MODELLAZIONE 3D DELL AMBIENTE URBANO MEDIANTE INTEGRAZIONE DI SCANSIONI LASER AEREE E TERRESTRI: L ESEMPIO DEL CASTELLO DI GORIZIA

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1 MODELLAZIONE 3D DELL AMBIENTE URBANO MEDIANTE INTEGRAZIONE DI SCANSIONI LASER AEREE E TERRESTRI: L ESEMPIO DEL CASTELLO DI GORIZIA D. Visintini, B. Fico, A. Spangher Dipartimento di Georisorse e Territorio, Università degli Studi di Udine, via Cotonificio 114, I Udine - KEY WORDS: Laser scanning, Rilevamento aereo, Rilevamento terrestre, Integrazione di dati, Modellazione 3D. RIASSUNTO In questo articolo sono descritti i diversi aspetti metodologici e operativi della modellazione 3D del Castello di Gorizia, ottenuta dall integrazione di scansioni laser e immagini digitali, entrambi acquisiti sia con tecniche di rilevamento aereo che terrestre. Per quanto riguarda i dati aerei, il rilevamento è stato eseguito da elicottero con il sistema laser Optech ALTM 3033 accoppiato ad una camera metrica digitale Rollei DB44 sull intero centro storico di Gorizia. L elaborazione è stata effettuata con il software TerraScan (Terrasolid) che ha permesso nell ordine le operazioni di filtraggio dei punti, di classificazione degli stessi e di modellazione tridimensionale di 355 edifici. Mediante il software complementare TerraPhoto è stata invece prodotta l ortofoto ad alta risoluzione (1 pixel pari a 0,20 m) per proiezione proprio sul DSM laser, quest ultimo ottenuto con il software TerraModeler. In corrispondenza del castello medioevale di Gorizia è stata sperimentata l integrazione tra dati laser aerei e terrestri, questi ultimi acquisiti con il sistema laser Riegl LMS Z360i integrato con una camera metrica digitale Nikon D100. Per la registrazione e la georeferenziazione di queste scansioni sono stati utilizzati dei target riflettenti, rilevati con stazioni totali da una rete topografica con quattro vertici misurati anche con ricevitori GPS Leica System 520. Mediante il software RiSCAN Pro (Riegl), tutte le scansioni sono state quindi georeferenziate direttamente nel sistema Gauss-Boaga, nel quale è riferito il rilevamento aereo. I dati terrestri sono stati quindi importati in ambiente TerraScan e viceversa quelli aerei in ambiente RiSCAN Pro, per gestire al meglio la nuvola complessiva (36 milioni di punti) e ottenere automaticamente degli elaborati (nuvole di punti colorate, sezioni/profili, superfici/modelli poliedrici, ortofoto texturizzate) di elevato contenuto informativo e di ottimo aspetto fotorealistico. Tutta l intera modellazione 3D di questo complesso ed articolato ambiente urbano è stata infine resa fruibile in ambienti di realtà virtuale: si possono così eseguire delle avvincenti navigazioni all esterno e all interno del Castello sia di tipo interattivo, in ambiente VRML, sia lungo delle traiettorie predefinite, creando quindi dei filmati AVI multimediali. In questo modo l utente può analizzare e sfruttare al meglio l enorme contenuto informativo acquisito. ABSTRACT In this paper the 3D modeling of the urban-historical environment of the Castle of Gorizia, obtained by integrating aerial and terrestrial laser scans and digital imaging data, is described. The aerial data have been acquired by a helicopter equipped with an Optech ALTM 3033 laser system coupled with a Rollei DB44 metric camera. The laser data have been processed by the TerraScan (Terrasolid) software, making possible the point filtering, the point classification, and the 3D modeling of 355 buildings of the Gorizia downtown. By projecting the aerial images on the DSM laser, thanks to the TerraPhoto and TerraModeler software, the high resolution (0,20 m pixel) digital orthophoto has been produced. For the medieval Castle of Gorizia the integration between aerial and terrestrial data has been carried out: terrestrial scans have been acquired with a Riegl LMS Z360i system laser integrated with a Nikon D100 metric camera. These scans has been mutually registered and globally georeferenced by exploiting reflecting targets, surveyed by total stations from a topographic network. Thanks to GPS differential measures with a Leica System 520 receiver on four network vertexes, the targets (and the scans) have been so directly georeferenced in the Gauss-Boaga cartographic system, the same datum of the aerial surveying. The terrestrial data have been imported in the TerraScan environment, while the aerial ones in the RiSCAN program, so to fine manage the global cloud (36 millions of points) and suitably exploit the software tools to automatically obtain a large number of numerical products as colored point clouds, vector sections and profiles, TIN surfaces, and digital image texturing. Furthermore, all these 3D products have been made available to the user by very realistic virtual navigations, either interactively in VRML or along predefined tours by AVI files. In this way, the user can well study and better exploit the large amount of information so acquired. 