CLASSIFICAZIONE. william meschieri 2

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2 CLASSIFICAZIONE Si tratta di una tecnica di rilievo che consente di ottenere forma, dimensioni e posizione (modello digitale) degli oggetti mediante la misura, in brevi intervalli di tempo, di un elevatissimo numero di punti (svariati milioni in relazione alle ampiezze rilevate e al passo di scansione imposto) appartenenti alla superficie degli stessi oggetti, utilizzando appositi strumenti noti come laser scanner. Gli strumenti scanner laser possono essere classificati in base alla tecnologia utilizzata per la misura della distanza: triangolazione ottica: la distanza dei punti sull oggetto viene ricavata per triangolazione essendo nota la distanza, interna allo strumento, tra l'apparato emettitore e quello ricevitore del raggio laser, oltre ai due angoli adiacenti ad essa; comparazione di fase: viene confronta la fase dell onda del raggio laser emesso con quella dell onda riflessa per misurare la distanza dell oggetto; misura del tempo di volo (TOF: time of flight): viene utilizzato un impulso laser di breve durata del quale si misura l intervallo di tempo di andata e ritorno (detti LIDAR); e in base alla piattaforma impiegata: piattaforma fissa : per rilievi terrestri sia dei fabbricati sia del territorio; piattaforma mobile : su aereo o elicottero per il rilievo del territorio. william meschieri 2

3 IL DIODO LASER Qualsiasi sia la tecnologia impiegata, essa prevede l impiego di un diodo laser in grado di generare un opportuno segnale laser. Si tratta di un componente elettronico che converte un segnale elettrico in un segnale luminoso monocromatico. breve impulso di corrente a 20Amp specchio a riflessione totale specchio a riflessione parziale lente segnale ottico in uscita semiconduttore Ga-As tipo p GENERATORE ELETTRONICO di IMPULSI regione attiva s=1µm semiconduttore Ga-As tipo n lunghezza cavità 1mm distanza focale100mm william meschieri 3

4 SCANNER A TRIANGOLAZIONE Il principio di funzionamento si basa sulla conoscenza esatta della distanza b tra lo specchio che dirige il segnale sull oggetto e la posizione dell eco sul sensore CCD ricevente il segnale riflesso dall oggetto. Lo schema è il seguente: 1. un raggio laser indirizzato da uno specchio rotante colpisce il bersaglio e viene riflesso (in modo diffuso); 2. il punto colpito viene messo a fuoco da lenti su un sensore CCD (che trasforma impulsi luminosi in impulsi elettrici); 3. in base alla distanza b e agli angoli connessi al raggio emesso e riflesso si può determinare la distanza del bersaglio. Caratteristiche: Precisione : fino al millimetro Portata : brevi distanze (20 100m max) Utilizzo : limitato al rilievo dei fabbricati e manufatti specchio rotante diodo laser D superficie del sensore b sensore CCD lente oggetto william meschieri 4

5 SCANNER A TOF (o LIDAR) Un diodo laser trasforma un successione d impulsi in un segnale luminoso che viene indirizzato sull oggetto da rilevare (targhet) da specchi rotanti o oscillanti, e da esso poi riflesso (eco o risposta). Parte dell eco del segnale ritorna allo strumento e colpisce un sensore fotosensibile che lo trasforma in un segnale elettrico. L intervallo di tempo (TOF: time of flight) fra l impulso trasmesso e quello ricevuto consente di risalire alla distanza strumento-punto sull oggetto. Questi strumenti consentono la misura, non solo della distanza, ma anche dell intensità con cui è tornato il segnale laser, fornendo indicazioni preziose in merito al tipo di materiale colpito. Caratteristiche: Precisione : al centimetro Portata : medie distanze (2000m max) Utilizzo : rilievo del territorio e dei fabbricati william meschieri 5

