo. Non bisogna dimenticare che l'utilizzo del laser può creare disturbi a pelle ed occhi che variano a seconda della lunghezza d'onda, della durata d'esposizione e dell'organo colpito (per questo motivo i laser vengono classificati in classi crescenti di rischio). I laser vengono suddivisi in cinque classi di sicurezza: classe 1 : intrinsecamente sicuri classe 2 : non intrinsecamente sicuri ma non creano notevoli problemi classe 3A : non bisogna osservare lo strumento classe 3B : la visione diretta del fascio può non essere sicura se continuativa classe 4 : sono i più potenti e i più pericolosi 2

3 Qualitativamente la tipologia del materiale rilevato si può diversificare in base alla riflettanza; si riporta un esempio di alcune superfici (in %) per lunghezze d onda di 900 nm : Legname (pino pulito e asciutto) 94 Neve Marmo e muratura bianca 85 Limi e argille 75 Vegetazione cedua 60 Alberi di conifere 30 Sabbie calcaree 57 Sabbie da carbonati bagnate Sabbie desertiche o di spiagge Pallet di legno grezzo e pulito Calcestruzzo liscio Asfalto con ciottoli Lava Neoprene nero Il rilievo Lidar aereo Questo rilievo viene effettuato per mezzo di un aereo sul quale viene installato il laser scanner costituito dalle seguenti componenti: - un trasmettitore (distanziometro laser ad impulsi che emette uno stretto impulso laser ad alta frequenza deviato perpendicolarmente alla traiettoria da uno specchio rotante (si registra anche l assetto angolare del raggio) - un ricevitore (un sensore registra l intensità del segnale riflesso e la quota del terreno (calcolata come già accennato sulla base della differenza di tempo intercorsa tra il segnale emesso e quello riflesso) - un sistema di acquisizione dati Inoltre a bordo dell aereo vi sono un sistema di posizionamento satellitare (GPS) e un sistema inerziale di navigazione (INS), per determinare la posizione (X, Y) e l orientamento del mezzo aereo in ogni istante. A terra vi sono invece le stazioni GPS posizionate sui vertici della rete geodetica (appositamente creata), per correggere la posizione dell aereo in fase di post processing dei dati. Figura 2 - Schematizzazione della procedura Lidar (Jie Shan, Purdue University) Figura 3 - Modalità di scansione a zeta per effetto della velocità dell aereo 3

4 L acquisizione dei dati con il laser scanner viene effettuata molto rapidamente; ma la successiva fase di elaborazione dei dati al computer richiede tempi ben più lunghi e un procedimento complesso. Il processo produttivo, dopo la presa, prevede il post processamento dei dati GNSS e IMU, il calcolo della posizione dei punti rilevati e la costruzione di files con coordinate del primo ed ultimo eco ed intensità. Usualmente vengono eseguite diverse strisciate, la procedura di postprocessamento prevede l allineamento delle varie scansioni, utilizzando le zone di ricoprimento fra strisciate e anche punti noti a terra e rilevati. Segue una accurata pulizia dei punti fuori posto, cioè fuori tolleranza fra due strisciate o semplicemente in forte discordanza con la maggioranza dei punti vicini (outliers). Figura 4 In generale ciò che si può ottenere dal rilievo lidar aereo (cioè dalla nuvola di punti) è quello che si definisce DSM (Digital Surface Model) cioè Modello Digitale della Superficie, che comprende il suolo, le superfici arboree ed arbustive, gli elementi antropici quali edifici, ponti, automobili, ecc.; mentre per elaborazioni successive, che comprendono sia un filtraggio automatico che manuale, si estraggono i soli punti che appartengono al suolo ottenendo un DTM (Digital Elevation Model) cioè un Modello Digitale del Terreno. Figura 5 - Esempio di rappresentazione 3D del tratto di costa a sud della Foce del Savio. A) Foto aerea, B) Modello Digitale di Superficie (DSM), C) Modello Digitale del Terreno (DTM). Possono essere eliminati particolari che non interessano, come ad esempio la vegetazione che può disturbare in un rilievo eseguito a scopo urbanistico; al contrario la vegetazione può essere estratta dal database per studi particolari. Figura 6 - sottoprodotti ottenuti nella post elaborazione Immagine tratta dal sito: romagna.it/geologia/temi/costa/il- rilievo- lidar Questa estrazione di vegetazione, edifici, terreno ecc. viene definita classificazione. 4

