Il monitoraggio delle sponde fluviali e degli intradossi dei ponti è fondamentale per la sicurezza pubblica e la tutela ambientale, come spiegano Dave Foster e Bernhard Groiss di RIEGL e Ulrich Zangerl di viadonau in una recente intervista a GeoConnexion.

Il progetto Danubio: il rilievo del Canale di Vienna

Il laser scanner terrestre ibrido RIEGL VZ-600i sta definendo nuovi standard nel rilievo delle vie navigabili. Il percorso è iniziato sul Canale del Danubio a Vienna, dove RIEGL ha collaborato con viadonau per affrontare uno degli ambienti più impegnativi per i topografi: corsi d’acqua stretti con copertura GNSS limitata. Installato su un’imbarcazione, lo scanner ha garantito un’accuratezza a livello centimetrico anche sotto i ponti e in aree prive di GNSS.

Rilievo del Canale del Danubio a Vienna con il laser scanner terrestre RIEGL VZ-600i.
Crediti fotografici: viadonau, Österreichische Wasserstraßen-Gesellschaft mbH

Il risultato finale? Un dataset 3D con una risoluzione spaziale di appena 1,5 centimetri e un’accuratezza di posizionamento di 2–3 centimetri, un livello di dettaglio che supera di gran lunga quanto normalmente ottenibile in ambienti di questo tipo.

L’imbarcazione di rilievo di viadonau, Alpha, in azione nei pressi del centro di Vienna sul Canale del Danubio.

Al centro e a destra: esempi di nuvole di punti acquisite con il RIEGL VZ-600i.
Crediti fotografici: viadonau

«La ristrettezza del canale, l’elevato traffico e l’accesso limitato dalle sponde rendono estremamente difficile condurre rilievi terrestri completi», afferma Ulrich Zangerl, responsabile del team di geoinformazione di viadonau, l’ente viennese incaricato di garantire il corretto funzionamento della via d’acqua del Danubio. «Avevamo bisogno di una soluzione flessibile e ad alta risoluzione che potesse operare efficacemente da un’imbarcazione».

Il progetto Tamigi: i ponti storici di Londra

Sulla scia del successo del progetto sul Danubio, la tecnologia è stata successivamente applicata al fiume Tamigi a Londra. I primi risultati stanno già rivelando informazioni di grande valore: aree precedentemente inaccessibili sotto i ponti storici sono state rilevate con elevato dettaglio, consentendo agli ingegneri strutturali di valutare le murature storiche e individuare precocemente segni di degrado o erosione. I dati di un rilievo precedente, condotto con il sistema di mobile mapping RIEGL VMX-2HA, sono stati integrati per produrre una nuvola di punti coerente. Combinando i dati di superficie con le misure acquisite sotto i ponti, gli ingegneri possono ora studiare ogni struttura con un livello di dettaglio senza precedenti.

«Eravamo entusiasti di avere l’opportunità di effettuare scansioni da un’imbarcazione sul Tamigi», ha dichiarato David Foster, Managing Director di RIEGL UK. «Abbiamo utilizzato il VZ-600i per eseguire questo rilievo, e questo tipo di progetto dimostra la versatilità del VZ-600i, che si aggiunge a uno strumento già estremamente produttivo. Parte dell’obiettivo era verificare cosa fosse possibile ottenere nell’arco di un’ora e successivamente analizzare la qualità dei dati. Idealmente avremmo voluto integrare punti di controllo topografici per rafforzare il posizionamento RTK GNSS e monitorare l’accuratezza complessiva del progetto. I risultati sono stati eccellenti e, con Bernhard Groiss al mio fianco, ha espresso piena fiducia nella qualità dei dati acquisiti. La sua esperienza maturata nel progetto sul Danubio è stata estremamente preziosa. Il rilievo è stato condotto esclusivamente in modalità radar – un approccio meno comune rispetto all’uso combinato delle modalità radar e profilo – eppure ha offerto una dimostrazione straordinaria delle capacità del RIEGL VZ-600i».

Dati di scansione del Palazzo di Westminster a sinistra e del London Eye a destra, acquisiti da un’imbarcazione con un VZ-600i in movimento. La nuvola di punti è colorata in base all’attributo di riflettanza.

