Introduzione Principi di funzionamento

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1 NUOVE TECNOLOGIE DI RILEVAMENTO NELLA PROTEZIONE CIVILE: IL LASER SCANNER TERRESTRE Modalità di funzionamento e alcuni campi applicativi dott. Dario CONFORTI ANDREONI(**), dott. geol. Giancarlo MASSARI(*), dott. geol. Michele POTLECA(*) * Protezione Civile della Regione- Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia - Via Natisone 43, Palmanova - UD **Codevintec Italiana srl - Via G. Labus 13, Milano Abstract Il laser scanner terrestre è una tecnologia che è stata introdotta di recente nel campo del rilevamento; l apparecchiatura permette di ricostruire modelli tridimensionali attraverso la registrazione di scansioni singole o multiple. La strumentazione, generando un impulso laser infrarosso, registra parte del segnale riflesso dell oggetto colpito. L unità di misurazione del tempo rileva l intervallo tra l emissione del segnale e l impulso di ritorno, essendo nota la direzione del raggio nello spazio rispetto ad un sistema di riferimento interno allo strumento, ogni singolo punto viene posizionato con coordinate x, y, z relative, registrandone anche l intensità di segnale in funzione della riflettività del materiale colpito. Le scansioni permettono così di acquisire in tempi brevi milioni di punti in modo automatico, coniugando alla velocità d esecuzione un elevata accuratezza. L articolo vuole descrivere le modalità di funzionamento del sistema LIDAR (Light Detection And Ranging) e alcune delle possibili applicazioni. Fig. 1 - Strumento laser scanner ILRIS-3D

2 Introduzione Il territorio regionale negli ultimi anni è stato colpito da diversi eventi naturali calamitosi che hanno spesso costretto all intervento la Protezione Civile della Regione e le migliaia di volontari attivi nella regione Friuli Venezia Giulia. L impatto notevole dei problemi idrogeologici come frane, smottamenti, problematiche idrauliche degli alvei di fiumi e torrenti, deve essere affrontato con le migliori tecnologie disponibili, al fine di assicurare la corretta tutela dell ambiente ma soprattutto della popolazione, intervenendo nel monitoraggio e nello studio dei fenomeni che possono rivelarsi pericolosi per la comunità. A tal fine la Protezione Civile della Regione si è dotata di un laser scanner terrestre ILRIS-3D della Optech, valutando le sue applicazioni in campo ambientale, ingegneristico e antropico, rappresentando attualmente uno dei più veloci strumenti investigativi nel campo ingegneristico, ambientale e architettonico. Tali strumenti acquisiscono nuvole di punti irregolari che permettono di definire in maniera molto precisa la geometria degli elementi investigati. I rilievi possono essere effettuati a distanze variabili da 3 a 2000 metri a seconda della riflettività del target e della qualità dello strumento, trovando molti campi di impiego tra cui l architettura, la geologia, l ingegneria civile, la conservazione dei beni culturali e tutte quelle situazioni dove sono indispensabili rapidità, precisione e/o limitata e difficoltosa presenza degli operatori. Le differenze tra il rilievo mediante l utilizzo di laser scanner e quello con una stazione totale topografica sono essenzialmente di due tipi: la velocità e il procedimento di acquisizione dei dati. Infatti il laser rileva in modo automatico una quantità pari a 2000 punti al secondo, mentre la stazione totale, oltre a richiedere l intervento continuo dell operatore, ha un tempo di acquisizione notevolmente maggiore per ogni singolo punto. Inoltre l enorme numero di punti che il sistema laser scanner riesce a fornire, permette un sovracampionamento aumentando notevolmente la qualità del rilievo. Per quanto riguarda il procedimento d acquisizione dei dati, il laser scanner richiede unicamente la scelta della densità della griglia dei punti (variabile in funzione della distanza strumento-oggetto), mentre la stazione totale implica l individuazione e la scelta di numerose variabili topografiche. Inoltre, le stazioni totali classiche richiedono generalmente la presenza di uno o più canneggiatori sul luogo del rilievo, non sempre possibile o agevole in zone impervie od in situazioni d alto rischio. Prima di descrivere le possibili applicazioni è bene soffermarsi sulle modalità di funzionamento. Principi di funzionamento Il laser scanner terrestre può essere considerato come una stazione totale motorizzata ad elevata automazione, in grado di acquisire milioni di punti in pochi minuti. Il principio su cui si basa tale tecnologia è il calcolo del tempo di volo (time-of-flight) di un impulso laser. L impulso elettrico prodotto dal generatore, collimato da un diodo laser trasmittente, crea un raggio di luce infrarossa; il segnale degli eco riflessi dall oggetto colpito (di differente intensità in base alla riflettanza di quest ultimo) viene captato da un fotodiodo ricevitore che genera un segnale elettrico di ricezione. Il tempo di volo, ossia l intervallo di tempo che intercorre tra l impulso trasmesso e l impulso ricevuto, calcolato tramite un orologio con una frequenza stabilizzata al quarzo, consente di individuare la distanza d ogni singolo punto rilevato. Al calcolo del tempo di volo è associato anche una misurazione angolare di precisione data dalla rotazione di due specchi rotanti attorno agli assi x e z (l asse y è associato alla distanza e la z è la verticale). La rotazione dello specchio, in funzione della risoluzione angolare impostata dall operatore per la scansione, crea la spaziatura tra i differenti punti rilevati sul target e genera la nuvola di punti rilevando l oggetto indagato.