1. INTRODUZIONE La documentazione esaustiva e l analisi dettagliata di oggetti più o meno complessi, sia nel caso di un singolo edificio (bene architettonico-culturale), sia nel caso di un ambiente urbano (spazio edilizio-urbanistico) costituiscono gli scopi principali del rilievo. Oggigiorno, visto che le nuove ed avanzate tecnologie di acquisizione dei dati garantiscono livelli di precisione, velocità e versatilità straordinari, anche la stessa componente geometrica del rilievo (rilevamento) non può più essere considerata soltanto una semplice misurazione dimensionale. In altri termini, le moderne strumentazioni di rilevamento integrato laser-fotogrammetrico producono una mole così grande di informazioni geometriche e materiche che permettono, già di per se stesse, la conoscenza e l interpretazione dei valori formali, costruttivi e tecnologici dell opera. Il rilievo, se concepito e realizzato come uno strumento informativo dinamico, è capace di sviluppare un processo esauriente di conoscenza critica e di rappresentare nel modo più oggettivo lo stato di fatto per ogni successiva operazione di conservazione, di restauro e di progetto.

2 Nel campo del rilevamento urbanistico-architettonico, lo sviluppo dei sistemi laser, iniziato una decina di anni fa, ha oggi raggiunto piena maturità sia dal punto di vista tecnologico che operativo, costituendo una tecnica già significativamente diffusa per diversi campi di applicazione. In questo articolo si analizza quindi tale rilevamento laser, sia aereo che terrestre, e la sua ottimale fusione con le immagini di rilevamento fotogrammetrico. Viene poi esaminato il problema di integrare i dati laser aerei con quelli terrestri, considerando prima le diverse possibilità operative e trovando poi una soluzione concreta per il rilevamento del Castello di Gorizia, fulcro del centro storico sebbene isolato su un colle, descritto nelle singole fasi di acquisizione, trattamento ed elaborazione dei dati. Nello studio del rilevamento laser aereo, la letteratura scientifica è assai vasta ed i primi riferimenti sono stati pubblicati già alla fine degli anni 90: in questo articolo si ricorda il recente volume edito dal CISM di Udine La tecnica del Laser Scanning: teoria e applicazioni (a cura di Crosilla e Galetto, 2003) e le esperienze maturate dal nostro gruppo di ricerca presentate al convegno SIFET di Chia Laguna nella relazione invitata Esperienze di filtraggio, classificazione, segmentazione e modellazione di dati laser aerei (Crosilla, Visintini, Prearo e Fico, 2005). Per quanto riguarda il laser terrestre, di sviluppo e diffusione un po più recenti, qui si cita soltanto il recentissimo volume, sempre edito dal CISM, Laser Scanning terrestre (a cura di Crosilla e Dequal, 2006). Meno esplorato risulta invece il processo di integrazione tra i metodi aerei e terrestri, la cui nostra prima esperienza è stata riassunta nell articolo A 3D virtual model of the Gorizia downtown (Italy) by matching aerial and terrestrial surveying techniques (Visintini, Fico, Crosilla e Guerra, 2005). Dal punto di vista analitico, il requisito fondamentale dell integrazione è l opportuna georeferenziazione delle scansioni terrestri, come si può intuire e come sarà illustrato in seguito: si rimanda allora ai recenti articoli Georeferencing of terrestrial laserscanner data for applications in architectural modelling di Schuhmacher e Böhm (2005) e Analisi delle precisioni ottenibili nella determinazione di punti con laser scanning terrestre utilizzando la georeferenziazione diretta di Alba, Giussani, Roncoroni e Scaioni (2005). 