Perché è importante:

• Flessibilità ibrida: passaggio continuo tra modalità statica e cinematica.

• Accuratezza in movimento: l’integrazione GNSS/IMU garantisce precisione centimetrica nonostante la dinamica dell’imbarcazione.

• Informazioni operative: dataset ad alta fedeltà consentono a ingegneri, idrologi e pianificatori di proteggere infrastrutture ed ecosistemi.

• Rilievi pronti per il futuro: definizione di nuovi benchmark per la gestione sostenibile delle vie navigabili a livello globale.

«Esistono sistemi sul mercato in grado di fornire risultati simili; tuttavia, nessun altro sistema consente di passare direttamente da un rilievo statico ad alta precisione al montaggio su un treppiede a bordo di un’imbarcazione e di continuare a scansionare in modo fluido mentre si naviga lungo un fiume, si passa sotto i ponti e si acquisiscono aree che altrimenti non potrebbero mai essere rilevate con un tale livello di dettaglio», afferma Bernhard Groiss, Senior Technical Expert di RIEGL. «Con il RIEGL VZ-600i questo diventa possibile. È davvero spettacolare e merita di essere mostrato in un contesto iconico come il Tamigi, con tutti i suoi famosi punti di riferimento».

RIEGL, continua aa impegnarsi per superare i limiti della tecnologia geospaziale, rendendo visibile l’invisibile e permettendo decisioni più intelligenti per il futuro dei nostri fiumi e delle nostre vie navigabili.

Nel dinamico settore della digitalizzazione 3D, un nuovo strumento si sta imponendo all’attenzione di professionisti e istituzioni, promettendo di ridefinire gli standard di flessibilità, precisione e accessibilità. Lo scanner laser 3D portatile 3DEVOK MT emerge come una soluzione all’avanguardia, forte di una combinazione tecnologica unica e di un rapporto qualità-prezzo che sfida i leader di mercato.

Tre Tecnologie, Infinite Possibilità

Il vero cuore pulsante del 3DEVOK MT risiede nella sua capacità di integrare ben tre diverse tecnologie di scansione in un unico, compatto dispositivo. Questa architettura multi-sorgente garantisce prestazioni ottimali in un’ampia gamma di scenari e su qualsiasi tipo di superficie, permettendo all’operatore di scegliere la modalità più adatta per ogni specifica esigenza.

Approfondimento sulle Metodologie di Scansione

La potenza del 3DEVOK MT si esprime nella sua capacità di passare da una modalità all’altra in modo fluido, combinando i punti di forza di ciascuna tecnologia. Vediamole nel dettaglio:

1. Scansione a Laser Blu: La Massima Precisione per i Dettagli

Questa modalità è il cavallo di battaglia per le applicazioni che richiedono la massima accuratezza e risoluzione. Proiettando un reticolo di 34 lame laser di colore blu, lo scanner cattura i dati con una precisione di base che arriva a 0.04 mm e una risoluzione dei punti fino a 0.05 mm. Il laser blu ha una lunghezza d’onda più corta rispetto ad altre tecnologie, il che lo rende meno sensibile alle interferenze della luce ambientale e straordinariamente efficace su superfici scure o metalliche riflettenti, spesso senza la necessità di opacizzanti. Con una velocità di acquisizione che raggiunge i 3.300.000 punti al secondo, è la scelta ideale per il controllo qualità, il reverse engineering e la digitalizzazione ad altissima fedeltà di piccoli reperti o di dettagli complessi su opere più grandi.

2. Scansione a Infrarossi VCSEL: Velocità e Sicurezza per Grandi Volumi

La seconda tecnologia si basa su una sorgente di luce strutturata a infrarossi di tipo VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). Questa modalità proietta un pattern di punti (speckle) invisibile e totalmente sicuro per l’occhio umano (Classe I). È stata progettata per due scopi principali: la velocità su larga scala e la scansione di persone. Con un campo visivo che può raggiungere i 1100 \times 1000 mm e una velocità di scansione che tocca i 4.500.000 punti al secondo, è perfetta per acquisire rapidamente oggetti di grandi dimensioni come statue, elementi architettonici o interi veicoli. La sua sicurezza e la capacità di catturare bene anche i capelli la rendono la modalità d’elezione per le scansioni del corpo umano e per applicazioni in ambito medicale o artistico.

