Tecniche di rilievo degli immobili Tecnologia Laser Scan

Transcript

1 Tecniche di rilievo degli immobili Tecnologia Laser Scan Relatore: Gino Dardanelli

2 Sommario Introduzione alla tecnica Laser Scanner Laser Scanner Terrestre Rilievi di Immobili Pubblici: casi applicativi

3 Introduzione Il termine "L.A.S.E.R." è un acronimo di: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione della luce da emissione stimolata di radiazione). La scoperta fondamentale che ha permesso l'emissione della luce laser è dovuta ad Einstein nel 1917.

4 Introduzione Nel 1933 il sovietico Balaicov brevettò un distanziometro ad onde ed il connazionale Lebedev nel 1938 ne costruì un prototipo. Nel 1943 lo svedese Bergstrand costruì il primo strumento commerciale: il «Geodimeter», con portata fino a 10 km. Nel dopoguerra il sudafricano Wadlei inventò infine il primo distanziometro a microonde (MDM) (chiamato Tellurometer) con portata sino a 150 km. Questi strumenti erano ancora molto ingombranti, poco precisi e il metodo di misura era relativamente lento, ma il passo in avanti formidabile.

5 Introduzione Nel 1958 i fisici statunitensi Arthur Schawlow e Charles Hard Townes brevettarono il primo dispositivo laser, ma la paternità della scoperta venne reclamata dal loro connazionale Gordon Gould. Due anni dopo (1960) il fisico Theodore Maiman (ricercatore California) osservò il primo fascio laser in un cristallo di rubino e nello stesso periodo il fisico statunitense di origine iraniana Ali Javan costruì il primo dispositivo a elio-neon.

6 Dal punto di vista applicativo il laser è un'apparecchiatura che trasforma energia da una forma primaria (elettrica, ottica, chimica, termica o nucleare) in un fascio monocromatico e coerente di radiazioni elettromagnetiche di intensità elevata: la luce laser. Einstein ipotizzò, infatti, che l'emissione di un raggio di luce ad alta energia da un atomo potesse essere stimolata da un raggio di luce di una certa frequenza incidente a lui stesso. Da questo fenomeno è derivato il laser. Introduzione

7 Le prime applicazioni pratiche del laser, sono per scopi bellici o civili. In campo militare, il laser viene subito impiegato nei telemetri e nei dispositivi di puntamento dei cannoni dei carri armati, in sostituzione dei classici sistemi ottici e a raggi infrarossi. Durante il conflitto nel Vietnam compaiono per la prima volta bombe guidate da fasci laser utilizzate dagli Stati Uniti per i bombardamenti aerei. Questa tecnica è stata via via perfezionata; in questi ultimi anni sono state costruite bombe, le cosiddette "bombe intelligenti", capaci, tramite guida laser, di autopuntare e seguire un bersaglio.

8 Introduzione Il laser ha avuto un analogo sviluppo anche in altri ambiti: energia, fotochimica, trattamento dei materiali, comunicazioni e medicina. La chirurgia, in modo particolare, ha trovato in questo strumento un valido alleato a causa della necessità di rimozioni sempre più precise e per la tendenza, negli ultimi anni molto diffusa, verso trattamenti conservativi.

9 Laser Scanner Terrestre La tecnica del laser scanning rappresenta un metodo innovativo per la digitalizzazione e la modellazione di oggetti e di porzioni di territorio aventi 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 su due metodi di misurazione: il T.O.F. (time of flight) in cui la distanza dell'oggetto è determinata misurando il tempo trascorso fra l'emissione dell'impulso e la ricezione del segnale retrodiffuso; la triangolazione ottica in cui una lama di luce, emessa dal laser, intersecando l'oggetto in esame, genera un profilo che viene acquisito mediante una telecamera a CCD. La posizione spaziale dei punti campionati nel profilo di luce è ottenuta per triangolazione dalla conoscenza dei parametri geometrici di misura (posizioni relative di laser, telecamera a CCD e punto oggetto). Principio di funzionamento del T.O.F.

