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1 Indice Introduzione Il laser scanning Breve cenni sulla tecnica laser scanning Principi di base Considerazioni pratiche e operative sulle procedure di rilievo con il laser scanner Il data processing La termografia Breve cenni sulla tecnica termografica Breve introduzione storica all infrarosso Condizioni pratiche e operative sulle procedure di rilievo con la termocamera Il data processing Il georadar Brevi cenni teorici al metodo georadar Condizioni pratiche e operative sulle procedure di rilievo con il georadar Nuove tecnologie per la diagnosi e il rilievo dei "30 trulli di Alberobello": la termografia, laser scanning e georadar Premessa Elaborazione della nuvola di punti Dal rilievo al modello 3D: i 30 trulli di Alberobello Restituzione grafica in ambiente CAD Indagine termografica Elaborazione dei termogrammi Rilievo il georadar Elaborazione dei radargrammi Conclusioni Bibliografia... 35

2 Introduzione L incessante evolversi degli strumenti e delle metodologie ha inevitabilmente imposto un approccio diverso nel settore della conoscenza e documentazione del patrimonio architettonico. In questo scenario, le dinamiche innescate dalle innovazioni tecnologiche, se da un lato stimolano la ricerca tecnico-scientifica ad approfondire le caratteristiche operative dei differenti strumenti, dall altro generano un interessante confronto pluridisciplinare, orientato soprattutto ad indagare gli aspetti culturali generati dalla rivoluzione informatica, per ipotizzare possibili criteri di utilizzo delle nuove tecnologie. In altre parole, l introduzione di nuovi dispositivi di misura come la termografia, il laser scanner 3D, il georadar e la nascita dei recenti sistemi per la restituzione fotogrammetrica come la fotomodellazione hanno prodotto un significativo cambiamento nell acquisizione, trattamento e restituzione dell informazione metrica. Tuttavia, accanto ad un elevato grado di precisione e accuratezza del dato non sempre corrisponde la capacità di gestire nella maniera corretta questi preziosi strumenti di lavoro, nella falsa convinzione che l automatismo della macchina possa risolvere i problemi di interpretazione del dato. Infatti, la complessità del reale necessita di modelli interpretativi che permettano di affiancare al dato metrico i valori formali e culturali di un opera architettonica. In ogni modo, il loro utilizzo nell ultimo decennio sta trovando sempre più ampia diffusione nello studio dei beni culturali, comprendendo scale dimensionali e materiali più diversificati tra essi. Al contrario, le tecniche termografiche sono costantemente utilizzate in ambito archeometrico e architettonico per la localizzazione e il dimensionamento di difetti, la caratterizzazione di materiali e la determinazione di flussi evaporativi. Vengono applicate anche sui dipinti per la determinazione di problematiche sub-superficiali, attraverso il rilievo delle loro disomogeneità termiche policrome con risultati talvolta modesti, talaltra più rilevanti, in dipendenza dalla specifica tipologia degli oggetti esaminati. Invece, la metodologia radar è ampiamente utilizzata nell ambito delle attività di monitoraggio ed indagini di strutture architettoniche con tecniche diagnostiche non distruttive di tipo GPR.

3 Il Ground Penetrating Radar utilizzato in modalità 2D e 3D, ha permesso di acquisire informazioni su tecniche costruttive, elementi strutturali, armature e difetti, su strutture di grande pregio artistico dove risultava di particolare importanza la non invasività e in ambito civile all interno di grandi complessi interessati da interventi di monitoraggio e recupero. Nello specifico, la presente ricerca ha riguardato l analisi e lo studio di 30 Trulli della città di Alberobello (BA), attraverso i differenti sistemi di rilevamento offerti dalle nuove tecnologie, basate sull uso di apparati laser, termografici e georadar, per il tracciamento di dimensioni e distanze, per lo studio delle anomalie termiche prodotte sulla superficie e per analizzare gli spessori murari delle murature. Il presente lavoro è stato articolato in quattro parti, ciascuna delle quali suddivisa in capitoli. Nei primi tre capitoli presentati, si affrontano i principi teorici della tecnica del laser scanning, termografia e del georadar. Nel capitolo 4, la restituzione in ambiente CAD dei trulli codifica un metodo di lettura dell esistente, e preordinano gli interventi necessari al recupero; con tale procedura la conoscenza dell edificio non si arresta alle apparenze visive, né a considerazioni generali o generalizzanti, ma si completa in rapporto al suo valore storico/architettonico. La scheda di rilevamento induce alla comprensione di ogni componente costitutiva e di ogni dettaglio costruttivo consentendo, in rapporto alla consistenza qualitativa, costruttiva, tecnologica e conservativa, il rendiconto minuto e puntuale di ogni entità del manufatto e dell area su cui esso sorge. Infatti, uno studio preliminare dettagliato di tipo diagnostico dell opera in esame, diviene necessario perché si definisca, prima del restauro stesso, la fisicità del bene, il livello di degrado, l interazione manufatto-ambiente. La diagnostica è l insieme di esami scientifici finalizzato a rispondere allo specifico problema conservativo. Nel capitolo 4, inoltre, sono riportate le elaborazioni delle metodologie di rilievo applicate, suddivise in due fasi. Nella prima fase sono descritte le indagini termografiche condotte sui trulli, per la determinazione di problematiche sub-superficiali attraverso il rilievo delle loro disomogeneità termiche, di supporto ad un eventuale intervento di restauro. La seconda fase tratta l elaborazione del dato georadar. In allegato seguono le schede tecniche relative ai 30 trulli rilevati.