3. Scansione a Laser Infrarossi: Versatilità e Scansione “Invisibile”

A completare il trio tecnologico vi è una modalità che utilizza 22 lame laser a infrarossi. Questa opzione offre un eccellente compromesso tra velocità (fino a 2.450.000 punti/s) e dettaglio, con il vantaggio aggiunto di operare con una luce invisibile all’occhio umano. Ciò la rende particolarmente utile in ambienti museali o pubblici dove una luce laser visibile potrebbe essere di disturbo. Come la modalità Scansione a Infrarossi VCSEL, supporta pienamente l’allineamento senza marker su oggetti con geometrie e texture complesse e variabili.

Acquisizione del Colore e Texture Automatiche

Oltre alla geometria ad alta precisione, il 3DEVOK MT è progettato per catturare la realtà in modo completo. Per questo, è dotato di una camera a colori dedicata, specificamente integrata per l’acquisizione di immagini durante il processo di scansione. Questa funzionalità permette al software 3DEVOK di generare in modo automatico e rapido la texture fotorealistica, mappandola direttamente sulla mesh 3D appena creata. Il risultato è un modello digitale tridimensionale non solo accurato nella forma, ma anche fedele nei colori e nei dettagli superficiali, un requisito fondamentale per le applicazioni nel campo dei beni culturali, del design e della comunicazione visiva.

La Scansione Ibrida che Elimina l’obbligo dei Markers

La vera magia del 3DEVOK MT non è solo nelle singole modalità, ma nella loro sinergia. La modalità di allineamento ibrida rivoluziona l’approccio alla scansione 3D, in particolare in settori delicati come quello museale, dei beni culturali e archeologico.

Il cuore di questa innovazione risiede nella capacità dello scanner di operare simultaneamente con la tecnologia a lame laser blu e il supporto della tecnica a infrarossi VCSEL. Questo significa che, mentre le lame laser blu sono impiegate per acquisire i dati geometrici ad altissima precisione, le telecamere a infrarossi VCSEL lavorano in parallelo per tracciare il movimento dello scanner nello spazio.

La tecnologia VCSEL, grazie alla sua capacità di proiettare un pattern di punti invisibile, crea una mappa di riferimento spaziale densa e continua sull’oggetto. Questo pattern viene analizzato in tempo reale dal software, che utilizza algoritmi avanzati di riconoscimento di feature geometriche e texture naturali. In pratica, il sistema identifica e traccia continuamente punti distintivi sulla superficie dell’oggetto, sfruttando sia le variazioni di forma (geometria) sia i dettagli visivi (texture).

Questa interazione sinergica tra i due sensori consente un allineamento automatico e continuo delle scansioni senza la necessità di applicare marker fisici (target di riferimento adesivi). I dati acquisiti dalle lame laser blu vengono precisamente posizionati nello spazio grazie al tracciamento in tempo reale fornito dagli infrarossi VCSEL. Questo approccio ibrido non solo elimina il rischio di contaminare o danneggiare reperti preziosi, ma ottimizza anche il flusso di lavoro, riducendo i tempi di preparazione e aumentando l’efficienza sul campo. Statue, bassorilievi e opere d’arte possono essere digitalizzati in modo rapido, non invasivo e con una fedeltà senza precedenti, preservando l’integrità dell’oggetto e accelerando il processo di acquisizione.

Il Potere di 3DEVOK STUDIO: Il Software che Dà Vita ai Dati

Per tradurre la potenza hardware del 3DEVOK MT in modelli 3D utilizzabili e di alta qualità, è fondamentale un software di elaborazione all’altezza. 3DEVOK STUDIO è il software proprietario abbinato allo scanner, progettato con un’interfaccia user-friendly e algoritmi avanzati per massimizzare l’efficienza e la qualità del dato.