5 Classificazioni e codici utilizzati nelle classificazioni L'uso delle classificazioni si sta sempre più espandendo in modo di poter rappresentare le infrastrutture costruite, i modelli di vegetazione oppure definire all interno di un essenza vegetativa, le altezze medie o massima di vegetazione ecc. I più comuni tipi di classificazione della copertura del suolo sono: terreno spoglio; foresta; arbusti; urbanizzato, erba folta, sterpi, sottobosco o colture. Una più analitica modalità utilizzata dalla ASPRS (American Society for Photogrammetry and Remote Sensing) nella codifica è la seguente: 0 Æ Codice creato da non usare per classificazioni 1 Æ Punti non classificabili 2 Æ Terreno 3 Æ Bassa vegetazione 4 Æ Media vegetazione 5 Æ Alta vegetazione 6 Æ Edifici 7 Æ Punti bassi, sterpaglie (rumore) 8 Æ Punti di massa o modello (mass point) 9 Æ Acque 10 Æ Codice riservato per nuove definizioni dalla ASPRS 11 Æ Codice riservato per nuove definizioni dalla ASPRS 12 Æ Punti sovrapposti Æ Codice riservato per nuove definizioni dalla ASPRS Come è comprensibile occorre però dire che, per passare da un seminato sparso di punti ad una superficie, è necessario collegare in maniera più o meno logica e coerente questi punti. In seguito verranno descritti i metodi per arrivare alla descrizione a superficie di quanto rilevato. Operazioni di trattamento dei dati laser scanner CALIBRAZ ACQUISIZ IONE FILTRAG REGISTRAZI NUVOLE DI PUNTI COLORATE E GEOREFERENZI MODELLO 3D IMMAGINI SEGMENTAZ MODELLAZIO IMMAGINE CREAZIONE DI ORTOFOTO SOLIDA DI Figura 7 5

6 Acquisizione dati : consiste nell inserimento dei dati e delle immagini nel programma. Calibrazione della camera (mouting) : è l orientamento della camera fotografica rispetto al laser scanner in modo da poter definire il legame geometrico fra pixel acquisiti dalla fotocamera e punti rilevati dal laser scanner; questa procedura viene realizzata mettendo in relazione la posizione dei marker sulle immagini con la loro posizione all interno della nuvola di punti (il riconoscimento dei marker è effettuato in modo automatico dal software di elaborazione in base alla riflettenza dei punti presenti e questo comporta errori grossolani come l identificazione di punti che in realtà non sono marker. Il collegamento fra i punti immagine e i punti scansione viene effettuato dall operatore che può quindi intervenire eliminando i punti erroneamente identificati come marker e scegliere quelli opportuni. Filtraggio : operazione che permette di togliere il rumore di misura e gli errori di acquisizione. Georeferenziazione : si mettono in relazione le coordinate dei marker, rilevate in un sistema di riferimento generale, con la nuvola di punti acquisiti mediante la scansione laser; la procedura viene effettuata mediante il software che individua anche i parametri di trasformazione fra i due sistemi di posizione (dei punti rilevati e dei punti all interno della nuvola) che minimizzano gli scarti. Con tali paramenti si definisce quindi la posizione di ogni punto della scansione nel nuovo sistema di riferimento. Registrazione dei punti : ogni punto rilevato mediante scansione è definito attraverso le sue tre coordinate, tre numeri che ne definiscono il colore (componenti RGB) e il valore di riflettenza (espressa dal rapporto tra l'intensità del flusso radiante riflesso e l'intensità del flusso radiante incidente, è quindi una grandezza dimensionale). Con la registrazione oltre a memorizzare queste informazioni si mettono insieme le diverse scansioni. Colorazione : la nuvola di punti viene colorata per mezzo delle immagini digitali acquisite durante le operazioni di rilievo. Il risultato ottenuto dall insieme delle operazioni descritte e realizzate con l ausilio del software sono delle nuvole di punti colorate e georeferenziate (tutte riferite al medesimo sistema di riferimento cartesiano); da queste, attraverso altre due fasi, vengono ricavati i prodotti finali veri e propri. Le fasi che precedono la creazione dei prodotti finali sono : Segmentazione: consiste nella separazione della nuvola colorata in superfici omogenee (piani, cilindri, coni). Creazione di superfici : identificazione delle superfici mediante maglie di triangoli irregolari. I prodotti finali che si ottengono dalle nuvole di punti sono : prodotti derivanti dalla sola tecnologia laser scanner (modello tridimensionale a superfici, curve di livello, sezioni, ecc.) prodotti ottenuti dall integrazione della tecnologia laser scanner con le tecniche di fotogrammetria digitale (ortofoto di precisione, immagine solida, modello 3D a colori, ecc.) Si è potuto constatare come l intero processo di elaborazione dei dati Lidar è una operazione complessa ma in buona parte automatica; dal procedimento si ottengono : 1. calcolo della traiettoria e dell orientazione del sensore mediante DGPS/INS 2. generazione di un archivio di coordinate XYZ dei punti a terra 3. classificazione dei punti (sulla base dell altezza, intensità della riflessione, ecc.) 4. generazione dei modelli a partire dai punti classificati. 6