6 TECNICA DI SCANSIONE Questi strumenti sono dotati di dispositivi motorizzati di scansione sia in senso azimutale (di fatto a 360 ) e zenitale (fino a ±80 rispetto all orizzontale), che permettono di rilevare con continuità gli oggetti della scena interessata, fornendo le coordinate di una maglia regolare di punti (numerosissimi) che definiscono forma, dimensioni e posizione degli oggetti ripresi. Le informazioni acquisite dallo strumento (distanza, direzione azimutale e zenitale ) consentono al software di fornire il posizionamento spaziale (X,Y,Z) di ogni punto dell'oggetto. Per ogni punto, il sistema fornisce anche l'intensità radiometrica del segnale riflesso che consente di valutare le caratteristiche dei materiali costituenti l oggetto sotto diversi aspetti. william meschieri 6

7 DISPOSITIVI DI INDIRIZZAMENTO Il raggio laser viene indirizzato sull oggetto per mezzo di meccanismi a specchi poligonali rotanti oppure oscillanti che, al variare degli angoli azimutale e zenitale, consentono di indirizzare il raggio luminoso laser in modo da coprire via via tutto l oggetto rilevato (allo stesso modo con cui il raggio di uno scanner o una fotocopiatrice indaga l immagine cartacea da riprodurre), avanzando per punti contigui disposti, come detto, su un grigliato che interessa tutto l oggetto rilevato. La rotazione degli specchi viene regolata dall operatore per la scansione in funzione della risoluzione che si desidera ottenere; ciò crea la spaziatura (gap) del reticolo di punti rilevati sull oggetto formando delle nuvole di punti che coprono l'intera superficie dello stesso oggetto scansionato. william meschieri 7

8 DISPOSITIVI DI INDIRIZZAMENTO SPECCHIO OSCILLANTE (3, 4, 6 facce) SPECCHIO POLIGONALE ROTANTE (3, 4, 6 facce) william meschieri 8

9 SCHEMA DI UN LASER SCANNER Un laser scanner di fatto è un sistema integrato che comprende le seguenti componenti: 1. un misuratore di distanza a impulsi (telemetro laser); 2. un sistema ottico (specchi) di scansione; 3. unità di calcolo (computer e software); 4. dispositivi di memorizzazione delle misure; 5. una camera digitale per l acquisizione di una documentazione visiva delle zone rilevate; 6. un sistema inerziale (IMU) che utilizza giroscopi di tipo ottico e accelerometri (solo per rilievo da piattaforma aerea); 7. un ricevitore GPS (necessario da piattaforma aerea, opzionale per quella terrestre). william meschieri 9

10 LA DIVERGENZA DEL SEGNALE Il segnale luminoso laser propagandosi, per effetto della dispersione di energia in funzione della distanza D (nonostante la sua natura monocromatica), forma una sorta di cono, generando una superficie d impatto (spot) sull oggetto che non è mai puntiforme e adimensionale, ma marca l oggetto con un impronta (cella di risoluzione o laser spot). Il diametro d di questa impronta dipende dall angolo di apertura del cono, detto divergenza (beam divergence), e dalla distanza dell'oggetto. Questo valore, in generale, è compreso tra 0,25 e 3,0mrad (1mrad=10-3 rad). Es. un valore di 0,5 mrad, e per una distanza di 800m, l impronta dell'impulso laser sull oggetto ha le seguenti dimensioni: d = 0, = 0,40m = 40cm william meschieri 10

11 LA RISOLUZIONE SULL OGGETTO L impronta del raggio laser sull oggetto è molto importante in particolare nel rilievo su piattaforma aerea perché condiziona molte caratteristiche dello strumento laser scanner, tra cui la possibilità di: Individuare piccoli particolari; utilizzare i varchi nel fogliame della vegetazione per raggiungere il suolo. La spaziatura del reticolo di punti rilevati sull oggetto è regolata dalla rotazione degli specchi (risoluzione angolare: 0,1 0,2). Dato che il valore minimo dell'angolo di apertura del cono generato dal raggio laser (0,25mrad) è decisamente minore della risoluzione angolare, ne consegue che vi sono porzioni di oggetto non investigate con possibile perdita di informazioni. Per ovviare a questo inconveniente è possibile aumentare l'angolo di apertura del cono fino a uguagliare la risoluzione angolare (3mrad) coprendo integralmente l'oggetto. william meschieri 11

