GENERAZIONE DI MODELLI DIGITALI DEL TERRENO DALLA COMBINAZIONE DI DATI LIDAR DA PIATTAFORMA AEREA E TERRESTRI

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1 GENERAZIONE DI MODELLI DIGITALI DEL TERRENO DALLA COMBINAZIONE DI DATI LIDAR DA PIATTAFORMA AEREA E TERRESTRI Dario CONFORTI ANDREONI (*), Giancarlo MASSARI (**), Michele POTLECA (**) *Codevintec Italiana srl - Via G. Labus 13, Milano, Italia ** Protezione Civile della Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia - Via Natisone 43, Palmanova - UD, Italia Key word: 3D modelling, DTM, Geomorfologia, Imaging, Intensity, LIDAR, Laser scanning, Protezione civile, Remote Sensing. Abstract La scansione laser rappresenta la nuova frontiera per il rilievo topografico e per le analisi tecniche del territorio. L utilizzo di scanner laser d alta precisione da terra è stato sviluppato inizialmente per lo studio d elementi architettonici, strutturali e per il reverse-engineering, ma attualmente sta evolvendo verso l applicazione del metodo alla caratterizzazione morfo-strutturale del territorio. Si sono quindi volute sperimentare delle tecniche d integrazione fra due differenti sistemi laser detection and ranging (LIDAR). Attraverso la scansione laser da piattaforma aerea sono stati rilevati oltre 3 km 2 quadrati di territorio montano molto articolato per le sue peculiari caratteristiche geologiche e geomorfologiche. Il rilievo è stato integrato con un sistema LIDAR terrestre nei tratti di parete subverticale, dove quello aereo presentava notevoli lacune. I sistemi utilizzati sono stati: ALTM 3033 (Airbone Laser Terrain Mapper) equipaggiando un elicottero AS350, laser scanner ILRIS 3D (Intelligent Laser Ranging Imaging System) Optech per il rilievo da terra. L elaborazione e l integrazione dei due sistemi di scansione è stata effettuata mediante Polyworks; tale software permette l allineamento di differenti riprese mediante la localizzazione di punti omologhi presenti in entrambe le nuvole di punti. Il prodotto finale è un modello digitale del terreno generato dalla fusione di dati aerei e terrestri, esso rappresenta un ottima integrazione per il rilievo in ambito montano dove sono spesso presenti tratti subverticali difficilmente rilevabili da piattaforma aerea. 1. Introduzione L ALTM è impiegato da qualche tempo per rilievi aerei, integrando sistemi GPS e inerziali per la determinazione della posizione e dell assetto del velivolo. In zone particolarmente accidentate gli strumenti sono montati preferibilmente su elicotteri consentendo una maggiore flessibilità operativa. Le caratteristiche di precisione e rapidità del laser scanner elitrasportato ne fanno uno strumento indispensabile per la Protezione Civile, laddove è di primaria importanza la disponibilità di un rilievo rapido e preciso e la possibilità di monitorare aree coinvolte da eventi catastrofici senza impegnare operatori direttamente coinvolti sul luogo. Il rilievo ALTM presenta, infatti, numerosi vantaggi rispetto alla tradizionale tecnica fotogrammetrica: non è influenzato da condizioni di luce (si possono effettuare rilievi di notte od in zone d ombra), è relativamente rapido e meno costoso (l elaborazione dei dati è semiautomatica e decisamente più rapida di quella fotogrammetrica) e come accennato in precedenza l appoggio a terra è minimo se non nullo. La metodologia è stata utilizzata di recente anche nel rilievo topografico terrestre; i rilievi possono essere eseguiti a distanze variabili da 3 metri fino a metri a seconda della riflettività dell oggetto da rilevare e della qualità dello strumento utilizzato.