7 La correzione della quota viene effettuata man mano che si analizzano DTM contigui. Quando si vuole raggiungere un elevato livello di precisione, questo processo diventa molto complesso poiché è necessario conoscere l assetto dell aereo al centimetro (anche quando vola con velocità di km/h) con la presenza eventuale di vento e memorizzando più di impulsi al secondo. Questi risultati si sono ottenuti recentemente grazie ai grandi miglioramenti della precisione delle unità di misura inerziale (IMU) o più generalmente dei sistemi di navigazione inerziale (Inertial Navigation System) che hanno svolto un ruolo fondamentale nel fornire l'esatta posizione e l assetto di volo. I sistemi di navigazione inerziale sono costituiti almeno da tre accellerometri e tre giroscopi posti su una terna perpendicolare di assi; l integrazione delle accelerazioni e delle velocità angolari fornite da questi sensori fornisce posizione ed assetto di un oggetto in moto solidale con tale strumento. La precisione di tale posizionamento, a causa degli errori sistematici di questi strumenti, decade tuttavia molto rapidamente; l abbinamento con il posizionamento GPS (o GNSS) permette di eliminare gran parte di questi sistematismi e di ridurre i rimanenti in modo accettabile. La frequenza di acquisizione del ricevitore GPS è in genere di 1 o 2 Hz, la frequenza di misura di questi sensori è in genere 100 volte superiore. Per poter arrivare alla precisione centimetrica del posizionamento GNSS occorre tuttavia eseguire un posizionamento relativo, con l uso cioè di un secondo ricevitore a terra che acquisisce contemporaneamente e con la stessa frequenza di quello posto sul velivolo. Non è necessario che il posizionamento avvenga in tempo reale. Dopo il volo i dati dei tre sensori: i due ricevitori GNSS e dei sensori IMU vengono elaborati a terra con grande cura. Analogamente molti progressi si son fatti sulla produttività dei sistemi lidar. Le prime unità commerciali erano in grado di rilevare punti al secondo (10 kilohertz) ed erano grandi e ingombranti. Recentemente si sono sviluppate unità più compatte, leggere, con una maggiore precisione angolare e in grado di elaborare ritorni laser multipli (lo stesso impulso cioè può avere più echi di ritorno), consentendo ritmi di misura di oltre punti (impulsi) al secondo (200 kilohertz). Figura 8 - Ritorni multipli da un singolo impulso I sistemi di lettura di ritorni multipli possono ora, in presenza di vegetazione (non eccessivamente densa) catturare fino a cinque echi di ritorno per impulso (vedi figura). Questo può aumentare la quantità di dati del 30% o più, ma aumenta anche la capacità di indagare la struttura tridimensionale di quanto viene riflesso oltre alla forma del terreno, anche la copertura forestale e il sottobosco. La riflessione dipende dalla rugosità della superficie colpita e dalla lunghezza d'onda, in particolare se la superficie è rugosa il raggio riflesso è indipendente da quello incidente, se liscia è speculare, se catarifrangente è parallelo a quello incidente. I modelli digitali Si è accennato in precedenza ad alcuni prodotti ottenuti con la tecnologia laser scanner : - un DEM (Digital Elevation Model) è modello digitale della superficie terrestre in 3D, la cui caratteristica principale è quella di contenere informazioni sulle altezze dei singoli punti della superficie stessa; questo termine si utilizza in senso generico e comprende tutti i modelli di elevazione; 7

8 - un DSM è un modello digitale che rappresenta la superficie terrestre e ciò che la ricopre (edifici, alberi ); - un DTM invece rappresenta la superficie senza gli oggetti che la ricoprono. Figura 9 - Foto presa da Chartagena I DEM possono essere organizzati in tre diverse strutture di dati: a) Modello per celle o per punti GRID (matrice delle altezze) sotto forma di densa griglia di punti (come quella originata da un laser scanner aereo). Sono rappresentati mediante immagini raster nelle quali ogni pixel rappresenta,secondo diverse modalità, la quota corrispondente (la struttura è quella di una matrice a celle regolari quadrate); - terreno descritto da punti di una griglia (grid - raster) - quota costante in ogni cella - celle di dimensione costante - spesso frutto di interpolazioni su punti dispersi, curve di livello, profili - l accuratezza dipende dalla dimensione della cella b) Modello per aree TIN (Triangulated Irregular Networks) rete irregolare di triangoli con vertici in punti di quota nota Caratteristiche - inclinazione del piano costante per ogni triangolo - dimensione triangolo inversamente proporzionale alla variabilità del terreno - più efficiente del GRID in aree con grande variabilità c) Modello per linee Contour Lines o Tubi di flusso sequenza di curve di livello in forma numerica. Le linee collegano punti della stessa quota (come curve di livello per mappe convenzionali) oppure punti con quota diversa (profili del terreno), - l accuratezza dipendente dagli incrementi di quota tra linee successive per punti di stessa quota; dipende invece dalla distanza tra linee adiacenti per punti di quota diversa. 8