12 LA MISURA BASATA SUL TOF La tecnologia TOF si basa sulla misura del tempo di volo t di un impulso laser, ossia l intervallo che intercorre tra l emissione dell impulso e il suo ritorno, misurato tramite un orologio con una frequenza stabilizzata al quarzo, che consente di ricavare la lunghezza del vettore (modulo) che va dal centro dello strumento al punto rilevato (dunque la distanza D strumento-punto di riflessione sull oggetto): D = c t 2 D = distanza di presa in metri t = tempo di volo dell impulso laser (andata e ritorno) in secondi c = velocità della luce in metri al secondo (2, m/s) william meschieri 12

13 IL POSIZIONAMENTO DEI PUNTI Oltre alla misura della distanza D, lo strumento effettua anche le misure angolari di precisione θ e ϕ (azimutale e zenitale), connesse al movimento rotatorio degli specchi rotanti o oscillanti, che, con una opportuna spaziatura angolare (0,10 0,20) tra i differenti punti rilevati (risoluzione angolare), genera il grigliato di punti rilevati sull oggetto prima descritto. La distanza D, gli angoli θ e ϕ, unitamente alla conoscenza delle coordinate del centro del telemetro laser, consentono al sistema di ottenere le coordinate cartesiane X, Y, Z (posizione 3D) dei punti corrispondenti a ogni misura (che sono numerosissimi in brevi intervalli di tempo). william meschieri 13

14 LA RIFLETTANZA DEGLI OGGETTI La precisione dei sistemi laser scanner è direttamente influenzata dalla qualità del dispositivo interno che misura il tempo di volo dell impulso laser, ma anche dalla riflettanza dei target (grado di riflettività della superficie colpita), in quanto in relazione al tipo di materiale, l eco (impulso di ritorno) assume, come già detto, una diversa intensità. Inoltre il sistema registra anche l intensità della risposta (cioè del segnale riflesso) fornendo informazioni sulla natura dal materiale di cui è costituito l oggetto rilevato (che condiziona la sua riflettività). Materiali riflettenti % Riflettività Neve 90 % Murature chiare 80 % Argilla Fino al 70% Conifere 35% Sabbia asciutta 55% Sabbia bagnata 40% Calcestruzzo 30% Asfalto vecchio 18% Asfalto nuovo 5% william meschieri 14

15 PREGI E DIFETTI DEL SISTEMA VANTAGGI relativa rapidità; elevata finestra di scansione ; appoggio a terra minimo (piattaforma aerea) ; rilievo non è influenzato dalle condizioni di luce esterna; informazione geometrica tridimensionale molto accurata; la valutazione dei diversi valori diriflettanza in relazione del tipo di materiale costituente l oggetto rilevato, che si traduce in una variazione del valore cromatico dei punti acquisti che consentono l analisi delle tipologie di materiali costituenti l oggetto osservato); possibilità di integrare il rilievo con ortofoto per fornire una completa rappresentazione dei fenomeni del territorio; possibilità, attraverso l'analisi del modello virtuale, di identificare e studiare l'oggetto sotto diversi aspetti, e diversi punti di vista. DIFETTI risultati completamente dipendenti dall efficienza e dall aggiornamento del software; rilievo di tutti gli oggetti presenti sulla scena, dunque necessità di filtraggio e pulitura dei dati; il rilievo è limitato dalle condizioni ambientali (nebbia, pioggia, polvere); il rilievo è limitato dalle caratteristiche di riflettività oggetti osservati; la strumentazione è un po ingombrante e scomoda nel trasporto (anche per l'alimentazione a batteria). william meschieri 15