2 Il lavoro svolto vuole illustrare la fusione di più scansioni effettuate con i differenti sistemi LIDAR (aereo e terrestre) citati in precedenza, al fine di ottenere un completo modello digitale del terreno. I dati sono stati acquisiti su una porzione di territorio di 3 Km 2 in una zona montana complessa e articolata a livello morfologico, utilizzando ALTM e il laser scanner terrestre ILRIS 3D. Il progetto si è così articolato: - rilievo e acquisizione di dati attraverso i due sistemi di scansione laser; - processamento e la registrazione di differenti scansioni; - integrazione tra le scansioni eseguite con le differenti strumentazioni 2. La tecnologia laser scanner I sistemi laser scanner hanno offerto nuove e interessanti possibilità nel rilievo anche in zone molto articolate, complesse e di difficile accesso come in questo caso studio. Il principio su cui si basa la tecnologia laser scanner è il calcolo del tempo di volo (time-of-flight) di un impulso laser. L impulso elettrico prodotto da un generatore, collimato da un diodo laser trasmittente, crea un raggio di luce infrarossa (con una divergenza variabile a seconda della qualità dello strumento); il segnale riflesso dall elemento colpito viene captato da un fotodiodo ricevitore che genera un segnale elettrico di ricezione. Il tempo di volo, ossia l intervallo che intercorre tra l emissione dell impulso e il ritorno, misurato tramite un orologio con una frequenza stabilizzata al quarzo, consente di ricavare il modulo del vettore che va dal centro dello strumento al punto rilevato attraverso la formula: R = (T*c)/2 Dove R = Distanza di presa in metri T = Tempo di volo dell impulso laser c = Velocità della luce in metri al secondo Al calcolo del tempo di volo è associata anche una misura angolare di precisione (data dal movimento di specchi rotanti) che, creando la spaziatura tra i differenti punti rilevati, genera così un grigliato di punti. Oltre alle coordinate cartesiane X, Y, Z di ogni misurazione il sistema registra inoltre l intensità di segnale dipendente dalla natura dell oggetto rilevato, cioè dalla sua riflettività. 2.1 Laser scanner aereo Il laser scanner aereo è un sistema di misura 3D che permette il rilievo rapido, economico e preciso del territorio restituendo modelli digitali del terreno e di superficie (DTM e DSM). Il sistema è costituito da un telemetro laser o LRF (Laser Range Finder) che permette la misura della distanza fra l apparecchio e il suolo, mentre un sistema GPS e piattaforma inerziale (IMU - Inertial Measuring Unit) permette l orientazione e la posizione assoluta del LRF durante la misura. Di tale sistema il GPS è utilizzato per il posizionamento assoluto e l IMU per determinare in modalità continua l orientazione del telemetro laser. Gli impulsi generati vengono riflessi tramite uno specchio oscillante verso il terreno in senso ortogonale alla direzione del velivolo, e conoscendo il tempo intercorso tra l emissione ed il ritorno è possibile risalire alla distanza del punto colpito dal velivolo. Il sistema permette la registrazione sia del primo sia dell ultimo impulso laser e la relativa riflettività. 2.2 Laser scanner terrestre La tecnologia Laser Scanner Terrestre a differenza dell ALTM non necessita della presenza di sistemi di posizionamento; i punti rilevati dal laser-scanner vengono memorizzati secondo un sistema di riferimento relativo con origine nel sensore laser. Oltre alle coordinate X, Y, Z, viene registrata l intensità del segnale di ritorno in funzione della riflettività del materiale.