3 Fig. 2 - Schema di funzionamento Per uno strumento laser scanner è importante avere una precisione molto elevata sullo spostamento angolare in quanto ogni errore angolare verrà riprodotto direttamente nel risultato finale e aumenterà proporzionalmente all aumentare della distanza. l valore della distanza misurata e lo spostamento angolare vengono immagazzinati nel sistema interno che processa ogni singolo dato e lo prepara per l output. La nuvola di punti rilevata dal sensore viene gestita secondo un sistema di riferimento interno, con origine nel centro strumentale; i dati così generati permettono la determinazione di ogni punto mediante le tre coordinate x, y, z, mentre un quarto valore descrive l intensità di ritorno (il sensore laser è in grado di valutare qual è l intensità di riflessione dell oggetto nei confronti del raggio stesso). La precisione riguardo la portata del sistema laser è direttamente influenzata dalla lunghezza d onda e soprattutto dalla qualità dall elettronica interna che misura il tempo di volo dell impulso, ma anche dalla riflettanza dei target (cioè il grado di riflettività della superficie colpita), in quanto a seconda del tipo di materiale l impulso di ritorno ha una diversa intensità. Come si nota dalla tabella 1 la portata è influenzata notevolmente da superfici poco riflettenti (ad esempio l asfalto appena posato ha riflettività intorno al 4%) mentre è notevolmente maggiore con superfici più riflettenti (la roccia ha riflettività media del 22%).