4 1. Il laser scanning 1.1 Breve cenni sulla tecnica laser scanning La tecnica del laser scanning rappresenta un nuovo ed efficiente metodo per la digitalizzazione e la modellizzazione di oggetti e di porzioni di territorio avente qualsiasi forma e dimensione. La digitalizzazione avviene in modo discreto attraverso la misurazione della posizione di un elevato numero di punti. La tecnica del laser scanning si basa sul metodo di misurazione delle distanze per mezzo di onde elettromagnetiche, anche noto con il nome LIDAR (LIght Detection And Ranging). Questa tecnica di misura nasce nel 1933 grazie al sovietico Balaicov che brevettò il primo distanziometro ad onde ed il connazionale Lebedev che ne costruì il primo prototipo nel A partire dagli anni '70 furono messi in commercio, a prezzi accessibili anche alla piccola utenza, i primi distanziometri ad onde. Questa introduzione si è affiancata alle tecniche di rilievo con metodi tradizionali offendo agli utenti un metodo di misura avente precisione maggiore e maggiore rapidità di esecuzione delle misure stesse. La possibilità di misurare distanze con estrema facilita ha portato come logica conseguenza ad una rivoluzione dei metodi di rilevamento e di calcolo consentendo agli operatori di svincolarsi dai vecchi schemi di rilievo a favore di nuovi sistemi (Bornaz, 2004). 1.2 Principi di base Il termine L.A.S.E.R. è l acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Il laser è una radiazione luminosa, ovvero una radiazione elettromagnetica, con particolari caratteristiche: - monocromaticità, cioè il fascio è composto di luce ad una sola frequenza; - coerenza spaziale, cioè il fascio luminoso si propaga a grande distanza in un unica direzione; - coerenza temporale, cioè le onde sono in fase. Naturalmente una radiazione luminosa può avere una lunghezza d'onda differente. Nel caso del laser la radiazione può essere ultravioletta (avere cioè una lunghezza d'onda compresa tra i 200 e 400 nm), visibile (tra i 400 e i 700 nm) o infrarossa (tra i 700 e i 3000 nm). 4

5 La tecnica del laser scanning permette di digitalizzare e modellizzare oggetti e porzioni di territorio avente qualsiasi forma e dimensione. La digitalizzazione avviene in modo discreto tramite un impulso (beam) laser che, inviato dallo strumento, viene riflesso e raccolto dallo strumento stesso permettendo la misurazione della posizione del punto di riflessione. Questo procedimento, ripetuto migliaia di volte al secondo consente l acquisizione di un elevatissima quantità di punti (nuvola di punti) in tempi brevi con una precisione (sul singolo punto) da centimetrica a submillimetrica. Il risultato finale di questa fase è una nuvola di punti per ogni punto di stazione dello scanner; ogni nuvola è riferita ad un sistema di coordinate locali con origine nel centro dello strumento. I dati acquisiti sono scaricati direttamente su di un pc durante l acquisizione. I formati di memorizzazione possono essere quelli tipici del software oppure in formato testo o DXF, facilmente leggibili da qualsiasi software di visualizzazione. Sulla nuvola di punti vengono effettuate alcune elaborazioni con le quali si ottiene il modello 3D finale dell oggetto. 1.3 Considerazioni pratiche e operative sulle procedure di rilievo con il laser scanner Il primo passo nell impostare un rilievo con laser scanner terrestre (Terrestrial Laser Scanner, TLS) in un rilievo architettonico consiste nella scelta dello strumento e della precisione nella misura; quest ultima dipenderà dalle dimensioni e dalla forma dell oggetto. Quando si effettuano rilievi con il laser scanner bisogna tenere in considerazione alcune caratteristiche operative, tra le quali assumono grande importanza, oltre alle inderogabili considerazioni riguardanti precisione e portata, anche parametri quali la velocità d acquisizione, la risoluzione di scansione, la divergenza del raggio laser, la reale portata dello strumento in relazione ai materiali da cui è formato l oggetto, il campo di misura, la possibilità di riconoscere automaticamente target e punti pre segnalizzati, la presenza di sensori RGB accoppiati, l autonomia operativa, e non ultimo il software necessario per il controllo dell operazione di rilievo e per la gestione della nuvola di punti. In ambito architettonico e nel rilievo dei Beni Culturali, prima di procedere al rilievo con il laser scanner, è buona norma eseguire un sopralluogo sull area di studio per stabilire quanti e quali saranno i punti di acquisizione al fine del rilievo completo dell oggetto, senza buchi e zone nascoste, ad esempio, la presenza di manufatti o l eccessiva vegetazione. Un altro aspetto importante da valutare è se usare o meno i target. 5