3 Successivamente, attraverso appositi software, si può creare un modello continuo e completo dell oggetto rilevato. La portata (distanza massima di ripresa) e la precisione, diversamente da quanto succede in un rilievo tradizionale, dipendono anche dal grado di riflettività della superficie rilevata, variabile da 0 a Il sito rilevato L area rilevata dall ALTM è un tratto del versante meridionale del monte Tinisa che si trova in sinistra orografica del fiume Tagliamento in comune di Forni di Sopra (provincia di Udine), la quota minima rilevata è di 625 m s.l.m. e la massima di 1683 m s.l.m.. Il rilievo laser scan nasce dall esigenza da parte della Protezione Civile della Regione di avere a disposizione un rilievo topografico ed un accurato DTM per l individuazione d ogni elemento utile per la perimetrazione del corpo principale e di quelli secondari costituenti una frana di grosse dimensioni (oltre m 2 ), la quale mette a rischio l attuale sede stradale e la nuova galleria ancora in fase di completamento. Sull intera area l acclività rispecchia la natura del terreno: dove sono presenti detriti grossolani si riscontrano pendenze variabili da 20 a 40 ; sui depositi marnosi e conglomerati pendenze da 10 a 20 ; mentre dove affiorano litotipi carbonatici (dolomie e calcari dolomitici) sono presenti pareti subverticali di oltre 200 m, e balze rocciose con acclività superiori ai 40. Ed è proprio su queste pareti che si sono concentrate le scansioni da terra, andando ad integrare i dati non rilevati dalle scansioni aeree. Visto l impossibilità di raggiungere fisicamente il sito per la disposizione di target artificiali per la georeferenziazione di scansioni terrestri, il lavoro è stato eseguito rilevando una zona di sovrapposizione, tra i due differenti sistemi di scansione, il più ampia possibile. Figura 1 Inquadramento dell area 4. ALTM Il primo set di dati è stato acquisito con un sistema Optech Airbone Laser Terrain Mapper nella seconda metà del mese di novembre 4.1 Acquisizione dati Le scansioni aeree sono state acquisite per conto della Protezione Civile della Regione dalla ditta Helica s.r.l la quale ha equipaggiato un elicottero AS350 con un sistema di scansione laser ALTM 3033 con laser operante nell infrarosso vicino (λ = 1063 nm) che invia impulsi della durata di 10 ns ad una frequenza di 33KHz. La determinazione dell orientamento assoluto (posizione e assetto) del LRF viene realizzata al momento della registrazione di ciascun eco, utilizzando la combinazione dei sensori GPS/IMU ed interpolando le misure (essendo variabili le frequenze di campionamento: 1Hz per il GPS, 200Hz per l IMU e Hz per il LRF). 4.2 Processamento dati Le strisciate laser sono state elaborate dall Osservatorio Geofisico Sperimentale di Trieste gruppo CARS. L intero processo è stato fatto usando il REALM Survey Suite della Optech; dopodichè utilizzando il software Terrascan della Terrasolid si sono elaborate singolarmente, utilizzando per

4 questo lavoro solamente l ultimo impulso eliminando la copertura vegetale. Il rilievo è stato restituito in coordinate UTM33 - WGS Registrazione dei dati Il rilievo da piattaforma aerea è il risultato della combinazione di più sottosistemi (IMU, GPS, LRF), gli errori associati a tutti questi sottosistemi si propagano fino al data set finale con un errore rappresentato dalla loro somma : ε tot = ε GPS + ε IMU +ε LRF. Grande attenzione è quindi posta nella fase di taratura/calibrazione del sistema prima della campagna di acquisizione. Per coprire l intera area sono state eseguite 5 strisciate in direzione N-S con una sovrapposizione del 20%, per un totale di punti. La scansione è stata acquisita da un altezza relativa di 1000 metri e una velocità dell elicottero di 75 kts (circa 135km/h), con densità pari a 5 punti per m 2. La larghezza della singola strisciata è stata di 600 metri con apertura della presa di Il LRF ha acquisito in modalità narrow ossia con una divergenza del raggio laser di 0.2 mrad, questo ha consentito un impronta al suolo di 25 cm di diametro. durata del volo, il numero dei satelliti è stato pari a 6 e non si sono verificate perdite di segnale. Il PDOP è stato sempre inferiore a 2. Durante il volo, della durata di circa 45, è stata messa in funzione una stazione GPS master ad una distanza di 14 km. In sede d elaborazione dei dati GPS la traiettoria del veicolo è stata determinata con una precisione maggiore di 6 cm (rms). La precisione e la stabilità del segnale GPS gioca quindi un ruolo d estrema importanza per l accuratezza del dato finale. 