16 LA PIATTAFORMA AEREA In questo ambito, oltre all apparato laser che permette la misura della distanza fra strumento e terreno (funzione telemetrica), è presente un apparato di posizionamento GPS e una piattaforma inerziale IMU (Inertial Measuring Unit) con cui è possibile ottenere la posizione assoluta e l orientamento del sistema durante le fasi di misura. In particolare l apparato GPS è utilizzato per ottenere il posizionamento assoluto del centro del telemetro laser, mentre l unità IMU è necessaria per determinare, con continuità, l orientamento del sistema. Gli impulsi luminosi generati dal sistema, vengono orientati sul terreno tramite un sistemi di specchi poligonali rotanti nella direzione del terreno in senso ortogonale alla direzione del volo (aereo o elicottero). william meschieri 16

17 LA PIATTAFORMA AEREA L impiego del GPS, nell ambito del rilievo con laser scanner su piattaforma aerea, avviene in modalità differenziale cinematica con trattamento a posteriori (postprocessato); pertanto è necessario disporre a terra di almeno un ricevitore base collocato su un punto di coordinate note in posizione tale che la distanza dal velivolo (elicottero) non sia mai maggiore di Km. La precisione e l accuratezza delle informazioni ottenute con il laser scanner aereo dipende da svariate cause, tra le quali sono da segnalare: le prestazioni intrinseche dello strumento utilizzato; il livello di sincronizzazione del sensore laser e del sistema GPS-IMU; la geometria dell acquisizione (quota di volo e angolo di scansione); natura dell oggetto rilevato (grado di riflettività dei materiali); accuratezza connessa alla trasformazionedi datum per passare dal WGS84 ad un sistema locale o cartografico. william meschieri 17

18 INFORMAZIONI FORNITE DALL ECO Un problema tipico nella scansione dall alto è la presenza di ostacoli che oscurano il suolo (tipicamente coperture vegetali, tetti degli edifici, specchi idrici). Questi ostacoli causano la riflessione di una parte dell energia del segnale, mentre la rimanente energia dello stesso segnale, quando esistono varchi, prosegue fino al suolo per essere poi anch essa riflessa. Affinché entrambe le superfici (quella del suolo, e quella superiore di varie coperture) possano essere rilevate simultaneamente dal sistema, i raggi laser utilizzati in questi strumenti, detti LRF (Laser Range Finder ), devono soddisfare a determinate specifiche fisiche per poter svolgere il compito a loro assegnato. Tra queste caratteristiche la più importante è la lunghezza d onda del raggio laser; in effetti, affinché esso non penetri la superficie del terreno e possa invece essere riflesso, deve essere usata una lunghezza d onda nella banda dell'infrarosso. Una seconda caratteristica è l'utilizzo di un segnale laser ad impulsi, in grado di registrare diversi echi (impulsi riflessi) relativi alla stessa direzione. In effetti gli strumenti laser scanner sono in grado di distinguere gli echi generati da diversi oggetti presenti sulla traiettoria dello stesso impulso, dunque misurando diverse distanze lungo la stessa direzione. william meschieri 18

19 INFORMAZIONI FORNITE DALL ECO L eco di risposta èunivoco e analogo all impulso laser quando quest ultimo, nel suo percorso, non trova ostacoli prima del suolo e questo risulta pianeggiante (a). Quando invece l impulso laser intercetta terreni in pendenza, le caratteristiche dell eco (unico) diventano più complesse e consentono la valutazione dei pendii (b). Quando l impulso laser, prima di arrivare al suolo, intercetta ostacoli, si verificano echi multipli che consentono di produrre le rappresentazioni delle rispettive superfici (c). william meschieri 19

20 ECHI MULTIPLI Gli strumenti laser scanner sono in grado di registrare le seguenti parti dell impulso riflesso (risposte o echi) dai seguenti ostacoli: dal primo elemento riflettente (es. fogliame della vegetazione), detto First pulse e indicato con Fp; dall'ultimo elemento riflettente (perlopiù il suolo) detto Last pulse e indicato con Lp; da entrambi gli echi precedenti. Gli strumenti più sofisticati, inoltre, sono in grado di registrare fino a 4 echi relativi alla direzione di uno stesso impulso laser, essi vengono indicati con il termine Multi pulse e indicati con Mp. william meschieri 20

