Sommario PREMESSA RILIEVO LASER SCANNING La tecnica La campagna Elaborazione dei dati... 10

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2 REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 1 Sommario PREMESSA RILIEVO LASER SCANNING La tecnica La campagna Elaborazione dei dati... 10

3 REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 2 PREMESSA Nell ambito del progetto definitivo di un opera di sostegno al piede della frana (settore D e settore C) e delle opere accessorie atte a limitare l'infiltrazione delle acque superficialie a favorirne il loro allontanamento si è fatto riferimento a due distinte fonti di rilievo per i vari settori. Per il settore D nel quale di verificano spostamenti delle masse, sono stati effettuati i rilievi topografici di dettaglio per la descrizione geometrica del terreno di intervento alla data di realizzazione del progetto, mentre per il settore C si è fatto riferimento al rilievo effettuato precedentemente, ritenuto oggi sempre rappresentativo della geometria del settore. La presente relazione è essenzialmente riferita alle modalità con cui sono stati effettuati i rilievi topografici per la definizione delle opere progettuali; è infatti ovvio che risulti non necessario lo studio di inserimento urbanistico dell opera, trattandosi di un opera rimovibile e quindi di carattere provvisionale (e comunque di un opera di scarsa rilevanza dal punto di vista urbanistico consistendo fondamentalmente in un opera di sostegno con risagomatura del versante a tergo). I rilievi topografici, effettuati sull intera porzione denominata Settore D della frana di Montaguto, sono stati effettuati con macchinari del Dipartimento di Scienze della Terra dell Università di Firenze (DST UNIFI); i rilievi sono stati coordinati dal dott. Giovanni Gigli del DST UNIFI, ed effettuati dal dott. Francesco Mugnai e dal dott. Stefano Morelli dello stesso dipartimento, in collaborazione dell ing. Stefano Nadotti che ha operato per conto dello Studio INGEO. La campagna di rilevamento è state effettuata nei giorni 26 e 27 gennaio RILIEVO LASER SCANNING Il rilievo laser scanning dell area di studio è stato realizzato con le seguenti finalità: 1. Ricostruzione di un modello di dettaglio 3D aggiornato dell area in esame; 2. definizione di un riferimento cartografico per la localizzazione degli interventi. 1.1 La tecnica La tecnica laser scanning utilizza un fascio di luce coerente (laser) di ridotte dimensioni per scansionare un determinato oggetto sotto un predefinito angolo solido e con un pattern di scansione regolare. Il risultato della scansione è una matrice di punti materializzante la superficie ripresa, le cui coordinate spaziali sono espresse in termini polari rispetto al centro dell apparato ricevente (raggio r, angolo sull orizzontale θ e sulla verticale φ). A parità di risoluzione angolare dello strumento la risoluzione spaziale dei punti è quindi funzione della distanza di ripresa. Solitamente la sorgente dell impulso funziona anche da apparato ricevente, fatta eccezione per i laser basati sul metodo della triangolazione ottica, in cui il ricevitore è separato dall elemento emettitore. La nuvola di punti (point cloud) prodotta dalla scansione laser costituisce direttamente il modello digitale tridimensionale dell oggetto scansionato e può essere gestita con un qualsiasi software di elaborazione grafica 3D. La tecnica laser scanning trova numerose applicazioni in diversi campi, quali quello topografico, geologico, architettonico, di conservazione dei beni culturali e industriale. In relazione al principio su cui si basano le tipologie di laser scanner attualmente in commercio, questi possono essere suddivisi in: laser a triangolazione ottica, laser a comparazione di fase e laser a tempo di volo (Time of Flight). Ognuno di questi metodi presenta un caratteristico range di lavoro e un differente grado di precisione.