5. ILRIS 3D Il secondo set di dati è stato acquisito dal sistema Terrain Laser Scanner ILRIS 3D Optech dalla Codevintec di Milano. 5.1 Acquisizione dati La scopo di rilevare punti con l ILRIS 3D è stato quello di integrare il rilievo laser da elicottero laddove le superfici superavano pendenze di 60 e quindi ottenere un completo, accurato e denso set di dati dell area. Le caratteristiche del sito rilevato hanno presentato una sfida alle potenzialità di questo strumento dovute a differenti problematiche: - l unico punto accessibile dove impostare la scansione terrestre si trovava ad una distanza superiore agli 800 metri; - la presenza di vegetazione molto fitta nell area del rilievo; - la complessa conformazione delle pareti/nicchie di distacco della frana; La capacità strumentale dell ILRIS 3D di arrivare oltre i 1000 metri di portata ha consentito di eseguire questo rilievo permettendo inoltre di minimizzare il numero di stazioni. Il rilievo è stato eseguito il giorno 18 dicembre 2002 ed è consistito da due scansioni con una risoluzione variabile a seconda della zona ripresa tra 56 mm a 75 mm. La lunghezza di ogni scansione è stata approssimativamente di 20 minuti rilevando in media 3 milioni e mezzo di punti per scansione e creando file di circa 40 MB. 5.2 Processamento dati Per il processamento e la registrazione di differenti scansioni è stato utilizzato il software Polyworks della InnovMetric che permette di unire molteplici scansioni con differenti sistemi di riferimento senza la necessità di posizionare target artificiali sull oggetto colpito. Si è così provveduto alla rimozione del rumore, alla registrazione di più scansioni ed alla fusione con i dati rilevati da piattaforma aerea creando così il modello solido.

5 5.3 Registrazione dei dati Come precedentemente accennato, ogni rilievo laser scanner, acquisito da un differente punto di presa, ha un suo sistema di riferimento. Per ottenere un modello tridimensionale, è necessario perciò concatenare queste differenti scansioni rototraslando i vari sistemi di riferimento e riferendole ad un unico sistema. PolyWorks permette la scelta di punti naturali (non necessita di target artificiali) di concatenamento fra diverse scansioni individuando tre o più punti di collegamento presenti all interno delle due scansioni adiacenti (punti riconoscibili, rocce, spigoli di case se presenti ecc.). Questi punti, la cui posizione è nota nei rispettivi sistemi di riferimento, permettono l avvicinamento delle due scansioni; il calcolatore in seguito effettuerà una ricerca automatica di tutti i punti omologhi, eseguendo una rototraslazione spaziale senza variazione di scala rispetto al sistema di riferimento della scansione adiacente e determinerà i 6 parametri indipendenti tra loro: le 3 rotazioni attorno gli assi x, y, z della scansione e le tre traslazioni spaziali. Nella registrazione viene così fornita la stima dei parametri di orientamento e generata la matrice di rototraslazione applicata alla scansione registrata. L applicazione di questo procedimento ad ogni singola scansione permette la creazione del modello completo di un oggetto complesso. Infine punti ridondanti (nelle aree di sovrapposizione delle differenti scansioni) possono essere eliminati diminuendo notevolmente la dimensione del file Fig. 2 - Allineamento finale scansione aerea e terrestre 6. Fusione dati ALTM e ILRIS 3D I metodi applicabili per fondere i dati da piattaforma aerea e terrestre sono sostanzialmente due: georeferenziando sia i dati da terra sia quelli e aerei in modo separato, oppure utilizzando una scansione come reference e rototraslando l altra rispetto a quest ultima (generalmente i dati acquisiti da piattaforma aerea hanno un sistema di riferimento assoluto). Il sistema elitrasportato fornisce automaticamente dei dati georeferenziati grazie all IMU ed al GPS presenti a bordo del velivolo; la georeferenziazione di punti rilevati con laser terrestre presuppone, invece, la predisposizione di target artificiali (almeno tre) che devono essere rilevati anche con metodi tradizionali ed inquadrati nel detto sistema di riferimento. Un attenta analisi è stata rivolta alle aree di sovrapposizione tra scansioni aeree e terrestri per il mancato posizionamento di target artificiali reso difficile dai versanti