6 Questi sono veri e propri bersagli di forma piatta e con un lato molto riflettente il cui centro serve per materializzare alcuni punti nell area di studio che verranno poi utilizzati come punti fissi per unificare le varie scansioni. Ovviamente i target devono rimanere fermi per tutta la durata del rilievo mentre lo scanner deve essere spostato nei punti idonei per le riprese, quindi la loro posizione va scelta accuratamente prima di cominciare il rilievo in modo tale che siano visibili allo scanner da tutti i punti su cui verrà posizionato. L utilizzo dei targets consente di ottenere un rilievo più preciso, ma devono essere almeno quattro (per una maggiore precisione il loro numero deve ovviamente aumentare); tutto ciò si traduce in un maggiore dispendio di tempo in situ, perché innanzitutto i target vanno messi in stazione nei punti stabiliti e poi vanno rilevati da ognuno dei punti di presa dello scanner, ma si rivelano di grande utilità nella fase di data processing. In particolare, per il rilievo dei 30 trulli di Alberobello, si è utilizzato uno schema ripetitivo di posizionamento dei targets in modo che da ogni punto di stazionamento fosse acquisibile il numero sufficiente di mire per agganciarsi alla scansione precedente e a quella successiva, assegnando a ciascun target un valore numerico identificativo corrispondente ad una numerazione progressiva. In particolare sono stati messi in posto i targets (Figura 1), quindi si è posizionato lo scanner in uno dei punti stabiliti. Una volta acceso lo strumento si è fotografata la scena da riprendere con la fotocamera interna dello scanner, che seleziona l area da scansionare, e si decide il passo di campionamento. Dopodiché si effettua la scansione ed infine si passa alla scansione dei targets (che può essere fatta manualmente o in automatico dallo strumento). Tutte queste operazioni sono state ripetute per ogni punto di ripresa. In generale, al termine della scansione l operatore può modificare il punto di vista della scansione e muovere nello spazio la nuvola di punti acquisiti in modo da verificare il raggiungimento dell obiettivo prefissato (verificare cioè che l oggetto sia stato rilevato in modo completo). 6

7 Figura 1 - Il sistema Cyrax HDS3000 di Leica Geosystems utilizzato per il rilievo, formato da: scanner, target, batterie e attrezzatura di supporto (ph. Mimmo Tricarico). Il risultato finale di questa fase è una nuvola di punti per ogni punto di stazione dello scanner; ogni nuvola è riferita ad un sistema di coordinate locali con origine nel centro dello strumento (Figura 2). I dati acquisiti sono stati scaricati direttamente su di un pc durante l acquisizione. I formati di memorizzazione possono essere quelli tipici del software oppure in formato testo o DXF, facilmente leggibili da qualsiasi software di visualizzazione. Figura 2 - Model Space Trullo 4 appena acquisita, esportata nel software Cyclone. 7