2. TECNICHE DI RILEVAMENTO AEREO 2.1 Scansioni laser Oggigiorno la scansione laser aerea è senza dubbio la metodologia più avanzata nel campo del rilevamento territoriale, soprattutto grazie allo straordinario livello di efficienza e di automazione, che derivano da un elevatissima frequenza di campionamento (superiore ai punti/sec), da una precisione decimetrica e da una notevolissima densità di acquisizione di punti (fino a punti al metro quadrato). Questa tecnologia di rilievo è ormai ampiamente utilizzata per svariate applicazioni di tipo territoriale, tra le più interessanti delle quali vi sono sicuramente quelle urbanistiche (Forlani, in CISM 2003). Grazie ai dati acquisiti e alle ottime prestazioni degli attuali software dedicati al loro processamento è infatti possibile realizzare modelli 3D dell edificato urbano (3D City Models) sia molto estesi che molto dettagliati. Di seguito sono brevemente descritte le fasi di elaborazione eseguite, illustrate da figure relative a circa 2 milioni di punti. Si tratta di un area di 236x647 m, con una notevole variazione altimetrica (100 m), comprendente il colle del castello medievale di Gorizia che si eleva di circa 70 metri gia rispetto alla sottostante piazza principale della città. I programmi utilizzati sono i pacchetti software TerraScan, TerraModeler e TerraPhoto prodotti dalla Terrasolid (www.terrasolid.com) e disponibili come applicazioni dedicate in ambiente MicroStation (Bentley). 1) Acquisizione dei dati Come noto, il rilevamento avviene per mezzo di un sensore laser aviotrasportato, integrato con sensori di posizionamento/assetto GPS/INS, che emettendo (e ricevendo) dei segnali scansiona l area sorvolata trasversalmente rispetto alla direzione di volo. L acquisizione dei dati è caratterizzata da alcuni fondamentali parametri, definiti in fase di progettazione delle strisciate, quali la frequenza di emissione dell impulso laser (e quindi di acquisizione delle misure), l altezza relativa di volo, il numero di risposte memorizzate (che dipende dal tipo di sensore adottato) e la ampiezza angolare della scansione. La combinazione di questi valori determina la densità di campionamento e influenza in modo decisivo la produttività del rilievo, il rischio di occlusioni prospettiche e la variabilità di precisione del posizionamento dei punti (Casella, in CISM 2003). Le scansioni laser aeree relative all intero centro storico di Gorizia sono state effettuate nell aprile del 2004 con un elicottero dalla società Helica s.r.l. (www.helica.it) di Amaro (Udine) utilizzando un sistema ALTM (Airborne Laser Terrain Mapper) 3033 della Optech (www.optech.on.ca). Complessivamente è stata rilevata un area di 1,66 kmq mediante 14 strisciate incrociate con una densità media di campionamento pari a 7 punti/mq per un totale di più di 20 milioni di punti. La sovrapposizione tra le diverse strisciate ha permesso di eliminare gran parte delle occlusioni prospettiche e di raggiungere nel complesso una densità media pari a 15 punti/mq. 2) Georeferenziazione dei dati La fase successiva di georeferenziazione dei dati rappresenta il momento fondamentale dell intero rilevamento ed è ottenuta da una opportuna combinazione di rotazioni e traslazioni tridimensionali. In questo modo si può georeferenziare direttamente il generico punto acquisito rispetto ad un sistema di riferimento globale (WGS84 o cartografico), in quanto istantaneamente misurati la posizione e la rotazione sia del sistema di riferimento del laser sia dei sensori inerziali rigidamente fissati a bordo. La posizione 3D di ogni punto dipende dalla combinazione di ben sei quantità tridimensionali, quattro delle quali variano istantaneamente (la posizione del ricevitore GPS, l assetto del sensore INS, la distanza del raggio laser e la rotazione dello specchio che riflette il raggio): per questo, la precisione finale può essere variabile, anche all interno della medesima strisciata. Il risultato finale della georeferenziazione dei dati acquisiti è quindi la creazione di un unica nuvola di punti (Figura 1 a sinistra) la cui densità è talmente elevata, come nel caso in oggetto, che l aerea sorvolata appare rilevata in modo pressoché continuo. 3) Allineamento delle strisciate Poiché la georeferenziazione dei punti è isodeterminata, si possono verificare degli errori dovuti sia ad errori sistematici nell orientamento fornito dei sensori GPS/INS che alla misura distanziometrica/angolare del laser. Questi errori si evidenziano nelle zone comuni alle varie strisciate e possono essere opportunamente minimizzati mediante il cosiddetto allineamento delle strisciate

