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Laser Scanner

I laser scanner sono degli strumenti in grado di misurare ad altissima velocità la posizione di centinaia di migliaia di punti, i quali definiscono la superficie degli oggetti circostanti. Quello che si ottiene da questo rilievo è un insieme di punti molto denso che è definito “nuvola di punti”.

Il laser scanner è quindi un sistema di misurazione diretta poiché permette di ottenere delle misurazioni correlate ad una precisione strumentale testimoniata da un certificato di calibrazione, che documenta ufficialmente i risultati della misura.

Ci sono diversi parametri utili alla definizione e alla valutazione delle caratteristiche di una strumentazione laser scanner:

- portata: massima distanza che lo scanner è in grado di misurare;

- velocità: numero di punti acquisiti in ogni secondo;

- accuratezza: grado di conformità di una quantità misurata rispetto al valore reale

- precisione: capacità dello strumento di restituire lo stesso valore in successive misurazioni;

- classe laser: è la pericolosità del raggio laser emesso dallo strumento; si va dalla classe 1 (completamente innocua) fino alla classe IV (molto pericolosa)

- dispositivi integrati: possibilità di integrare altri software o dispositivi

Oltre alle prestazioni legate alla capacità di acquisizione del laser scanner, ci sono altre caratteristiche determinanti che influiscono sulla logistica (facilità di trasporto, leggerezza, maneggevolezza della strumentazione), modalità operativa (soluzione stand-alone, semplicità, controllo diretto dello strumento) e tempistica (acquisizione rapida e ampio campo di ripresa).

Indice

 Quanti tipi di laser scanner esistono?

Sostanzialmente ci sono 3 principi di misura con laser scanner, laser scanner TOF (a tempo di volo), laser scanner a differenza di fase e laser scanner a triangolazione.

Nei laser scanner TOF (Time Of Flight) si calcola la distanza misurando il tempo di andata e ritorno dell'impulso laser inviato (2). La tecnologia a tempo di volo permette di generare la nuvola di punti tramite il calcolo del tempo impiegato dal raggio laser a percorrere la distanza dell’emettitore al soggetto colpito e viceversa, sapendo che la velocità di propagazione del fascio laser è paritetica a quella della luce. Conoscendo l’angolo verticale e orizzontale dell’emissione del raggio, potremo definire le coordinate del punto misurato. Questi laser scanner si caratterizzano per l’abilità di rilevare dati molto distanti, arrivando addirittura a 6km di raggio.

Nei laser scanner a differenza di fase la distanza è calcolata comparando la differenza di fase tra l’onda emessa e quella ricevuta; questa tecnica richiede delicati algoritmi di calcolo per generare le informazioni delle coordinate nello spazio. Questi laser scanner si caratterizzano per una velocità di acquisizione molto rapida e per un’elevata densità di dato acquisito che può arrivare fino a 0,6mm tra un punto e l’altro ad una distanza di 10 metri.

Nei laser scanner TOF ed a fase uno specchio prismatico esegue la scansione verticale (3) mentre la rotazione sull'asse principale (4) effettua la scansione orizzontale. A ogni impulso corrisponde una posizione angolare azimutale e zenitale per fornire per ogni riflessione ricevuta una tripletta di coordinate Alfa, Teta e Dist.

Alcuni modelli di laser scanner sono connessi con il computer (6) attraverso connessione di rete LAN (5) per lo scarico dei dati rilevati; in altri invece, è possibile lavorare anche senza un PC connesso ed i dati vengono memorizzati all’interno dello scanner stesso e poi trasferiti comodamente sul PC, con schede di memoria USB.

L'invio di impulsi laser con passi angolari costanti orizzontali e verticali, produce una griglia di misura regolare detta "foot print" dalla cui densità dipende la risoluzione del rilievo effettuato.

All'interno del cono "foot print", viene rilevata la riflettanza media* del punto per determinarne la distanza dalla sorgente.

I laser scanner a triangolazione hanno una tecnologia che si basa sull’acquisizione da parte di un sensore IP di un pattern di punti infrarossi in un determinato spazio. I proiettori IR ad oggi permettono di proiettare fino a 300.000 raggi, 60 volte al secondo permettendo acquisizione 3D in movimento e in tempo reale. Questi laser scanner si caratterizzano per la maneggevolezza d’uso e per l’abilità di scansionare zone d’ombra non rilevabili con i laser scanner precedenti.