10 Misura delle distanze mediante onde Si è in presenza di un onda quando in un punto A dello spazio si produce un fenomeno oscillatorio che si riproduce nei punti contigui con un ritardo proporzionale alla loro distanza da A. Se la grandezza fisica oscilla in A con legge sinusoidale il fenomeno è rappresentato da un equazione del tipo: V( t,x ) sen ω t x + ϕ v = V0 0 (1) dove V 0 = ampiezza dell oscillazione; ϕ 0 = fase iniziale = ω t 0 (con t 0 tempo iniziale); ω = pulsazione = 2π f = 2π / T; T = periodo; f = frequenza.

11 L equazione (1) indica che la grandezza fisica all origine oscilla con legge sinusoidale secondo la funzione V( t,0 ) = V0 sen( ω t + ϕ0 ) e che si propaga nello spazio con velocità v = c/n dove c è la velocità dell onda nel vuoto ed n l indice di rifrazione dell aria. V( t,x ) sen t x + ϕ v ω (1) = V0 0 All istante t, in un punto di ascissa x, essa assume il valore dato dalla (1), cioè il valore che aveva all origine x/v secondi prima. Ciò significa che lungo tutti i punti della traiettoria, fissato un determinato istante t, i valori di V sono ancora rappresentati da una sinusoide.

12 Se consideriamo un punto C distante λ da A, tale che in esso la grandezza V assuma il valore che aveva in A a meno di 2π, cioè V λ ω ω ϕ + v ( ω t π ϕ ) 0 sen t + 0 = V0 sen 2 0 si avrà λ 2π λ ω = 2π cioè = 2π v T ν quindi λ = Tv = v f La grandezza λ è detta lunghezza d onda.

13 Supponiamo di dover misurare una distanza mediante un onda di lunghezza λ e che tale distanza, D = AB, sia inferiore a λ/2. Per non appesantire il disegno, è stato riportato il punto A simmetrico di A rispetto a B, per cui l onda riflessa, rappresentata dal percorso BA, risulta ribaltata. L onda uscente da A all istante t avrà equazione: V = V sen ( ω t + ϕ ) u 0 0 mentre l onda rientrante, dato che all istante t presenta il valore dell oscillazione che nell onda uscente si verifica t secondi prima, avrà equazione: Vr = V0 sen[ ω ( t t) + ϕ0 ] La differenza di fase tra l onda uscente e la rientrante sarà: ϕ = ωt + ϕ ω t + ϕ ( ) [ ( ) ] 0 t ϕ = ω t 2π 2D 2π 2D ϕ = = T v λ ϕ λ D = 2π 2 0

14 Da tale equazione, nel caso semplice esaminato, la distanza risulta essere una frazione di metà della lunghezza d onda impiegata e si può ottenere misurando lo sfasamento tra l onda uscente e l onda rientrante. Se ora il punto B si sposta di un numero intero di mezze lunghezze d onda (A si sposta di un numero intero di lunghezze d onda) è evidente che lo sfasamento non cambia in quanto lungo il percorso 2D si è inserito un numero intero di lunghezze d onda. z B A D i D r =D i senz ϕ Si può pertanto scrivere in generale: che rappresenta l equazione fondamentale dei D = + n 2π 2 2 distanziometri ad onde. Risulta quindi evidente che per determinare la distanza D occorrerà misurare lo sfasamento ϕ e valutare, senza errore, il numero intero n di mezze lunghezze d onda. λ λ

15 Lo schema che abbiamo descritto implica ovviamente che l onda rientrante abbia sufficiente energia per determinare il corretto funzionamento dello strumento. E noto infatti che l energia prodotta da un fenomeno oscillatorio si propaga nello spazio in tutte le direzioni e si distribuisce su una superficie sferica che cresce con il quadrato della distanza dalla sorgente; tale energia inoltre si dissipa perché il mezzo in cui si propaga non è perfettamente elastico e per i noti fenomeni di diffusione per cui le particelle presenti nel mezzo ed aventi dimensioni prossime alla lunghezza d onda diventano sede di riflessioni e rifrazioni disordinate che disperdono l energia. α