4 Acquisizione Vengono riportate in seguito alcune caratteristiche del laser a scansione l ILRIS 3D usato per le prove in campagna: Massimo angolo di scansione: 40 orizzontali, 40 verticali Portata: m con riflettività del 20%-25% (roccia); 350 m con riflettività del 4% (asfalto appena posato); fino a 2000 m con riflettività dell 80% ottima visibilità atmosferica Precisione a 100 m: 7 mm nella registrazione del punto Tasso di campionatura: 2000 punti/sec Lunghezza d onda: >1500 nm Potenza: <0.001 watts Classe: I, senza rischi per gli occhi, in tutte le condizioni di utilizzo Diametro del raggio laser: 29 mm a 100 metri (0,17*R+12, dove R indica la distanza dal target) Spaziatura minima tra i punti: 2.6 mm a 100 metri (0,026*R) Tabella 2 Schema riassuntivo delle caratteristiche del laser ILRIS 3D Il dato acquisito è spesso affetto da un disturbo di entità inferiore alla precisione dichiarata. Tale disturbo è dovuto alla divergenza del raggio laser che porta ad una non corretta valutazione della distanza fra strumento ed oggetto in quanto la superficie d impatto non è praticamente mai puntiforme. La corretta acquisizione del dato è di fondamentale importanza per ottenere la migliore accuratezza del modello generato. Il rilievo di forme tridimensionali complesse richiede un maggior numero di scansioni eseguite da differenti punti di vista, la pianificazione deve essere accurata, mantenendo opportune aree di sovrapposizione. Il posizionamento d ogni punto di ripresa deve essere attentamente valutato per completare la forma tridimensionale, evitando angolazioni troppo accentuate ed integrando le zone d ombra create dalle occlusioni prospettiche. L importanza della pianificazione del lavoro è ancora più evidente se si considera l utilizzo finale dei dati; una sottostima del numero di scansioni costringerebbe ad una nuova campagna di rilievo ed un eccessivo sovra-campionamento causerebbe, per via delle sue dimensioni, problemi di immagazzinamento, processamento ed utilizzo dei file. Registrazione Ogni singola scansione conserva un proprio sistema di riferimento sicché per ottenere un modello tridimensionale completo è necessario orientare tutte le scansioni secondo uno stesso sistema. L allineamento avviene quindi individuando almeno tre punti omologhi presenti all interno di due scansioni adiacenti (elementi antropici quali spigoli di case, finestre, ecc., elementi morfologici riconoscibili, target artificiali). Questi punti, la cui posizione è nota nei rispettivi sistemi di riferimento, permettono, nella fase iniziale, un primo avvicinamento delle due scansioni; il calcolatore in seguito effettuerà una ricerca automatica di tutti i punti omologhi, eseguendo una rototraslazione spaziale senza variazione di scala rispetto al sistema di riferimento della scansione adiacente (utilizzata come reference) e determinerà 6 parametri indipendenti tra loro: tre rotazioni e tre traslazioni spaziali. Nell allineamento viene così fornita la stima dei parametri di orientamento e generata la matrice di rototraslazione applicata alla scansione allineata rispetto a quella di riferimento. L applicazione di questo procedimento ad ogni singola scansione permette la creazione del modello digitale completo di un oggetto complesso. Nel rilievo di superfici naturali (frane, costoni rocciosi, ecc) dove spesso non sono riconoscibili punti particolari, è possibile predisporre sull oggetto alcuni target artificiali (con un minimo di tre), di dimensioni variabili a seconda della distanza da investigare. Tali target, qualora rilevati con strumentazioni tradizionali (capisaldi, GPS, ecc.), possono essere utilizzati per la georeferenziazione secondo un sistema di riferimento assoluto.

5 I target vanno adeguatamente scelti per la loro conformazione e la loro riflettanza (vicino al 100%, valore decisamente più elevato rispetto agli oggetti presenti in natura) in modo da essere più facilmente individuabili come punti omologhi delle scansioni adiacenti. Analisi del dato Fig. 3 -Flessione di un ponte sotto carico Il software utilizzato per l analisi e la gestione dei dati laser influenza notevolmente la qualità finale del modello tridimensionale. I programmi forniti con la strumentazione in genere si limitano alla gestione delle operazioni di scansione, trasformazione delle coordinate, esportazione in formati compatibili con altri applicativi e talvolta della registrazione in un unico sistema di riferimento di scansioni differenti. Per un analisi avanzata e per la generazione di modelli tridimensionali bisogna invece affidarsi ad applicativi legati al mondo del CAD e della modellazione tridimensionale (PolyWorks, I-Site, 3DVeritas, ecc.,), ormai disponibili in numerosi pacchetti parzialmente o totalmente dedicati alla gestione di dati laser scanner. Tutti questi software gestiscono l elemento rilevato ricostruendolo digitalmente come una nuvola di punti. Da questa si possono estrarre numerose informazioni (con accuratezze che possono arrivare ai 3 mm nel caso di scansioni effettuate a distanze di circa 100 m): Metriche Angolari Volumetriche Inoltre con la sovrapposizione di scansioni eseguite in tempi successivi si riesce a ricreare la variazione temporale con l evidenziazione di spostamenti relativi. Si possono inoltre ricostruire le superfici caratteristiche dell oggetto studiato, sia affidandosi alla ricostruzione mediante semplici primitive sia applicando la più avanzata modellazione 3D NURBS (Non Uniform Rational B-Splines).