3 per mezzo di vincoli analitici di congruenza e/o procedendo ad una ricalibrazione del sistema laser. In questo modo, mediante piccole roto-traslazioni delle diverse strisciate, si introducono delle correzioni decimetriche nelle nuvole di punti, migliorando la congruenza nelle zone di sovrapposizione tra strisciate parallele o incrociate (Beinat e Crosilla, in CISM 2006). Le coordinate 3D finali dei punti avranno così un valore che meglio si approssima a quello reale (Figura 1 a destra) e le diverse strisciate avranno posizioni reciproche che permettono la generazione di superfici praticamente continue. La georeferenziazione e l allineamento delle strisciate relative a questo lavoro sono state realizzate dal gruppo di ricerca Cartografia e Telerilevamento dell Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale (www.inogs.it) di Trieste: l output è costituito da file in formato binario contenenti le coordinate Gauss-Boaga Est, Nord, la quota e il valore di intensità dei punti. Figura 1: A sinistra, la nuvola georeferenziata; a destra, i punti dopo l allineamento, colorati per valore di quota (dal blu al rosso). 4) Filtraggio dei punti La fase successiva è il cosiddetto filtraggio che ha come obiettivo l individuazione dei punti laser appartenenti al terreno (Figura 2 a sinistra). Analiticamente, il filtraggio consiste nella stima del terreno definito come una superficie continua e regolare caratterizzata da alcuni parametri geometrici (pendenza massima ammissibile, scarti in quota accettabili, ecc.), mentre i punti appartenenti a edifici, vegetazione, macchine e oggetti sovrastanti tale superficie sono considerati come misure affette da outliers o errori grossolani e sono quindi individuati e rifiutati (filtrati). In letteratura, esistono diversi algoritmi basati su funzioni matematiche, statistiche o geometriche (Vosselman, in CISM 2003). Per l elaborazione dei dati a disposizione per questo lavoro è stato utilizzato un algoritmo di tipo geometrico locale (Axelsson, 2000), implementato in TerraScan, che si basa sulla cosiddetta densificazione iterativa di elementi TIN (Triangulated Irregular Network). In modo completamente automatico, sono stati così individuati ed isolati punti-terreno sul totale di punti laser acquisiti, che corrispondono a circa il 40% in una zona prevalentemente pianeggiante, ma più ondulata verso il confine di Stato, dalla quale si eleva un colle in parte urbanizzato (Borgo Castello) e in parte ricoperto da alta vegetazione. Utilizzando l applicazione complementare TerraModeler, a partire dai punti-terreno è stato ricostruito il modello digitale del terreno (DTM) mediante modellazione con maglie triangolari (TIN). 5) Classificazione dei punti I punti non appartenenti al terreno vanno successivamente classificati, ovvero assegnati ad un certo numero di classi, definite dall utente, sfruttando procedure semi-automatiche che implementano appropriati criteri di omogeneità dei punti (Roggero, in CISM 2006). Come è possibile osservare dalla Figura 2 a destra, il risultato finale di questa analisi multicriteriale è una suddivisione della nuvola dei punti non terreno in diverse classi (quattro nel nostro caso: terreno, edifici, vegetazioni e automobili). Ad esempio, si può valutare la quota del punto rispetto al terreno, il valore dell intensità del segnale laser riflesso che varia a secondo del materiale della superficie scansionata, la differenza altimetrica tra il punto corrispondente al primo e all ultimo segnale riflesso, ecc.... Figura 2: A sinistra, i punti laser filtrati: verde = terreno, bianco = non terreno; a destra, il risultato della classificazione: rosso = edifici, verde chiaro = vegetazione, giallo = automobili. Dei circa 20 milioni di punti acquisiti, sono stati classificati come punti-edificio, come punti-vegetazione, come punti-automobili, mentre poco più di un milione di punti sono rimasti non classificati, fra i quali una minima parte sono da considerarsi errori di misura. Per interpolazione dei punti-terreno e dei punti-edificio è stato ottenuto il modello digitale dell elevazione (DEM), cioè quella particolare superficie, di interesse ingegneristico, passante soltanto per il terreno e gli edifici.