16 Il Laser a scansione terrestre E costituito da una strumentazione composta da: un sensore posizionato su un treppiedi un PC per l impostazione dei parametri relativi alla scansione (area di scansione, passo della griglia) e per la memorizzazione dei dati Riegl LPM-25HA

17 Modalità operative Il laser a scansione terrestre opera in modalità totalmente automatica ed è in grado di acquisire centinaia o migliaia di punti al secondo. La distribuzione dei punti sull oggetto è funzione dei parametri della scansione (es. distanza sensore-oggetto, passo della griglia) e delle caratteristiche del movimento del sensore. L individuazione spaziale dei punti generati dalla scansione avviene attraverso un sistema di riferimento sferico con origine posta in corrispondenza di un punto interno allo strumento (centro di fase).

18 Le grandezze misurate, per ogni punto acquisito, sono: la distanza tra il sensore e l oggetto l angolo di inclinazione del raggio laser rispetto all asse verticale dello strumento l angolo azimutale rispetto ad un asse orizzontale di riferimento il valore della riflessione del segnale su ciascun punto (per alcuni modelli) La densità dei punti dipende da: distanza sensore-oggetto passo angolare (verticale ed orizzontale) di scansione

19 Metodo del tempo di volo Viene misurato il tempo trascorso tra l emissione e la ricezione del segnale

20 I laser scanner distanziometrici possono facilmente essere paragonati alle stazioni totali topografiche. La misura della posizione tridimensionale del punto avviene infatti in coordinate sferiche. Per ogni punto acquisito sono misurati un angolo orizzontale (azimutale), un angolo verticale (zenitale) ed una distanza inclinata. Per questo motivo spesso i sistemi a scansione laser terrestri sono considerati quali stazioni totali (motorizzate) ad elevata automazione.

21 Esiste però una sostanziale differenza tra i rilevamenti topografici con stazione totale e le acquisizioni laser scanner. Quando si effettua un rilievo topografico classico sono misurate le coordinate di punti particolari appartenenti all'oggetto, che devono essere ben riconoscibili all'occhio e che definiscono in genere la sagoma dell'oggetto stesso, come ad esempio spigoli, fessure. Nel caso di un rilevamento laser scanner invece non vi è alcuna possibilità di scegliere i punti da rilevare. E' possibile in genere definire solo l'area che si vuole acquisire e la densità di punti desiderata. Definiti questi parametri l'acquisizione è completamente automatica. Il risultato del rilevamento è una nuvola di punti molto densa ma con gli stessi distribuiti in modo casuale sull'oggetto. Non sono quindi in genere rilevati i punti che classicamente sono misurati con le tecniche di topografia classica.

22 I laser scanner distanziometrici in genere sono dotati di distanziometri laser ad impulsi (che misurano quindi un tempo di volo) in quanto permettono di effettuare misure molto velocemente (circa pti/sec) con precisioni elevate (dell'ordine dei 5 10 mm). La portata massima oggi raggiungibile con un sensore laser di classe 1 (quindi non pericoloso per la vista) è di circa 800 m. Se la distanza viene invece misurata per differenza di fase lo strumento è più lento ma più preciso e la portata di acquisizione diminuisce.

23 Metodo della triangolazione In questo caso il raggio laser (lama) emesso dal sensore e riflesso dall oggetto viene registrato da un sensore di immagine CCD posto ad una distanza prefissata e calibrata (base) rispetto al punto da cui il raggio è stato emesso. Il principio di misura, in questo caso, risulta analogo al principio della triangolazione in topografia

24 L impiego di un metodo rispetto all altro comporta sostanzialmente differenze: nella portata degli strumenti nella precisione degli strumenti Gli strumenti che adottano il principio del tempo di volo hanno portate generalmente fino a circa tra 80 e 500 metri e precisioni dell ordine del centimetro; sono comunemente utilizzati per il rilevamento architettonico (sia di interni che esterni) o per rilevamenti più specialistici (pareti rocciose, impianti industriali, monitoraggio frane ) Gli strumenti in cui viene applicato il metodo della triangolazione sono caratterizzati da portate molto limitate (fino a qualche metro) ma da precisioni elevate (in alcuni casi anche sub-millimetriche); sono pertanto strumenti idonei per il rilevamento a grandissima scala di oggetti di limitate estensioni