9 Figura 10 - Strutture del DEM: a) DEM grid, b) TIN, c) tubi di flusso (da Wilson e Gallant, 2000) Il seminato o la griglia di punti è in grado di rappresentano adeguatamente l'andamento del terreno solo quando questo è regolare, infatti alcuni elementi particolari del territorio, come ad esempio le scarpate, i rilevati, gli argini, ecc. caratterizzati da brusche variazioni di quota o di pendenza, possono essere riprodotti solamente in modo molto approssimato. Pertanto, quando tali elementi danno luogo (entro la maglia della griglia) ad una discontinuità del terreno superiore ad una certa soglia, è necessario rappresentarli mediante breaklines o linee caratteristiche (di interruzione). I DEM più utilizzati per rappresentare la morfologia del territorio e di supporto alle analisi di tipo idrologico, geomorfologico, sono in genere quelli strutturati in grid dove ogni elemento della griglia viene memorizzato con la rispettiva quota (matrice delle altezze). In funzione del livello di precisione che si vuole ottenere, si possono adottare i seguenti passi di griglia, che possono ritenersi adeguati (nella maggior parte dei casi) anche per i terreni accidentati : - precisione in quota tra ± 0,15 m e ± 1 m fi passo della griglia 5 m; - precisione in quota tra ± 1,0 m e ± 2,5m fi passo della griglia 10 m; - precisione in quota ±3 m fi passo della griglia 20m; L origine dei dati per costruire DEM può derivare da : - una cartografia numerica - una conversione di curve di livello stampate su mappe - un rilievo topografico in campo - da rilievi con GPS - dalla fotogrammetria - da rilievi laser- scanner (LIDAR) Errori e precisioni In genere un insieme di dati viene raccolto con un certo valore di precisione di target ma è possibile variare i parametri di volo e lo strumento per ottenere la precisione richiesta e soddisfare i costi. Una volta che i dati sono stati raccolti e trattati, vengono testati per verificare se l acquisizione e le operazioni successive siano riuscite a soddisfare le specifiche desiderate. La risoluzione orizzontale del set di dati è un aspetto importante, spesso associato alla precisione verticale. La grande variabilità nella superficie terrestre (pendenza, depressioni, cumuli) riduce la precisione raggiungibile in un insiemi di dati a bassa risoluzione (cioè fatta con pixel di grandi dimensioni o punti molto distanziati) perché non si riescono a misurare adeguatamente queste caratteristiche. Risulta quindi evidente che la dimensione degli oggetti da misurare è un elemento da tenere in grande considerazione. 9

10 I dati Lidar solitamente hanno una spaziatura tra punti (risoluzione orizzontale) compresa tra 1 e 3 metri ma si possono utilizzare maggiori densità di punti lidar (aumentare i punti per metro quadrato) ottenendo così delle risoluzioni orizzontali di 25 centimetri o anche inferiori. Va notato che la dimensione effettiva del lidar o "Spot" sul terreno è di circa centimetri, quindi il sovra campionamento influisce sulla definizione della struttura verticale più che sulla risoluzione a terra. La risoluzione temporale ovvero il tempo tra le misurazioni e la freschezza dei dati può essere molto importante tanto quanto la loro precisione, in particolare nelle zone costiere in cui il cambiamento, sia umano che naturale, può essere molto rapido (e a volte drammatico come nel caso delle alluvioni). Nell acquisizione temporale dei dati costieri è importante tener conto di quando (temporalmente) vengono effettuati i rilievi ad esempio per i fenomeni di marea. L'aspetto altamente automatizzato di raccolta dati lidar si presta ad una rapida implementazione dei dati e quindi alla risoluzione di queste problematiche. Figura 11 - Alta risoluzione temporale (5 giorni) Alluvione costiera nel Nord Carolina (da USGS) Precisione del DTM Precisione in altezza (quota) in terreno aperto Precisione in altezza (quota) con vegetazione fitta Livello ± 0,15 ± 0,3 m ± 1 m ± 2 m ± 5 m ± 10 m m ± 1/4 ± 1/4 ± 0,15 ± 0,6 m altez. altez. m vegetaz. vegetaz. ± 5 m ± 15 m Spaziatura dei punti della griglia 5 m 5 m 10 m 20 m 20 m 20 m Errore sistematico in terreno aperto < 0,08 < 0,15 < 0, 5 m < 1 m < 2,5 < 5 m m m m Precisione planimetrica degli elementi del DTM (punti quotati ed elementi lineari) ± 0,3 m ± 0,3 m ± 0,5 m ± 1,0 m ± 2,0 m ± 5,0 m Breaklines > 0,3 m > 0,6 m > 2 m > 4 m > 10 m > 10 m 10