4 6) Modellazione degli edifici L operazione finale è la modellazione degli edifici che può avvenire secondo due approcci metodologici opposti: knowledge driven o data driven (Roggero, in CISM 2006). Nel software TerraScan è implementata la seconda modalità che genera quindi una modellazione generica o non parametrica del solido edificio: non è richiesta alcuna ipotesi di forma o di vincolo sull oggetto e si sfruttano esclusivamente le informazioni contenute nei dati laser (Vosselman e Dijkman, in CISM 2003). A partire dai punti classificati come edificio, è infatti possibile individuare in maniera automatica l insieme di quelli che appartengono ad una falda (segmentazione) considerando la pendenza locale e condizioni di adiacenza degli stessi. Tali punti, così delimitati da una polilinea tridimensionale, sono poi utilizzati per stimare il piano medio mediante interpolazione ai minimi quadrati. La corretta topologia dell intero tetto dell edificio è poi ricostruita considerando le relazioni di adiacenza che intercorrono tra i diversi piani di falda, così da stimare la posizione coerente delle linee di gronda, di colmo e di ciascun vertice. Quest ultima operazione è condotta iterativamente in modo manuale, sfruttando tuttavia una serie di comandi di editing assistito ed utilizzando, se disponibile, un ortofoto come sfondo o eventuali informazioni contenute nella cartografia numerica esistente. L altezza dell edificio è calcolata come differenza tra la quota dei punti-terreno circostanti l edificio e la quota dei vertici delle falde. In questo modo, sono stati ricostruiti 355 edifici di diverse forme, dimensioni e complessità del centro storico di Gorizia: in Figura 3, a sinistra sono raffigurati i modelli poliedrici ottenuti per gli edifici dell intero colle, mentre a destra il solo edificio del Castello. La tipologia variabile e complessa di gran parte degli edifici (prevalentemente di edilizia storica) e la presenza di elementi geometrici assai ridotti (abbaini e piccole falde) ha reso spesso problematica l individuazione ed il soddisfacimento della topologia delle coperture. Ciò nonostante, come riportato in un precedente articolo (Visintini e Fico, 2005), il livello di dettaglio e di precisione ottenuti in questa ricostruzione sono estremamente elevati e confrontabili con quelli raggiungibili con un rilevamento topografico mediante stazione totale. 4 m 4 m Figura 3: A sinistra, il DTM laser e i modelli solidi degli edifici del colle del Castello; a destra, particolare del Castello di Gorizia. 2.2 Integrazione con immagini fotogrammetriche Già a partire dalla nube di punti laser indifferenziata, visualizzata a toni di grigio in base al valore di riflettività memorizzato dal sensore (vedi Figura 4 a sinistra), dal rilievo laser è possibile ottenere delle immagini raster dell oggetto acquisito; queste informazioni radiometriche risultano però di scarsa utilità pratica, dal momento che la luce laser è monocromatica e richiede comunque un adeguato modello matematico di calibrazione dei valori misurati. Risulta quindi praticamente necessario integrare al rilievo laser le importanti informazioni descrittive e geometriche che si possono ricavare da immagini digitali a colori acquisibili con una camera ad alta risoluzione, metrica o non, montata a bordo del velivolo. Nel caso del rilievo di Gorizia, durante il rilevamento laser, sono state infatti acquisite 153 immagini digitali ad alta risoluzione mediante una camera metrica DB44 (lunghezza focale 50 mm, formato 4.080x4.076 pixel) della Rollei (www.rollei.de) opportunamente interfacciata al sistema laser/gps/ins. L ortofoto digitale è senza dubbio oggigiorno il prodotto cartografico standard che si ottiene dalle immagini aeree: l orto-proiezione è infatti possibile perché sono noti sia i parametri di orientamento esterno della camera, perchè direttamente misurati dai sensori GPS/INS, che il DSM grazie al laser. Mediante il software TerraPhoto, dalle 153 immagini è stata prodotta l ortofoto ad alta risoluzione di Gorizia suddivisa in 36 file di 2.000x2.000 pixel, equivalenti a 400x400 m, in quanto 1 pixel corrisponde a 20 cm. 4 m Figura 4. A sinistra, i punti laser visualizzati a toni di grigio in funzione del valore di intensità; a destra, gli stessi colorati in base al colore RGB estratto dall ortofoto aerea.