25 Il prodotto della ripresa è costituito da un insieme di punti (di cui si conoscono le coordinate xyz e radiometrici, rgb tridimensionali ad elevata densità che consente la ricostruzione della superficie dell oggetto (DSM) Palazzo dei Priori e Fontana Maggiore a Perugia a destra Nuvola di punti ottenuti dalla scansione

26 Il sistema di riferimento Il sistema di riferimento per ogni singola scansione viene fissato in maniera arbitraria secondo eventuali impostazioni dello strumento. Occorre però collegare fra di loro le scansioni di uno stesso oggetto eseguite da punti di presa differenti. Difficilmente è possibile ottenere infatti un rilevamento complessivo di un oggetto con un'unica scansione

27 Marker posizionati sulla statua del faraone Rhamses II (Museo Egizio di Torino) Il collegamento tra le varie scansioni è normalmente eseguito per mezzo di opportuni target riflettenti (adesivi retroriflettenti, prismi topografici, sfere di materiale riflettente) posizionati in maniera tale da essere compresi all interno del campo operativo di scansioni adiacenti (almeno tre coppie di target omologhi tra 2 scansioni).

28 L insieme dei punti che si ottiene è però riferito ad un sistema di riferimento arbitrario, relativo per esempio ad una delle scansioni mosaicate. Nel caso in cui è necessario riportare i punti rilevati in uno specifico sistema di riferimento (es. un riferimento locale utilizzato per altre tecniche di rilevamento) è sufficiente determinare la posizione dei target, tramite la classica strumentazione topografica, e ricalcolare i parametri di rototraslazione delle scansioni

29 Attraverso l individuazione della posizione relativa di almeno tre target nelle varie scansioni è possibile calcolare i parametri di rototraslazione per la loro mosaicatura. Il riconoscimento dei target è possibile grazie al loro elevato potere riflettente e può essere eseguito in maniera manuale o automatica. Individuazione dei marker (punti bianchi) nell immagine di riflettività

30 Il prodotto delle scansioni laser è rappresentato dalle nuvole di punti che descrivono con estremo dettaglio le superfici dell oggetto rilevato Le problematiche attualmente non risolte relativamente all elaborazione dei dati laser riguardano lo sviluppo di software in grado di eseguire operazioni di: filtraggio dei dati classificazione dei dati modellazione solida delle superfici

31 Rilievi di Immobili Pubblici Laboratorio per la gestione e fruizione di beni culturali con tecnologie informatiche avanzate Laboratorio di Rappresentazione - Rilievo di beni culturali ed ambientali con tecnologie - Implementazione e gestione di sistemi GIS e avanzate WebGIS - Rappresentazioni cartografiche digitali - Rilievi fotogrammetrici terrestri e subacquei - Progettazione e gestione di reti GPS - Applicazioni del Telerilevamento ai BB.CC.A.A. - Monitoraggio di strutture - Progettazione architettonica urbana e territoriale Struttura di riferimento: Responsabile scientifico: Dipartimento di Rappresentazione prof. Benedetto Villa Laboratorio Università per degli la gestione Studi e fruizione di Palermo di beni culturali con tecnologie Dipartimento informatiche di Rappresentazione avanzate Laboratorio di rappresentazione

32 Alcune attrezzature del Laboratorio Rilievi di Immobili Pubblici Struttura di riferimento: Responsabile scientifico: Dipartimento di Rappresentazione prof. Benedetto Villa Laboratorio Università per degli la gestione Studi e fruizione di Palermo di beni culturali con tecnologie Dipartimento informatiche di Rappresentazione avanzate Laboratorio di rappresentazione