6 Fig. 4 Versante in frana sulle pendici meridionali del Monte Tinisa. Forni di Sotto (UD) Campi d applicazione Il laser scanner terrestre è nato soprattutto per l utilizzo in ambito architettonico, per il rilievo di edifici, statue, ornamenti, ecc., ma ha subito trovato vasta applicazione in ambito ingegneristico, non solo nel campo del reverse-engineering ma anche nel monitoraggio di strutture sottoposte a stress e deformazioni, quali ponti, tralicci, dighe, gallerie, ecc.. Da pochissimo tempo, grazie al complessivo miglioramento prestazionale, soprattutto per quanto riguarda portata e precisione nello spostamento angolare degli specchi rotanti, il laser scanner è stato utilizzato in ambiti applicativi diversi quali lo studio geomorfologico (ad esempio versanti in frana e grotte) e l audit territoriale; esempi possono essere il monitoraggio estrattivo ed evolutivo di cave in roccia e/o materiale sciolto, od il controllo degli sghiaiamenti. La possibilità offerta dai software di estrarre sezioni e profili, riprodurre topografie, analizzare volumetrie anche in maniera multitemporale, permette quindi di monitorare adeguatamente non solo l andamento di fenomeni di deformazione strutturale, ma anche di valutare in maniera oggettiva l operato dell industria estrattiva. Conclusioni Le caratteristiche vantaggiose dei sistemi a scansione laser possono dunque essere riassunte nel seguente modo: ridotto tempo d acquisizione assoluta ininfluenza delle condizioni d illuminazione non-invasività uniformità del dato acquisito

7 quantità e qualità delle informazioni acquisite necessità di un singolo operatore con un notevole vantaggio economico e di risorse Per contro la mole di dati da gestire è notevole e necessita di un processing abbastanza impegnativo anche se le possibilità offerte dall hardware e dal software odierno permettono un elaborazione veloce; inoltre se la campagna di rilievo non è stata adeguatamente pianificata ci si può trovare con una mole di dati notevole e per certi versi inutile. La Protezione Civile della Regione si è dotata di questa moderna tecnologia d investigazione ben conscia di come l utilizzo di nuove tecnologie possa essere di notevole aiuto sia nella gestione degli eventi calamitosi naturali sia nella quotidiana gestione dei lavori di riassetto del territorio. Fig. 5 Scansione d una porzione della Piazza Grande di Palmanova (UD) Bibliografia S. Grassi, F. Radicioni, A. Stoppini (2002)- Il rilevamento tramite sistemi d'acquisizione laser da terra: valutazione delle caratteristiche metriche e dei possibili campi d'impiego Atti della 6a Conferenza Nazionale ASITA GEOMATICA PER L'AMBIENTE, IL TERRITORIO E IL PATRIMONIO CULTURALE, vol. II, PERUGIA, pagg L. Bornaz, A. Lingua, F. Rinaudo (2002) - Il trattamento dei dati Laser Scanner nelle applicazioni terrestri Atti della 6a Conferenza Nazionale ASITA GEOMATICA PER L'AMBIENTE, IL TERRITORIO E IL PATRIMONIO CULTURALE, vol. I, PERUGIA, pagg L. Bornaz, A. Lingua, F. Rinaudo (2002) - Calibrazione di immagini non metriche mediante l uso dei dati laser scanner terrestri - Atti della 6a Conferenza Nazionale ASITA GEOMATICA PER L'AMBIENTE, IL TERRITORIO E IL PATRIMONIO CULTURALE, vol. I, PERUGIA, pagg