4 REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 3 Lo strumento utilizzato nel presente lavoro si basa sul metodo del tempo di volo. La distanza di un oggetto viene ricavata dal tempo che intercorre tra l invio di un impulso laser di breve durata e il ritorno del segnale riflesso allo strumento ricevitore. La distanza del punto colpito è data dalla relazione D=ct/2, dove c è la velocità della luce. A differenza del caso ideale, in cui ad ogni impulso corrisponde un segnale di ritorno identico a quello emesso, nella realtà il segnale di ritorno presenta un certo grado di disturbo legato alle caratteristiche dell oggetto riflettente, al fatto che il raggio laser, seppur molto concentrato, presenta una certa divergenza ed alle condizioni atmosferiche. Il riconoscimento dell impulso di ritorno, e quindi il segnale di stop al conteggio temporale, può essere effettuato con diverse tecniche che vanno dall impostazione di soglie di ampiezza al segnale di ritorno, all utilizzo di frazioni della lunghezza del segnale, fino al completo riconoscimento del segnale di ritorno. Quest ultimo metodo è utilizzato nelle applicazioni laser da aereo e consente di distinguere, per uno stesso impulso emesso, differenti impulsi di ritorno derivanti da oggetti posti a differenti quote (ad es. vegetazione, edifici e suolo). Il laser scanner da terra non necessita di sistemi di correzione del posizionamento, visto che le distanze vengono riferite ad una terna cartesiana che rimane fissa e centrata sullo strumento per ogni posizione di scansione. Il corretto posizionamento su una terna di riferimento geografica può essere fatto successivamente tramite la conoscenza delle coordinate geografiche di alcuni punti individuati nella scansione. Il suo principale vantaggio sta nell elevata risoluzione spaziale raggiungibile e nella possibilità di eseguire scansioni in aree di difficile accesso o non direttamente visibili da aereo. I moderni laser scanner terrestri utilizzati in ambito geologico applicato consentono risoluzioni millimetriche, in relazione al metodo utilizzato per valutare la distanza dell oggetto riflettente (Tabella 1). Tabella 1 - Range di applicazione, relativa accuratezza delle misure e modelli di laser scanner in commercio, in funzione della tecnica di acquisizione del dato. Nel presente studio le scansioni sono state eseguite con un dispositivo 3D Laser Imaging Sensor, modello LMS-Z420i da terra, prodotto dalla Riegl Laser Instrument Systems (Figura 1). Facendo riferimento alla Tabella 1 questo strumento si basa sul metodologia del tempo di volo. Le principali caratteristiche tecniche della strumentazione impiegata sono le seguenti: - Distanza di misura: fino a 1000 m, in funzione delle caratteristiche di riflettività dell oggetto - Accuratezza: ± 10 mm - Passo di scansione verticale minimo: 0.008

5 REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 4 - Passo di scansione orizzontale minimo : Velocità di scansione: fino a punti/secondo - Lunghezza d onda: infrarosso vicino - Apertura del raggio: 0.25 mrad. La densità di punti battuti è legata quindi alla distanza dell area di interesse in funzione del passo di scansione verticale ed orizzontale dello strumento, che possono essere inferiori anche al centesimo di grado. Questo comporta ad es., nel caso di passo di campionamento di 0.01 ad una distanza di 100 m, una densità lineare di 1 punto ogni 1.7 cm. Nella Figura 2 sono riportati i diversi componenti del dispositivo LMS-Z420i. Il generatore/ricevitore del raggio laser (1); il sistema di indirizzamento del raggio laser (2), costituito da un poliedro rotante (3) avente superfici riflettenti. Il movimento orizzontale è assicurato da un sistema meccanico che fa ruotare la parte superiore del laser (4). Al di sopra della testa del laser è previsto un alloggiamento per una camera ottica digitale (7) che si muove solidalmente con il laser scanner. Infine un PC portatile (6) collegato tramite TCP/IP (5) e USB (8) rispettivamente con il laser scanner e la macchina fotografica. Da sottolineare che i punti della scansione vengono inviati direttamente al portatile senza nessun filtro intermedio (nessuna memoria interna al laser scanner). IL software di acquisizione ed elaborazione utilizzato per il presente studio è RISCANPRO prodotto anch esso da RIEGL. Figura 1 Strumento laser scanner utilizzato per i rilievi.

6 REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 5 Figura 2 Schema di funzionamento del laser scanner Riegl LMS-Z420i (Riegl, 2004). Prima di procedere alla scansione laser è necessario inserire all interno della scena da investigare alcuni riflettori (Figura 3); infatti il software di acquisizione è in grado di riconoscere i punti maggiormente riflettenti e di associare a questi delle coordinate relative o assolute, in modo tale da riposizionare la nuvola di punti prodotta nel sistema di riferimento cartografico scelto. Questo passaggio risulta ancora più obbligato se si presenta la necessità di unire due o più scansioni dello stesso oggetto riprese da punti di vista diversi, permettendo così di eliminare le zone d ombra, che inevitabilmente vengono prodotte dai profili delle sporgenze dell oggetto o dalla vegetazione che si trova nella traiettoria del raggio laser. Sulla base dell accuratezza richiesta, le coordinate dei riflettori vengono acquisite mediante GPS differenziale, secondo procedure operative statiche o dinamiche; queste ultime, se effettuate in modalità RTK (cinematica in tempo reale), permettono di avere rapidamente le coordinate del punto con errori centimetrici nelle tre direzioni.