33 Rilievi di Immobili Pubblici Rilievo topografico e laser scanner del Castello di Castelbuono Master in Tecniche innovative per il rilievo e la rappresentazione dei beni culturali Struttura di riferimento: Dipartimento di Rappresentazione Responsabile scientifico: prof. Benedetto Villa Laboratorio per degli la gestione e fruizione di beni culturali con tecnologie informatiche avanzate Università Studi di Palermo Dipartimento di Rappresentazione Laboratorio di rappresentazione

34 Rilievi di Immobili Pubblici Rilievo topografico e laser scanner del Baglio Riena, Castronovo di Sicilia Master in Tecniche innovative per il rilievo e la rappresentazione dei beni culturali Struttura di riferimento: Responsabile scientifico: Dipartimento di Rappresentazione prof. Benedetto Villa Laboratorio Università per degli la gestione Studi e fruizione di Palermo di beni culturali con tecnologie Dipartimento informatiche di Rappresentazione avanzate Laboratorio di rappresentazione

35 Rilievi di Immobili Pubblici Documentazione digitale del soffitto ligneo della Sala Magna dello Steri Convenzione del Dipartimento di Rappresentazione con il Centro Regionale per il Catalogo e la Documentazione dei Beni Culturali e con l Università degli Studi di Palermo Struttura di riferimento: Responsabile scientifico: Dipartimento di Rappresentazione prof. Benedetto Villa Laboratorio Università per degli la gestione Studi e fruizione di Palermo di beni culturali con tecnologie Dipartimento informatiche di Rappresentazione avanzate Laboratorio di rappresentazione

36 Rilievi di Immobili Pubblici Struttura di riferimento: Responsabile scientifico: Dipartimento di Rappresentazione prof. Benedetto Villa Laboratorio Università per degli la gestione Studi e fruizione di Palermo di beni culturali con tecnologie Dipartimento informatiche di Rappresentazione avanzate Laboratorio di rappresentazione

37 Rilievi di Immobili Pubblici Consulenza riguardante gli aspetti relativi alle rappresentazioni grafiche di progetto per il recupero e la conservazione della Villa Romana del Casale a Piazza Armerina Convenzione del Dipartimento di Rappresentazione con l Alto Commissario della Villa del Casale e con la Soprintendenza ai BB.CC.AA. di Enna Struttura di riferimento: Responsabile scientifico: Dipartimento di Rappresentazione prof. Benedetto Villa Laboratorio Università per degli la gestione Studi e fruizione di Palermo di beni culturali con tecnologie Dipartimento informatiche di Rappresentazione avanzate Laboratorio di rappresentazione

38 Rilievi di Immobili Pubblici Rilievo topografico e fotogrammetrico per la ricostruzione virtuale del tempio B di Selinunte Struttura di riferimento: Responsabile scientifico: Dipartimento di Rappresentazione prof. Benedetto Villa Laboratorio Università per degli la gestione Studi e fruizione di Palermo di beni culturali con tecnologie Dipartimento informatiche di Rappresentazione avanzate Laboratorio di rappresentazione

39 Rilievi di Immobili Pubblici Rilievo dell Albergo delle Povere, Palermo Master II Livello in Progettazione e gestione per la conservazione dei BB. CC. A.A. Struttura di riferimento: Responsabile scientifico: Dipartimento di Rappresentazione prof. Benedetto Villa Laboratorio Università per degli la gestione Studi e fruizione di Palermo di beni culturali con tecnologie Dipartimento informatiche di Rappresentazione avanzate Laboratorio di rappresentazione

40 Rilievi di Immobili Pubblici Rilievo e monitoraggio della formazione rocciosa naturale denominata Arco Azzurro in località Mongerbino Convenzione con il Comune di Bagheria Struttura di riferimento: Responsabile scientifico: Dipartimento di Rappresentazione prof. Benedetto Villa Laboratorio Università per degli la gestione Studi e fruizione di Palermo di beni culturali con tecnologie Dipartimento informatiche di Rappresentazione avanzate Laboratorio di rappresentazione

41 Grazie per l attenzione Università di Palermo-Dipartimento di Rappresentazione gino.dardanelli@unipa.it