molto acclivi. La tecnica impiegata per allineare differenti scansioni è stata illustrata precedentemente al punto 5.3 usando come scansione di riferimento quella aerea. L errore presente nel dato finale è il risultato dovuto agli errori strumentali dalle due apparecchiature e gli errori dovuti all allineamento di differenti scansioni. Il maggior ostacolo riscontrato nella fusione di due scansioni è stato quello di identificare un numero sufficiente di punti ridondanti di sovrapposizione per completare l allineamento. Questo passaggio ha creato non pochi problemi visto la conformazione del versante in frana. I punti di sovrapposizione tra le differenti scansioni sono stati perciò considerati elementi critici rispetto all accuratezza relativa delle singole scansioni. Come tie point sono stati scelti elementi

6 riconoscibili presenti in entrambe le scansioni; tali punti di legame sono stati in genere scelti per la loro conformazione morfologica particolare, come spuntoni o diedri rocciosi o forme particolari tali da renderle univoche. In più, a facilitare la fusione tra le due scansioni è stata la presenza di un area con inclinazione costante di rilevata sia da piattaforma aerea che da quella terrestre; tale area è stata di notevole aiuto fornendo una notevole quantità di punti di sovrapposizione, permettendo un allineamento più accurato. 7. Conclusioni In una zona montana, morfologicamente complessa e articolata come quella del lavoro in questione, entrambi i sistemi LIDAR presentano dei limiti nella possibilità di acquisite tutti i punti necessari per ottenere un rilievo completo. Le problematiche riscontrate sono state soprattutto due: la necessaria preventiva pianificazione delle corrette zone di sovrapposizione per le due piattaforme di scansione; laddove non è possibile utilizzare target artificiali univoci, bisogna accertarsi che entrambi i sistemi mettano in luce elementi naturali facilmente ed univocamente riconoscibili; la differente risoluzione dei due laser scanner comporta la fusione di set di dati a caratteristiche diverse dove l accuratezza dipende dal peggiore dei due sistemi e quindi la sovrapposizione di dati ad altissima risoluzione (ILRIS 3D) soffre della minor risoluzione ottenibile con l ALTM. Come oramai chiaro, le due piattaforme LIDAR, utilizzando lo stesso tipo di tecnologia, si possono ritenere complementari: nelle condizioni in cui una strumentazione eccelle l altra è carente. L integrazione ha favorito una ricostruzione completa e fedele dell area e delle pareti subverticali ottenendo un rilievo topografico di dettaglio non eseguibile con altre strumentazioni. Il modello digitale del terreno privo della copertura vegetale, oltre a rendere molto più precisi i prossimi studi di carattere geologico e idrogeologico dell area, permette di identificare tutte quelle morfologie altrimenti non visibili con altre tecniche di rilievo, fornendo anche un nuovo spunto interpretativo per l evoluzione geologica ambientale. Questo articolo vuol dimostrare la relativa facilità di fusione delle differenti scansioni permettendo la creazione di un modello digitale completo utile per l analisi di un versante in frana. 8. Bibliografia Al-Bayari O., Barbarella M., Dubbini M., Zippilli C. (2000) Alcuni studi sull utilizzo del Laser Scanning inerenti a problematiche di tipo cartografico - Atti della IV Conferenza ASITA, Vol. I, Genova, pp Casella V. (2000) Studio sperimentale della precisione planoaltimetrica del laser scanning Atti della IV Conferenza ASITA, Vol. I, Genova, pp Casella V., Galetto R., Spalla A. (2000), Il Progetto di Ricerca Cofin98 sull impiego del laser a scansione Bollettino SIFET, 2, pp Coren F., Plos D., Sterzai P., Vidmar R. (2002) - Valutazione del sistema LIDAR per generazione di modelli digitali del terreno e monitoraggio ambientale in diversi scenari operativi. - Atti della VI Conferenza Nazionale ASITA, Perugia, pp Kraus K., Pfeifer N. (1998) Determination of terrain models in wooded areas with airborne laser scanner data ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 53, Iavarone A., Vagners D. (2002) Sensor Fusion: Generating 3D by combining airborne and tripod-mounted LIDAR data International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. XXXIV-5/W10 Maso M. (2002) Note sulle metodologie operative per rilievi di laser-scanning e la generazione di DTM di alta qualità. Cinquefiumi riv. quadr., Venezia, pp