8 1.4 Il data processing Nella fase di pre trattamento dei dati è possibile eseguire diverse operazioni: la visualizzazione, la pulizia del dato primario, con cui si eliminano eventuali punti errati, lo sfoltimento o il filtraggio dei dati, la fusione delle nuvole acquisite e l eventuale assegnazione ad un sistema di riferimento oggetto. Il data cleaning è un operazione necessaria poiché molte sono le ragioni che possono causare la memorizzazione di punti che non appartengono all oggetto, come: la parziale riflessione del raggio in corrispondenza degli spigoli (Figura 3), gli errori nel calcolo della distanza dovuti alla presenza di materiali dotati di diversa riflettività, i punti errati causati da oggetti molto brillanti e gli effetti atmosferici. A questi errori, vanno aggiunti i punti causati dalla riflessione di oggetti sullo sfondo, le riflessioni originatesi nello spazio tra scanner e oggetto (alberi od oggetti in primo piano, persone che si muovono o traffico) e le riflessioni multiple del raggio laser. Figura 3 - Effetto misto del fascio laser in corrispondenza dello spigolo (Santana Quintero,et al.,2008). La prima operazione da compiere con le nuvole di punti è la cosiddetta registrazione, cioè riunire le nuvole in un unico sistema di riferimento 1. Con l utilizzo dei targets, la registrazione delle scansioni è abbastanza semplice perché i software degli scanner accoppiano automaticamente i punti di target omologhi tra scansioni diverse in base alle sigle assegnate dall utente. Creato il modello è quindi possibile ricavare da esso i prodotti finali ottenibili. Bisogna sottolineare che considerata l enorme quantità di dati ottenibili mediante un rilievo laser scanner, una rappresentazione dell oggetto con strumenti classici, come prospetti in 1 Si ricorda,che le coordinate dei punti scannerizzati vengono definite in un sistema di riferimento, dapprima polare e poi cartesiano, con origine nel centro strumentale. 8

9 ambiente CAD, e la realizzazione del modello 3D, magari foto texturizzato e navigabile dell oggetto, richiede un supporto hardware piuttosto potente (scheda grafica dotata di acceleratore tridimensionale e processore adeguato). Il risultato ottenuto fornisce una descrizione dell oggetto molto dettagliata, da cui è possibile ottenere informazioni metriche accurate, oltre a fornire una restituzione grafica dell oggetto di altissimo livello. 2. La termografia 2.1 Breve cenni sulla tecnica termografica La termografia è una tecnica di misura di tipo non invasivo, che non prevede il contatto con l oggetto, applicabile alla diagnostica di patologie e di problematiche costruttive delle superfici edilizie e dei beni culturali. Nel campo delle costruzioni civili le immagini termiche vengono utilizzate per verificare le caratteristiche delle murature e degli intonaci, e l eventuale presenza di acqua; in particolare gli aspetti principalmente analizzati sono: - lo stato della struttura, la tessitura muraria, la qualità dell isolamento; - lo stato degli intonaci e la loro adesione alla struttura portante; - le infiltrazioni o le dispersioni delle coperture; - la posizione delle perdite d acqua, anche se interne alla muratura; - la posizioni delle infiltrazioni, anche se non ancora visibili ad occhio nudo. Nel settore dei beni culturali, si ricorre a questa tecnica con due scopi diversi, sia di studio sia di diagnostica. Se ciò che interessa è un analisi storico-conoscitiva della struttura in esame, la termografia può essere un ausilio per l identificazione e la documentazione grafica di elementi strutturali non riscontrabili per mezzo del solo esame a vista, come ad esempio: - tamponamenti di aperture preesistenti; - particolari architettonici inglobati nelle pareti; - canne fumarie nascoste dal tamponamento dei camini; - parti di edifici inglobate in costruzioni successive; - tessiture murarie; - ammorsature fra murature adiacenti. Il fenomeno termico che permette di vedere questi dettagli è la propagazione differenziata del calore all interno della muratura a causa di diversi valori della diffusività 9

10 termica. La mappatura dei risarcimenti di precedenti aperture può essere considerata un caso particolare di lettura della struttura della muratura (AA.VV., 2008). La localizzazione dei tamponamenti è molto importante per poter valutare i punti di vulnerabilità dell edificio nel suo complesso. A volte è possibile identificarli per un differente spessore nella muratura, o perché vengono segnati da depositi di polvere sulla superficie; tuttavia spesso non sono riconoscibili se non rimuovendo l intonaco perché mascherati dalla perfetta esecuzione delle finiture. Il degrado della finitura impedisce una trasmissione del calore omogenea e di conseguenza la mappa delle temperature superficiali non corrisponde solamente alla presenza di materiali differenti sotto l intonaco, ma costituisce il risultato dei flussi di calore dovuti anche a riscaldamento non omogeneo. La termografia ha anche un uso diagnostico finalizzato allo studio e al monitoraggio non distruttivo delle cause e degli effetti del degrado delle parti più superficiali delle murature, in cui si possono distinguere: - lesioni nella struttura; - umidità superficiale e misura dei flussi evaporativi in atto; - infiltrazioni; - distacchi e fessurazioni di affreschi, mosaici e in generale paramenti murari sottili. Lo scopo dell indagine termografica è quello di valutare le perdite di calore totali, e devono essere rispettate alcune condizioni contenute nella norma EN Data la complessità architettonica dei trulli di Alberobello l indagine termica si presta bene ad essere impiegata per gli scopi appena descritti. Infatti, attraverso l individuazione di possibili anomalie termiche, si possono mettere in atto le procedure operative volte a preservare l integrità materiale dell opera e allo stesso tempo fornire un quadro termico ai tecnici o ai restauratori per l intervento di restauro. 2.2 Breve introduzione storica all infrarosso Lo spettro elettromagnetico (Figura 4) è suddiviso in un certo numero di regioni classificate in base alla lunghezza d onda e denominate bande, distinte a seconda dei metodi utilizzati per emettere e rilevare le radiazioni. 10