5 Nelle aree urbane, a causa delle numerose break-lines che caratterizzano il DSM e delle zone d ombra presenti nelle immagini, è preferibile una procedura più sofisticata che produce la cosiddetta true-orthophoto (Dequal e Lingua, 2002). Il problema delle break-line è risolto se si utilizza un DSM a partire da una grande mole di punti (il cosiddetto dense DSM, DDSM) in modo tale che anche l oggetto più complesso possa essere descritto accuratamente; sono quindi necessari rilievi laser ad alta/altissima densità di campionamento. Per ovviare invece alla mancanza di informazioni nelle zone d ombra delle immagini, bisogna ricorrere a tutte le immagini acquisite disponibili per una medesima aerea e prese da diversi punti di vista, mettendo in atto una procedura multi-image. Un interessante utilizzo delle ortofoto è l estrazione dei valori RGB dei suoi singoli pixel da assegnare al punto di coordinate cartografiche corrispondenti, in modo da poter colorare la nuvola di punti come nella Figura 4 a destra. L ortofoto risulta essere inoltre uno strumento fondamentale come supporto all utente nei processi di filtraggio, di classificazione e, soprattutto, di modellazione. In particolare, come già accennato, un ortofoto come sfondo può essere davvero utile per verificare iterativamente e aggiustare le forme più complesse e soddisfare la corretta topologia di coperture con molte falde. Un altro uso conveniente delle ortofoto è quello di colorare (texturizzare) i modelli di superficie (DTM e DSM) o poliedrici (edifici, 3D City Models) al fine di ottenere rappresentazioni miste raster/vector di notevole effetto fotorealistico, come si vedrà di seguito. 3. TECNICHE DI RILEVAMENTO TERRESTRE 3.1 Scansioni laser Il rilevamento laser terrestre si effettua posizionando lo strumento su un treppiede in posizione fissa, con un procedimento analogo a quello utilizzato per le stazioni totali topografiche, con la differenza che la maggior parte dei sistemi non possiede una livella per rendere perfettamente verticale lo stesso sensore. Da tale stazione la scansione dello spazio circostante è ottenuta grazie ad un movimento rotatorio controllato lungo due assi tra loro ortogonali (più o meno ampio a seconda dei modelli), imponendo così istantaneamente la direzione angolare di emissione (e ricezione) del raggio laser, da cui viene immediatamente calcolata la posizione X,Y,Z dei punti rispetto al centro del sistema. Anche nei laser scanner terrestri viene memorizzata un quarto parametro dato dall intensità del segnale ricevuto, il cui valore numerico può essere utilizzato per scopi di classificazione solo dopo un opportuna correzione/calibrazione che lo trasforma in riflettività o pseudo-riflettanza (Coren et al., 2005), ancora più necessaria del caso aereo vista la sua dipendenza dalla distanza laser-punti assai più variabile nel caso terrestre. Gli strumenti laser terrestri si differenziano in base alla loro portata, che può variare a seconda del principio di misura (distanziometrico o per triangolazione ) e del modello impiegato (Rinaudo, in CISM 2003; Bornaz in CISM 2006; Boehler e Marbs, in CISM 2006): nota la portata del laser con cui si opera, si decide quante scansioni fare e in che posizione effettuarle. Lo strumento viene collegato generalmente ad un computer portatile o palmare ed è così comandato da un software, grazie al quale si impostano la velocità di acquisizione, la risoluzione e il campo angolare di