Laser scanner statici

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).

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. 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  mentre la rotazione sull’asse principale 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 attraverso connessione di rete LAN 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.

TECNOLOGIA MULTIPLE TARGET

Grazie a questa innovazione, ogni scansione raggiunge un livello di dettaglio e di completezza di informazioni acquisite mai raggiunto prima. Man mano che il fascio laser si allontana dal punto di emissione, esso si espande. Espandendosi è possibile che, durante la sua propagazione, l’impulso laser colpisca più oggetti e che quindi venga riflesso più volte provocando più impulsi di ritorno. Questo accade normalmente in vicinanza dei bordi degli oggetti, in presenza di recinzioni, vegetazione e di vetri.
Generalmente i laser scanner a tempo di volo permettono la sola misurazione del primo o dell’ultimo impulso di ritorno, a differenza della tecnica digitale Full 3D o multiple target, che esegue un’ analisi digitale di tutti i segnali di ritorno.

Questa nuova tecnica permette, finalmente, di attribuire il corretto significato al valore di riflettanza. Infatti fino ad oggi questo valore non era utilizzabile per definire le qualità dei materiali, essendo corrotto dalla distanza di misura e dall’angolo di incidenza subito dal raggio laser. Il laser con questa nuova tecnologia è in grado di superare molti ostacoli, quali la vegetazione, le recinzioni e di avere i migliori risultati anche in condizioni atmosferiche avverse. L’analisi completa della forma d’onda permette quindi di discriminare tutti i singoli impulsi entranti e di memorizzarli lungo una stessa direzione di acquisizione, arricchendo notevolmente il dato acquisito.

AMBITI APPLICATIVI DEI LASER SCANNER

 

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