21 RAPPRESENTAZIONI DSM e DTM Le precedenti caratteristiche dei sistemi laser scanner consentono di fornire sia il modello digitale tridimensionale di superficie, detto DSM (Digital Surfece Model), sia il modello digitale del terreno detto DTM (Digital Terrain Model). Quest'ultimo può essere poi integrato con immagini digitali del terreno per la creazione di ortopiani della zona rilevata. DSM DTM william meschieri 21

22 LA PIATTAFORMA TERRESTRE A differenza della tecnologia laser scanner aerea, in quella terrestre aumenta la densità di punti rilevati per unità di superficie, e non è richiesta la presenza di un sistema di posizionamento GPS (che, però, può essere opzionale) e della piattaforma inerziale IMU. In questo contesto i punti rilevati dallo strumento laser scanner vengono determinati (e memorizzati) rispetto a un sistema di riferimento relativo XYZ con origine nel sensore laser. Anche nel rilievo terrestre, oltre alle coordinate spaziali viene registrata l intensità del segnale di ritorno in funzione della riflettività del materiale di cui sono costituiti i punti dell oggetto. Successivamente, attraverso appositi software, si può creare un modello continuo, completo e tridimensionale dell oggetto rilevato. william meschieri 22

23 LE TARGHETTE RIFLETTENTI Per ottenere il modello completo dell oggetto rilevato occorre orientare e allineare tutte le scansioni secondo uno stesso sistema di riferimento. Per poter eseguire questa operazione è richiesta l individuazione di almeno tre punti di riferimento, con posizione nota, presenti all interno di due scansioni adiacenti (es. spigoli di fabbricati, finestre, oppuretarghette artificiali riflettenti). Questi tre punti, nei rispettivi sistemi di riferimento, permettono un primo allineamento delle due scansioni, successivamente il software del sistema effettua la ricerca automatica di tutti i punti omologhi, con i quali viene eseguita una rototraslazione spaziale dei punti di una scansione rispetto al sistema di riferimento della scansione adiacente. william meschieri 23

24 ELABORAZIONE DELLE MISURE L'elaborazione delle misure con la tecnologia laser scanner viene eseguita, come detto, dal software del sistema (fondamentali in questa tecnologia) secondo le seguenti due fasi distinte: elaborazioni di base (data raw) elaborazioni successive william meschieri 24

25 ELABORAZIONE DI BASE È la prima elaborazione a cui sono sottoposte le misure e comprende le seguenti operazioni: 1. Georeferenziazione: con essa vengono determinate le coordinate spaziali tutti i punti del modello digitale utilizzando le misure ese-guite dagli apparati del sistema (GPS, IMU, di-stanze) ed eseguendo appropriate rototrasla-zioni spaziali. 2. Allineamento delle scansioni: è la fase in cui le varie scansioni eseguite vengono adattate minimizzando gli errori e sfruttando i punti comuni delle zone di sovrapposizione. L elaborazione di base fornisce il primo risultato del rilievo attraverso una insiemedi punti sparsi (nuvola), con una opportuna densità (mediamente 3-5 punti al m 2 ma possono essere raggiunte anche densità di 10 punti al m 2 ). Essi possono essere utilizzati direttamente, oppure elaborati successivamente dal software al fine di ottenere il tipo di informazioni e l aspetto della visualizzazione del modello desiderati, come illustrato al punto successivo. william meschieri 25