scansione, la divergenza del raggio laser, ecc.. 1) Creazione di una rete di appoggio topografico Una volta scelte le stazioni di scansione è necessario individuare i punti più adatti in cui applicare i target (marker) riflettenti per la registrazione e la georeferenziazione delle stesse. Per quest ultimo scopo è necessario rilevare topograficamente tali punti che materializzano così una rete di appoggio: questa fase non rientra quindi strettamente nell operazioni del rilievo laser ma è comunque un fattore fondamentale, in quanto da esso dipende la corretta georeferenziazione dei dati laser. Una volta collocati i target si procede alla loro misurazione topografica mediante collimazione con stazione totale EDM: spesso per questioni di praticità si procede per semplice celerimensura (misurando distanza, angolo azimutale e zenitale) invece che per intersezione angolare/distanziometrica multipla. I target potrebbero essere anche naturali, costituiti da vertici di oggetti facilmente riconoscibili, ma quelli artificiali, costituiti da adesivi di materiale ad alta riflettività (generalmente vicino al 100%), sono di gran lunga preferibili in quanto difficilmente possono essere equivocati perchè di dimensioni standard e di forma regolare. Il rilevamento del Castello di Gorizia è stato effettuato in due campagne successive: la prima, eseguita nel maggio del 2005, ha interessato la Corte dei Lanzi, ovvero la corte interna del Castello (vedi Figura 5 a sinistra); la seconda, svolta nel febbraio del 2006, ha avuto invece come oggetto di interesse lo spazio interno della sala principale del Castello, cioè l antica Sala degli Stati Provinciali, e la salita che va dalla porta di ingresso delle mura (vedi Figura 6 a sinistra) al mastio principale. In totale sono stati posizionati 87 target (vedi Figura 7 a sinistra), cercando di soddisfare le seguenti caratteristiche: visibilità da più posizioni di scansione; distribuzione omogenea sulle superfici da rilevare; buona collimabilità dai vertici della rete topografica. Per questioni di tempo è stato possibile rilevare 65 punti su 87: 22 target sono quindi utilizzati solo per la registrazione e non per la georeferenziazione. In particolare, con la stazione totale Leica TCRA 1103 sono stati rilevati 27 punti per la salita e 16 punti per la Sala degli Stati Provinciali, mentre i 22 punti della Corte dei Lanzi sono stati rilevati con la stazione totale Topcon GTS ) Acquisizione dei dati laser L acquisizione dei dati laser è stata effettuata con il sistema LMS (Laser Measurement System) 360i della Riegl (www.riegl.com) di proprietà del Laboratorio di Fotogrammetria del Centro di Rilievo, Cartografia ed Elaborazione dell Università IUAV di Venezia. Sia l acquisizione che le successive elaborazioni sono state svolte con il programma RiSCAN PRO, fornito assieme allo strumento: sono state eseguite ben 18 scansioni: 7 per la corte, 9 per la salita e 2 per la sala, le cui caratteristiche principali sono le seguenti: angolo verticale di scansione: 90 (massimo) per tutte; angolo orizzontale di scansione: 360 (panoramiche) per 9 scansioni, 180 per 4 scansioni, 220, 150, 100, 90 e 70 ; risoluzione angolare verticale e orizzontale: 0,10 per 11 scansioni, 0,12 per 4 scansioni e 0,20 per 3 scansioni; punti acquisiti: da un minimo di (per 1 scansione) a un massimo di (per 7 scansioni); tempo di scansione: da un minimo di 0 45 (per 2 scansioni) a un massimo di 5 59 (per 7 scansioni).