7 REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 6 Figura 3 - Riflettore cilindrico per il georiferimento della nuvola di punti. 1.2 La campagna La campagna di acquisizione è stata eseguita nei giorni Marzo La scansione ha interessato un area di estensione pari a circa m 2 (Figura 4). L ambiente è caratterizzato dalla presenza di asperità morfologiche consistenti e da elementi antropici di disturbo quali mezzi per la movimentazione del terreno in attività. Al fine di ridurre al minimo le zone d ombra, la pianificazione della campagna di acquisizione è stata effettuata da 7 posizioni distinte, 3 dalla strada provinciale, e 4 sul corpo di frana (Figura 5).

8 Progetto di opera di sostegno al piede della frana (settore D e settore C) REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 7 Figura 4 Area di frana scansionata. Figura 5 Mappa di localizzazione delle diverse posizioni di scansione.

9 REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 8 Figura 6 Fase di rilievo dalla posizione di scansione n 2 Per ogni posizione di scansione sono state realizzate scansioni di inquadramento a bassa risoluzione, riprese ottiche ad alta risoluzione e scansioni di dettaglio, in modo da raggiungere una risoluzione adeguata. In questo modo sono stati battuti oltre 10 milioni di punti. La Figura 7 riporta la nuvola di punti totale ricavata dall unione delle nuvole di punti a bassa risoluzione ottenute da ciascuna posizione di scansione.

10 Progetto di opera di sostegno al piede della frana (settore D e settore C) REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 9 Figura 7 Nuvola di punti complessiva derivante dall unione delle diverse scansioni a bassa risoluzione. Per permettere la ricostruzione della nuvola di punti globale generata dell unione di tutte le acquisizioni eseguite, è stato necessario installare 21 riflettori all interno dell area di vista del laser scanner e localizzarli tramite un rilievo GPS di dettaglio (Figura 8). Figura 8 Nuvola di punti complessiva e localizzazione dei riflettori.

11 1.3 Elaborazione dei dati Progetto di opera di sostegno al piede della frana (settore D e settore C) REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 10 I dati grezzi provenienti da ciascuna posizione di scansione sono stati quindi allineati secondo un sistema cartografico comune. L area è coperta da scarsa vegetazione, in particolare ai margini della zona in frana, che tuttavia, oltre a determinare la formazione di piccole zone d ombra durante l esecuzione del rilievo, rappresenta un elemento di disturbo anche nell interpretazione delle nuvole di punti prodotte. La componente vegetativa è stata eliminata manualmente e con algoritmi automatici. Grazie all elevata risoluzione della nuvola di punti ottenuta dalle 7 scansioni, è stato possibile coprire il settore di interesse, corrispondente al settore D, coprendo le zone d ombra che inevitabilmente la morfologia assai accidentata provoca (Figura 9Figura 10). Figura 9 Nuvola di punti 3D colorata in intensità, originata dal posizione di scansione n 2.

12 Progetto di opera di sostegno al piede della frana (settore D e settore C) REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 11 Figura 10 Nuvola di punti 3D generata tramite l unione delle scansioni effettuate dalle posizioni n 2,4,5. Il modello 3D così ottenuto è riportato in Figura 11 e le relative curve di livello con equidistanza 1.0 m, in Figura 12. La Figura 13 mostra la sovrapposizione delle curve di livello al modello digitale del terreno. Figura 11 Superficie del terreno ottenuta triangolando la nuvola di punti dell area in esame.

13 Progetto di opera di sostegno al piede della frana (settore D e settore C) REL D Rilievi topografici e studio di inserimento urbanistico Pag 12 Figura 12 Curve di livello con equidistanza di 1 metro estratte dal DEM di Figura 11. Figura 13 Sovrapposizione delle curve di livello sul modello digitale del terreno.

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