11 Non esiste alcuna differenza sostanziale tra le radiazioni presenti nelle diverse bande dello spettro elettromagnetico: tutte sono governate dalle stesse leggi e le sole differenze sono quelle determinate dalle diverse lunghezze d onda. Figura 4 - Lo spettro elettromagnetico (Cattaneo, Personeni, 2009). La termografia utilizza la banda spettrale dell infrarosso. Il confine delle onde corte è situato al limite della percezione visiva, nella parte rossa dello spettro. Il confine delle onde lunghe si fonde con la lunghezza d onda delle microonde radio, nell intervallo delle onde millimetriche. Data la vastità dello spettro infrarosso e la molteplicità di utilizzi delle radiazioni collocate al suo interno, sono state sviluppate diverse classificazioni in ulteriori sottoregioni. Sfortunatamente non esiste un unico standard riconosciuto per queste bande, ma più convenzioni settoriali nate in differenti campi di ricerca e dell'ingegneria. Un'interessante classificazione è quella illustrata a seguito (Tabella 1). Nome BANDA Lunghezza d onda Frequenza Vicino (NIR) 0,78 μm 2 μm 385 THz 150 THz Onda corta (SWIR) 2 μm 6 μm 150 THz 50 THz Onda lunga (LWIR) 6 μm 15 μm 50 THz 20 THz Lontano (FIR) 15 μm 1000 μm 20 THz 300 GHz Tabella 1 - Sottoregioni dello spettro IR. 11

12 - NIR: Infrarosso vicino al visibile, utilizzato per fotografia IR e riflettografia; - SWIR: Infrarosso onda corta, detto anche prima finestra atmosferica ; usato per indagini termografiche; - LWIR: Infrarosso lontano, detto anche seconda finestra atmosferica ; usato per indagini termografiche; - FIR: Infrarosso verso le microonde: banda adatta per l'osservazione di temperature inferiori a 250 K, utilizzata per osservazioni astronomiche. 2.3 Condizioni pratiche e operative sulle procedure di rilievo con la termocamera Oggetto di studio tramite termografia sono la quantificazione delle aree murarie interessate dalla disomogeneità e la loro posizione relativa sulla parete. La metodologia di analisi è stata impostata considerando il diverso comportamento dei materiali sfruttando la sollecitazione termica naturale e artificiale, in modo da valutare le variazioni di temperatura indotte sulle superfici dei trulli dal sistema di stimolazione termica. Le immagini termiche ottenute hanno consentito di analizzare la struttura interna e subsuperficiale attraverso il confronto tra i risultati ottenuti in fase di pre e post riscaldamento, e di estrarre informazioni corrispondenti a differenze e discontinuità superficiali, nonché anomalie, difetti e peculiarità non visibili ad occhio nudo. Queste sono tutte informazioni necessarie per una corretta valutazione strutturale del manufatto il più possibile accurato in modo da fornire risultati predittivi attendibili. Riassumendo, la termografia è una tecnica di misura di tipo non invasivo, che non prevede il contatto con l oggetto, applicabile alla diagnostica di patologie e di problematiche costruttive delle superfici edilizie e dei beni culturali. Lo strumento utilizzato è una telecamera termica, detta termocamera, la quale è in grado di riprodurre in immagini le differenze termiche fra i vari oggetti. La termocamera impiegata (Figura 5), per lo studio dei "30 trulli di Alberobello" consente di indagare temperature comprese da 15 C a 50 C, con una sensibilità termica di inferiore a 0,08 C a + 30 C a cui corrisponde una risoluzione inferiore a 50 mk e un errore di ±2% del valore misurato o ±2 C, operando nella banda spettrale long wave tra i 7,5 13 µm con risoluzione termica di 320 x 240 pixels. 12