Le principali caratteristiche tecniche di 3DEVOK STUDIO includono:

• Acquisizione e Visualizzazione in Tempo Reale: Il software permette di visualizzare la nuvola di punti in tempo reale durante la scansione, offrendo un feedback immediato all’operatore e consentendo di verificare la copertura e la qualità dei dati man mano che vengono acquisiti. Questo include una visualizzazione pulita della nuvola di punti e una funzione Matcap per una migliore percezione del modello.
• Allineamento Ibrido Avanzato: Come discusso, 3DEVOK STUDIO è il motore dietro l’allineamento senza marker. Gestisce in modo fluido l’allineamento basato su feature geometriche, texture e, se necessario, anche su marker tradizionali, offrendo la massima flessibilità per ogni tipo di oggetto e condizione. La funzione di “Automatic Registration” in modalità Feature Alignment semplifica ulteriormente il processo.
• Gestione Multi-Modalità: Il software è ottimizzato per tutte e tre le modalità di scansione del 3DEVOK MT. Permette di passare da una all’altra con facilità e di integrare i dati provenienti dalle diverse sorgenti luminose in un unico progetto, ad esempio per ottenere scansioni ad alta risoluzione localizzate utilizzando il laser blu su dati acquisiti rapidamente con infrarossi.
• Ottimizzazione Intelligente dei Dati: 3DEVOK STUDIO include funzioni avanzate per la pulizia e l’ottimizzazione della nuvola di punti. Questo si traduce in:
  • Rimozione intelligente del disordine (Intelligent Clutter Removal): Per eliminare automaticamente rumore e dati superflui.
  • Gestione di oggetti a parete sottile (Thin-Walled Object Stitching): Specifiche funzionalità per l’allineamento e la fusione di scansioni su oggetti sottili, spesso problematici.
  • Compensazione automatica dell’esposizione: Per garantire un’acquisizione fluida dei dati anche in condizioni di illuminazione variabili.
• Mappatura Texture Automatica e Ad Alta Definizione: Sfruttando la camera a colori integrata nello scanner, il software genera automaticamente texture fotorealistiche ad alta risoluzione e le mappa sulla mesh 3D. Sono disponibili funzioni avanzate per l’ottimizzazione della mappatura, inclusi aggiornamenti che hanno ridotto i tempi di mappatura del 30-40%. Esiste anche un plug-in aggiuntivo, 3DEVOK BesTexture, che consente di migliorare ulteriormente le texture combinando i dati di scansione con foto scattate da smartphone o fotocamere DSLR.
• Strumenti di Editing e Post-Elaborazione: Una volta acquisiti i dati, 3DEVOK STUDIO offre strumenti essenziali per la post-elaborazione, come la possibilità di annullare frame per frame l’acquisizione, la misurazione 3D e l’esportazione in vari formati.
• Compatibilità ed Esportazione Versatile: Il software supporta l’esportazione dei modelli 3D in formati standard e ampiamente utilizzati come *.STL, *.OBJ, *.ASC, *.3DS, garantendo la compatibilità con la maggior parte dei software di CAD, reverse engineering, ispezione 3D, stampa 3D e modellazione 3D (es. GOM Inspect, QUICKSURFACE, Geomagic Design X).
• Facilità d’Uso e Affidabilità: Con un’interfaccia utente intuitiva e un design di interazione efficiente, 3DEVOK STUDIO è pensato per essere accessibile anche a utenti meno esperti. Il software include funzioni di salvataggio automatico e recupero dati in caso di chiusure inattese, migliorando l’affidabilità del flusso di lavoro. La licenza software è “dongle-free”, offrendo maggiore flessibilità.
• Aggiornamenti Costanti: 3DEVOK si impegna nello sviluppo continuo di algoritmi avanzati, con aggiornamenti regolari che introducono nuove funzionalità e ottimizzazioni.

In sintesi, 3DEVOK STUDIO non è solo un software di acquisizione, ma una suite completa che accompagna l’utente dalla scansione iniziale alla generazione di modelli 3D pronti per le più svariate applicazioni, con un’enfasi particolare sull’efficienza e la qualità del risultato finale.

Libertà Senza Fili: L’Innovazione del Wireless Handle

Un altro ostacolo storico della scansione 3D ad alta precisione è sempre stato l’ingombro dei cavi. 3DEVOK risponde a questa sfida con l’introduzione del Wireless Handle, un accessorio tanto semplice quanto geniale. Questa impugnatura ergonomica integra una potente batteria e un modulo di trasmissione dati WIFI, liberando completamente l’operatore. Si può operare con totale libertà di movimento in un laboratorio di restauro, in un angusto scavo archeologico o in un’ampia sala espositiva, senza più vincoli.