 Come funziona il laser scanner?

Prima di avviare la nostra scansione per ottenere la già citata nuvola di punti occorre impostare i parametri della stessa. Infatti la velocità e il passo delle rotazioni possono essere impostate dall’operatore, il quale agendo su questi parametri determina la risoluzione della scansione, cioè la densità della griglia di punti rilevati ad una certa distanza, e la qualità del dato acquisito, tipicamente più alta per rotazioni più lente. I due parametri determinano quindi anche la durata della scansione che può variare da circa trenta secondi fino a varie decine di minuti per scansioni complete a 360°.

Durante l’acquisizione lo strumento archivia, per ciascun punto rilevato, la distanza calcolata e gli angoli orizzontale e verticale in base alla posizione del corpo e dello specchio. Oltre a queste informazioni, viene acquisito anche il valore di riflettanza della superficie colpita dal laser che sarà tanto più alto quanto la superficie tenderà al colore bianco.

Inoltre esistono laser scanner 3D che montano una fotocamera digitale integrata che, dopo la fase di acquisizione dei dati geometrici, viene utilizzata attraverso procedure automatiche per l’acquisizione di immagini dello spazio rilevato. Le foto così acquisite saranno successivamente mosaicate dai software di elaborazione dei dati e applicate alle nuvole di punti per arricchirle delle informazioni di colore.

 Rilievo con laser scanner vs rilievo tradizionale

Il rilievo con laser scanner rispetto a quello tradizionale (stazione totale) garantisce molti vantaggi. La stazione totale consente solo una progettazione dei punti di interesse a monte e la procedura di acquisizione è di un solo punto alla volta e, essendo manuale, è soggetta a errore da parte dell’operatore.

Con il laser scanner invece l’individuazione dei punti di interesse è a valle e la procedura di acquisizione delle misure è automatica.

Un altro vantaggio riguarda i tempi di acquisizione dei dati che sono notevolmente più bassi e quindi anche i tempi di permanenza degli operatori sul sito si riducono, garantendo un risparmio economico. Il laser scanner consente poi l’ottenimento di un modello 3D completo, l’estrazione di informazioni metriche e particolari costruttivi e la riduzione o addirittura la completa eliminazione dei costi per il ritorno sul sito, con un conseguente minore impatto sulla logistica.

Questo anche grazie al fatto che il supporto topografico non è necessario dato che il GPS, il sensore inclinometrico e la bussola sono integrati e forniscono informazioni sull’esatto posizionamento della stazione laser.

È doveroso comunque dire che per avere un risultato completo e soddisfacente, l’ideale sarebbe integrare la tecnica a laser scanner e quella a stazione totale, così da mantenere una elevata accuratezza complessiva del rilievo, senza perdere il vantaggio in termini di velocità di acquisizione.

 Come avviare un rilievo con il laser scanner

Prima di procedere all’utilizzo del laser scanner per il rilievo, è opportuno considerare alcuni aspetti.

Per cominciare c’è da stabilire il punto di stazione da dove effettuare la scansione e ridurre al minimo le zone d’ombra e posizionare le mire all’interno del campo di ripresa dello strumento.  Una volta fatto ciò si può accedere il laser scanner e impostare alcuni parametri:

- il progetto: creare una cartella che conterrà le scansioni;

- la risoluzione: stabilire il grado di dettaglio attraverso un determinato passo di scansione;

- la velocità di scansione: è legata in maniera inversamente proporzionale alla risoluzione e quindi se si desidera un maggior dettaglio, i tempi di scansione saranno più alti;

- l’area di ripresa;

- l’acquisizione di fotografie

Impostati questi parametri il laser scanner comincia a emettere il raggio che colpisce le superfici presenti all’interno dell’area di ripresa dello strumento.

Ciascuna scansione produce una nuvola di punti che descrive solo parzialmente la zona inquadrata, perché il raggio laser emesso incide sulla stessa da una particolare angolazione. Le superfici non colpite resteranno nascoste, creando cosiddette zone d’ombra, anche nell’acquisizione digitale.

Sarà quindi necessario effettuare un numero di scansioni tale da eliminare o limitare al minimo le zone d’ombra. L’unione di più scansioni laser permette di avere un risultato più preciso e di creare un modello tridimensionale completo che descrive con elevato grado di accuratezza la geometria del rilevato.