11 Specifiche dei DTM Livello Breaklines Applicazioni principali Aree di applicazione Sorgente dati per oggetti che causano irregolarità > 10 m : linee di costa dei laghi, corsi d acqua importanti, mari. per oggetti che causano irregolarità > 10 m : viadotti con altezza > 10 m, linee di costa di laghi e mari, rive di fiumi. per oggetti che causano irregolarità > 4 m : dighe, viadotti, linee di costa di laghi, fiumi e mari, impluvi per oggetti che causano irregolarità > 2 m : dighe, viadotti, linee di costa di laghi, fiumi e mari, impluvi per oggetti che causano irregolarità > 0,6 m : limiti delle strade (possibilmente ciglio stradale e piede della scarpa), dighe (ciglio e piede), ponti, viadotti, linee di costa di laghi, fiumi e mari, impluvi per oggetti che causano irregolarità > 0,3 m : limiti delle strade (possibilmente ciglio stradale e del piede della scarpa), dighe (ciglio e piede), ponti, viadotti, linee di costa di laghi, fiumi e mari, impluvi ortofoto in scala 1: e 1:5.000 da immagini nadirali ad alta risoluzione riprese da satellite; studi ambientali. ortofoto alla scala 1: riprese con campo normale; ortofoto alla scala 1: e 1:5.000 da immagini nadirali ad alta risoluzione riprese da satellite; studi ambientali. Ortofoto alla scala 1: (e 1:5.000 ma solo se riprese con campo normale f=300mm); studi ambientali; delimitazione dei bacini idrografici ortofoto a scala 1: e 1:5.000 (e 1:2000, ma solo se riprese con campo normale f=300mm); studi ambientali; delimitazione bacini idrografici ortofoto alla scala 1:1000 (e 1:500 solo se riprese con campo normale (f=300mm)); applicazioni ingegneristiche e di pianificazione modellazione idraulica delle zone esondabili; applicazioni ingegneristiche; ortofoto a grande scala fino a 1:500 zone montagnose con piccoli insediamenti e sfruttamento agricolo estensivo; zone in cui non sia disponibile un DTM più accurato. zone montagnose con sfruttamento agricolo estensivo; zone in cui non sia disponibile un DTM più accurato. Aree lontane da centri urbani caratterizzate da colture estensive, in mancanza di DTM di maggior precisione aree edificate a bassa densità e zone agricole di elevato valore, nelle zone da rappresentarsi alla scala 1:5.000 aree a rischio di inondazione con pendenza media > 1%; zone urbane e zone di espansione, zone di forte sviluppo costruttivo, zone da cartografare alla scala 1:1000 aree a rischio di inondazione con pendenza media > 1%; zone da cartografare alla scala 1:500 DTM a bassa precisione dell I.G.M. dati DTM delle Regioni, DTM di precisione dell I.G.M., dati AIMA ed it2000, DTM derivato da cartografia tecnica 1: numerizzata o di qualità inferiore alle CTR 1: standard laser scanner con controllo fotogrammetrico; CT (Carta Tecnica) in scala 1:10000 o superiore laser scanner con controllo fotogrammetrico; CT (Carta Tecnica) in scala 1:5000 o superiore laser scanner con controllo fotogrammetrico; CT (Carta Tecnica) in scala 1:1000 scanner laser con controllo fotogrammetrico, CT (Carta Tecnica) in scala 1:500 11