Il Miglior Rapporto Qualità-Prezzo sul Mercato

In un mercato dove l’alta precisione ha spesso un costo proibitivo, il 3DEVOK MT si posiziona con una strategia aggressiva, offrendo una suite di funzionalità professionali a un prezzo che lo rende accessibile a una platea più vasta di utenti. La combinazione di tre tecnologie avanzate, l’accuratezza metrologica, l’indipendenza dai marker e la portabilità wireless lo rendono, di fatto, lo strumento con il miglior rapporto qualità-prezzo attualmente disponibile per applicazioni professionali. Con il 3DEVOK MT, la digitalizzazione 3D di alta gamma smette di essere un lusso per pochi e diventa uno strumento di lavoro potente, flessibile e finalmente alla portata di chiunque abbia la necessità di preservare, analizzare e valorizzare il patrimonio culturale con la massima fedeltà.

Disponibilità e Informazioni

Per toccare con mano le potenzialità del 3DEVOK MT, è possibile procedere in due modi. Gli utenti che desiderano acquistare direttamente il prodotto possono trovarlo disponibile sullo store online Geostore.it (https://geostore.it/products/3devok-mt-scanner-3d), la piattaforma e-commerce di riferimento per la strumentazione geomatica. Per chi invece preferisce ricevere maggiori dettagli, richiedere una consulenza personalizzata o una demo, è possibile consultare la pagina prodotto dedicata e compilare il form di contatto sul sito ufficiale di Microgeo, distributore italiano del prodotto, al seguente link: https://www.microgeo.it/prodotti/scanner-3d-portatile-3devok-mt.

I sistemi di Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) sono diventati fondamentali per la navigazione autonoma e la mappatura 3D, consentendo a robot, droni e dispositivi portatili di costruire una mappa di un ambiente sconosciuto mentre contemporaneamente localizzano la propria posizione al suo interno. Questi sistemi si basano sull’integrazione di dati provenienti da vari sensori, tra cui telecamere e LiDAR (Light Detection and Ranging). Tuttavia, un componente spesso sottovalutato ma di vitale importanza in molti sistemi SLAM moderni è l’unità di misura inerziale (IMU).

Cos’è un’IMU e Come Funziona nel Contesto SLAM?

Un’IMU è un dispositivo elettronico che misura e riporta la forza specifica, la velocità angolare e, in alcuni casi, il campo magnetico circostante un corpo. Tipicamente, un’IMU è composta da una combinazione di accelerometri (che misurano l’accelerazione lineare), giroscopi (che misurano la velocità angolare) e talvolta magnetometri (che misurano il campo magnetico terrestre per determinare l’orientamento assoluto).

Nel contesto dello SLAM, l’IMU fornisce dati inerziali ad alta frequenza che descrivono il movimento del sensore 3D (come una telecamera o un LiDAR) nello spazio. Questi dati includono informazioni su come il dispositivo sta traslando e ruotando.

Le Limitazioni dei Sistemi SLAM Basati su Singoli Sensori

I sistemi SLAM che si affidano esclusivamente a un singolo tipo di sensore presentano delle limitazioni intrinseche:

• SLAM Basato su Visione (Visual SLAM): Eccelle nel catturare dettagli ricchi e informazioni sulle texture, ma può fallire in ambienti con scarsa illuminazione, texture ripetitive o assenti (come un corridoio bianco e spoglio), o in presenza di movimenti rapidi che causano motion blur. La stima della scala è inoltre un problema intrinseco nel SLAM monoculare (con una singola telecamera).
• SLAM Basato su LiDAR: Fornisce misurazioni di distanza accurate e robuste in diverse condizioni di illuminazione. Tuttavia, i sensori LiDAR possono avere difficoltà con superfici riflettenti o trasparenti (come il vetro) e possono generare mappe meno dense o dettagliate rispetto alle telecamere in determinate circostanze. Inoltre, il LiDAR da solo può avere difficoltà a stimare con precisione la rotazione pura.