Il risultato ottenuto dalla scansione con laser scanner può essere successivamente elaborato con dei software post-elaborazione. Ci sono ad esempio dei software di settorializzazione 2D/3D che permettono la visualizzazione della nuvola di punti all’interno della piattaforma, l’estrazione di piante, prospetti e sezioni, la gestione del flusso di lavoro scansione- modello 3D diretto e il controllo della precisione del modello CAD.

Esistono poi dei pacchetti software top-level in grado di offrire prodotti di elevata qualità per esigenze più specifiche e prestazioni particolare come: allineamento e geo-referenziazione delle scansioni, realizzazione e gestione di mesh 3D, mappatura della texture con immagini ad alta risoluzione, calcolo dei volumi di sterro e riporto, ortofoto ad alta risoluzione, analisi delle deformazioni e confronto tra rilevato/progetto, predisposizione del database 3D e gestione dell’archivio dati.

 Il risultato del rilievo con laser scanner: la nuvola di punti

La nuvola di punti è il risultato del rilievo 3D eseguito tramite laser scanner. Questa rappresenta un modello tridimensionale dell’oggetto rilevato in cui sono note le coordinate di ciascun punto misurato. La densità dei punti è proporzionale al tempo di acquisizione.

La nuvola di punti è visualizzabile e analizzabile tramite software specifici e racchiude con sé tutte le informazioni ottenute con il rilievo laser scanner.

La nuvola di punti permette di:

- visualizzare in 3D l’area rilevata;

- misurare le distanze tra punti;

- effettuare confronti tra modelli

È possibile poi, partendo da una nuvola di punti, generare un modello mesh che collega ogni punto di misura con superfici triangolari, rispettandone la posizione spaziale.

La nuvola di punti generata da laser scanner può essere integrata con altre nuvole 3D generate da diverse tecnologie di rilievo come ad esempio la fotogrammetria da drone o terrestre e georeferenziata con stazione totale o GPS. Il video seguente mostra, infatti, come queste varie tecniche possono confluire in un unico progetto.

 Come posso unire le diverse nuvole di punti?

Per oggetti complessi generalmente si avranno più scansioni (ovvero più nuvole di punti) effettuate da punti di vista differenti, ognuna in un suo sistema di riferimento con origine nel centro del laser scanner. 

Per ottenere il modello 3D è necessario orientare tutti i modelli acquisiti secondo uno stesso sistema di riferimento. Questa operazione è possibile garantendo una opportuna zona di sovrapposizione tra le scansioni adiacenti, in modo da riconoscere alcuni punti comuni ed effettuando una rototraslazione spaziale. L’individuazione dei punti comuni può avvenire in maniera automatica utilizzando punti presegnalizzati con adesivi riflettenti, oppure manualmente, cercando di riconoscere punti omologhi tra due scansioni adiacenti. 

 Scansioni in movimento con tecnologia SLAM: Real Earth Stencil

Stencil è un laser scanner mobile di peso leggero con un metodo di acquisizione SLAM che permette di acquisire modelli digitali 3D in tempi rapidi e con evidenza dei risultati online (rilievo 3D di grandi aree o piani di emergenza...).

La tecnologia SLAM presente è stata integrata con un sensore LiDAR 3D e una IMU per generare mappe in tempo reale senza l'utilizzo di un GPS. Stencil può essere facilmente montato su un drone, su un veicolo, o portato comodamente a mano o in uno zainetto. 

Per verificare le sue potenzialità, il sistema è stato confrontato con un laser scanner, che acquisisce i dati restando fermo. I risultati mostrano differenze nelle nuvole di punti generate dai due sistemi dell'ordine di 1-2 cm su una superficie di 20 metri quadrati.

 

 Nuovi modi di presentazione dei dati laser scanner: 
Mesh o non Mesh? La soluzione è Geoverse

Geoverse Massive Data Manager ha creato un nuovo modo di compressione, visualizzazione e iterazione delle nuvole dei punti che non solo riduce i dataset fino al 5-20% delle loro dimensioni originali, ma annulla anche la necessità di avere schede 3D dedicate o CPU potenti per visualizzarle.
Oltre a questo, le capacità di streaming permettono ai dati di risiedere su un computer e sono accessibili da tutti gli altri utenti in un edificio, o in tutto il mondo, via internet.

 

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