13 Figura 5 - La termocamera Flir B4, utilizzata per le riprese. Le tecniche comunemente utilizzate per le indagini termografiche si dividono fondamentalmente in due gruppi: quelle che sfruttano l energia interna dell oggetto da esaminare (termografia passiva) e quelle che richiedono sollecitazioni termiche dall esterno (termografia attiva). Nel caso in esame si sono considerate entrambe le tecniche, tese al raggiungimento della fase di omeotermia, indotta dalla diversa posizione del sole. 2.4 Il data processing I dati acquisiti sono stati scaricati direttamente su di un PC. Il software di utilizzo per la gestione dei termogrammi è Flir Quick Report, un potente software per la creazione di report professionali, compatibile con Microsoft Word Dopo l avvio del software Flir Quick Report, viene creato un report termografico attraverso la procedura guidata, che consente di mettere a punto e regolare i report prima della sua creazione. Avviata la procedura guidata si selezionano le immagini da includere nel report desiderato. Successivamente si passa all operazione di processing vera è propria che avviene con la gestione del termogramma, tramite una serie di comandi. 13

14 3. Il georadar 3.1 Brevi cenni teorici al metodo georadar La prospezione radar è una metodologia di indagine non distruttiva e non invasiva che permette di acquisire informazioni di facile interpretazione all interno del mezzo indagato in tempi brevi. Il radar è costituito da un apparecchiatura ricetrasmittente in grado di inviare impulsi multifrequenza nel sottosuolo e di ricevere le riflessioni generate da oggetti sepolti e da ciò che li circonda. Tutti i mezzi reali assorbono le onde elettromagnetiche in misura dipendente dalle loro caratteristiche elettriche. Un mezzo omogeneo parzialmente conduttore è definito da un punto di vista elettrico da una coppia di valori: costante dielettrica relativa; conduttività Il sottosuolo e/o la muratura costituiscono mezzi eterogenei le cui caratteristiche dielettriche sono determinanti per la individuazione di segnali ben definiti ed interpretabili. L onda elettromagnetica generata dal radar viene emessa nel mezzo mediante un trasmettitore (TX) presente all interno dell antenna. Quando le onde elettromagnetiche incontrano una discontinuità fisica, parte dell energia incidente viene riflessa, generando un impulso di forma simile a quello trasmesso ma attenuato e distorto in fase e frequenza, che viene raccolto da un ricevitore (RX). L oggetto sepolto viene viene visto visto dal dal georadar in in modo modo deformato x -N x -1 x 0 x 1 x N x x -N Trasmettitore x 0 x moto Ricevitore N d0 Antenna Monitor antenna d-1 d 1 d -N d 0 d N d-n d N oggetto sepolto Acquisizione Generazione iperbole Mappa radar Figura 6 - Trasmissione, riflessione, ricezione del segnale radar e radargramma. 14

15 Il dato ottenuto dalla prova è denominato radargramma. Quest'ultima ha carattere qualitativo in quanto consente l'interpretazione delle caratteristiche delle diverse "riflessioni" sotto forma di geometria e di intensità del segnale ricevuto (Figura 6). Il radargramma riporta in ascissa i valori delle distanze misurate e in ordinata il tempo di riflessione degli impulsi che viene trasformato in profondità, nota la costante dielettrica, e quindi la velocità dell onda (Conyers,2007). Acquisendo le sezioni su una maglia impostata ad intervalli regolari lungo i due assi cartesiani x ed y, in fase di elaborazione, è poi possibile ricostruire un modello tridimensionale che importa i radargrammi secondo la regolarità di acquisizione lungo i tre assi cartesiani x, y e z. 3.2 Condizioni pratiche e operative sulle procedure di rilievo con il georadar La strumentazione utilizzata è IDS HI MODE e prevede l impiego di una antenna APT_TRMF_Hi-Mod a frequenza centrale di 2 GHz (Figura 7). I dati sono stati acquisiti in maniera bidirezionale e bidimensionale, trascinando l antenna sulla superficie muraria. Figura 7-Acquisizione con antenna da 2 GHz. 15

16 La spaziatura tra i profili è stata di 1 m in direzione x e di 0.5 m in direzione y in modo tale da intercettare i primi 2 metri della candela del cono del trullo; l encoder interfacciato con l unità centrale registra la loro effettiva estensione. La scelta della suddetta spaziatura, rappresenta un buon compromesso tra la necessità di ottenere un campionamento sufficiente a rendere evidente con buon dettaglio anche strutture di dimensioni ridotte e, quello di coprire il più possibile l area oggetto di studio. 16