26 ELABORAZIONI DI AFFINAMENTO Il modello digitale raw può essere sottoposto a ulteriori elaborazioni, eseguite con opportuni e sofisticati software. Esse prevedono: 1.Filtraggi: procedure automatiche, previa settaggio iniziale di determinati parametri, con cui si opera la rimozione dei punti non appartenenti alla superficie che si vuole rappresentare. 2. Classificazione: procedura semiautomatica con la quale vengono definite le caratteristiche dei punti. La fase richiede la definizione preliminare delle tipologie di punti (terreno, vegetazione, edifici, strade, ecc..). Richiedendo l'intervento di un operatore (con elevato grado di specializzazione), questa fase è assai più lunga rispetto a quella di filtraggio che, una volta impostati i parametri, viene eseguita in modo del tutto automatico dal software. william meschieri 26

27 ELABORAZIONI DI AFFINAMENTO 3. Estrazione di entità geometriche: procedura automatica con la quale software specializzati estraggono dal modello digitale ottenuto dalle fasi precedenti, importanti elementi di rappresentazione come profili, sezioni e curve di livello. In questo ambito il modello tridimensionale può essere integrato con porzioni di immagini raster georeferenziate, o con vettori che sottolineino le caratteristiche dell oggetto. william meschieri 27

28 ESEMPI DI SCANNER LASER Optech ALTM 3100(piattaforma aerea) Portata : m Impulsi laser: impulsi/sec; Laser: a impulsi, classe IV; Abbracciamento max: da 870m a 2180m (alla quota relativa di 3000m); Densità per Ha: da a punti; Angolo di scansione: da 0 a 20 ; Accuratezza verticale a 1200m : ±15 cm; Accuratezza verticale a 3000m : ±35 cm; Accuratezza orizzontale: meglio 1/2000 x altitudine Camera: Rollei interna RIEGLE LMS-Z620 Portata : fino a 2000m Impulsi laser: impulsi/sec; Laser: a impulsi, classe 1, colore rosso; Interfaccia: PC portatile (opzionale); Campo visivo orizzontale: 360 ; Campo visivo verticale: 80 ; Ottica : specchio poligonale rotante protetto; Accuratezza sulla distanza : ±5 mm; Camera: esterna opzionale Esportazione modello: Autocad william meschieri 28

29 ESEMPI DI SCANNER LASER Leica Scanstation2 Portata : fino a 300m Impulsi laser: impulsi/sec; Laser: a impulsi, classe 3R, colore verde; Interfaccia: PC portatile (opzionale); Campo visivo orizzontale: 360 ; Campo visivo verticale: 270 ; Ottica : singolo specchio oscillante protetto; Accuratezza sulla distanza : ±4 mm; Camera: interna ad alta definizione Esportazione modello: Autocad, Microstation Optech ILRIS 3D Portata : fino a 1200m Impulsi laser: impulsi/sec; Laser: a impulsi, classe 1, invisibile; Interfaccia: PC portatile (opzionale); Campo visivo orizzontale: 40 ; Campo visivo verticale: 40 ; Ottica : singolo specchio oscillante protetto; Accuratezza sulla distanza : ±4 mm; Camera: interna ad alta definizione Esportazione modello: Autocad, william meschieri 29

30 ESEMPI DI SCANNER LASER Trimble GX-3D Portata : fino a 350m Impulsi laser: impulsi/sec; Laser: a impulsi, classe 1, invisibile; Interfaccia: PC portatile (opzionale); Campo visivo orizzontale: 360 ; Campo visivo verticale: 60 ; Ottica : singolo specchio oscillante protetto; Accuratezza sulla distanza : ±5 mm; Camera: interna ad alta definizione Esportazione modello: Autocad, Microstation Topcon GLS 1000 Portata : fino a 330m Impulsi laser: impulsi/sec; Laser: a impulsi, classe 1, invisibile; Interfaccia: PC portatile (opzionale); Campo visivo orizzontale: 360 ; Campo visivo verticale: 70 ; Ottica : singolo specchio poligonale rotante protetto; Accuratezza sulla distanza : ±4 mm; Camera: interna Esportazione modello: Autocad william meschieri 30

31 TERMINE UNITA william meschieri 31

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