12 Tecniche di controllo delle precisioni La valutazione della precisione viene effettuata mediante la misura di punti noti a terra (Ground Control Points, o GCP) ed il confronto con i punti generati dai dati lidar. Questa operazione viene effettuata separatamente per i punti che rientrano in zone diverse, ad esempio la precisione dei punti che si trovano in zone aperte e che si riferiscono al terreno probabilmente avrà un diverso livello di accuratezza dei punti presenti al di sotto della vegetazione. I punti di terreno spoglio sono usati per giudicare la qualità complessiva su tutta la raccolta di dati, perché questi punti generalmente richiedono poca elaborazione e classificazione. Gli altri tipi di copertura del suolo sono usati per testare la bontà del processo di classificazione e se è stato in grado di separare i punti di atterraggio sulla non- terra da quelli atterraggio sulla terra. Una volta che i valori sono stati confrontati e l'errore calcolato, numerose formule statistiche e termini descrittivi vengono utilizzati per fornire una panoramica della qualità dei dati. Terminologia descrittiva delle precisioni (dalidar 101: An Introduction to Lidar Technology, Data, and Applications National Oceanic and Atmospheric Aministration (NOAA) RMSE = root mean square error È una misura della precisione dei dati simile alla deviazione standard quando non ci sono errori (provocati dai rumori nei dati). Il valore è calcolato direttamente dalla differenza tra i punti di controllo di terra e il lidar. In elevazione è solitamente tra i 5 e i 30 centimetri. FVA = Fundamental Vertical Accuracy (anche chiamata sz) È il valore di precisione verticale (è una misura della precisione per i punti del terreno in area aperta relativa a un intervallo di confidenza del 95% dei dati). Questa statistica fornisce informazioni sulla qualità globale dei parametri di raccolta dei dati, in quanto descrive solo i punti del terreno nudo che non sono stati trattati per la classificazione. Si calcola come RMSE 1,96. SVA È la precisione verticale supplementare simile alla FVA (95% di precisione), ma si tratta della misura di tutte le tipologie tappezzanti, di cui il terreno spoglio ne è solo una. CVA È la precisione verticale consolidata, come la FVA, una misura di precisione (a livello di confidenza del 95%). Si tratta di una misura dell'intero set di dati, tutti i punti raccolti nelle varie tipologie di ritorno sono utilizzate insieme. Classificazione I dati che vengono elaborati per definire il tipo di oggetto attraverso gli impulsi di ritorno; a cui si può dare una semplice classificazione distinguendo tra punti di edifici e di vegetazione alta e tra punti non definiti oppure una ancor più semplicemente classificando i set di dati per i punti che sono considerati "terra nuda" e quelli che non sono (non classificati). Return Number (First/Last Returns) Molti sistemi LIDAR sono in grado di catturare il primo, secondo, terzo, e infine il ritorno "ultimo" da un singolo impulso laser. Il numero di ritorno può quindi essere utilizzato per determinare quale sia l'impulso riflesso per esempio dalla terra, dall albero o dal sottobosco. Point Spacing È di quanto sono vicini i punti laser tra di loro. Questa caratteristica è analoga alla dimensione in pixel di un'immagine aerea, chiamata anche "densità di distacco. 12

13 Pulse Rate È il numero di impulsi laser al secondo che lo strumento lidar è in grado di emettere. In genere questo valore è compreso tra e impulsi al secondo. Intensity Data Quando l intensità del segnale di ritorno viene registrata, i valori di questa rappresentano la capacità dell'oggetto nel riflettere la lunghezza d'onda della luce utilizzata dal laser (1064 nanometri). Questi dati riflettometrici possono assomigliare ad una fotografia in bianco e nero, anche se l interpretazione non è precisamente la stessa. RTK GPS (Real Time Kinematic GPS) Il posizionamento GPS che utilizza la fase della portante (invece del segnale modulato sulla portante) è più difficile da usare e l'apparecchiatura è più costosa, tuttavia, una volta che è stato risolta l ambiguità si ha un posizionamento molto più preciso. Il segnale GPS modulato ha una frequenza di circa 1 megahertz, mentre l'onda portante ha una frequenza di 1500 MHz. In modalità cinematica occorre la visibilità contemporanea di almeno 5 satelliti. DEM or Digital Elevation Model È una superficie creata da dati di punti in quota che servono per rappresentare l andamento superficiale di un territorio. Spesso un DEM è utilizzato in un GIS (Geografical Information Sistem). Differenze tra LIDAR aereo e terrestre Differenze Rilievi terrestri Rilievi aerei posizione del trasmettitore direzione del fascio di luce laser ampiezza del fascio emissivo impulsi si conosce a causa di precedenti misurazioni è nota in quanto la scansione (proiezione del fascio) viene eseguita con passo preciso e costante ha un ampio spazio di emissione perché mentre la stazione, che assomiglia ad un teodolite motorizzato, ruota orizzontalmente (anche su tutto l angolo giro), uno specchio rotante spedisce gli impulsi ad elevazioni variabili che possono arrivare a ± 70 gon in senso verticale viene raccolto e memorizzato il primo impulso del raggio di ritorno si conosce per le contemporanee misure GNSS è nota a causa della presenza di sensori inerziali solidali al velivolo ed inoltre tale scansione avviene in senso ortogonale alla linea di volo è limitata a una trentina di gradi e l emettitore può anche non avere organi in movimento vengono raccolti e memorizzati il primo e l ultimo raggio di ritorno 13