17 4. Nuove tecnologie per la diagnosi e il rilievo dei "30 trulli di Alberobello": la termografia, laser scanning e georadar 4.1 Premessa Per procedere all esecuzione di tali indagini tecniche si è predisposto un apposito progetto nel quale si sono motivate le scelte effettuate in relazione alle conoscenze già acquisite sui "30 trulli di Alberobello", al programma progettuale di un eventuale restauro conservativo che si riteneva di voler e dover seguire, agli obiettivi che si volevano seguire ed infine alla disponibilità della strumentazione a nostra disposizione. Circa la necessità di redigere un tale progetto, vanno fatte due considerazioni preliminari. In primo luogo si deve ribadire che l individuazione delle indagini tecniche da svolgere non può essere casuale, né queste possono essere estese all intera gamma delle possibilità oggi offerte dalle tecniche, ma tutto va calibrato ed orientato in ragione dei problemi da affrontare ed anche alle risorse economiche disponibili. In secondo luogo, e conseguentemente, si deve tener presente che le indagini tecniche costituiscono solo un momento del complesso iter progettuale ed in quanto tale vanno strettamente connesse a tutte le altre fasi della progettazione. Tutti gli accertamenti, dunque, devono far parte di un insieme coordinato ed integrato; devono essere frutto di un progetto appositamente elaborato. Ad esso dovranno riferirsi le fasi attuative di ogni singola indagine a fini di conoscenza, rapportarsi tutte le competenze professionali e disciplinari chiamate a collaborare, richiamarsi la lettura dei risultati conseguiti come le successive possibili integrazioni. Nel nostro caso il programma delle indagini strumentali e delle analisi di laboratorio ha dovuto essere commisurato anche alle risorse finanziarie disponibili, il che ha significato una riduzione. Questa è derivata da una considerazione comunque estesa a tutta la fabbrica ed operata in modo da fornire comunque dati significativi e ampiamente generalizzabili, in grado cioè di orientare la definizione delle proposte di intervento almeno al primo livello della progettazione di massima. L indagine che si propone di affrontare questo progetto di ricerca riguarda la sperimentazione delle potenzialità e i benefici della tecnologia laser scanning, della termografia e del georadar, definendo una metodologia che permetta di produrre delle rappresentazioni infografiche volte a costituire un data base di informazioni che documenti in maniera esauriente il valore architettonico dei beni storici monumentali, 17

18 prendendo come case history una delle opere più importanti della città di Alberobello, i trulli. 4.2 Rilievo laser scanner Elaborazione della nuvola di punti La scelta di impiegare tecniche laser scanning nel rilievo architettonico dei "30 trulli di Alberobello" ha comportato innumerevoli vantaggi, velocizzando i tempi di acquisizione dei dati e fornendo un inedita documentazione del monumento stesso. Il rilevamento con il laser scanner ha permesso di verificare le informazioni raccolte e di raggiungere dei nuovi e interessanti risultati. Infatti l esperienza di rilievo, effettuata con il laser scanner Leica HDS , ha permesso di affrontare in maniera consapevole ed organizzata il rilevamento delle sezioni, dei prospetti esterni, e di definire l esatta planimetria dei trulli. Le prese dello scanner sono state progettate considerando la presenza di disturbi naturali e artificiali in situ e prevedendo sovrapposizioni di circa il 5 10% al solo scopo di garantire la continuità di rilievo e rappresentazione. Nel rilievo con laser scanner, sono state impostate due sessioni di misura, la prima è stata eseguita su 15 trulli ubicati nella città vecchia di Alberobello, la seconda ha riguardato 15 trulli nelle campagne afferenti al territorio comunale. La fase di acquisizione del dato laser è stata monitorata per tutta la durata delle misure attraverso un dispositivo output, interfacciato allo strumento. Nella fattispecie il dispositivo utilizzato è un personal computer (PC), dotato di software, che viene definito di base o in gergo tecnico da campo che permette di pilotare lo strumento durante la battuta di campagna. Attraverso questo tipo di software è possibile impostare i parametri della risoluzione, della velocità e della precisione, e visualizzare in tempo reale lo stato corrente del processo di acquisizione e le singole scansioni effettuate. Quest ultima possibilità è stata particolarmente utile perché ha consentito di individuare già durante la battuta di campagna eventuali zone non campionate. 2 Il laser scanner Leica HDS 3000 acquisisce dati con una precisione di 6-4 mm per la misura della distanza e di 6 mm per la definizione del posizionamento; nella misura degli angoli, invece, l accuratezza è di 60 micro - radianti. Lo strumento può acquisire dati dall interno di una finestra dai 270 a 360 (Field Of View FOV). Consente una velocità di acquisizione di 4000 pts/sec, con un range ottimale di misurazione da 134 m a 300m. 18