6 In totale sono stati acquisiti oltre 34 milioni di punti, impiegando complessivamente 1 h 4 17 come tempo di scansione (frequenza media punti/s) che costituisce (purtroppo!) una frazione minima nella durata complessiva di un rilevamento laser. 3) Registrazione delle scansioni A differenza del caso aereo, le coordinate rilevate dal sistema laser si riferiscono al centro dello strumento stesso e perciò, nel caso comune di più scansioni, le stesse vanno quantomeno registrate (Beinat, in CISM 2006; Guarnieri e Vettore, in CISM 2006), cioè riferite ad un unico sistema di riferimento locale (vedi Figura 5 a destra), che può essere quello della scansione baricentrica rispetto alle altre. Dal punto di vista analitico, si tratta di stimare per ogni scansione i 3+3 parametri della trasformazione di rototraslazione rigida nello spazio sulla base di un numero sufficiente di punti comuni (omologhi) alle scansioni. È evidente che fra tutti i possibili punti, si utilizzano proprio i target poiché ben distribuiti fra le scansioni e, soprattutto, riconoscibili automaticamente. Per ottenere buone stime dei parametri, le scansioni adiacenti devono ricoprirsi per almeno il 30% ed in questa area si devono trovare un numero sufficiente di target. Il loro riconoscimento avviene in maniera automatica sulla base di una soglia di riflettività, addirittura direttamente in campagna tramite la maggior parte dei software esistenti: una volta riconosciuti è tuttavia necessario un controllo, poiché spesso vengono assunti come target degli oggetti particolarmente riflettenti (segnali stradali e oggetti metallici) o, viceversa, non vengono individuati i target molto distanti. I punti rilevati vanno quindi denominati e non esiste una regola precisa che indichi come procedere, ma sta nella logica dell operatore assegnare ad ogni punto un nome facilmente riconoscibile. È tuttavia conveniente procedere in modo univoco, assumendo i nomi scelti (e dettagliati nelle monografie) durante il rilievo topografico degli stessi punti. Figura 5: A sinistra, il sistema Riegl Z360i utilizzato per le scansioni terrestri; a destra, la nuvola complessiva delle 7 scansioni relative alla Corte dei Lanzi dopo la loro registrazione. In questo modo è risolto il problema dell individuazione dei punti omologhi sulle diverse strisciate: ripetendo questo criterio per ogni scansione, si fa in modo che ogni scansione sia registrata rispetto alle adiacenti (pairwise registration) oppure che siano tutte unite tra loro (global registration), comunque a formare un unica nuvola di punti. È possibile anche individuare automaticamente le corrispondenze fra almeno tre punti target con una procedura che considera le cosiddette matrici di adiacenza (Beinat, in CISM 2006) che va a confrontare tutte le coordinate globali ricavate permutando le combinazioni e assume come corretta quella che fornisce lo scarto quadratico minimo delle differenze. 4) Trattamento dei dati acquisiti Una volta ottenuta una nuvola complessiva di tutti i punti acquisiti, non si procede in cascata, come nel caso aereo, alle fasi standardizzate di filtraggio, classificazione e modellazione, perché ogni particolare oggetto-edificio rilevato può presentare sue proprie caratteristiche geometriche e costruttive difficilmente elaborabili da software universali di processamento. In altri termini, torna qui la distinzione che esiste in fotogrammetria fra rilevamento territoriale aereo, per la produzione di cartografia numerica ben definita mediante i capitolati speciali, e rilevamento architettonico terrestre, per la realizzazione di elaborati grafico-numerici assai variabili a seconda del tipo di bene storico-architettonico in esame (vedi esempi in Guerra e Balletti, in CISM 2006). Alle scansioni terrestri si applicano allora procedure di carattere generale, senza (poter) entrare nel merito del particolare oggetto che si sta considerando: si parla allora generalmente di pulitura, di filtraggio e di ricampionamento dei dati. La pulitura dei dati può avvenire sia per via manuale che automatica: è conveniente procedere prima in via automatica e poi, nel caso in cui non siano stati eliminati i punti inutili e/o grossolanamente errati, in via manuale mediante i comandi di selezione e di modifica offerti dal programma di elaborazione. Il software RiSCAN PRO permette sia di eliminare automaticamente i punti isolati che di considerare come uno stesso punto quei punti di coordinate praticamente coincidenti (in base ad una tolleranza prefissata). I dati così ripuliti vengono ulteriormente ridotti mediante un processo di filtraggio, applicando uno o più dei seguenti criteri: range gate: si accettano solo i punti all interno di una certa distanza, definita in base alle dimensioni massime dell oggetto; intensity gate: si accettano solo i punti con un dato intervallo di intensità; octree: questa procedura si basa su un metodo di tipo octree, ovvero si considera un cubo di dimensioni da definire che a sua volta è suddiviso in otto cubi di dimensioni sempre più piccole fino a quando ogni cubo contiene un solo punto; point filter: viene considerato soltanto un punto ogni n, con n definito dall utente. Infine, l ultima elaborazione che si può compiere è il ricampionamento dei dati che è definito da parametri geometrici quali: il passo di soglia; la risoluzione angolare orizzontale; la risoluzione angolare verticale.

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