14 Inoltre è evidente che nella applicazioni terrestri, vi è meno complessità posizionale (cioè il laser è fisso in un punto noto) rispetto alla scansione aerea. Vantaggi e svantaggi della scansione laser aerea La necessità di vedere al di sotto della vegetazione è un problema presente anche in fotogrammetria, ma nella tecnica Lidar l alta densità di misura permette a una certa percentuale di segnale di raggiunge il suolo attraverso piccoli aperture della vegetazione o attraverso una vegetazione meno densa. Infatti 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. Questo piccolo ma sufficiente numero di punti riesce a fornire una adeguata copertura per ottenere le informazioni a terra nelle aree boschive (figura 8). Tuttavia a volte capita di avere aree con copertura completa (come in una foresta pluviale), dove si hanno poche "aperture" e quindi scarsa rappresentanza a terra (cioè, tutti i punti cadono sugli alberi). Supponendo che un raggio su tre riesca a finire sul terreno invece di essere riflesso da foglie e legno allora 1/3 del terreno può essere rilevato con la tecnica lidar, invece la fotogrammetria, che richiede la visione stereoscopica ottenuta con almeno due fotogrammi, permette in media che solo il 10 15% dei punti siano visibili sotto una boscaglia. Figura 12 - Raggi a differente destinazione. Il Lidar, come tecnica di telerilevamento, ha altri vantaggi : primo fra tutti è l elevata precisione, l alta densità di punti, la possibilità di coprire aree di grandi dimensioni,. Questo crea la possibilità di mappare i cambiamenti discreti con una risoluzione molto elevata, in modo uniforme, con molta precisione, e produrre rapidamente un prodotto finito. A differenza della fotogrammetria il volo Lidar può avvenire anche in inverno quando non c è vegetazione (a meno che vi sia neve) in quanto le ombre non danneggiano la produttività del prodotto. I costi sono notevolmente ridotti rispetto alle mappe su base fotogrammetrica, anche se i prodotti ottenibili non possono affatto essere paragonati. È possibile una interfaccia con le ortofoto (georeferenziate) Spesso si usa integrare il rilievo alla fotogrammetria, specie quella digitale con camere pushbroom perchè entrambi i sensori necessitano di conoscere la posizione e l'assetto in tempo reale (da GPS e strumento inerziale)che scatta immagini fotografiche per ogni strisciata di punti acquisiti.. Gli svantaggi sono: Il rilievo Lidar produce un modello digitale della superficie (DSM) che è ben altro prodotto rispetto alla carta fotogrammetrica numerica: non possono distinguersi case, strade, fossi o vegetazione in base agli attributi delle entità, ma solo in base a una interpretazione soggettiva dell utente. Centinaia di milioni di punti rilevati possono non essere necessari per descrivere, anche altimetricamente, il territorio. La densità uniforme di rilievo appesantisce da un lato la sua gestione e dall altro non consente di evidenziare automaticamente quei dettagli di bordo che tipicamente costituiscono in fotogrammetria i confini delle entità. 14

15 Per quanto già accennato appare oggi sciocco affermare che il rilievo Lidar può validamente sostituire il rilievo fotogrammetrico, semmai appaiono sempre più promettenti i risultati ottenuti dalla sinergia delle due metodologie di rilievo come ad esempio l ortofoto digitale di precisione (fotografia aerea geometricamente corretta e georeferenziata) e l ortofoto solida (ortofoto digitale di precisione alla quale sono state aggiunte informazioni sulla terza dimensione). L'ortofoto è una proiezione ortogonale è quindi la scala di rappresentazione della fotografia è uniforme cioè la foto può essere considerata equivalente ad una mappa. Il vantaggio di avere una ortofoto, creata dalla nuvola di punti del DTM, è quello di avere una foto, che possa rilevare cosa c'è al di sotto della vegetazione o degli ostacoli, a differenza dell'ortofoto generata dalle foto digitali scattate in volo che mostrerà sempre la cima degli alberi o gli altri ostacoli. Questo consente di ottenere una migliore interpretazione della morfologia del terreno, anche dove le normali foto, non possono fornire informazioni (situazione che è sempre stata fino ad ora, il grosso limite della fotogrammetria tradizionale). L immagine solida si presenta come una classica immagine digitale ad alta risoluzione, integrata con informazioni metriche tridimensionale dell oggetto rilevato (ad ogni pixel è associata la relativa informazione sulla posizione). Posizionando il cursore del mouse su un punto qualsiasi dell'immagine solida vengono mostrate in tempo reale le coordinate tridimensionali del punto collimato. È quindi possibile utilizzare l'immagine solida per effettuare misura di angoli e distanze tridimensionali, oppure determinare aree, generare sezioni e profili, senza l ausilio di tecniche di visione tridimensionali. Un prodotto derivato dal DTM è l hillshade, una tecnica che aiuta a far emergere piccole variazioni nei dati di elevazione. Si è pensato di imitare come il terreno potrebbe apparire se il sole splendesse su di essa da un angolo specificato; questo effetto può essere prodotto da molti dei programmi normalmente utilizzati per lavorare con dati in quota. Figura 13 15