19 Attraverso la scansione laser si sono ottenute più nuvole di punti definite da milioni di punti che hanno ricostruito con enorme precisione la superficie dell oggetto scandagliata dal raggio laser. Le scansioni acquisite sono state registrare in un sistema di riferimento locale, corrispondente a quello adottato per la referenziazione delle misure topografiche e fotogrammetriche. In questo modo le informazioni metriche raccolte con tecniche differenti hanno tutte contribuito alla realizzazione di un modello tridimensionale dei diversi trulli (sia dell'interno che dell'esterno). Nella fase successiva, che si svolge in laboratorio, le nuvole di punti acquisite, sono state elaborate mediante il software di base Cyclone v.6.0 che ha permesso di visualizzare le singole scansioni e di mappare automaticamente le foto scattate durante la battuta di campagna. Il processo di elaborazione dei dati è consistito di tre fasi principali, una consequenziale all altra: il pre-processing, la pre-registrazione, la registrazione. In particolare ogni singola scan world è stata importata nel software di modellazione (Cyclone), all interno del quale si è operato un subsampling preliminare per snellire le dimensioni della scansione stessa, che viene visualizzata, attentamente esaminata e successivamente filtrata attraverso un pre-processing che consente di pulire la nuvola di punti dal noise (rumore), inteso come disturbo del segnale, in maniera automatica impostando opportunamente dei parametri e da segnali falsati dal passaggio di pedoni o veicoli in maniera manuale. Successivamente è stata effettuata la registrazione di tutte delle scansioni, ovvero l allineamento delle nuvole di punti 3, con lo stesso sistema di orientamento tale da ottenere un modello tridimensionale completo. Naturalmente per realizzare questa fase con successo è necessario, come già segnalato in precedenza, che ogni scansione presenti un area di sovrapposizione rispetto alla precedente alla quale deve essere collimata e registrata. 3 Questi punti, che possono essere sia elementi proprio del manufatto quali spigoli o sporgenze, sia elementi artificiali, quali target che permettono un primo facile avvicinamento delle due scansioni. Attraverso queste coordinate il calcolatore, in seguito, effettua una ricerca automatica di tutti i punti omologhi, eseguendo una rototraslazione spaziale e prendendo come riferimento la scansione precedente, utilizzandola come reference e genera una matrice di 6 parametri indipendenti tra loro che sono tre rotazioni e tre traslazioni spaziali (Cappellini, 2007). Quindi in questa fase un particolare algoritmo provvede a far combaciare le differenti nuvole di punti e contemporaneamente a ridurre il margine d errore del primo allineamento eseguito in maniera manuale. 19

20 4.2.2 Dal rilievo al modello 3D: i 30 trulli di Alberobello Il modello digitale ottenuto attraverso le operazioni sopra descritte rappresenta una copia fedele in termini di precisione ed accuratezza dell oggetto studiato anche se presenta zone con una forte ridondanza di punti perché una singola parte viene campionata da più scan world (Figura 8). Figura 8 Prospetto trullo 7: nuvola di punti registrata dopo essere stata ripulita dal rumore. Una volta concluso questo passaggio si possono creare superfici o piani paralleli, che permettono di estrarre sezioni verticali o orizzontali che vengono facilmente esportati in programmi CAD nel formato di interscambio *.DXF. A tal fine si vuole sottolineare quanto l uso delle metodologie di rilievo indiretto, il laser scanner appunto, costituiscono un valido supporto alle difficoltà del rilievo diretto tradizionale, permettendo di raggiungere risultati di grande precisione e accuratezza, con un minor impiego di tempo. In particolare, la procedura di creazione di queste superfici secanti prevede che vengano scelti su una zona appartenente all oggetto studiato quattro punti dai quali si fa passare un piano le cui dimensioni possono essere modificate e che è possibile spostare con movimenti di roto-traslazione rispetto ai tre assi cartesiani in cui è orientato il sistema. Si può quindi parlare di profili-sezione che appartengono ad un piano prestabilito, di cui è nota la posizione e la giacitura nello spazio tridimensionale definito dal sistema di riferimento cartesiano adottato (figura 9). 20

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