16 Software utilizzato per la gestione dei dati LIDAR QuikGrid È un programma free in Windows che può rapidamente convertire milioni di punti x, y, z in una griglia con trama superficiale. È supportata l esportazione in file DXF. Questo programma può gestire più dati rispetto Surfer o Global Mapper e pare il più veloce datapoint. Pointcloud della Microsurvey (la stessa ditta di Starnet): Gratuito per le scuole e le università. Surfer 10.0 In ambiente Windows / PC. Il programma praticamente fa tutto (compresi i contorni di generazione e la matematica griglia) senza costi proibitivi. Ampiamente usato per questi motivi. Global Mapper è in ambiente Windows. Molto utile, orientata alla mappatura, anche il supporto integrato per scaricare alcuni topos (USGS) e foto aeree che si possono sovrapporre immediatamente (o sotto) i dati LIDAR. Può anche generare contorni, ha la possibilità di esportazione in DXF e molte utilità di interconversione dei dati. La demo gratuita non stampa od esporta. Il programma completo costa 300, scontato per il non profit. Fusion È molto potente uso del programma gratuito concesso dalle guardie forestali USDA Ci si assicuri di disattivare il blocco pop- up ogni volta che lo si utilizza. IDL Molto diffuso nella comunità scientifica per l'analisi e visualizzazione dei dati, PC, Mac e il supporto della piattaforma Unix; è un programma a moduli. QT Modeler È tra i migliori programmi per Windows / PC progettati per la visualizzazione molto veloce di un set di dati di grandi dimensioni come i dati LIDAR. Facile da usare, potente, numerosi algoritm built- in Piuttosto costoso, ma è possibile scaricarne una versione gratuita per 30 giorni. La softare house propone anche un visualizzatore gratuito (QT Reader) che può essere utilizzato per guardare alcuni modelli di dati (come GeoTiff DEM), ma non è possibile importare dati grezzi o generare contorni da esso. NOAA's LIDAR Data Handler Per quanti sono in grado di utilizzare e permettersi il software ESRI, questo è il sito dove ottenere NOAA ArcView con le estensioni ArcMap per la gestione dei dati NOAA LIDAR ALDPAT ALDPAT = LIDAR è un programma di processamento dei dati lidar aerei con alcune tools; ed è gratis. Son disponibili alcuni manuali tutorials, come e MARS È visualizzatore di dati LiDAR gratuito e ha diverse funzioni di visualizzazione utili. ApricotVision È visualizzatore di dati LAS gratuito e veloce con profilature standard di mappe online. Pylas modulo free della python per convertire i dati LAS rlicavati dal LIDAR in formato shapefile. OCAD 10 È un CAD che, a partire dalla versione 10, ha una certa capacità di creare DEM. 16

17 ESEMPIO DI IMPIEGO del LIDAR aereo Si presenta di seguito un lavoro effettuato dall ITCG Luigi Casale di Vigevano in collaborazione con una Ditta esterna per il rilievo di una cava di inerti con la seguente strumentazione: Ripresa da elicottero attrezzato come quello della figura seguente: Sull elicottero: Laser Scanner ( sensore LRF _Laser Range Finder 7kHz 4 tracce per impulso- densità 0,25 m o migliore- altezza di volo circa 350 m- impronta al suolo 0,20 m e densità di 4-5 punti a mq GPS Telecamera Apparati di servizio A terra: GPS master per cinematico su punti di controllo Figura 14 L estensione della zona ripresa ha una forma quadrata di circa 500 m di lato. Dopo lo sfoltimento dei punti errati, lo sfoltimento dai punti di vegetazione e quello degli edifici, dopo una circoscrizione del territorio interessato, i punti trattati nella trasformazione in curve di livello sono stati circa Figura 15 DTM rielaborato dopo il trattamento dei dati con un programma di generazione automatica di superfici (Surfer ) del rilievo lidar della cava di inerti 17

18 Figura 16 Rappresentazione mista per punti quotati e per curve di livello di una porzione di cava 18 M. Pasini Topografia Calderini, RCS Libri Education

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