Il Ruolo Cruciale dell’IMU nel Superare Queste Limitazioni

L’integrazione di un’IMU in un sistema di scansione 3D SLAM offre numerosi vantaggi, mitigando le debolezze dei singoli sensori e migliorando le prestazioni complessive:

1. Stima del Movimento ad Alta Frequenza: L’IMU fornisce letture del movimento a una frequenza molto più elevata rispetto alla maggior parte delle telecamere o dei sensori LiDAR. Questi dati inerziali ad alta frequenza sono essenziali per stimare in modo più accurato e fluido il movimento tra un frame del sensore e il successivo, riducendo l’impatto di movimenti rapidi o imprevedibili.
2. Robustezza in Ambienti Difficili: L’IMU è indipendente dalle condizioni ambientali esterne come illuminazione, texture o presenza di oggetti riflettenti. Ciò significa che, anche quando i dati visivi o LiDAR sono degradati o assenti, l’IMU può continuare a fornire informazioni cruciali sul movimento del sensore, mantenendo la robustezza del sistema SLAM in scenari altrimenti critici.
3. Riduzione del Drift e Miglioramento dell’Accuratezza: Sebbene i dati dell’IMU tendano a “driftare” nel tempo (accumulare errori di integrazione), possono essere utilizzati per prevedere la posizione e l’orientamento del sensore nel breve termine con elevata precisione. Questa previsione può essere quindi corretta e affinata utilizzando i dati dei sensori esterni (telecamera o LiDAR) quando disponibili. Questa fusione di dati (spesso implementata tramite tecniche come filtri di Kalman estesi o ottimizzazione basata su grafi) riduce significativamente il drift complessivo del sistema SLAM e migliora l’accuratezza della localizzazione e della mappatura a lungo termine.
4. Gestione dei Movimenti Rapidi: In scenari con movimenti rapidi del sensore, i dati visivi o LiDAR possono presentare distorsioni significative dovute al movimento durante il tempo di esposizione o scansione. L’IMU fornisce informazioni precise su questi movimenti, consentendo agli algoritmi SLAM di compensare queste distorsioni e migliorare la qualità delle mappe 3D generate.
5. Stima della Scala (nel Visual-Inertial SLAM): Nel caso specifico del Visual SLAM monoculare, l’IMU è fondamentale per risolvere l’ambiguità di scala intrinseca. Integrando le misurazioni dell’accelerazione note dall’IMU, è possibile recuperare la scala metrica dell’ambiente mappato, ottenendo una ricostruzione 3D con dimensioni reali.

Integrazione dei Dati IMU nel Framework SLAM

L’integrazione dei dati IMU con quelli di altri sensori è un processo noto come sensor fusion. Esistono diversi approcci per realizzare questa fusione all’interno di un framework SLAM:

• Accoppiamento Lasco (Loosely-Coupled): Il SLAM visivo o LiDAR viene eseguito in modo indipendente e le stime di posizione e orientamento vengono quindi combinate con i dati dell’IMU in una fase successiva. Questo approccio è più semplice da implementare ma meno robusto.
• Accoppiamento Stretto (Tightly-Coupled): Le misurazioni grezze dell’IMU e degli altri sensori vengono integrate direttamente in un unico processo di ottimizzazione o filtraggio. Questo approccio è computazionalmente più costoso ma offre prestazioni superiori in termini di accuratezza e robustezza, poiché sfrutta appieno la complementarità dei diversi tipi di dati.

Conclusione

In sintesi, l’IMU non è solo un sensore aggiuntivo in un sistema di scansione 3D SLAM, ma un componente essenziale che ne potenzia significativamente le capacità. Fornendo dati inerziali ad alta frequenza indipendenti dalle condizioni ambientali e complementari a quelli visivi o LiDAR, l’IMU migliora la robustezza, l’accuratezza e l’affidabilità complessiva dei sistemi SLAM, consentendo loro di operare in una gamma più ampia di scenari e applicazioni, dalla robotica mobile alla realtà aumentata e alla mappatura di interni ed esterni. La sua integrazione efficace tramite tecniche di sensor fusion è la chiave per sbloccare il pieno potenziale dello SLAM per la ricostruzione 3D.

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Funzionalità avanzate, informazioni migliori

Funzionalità avanzate, informazioni migliori

L’integrazione tra il sistema di posizionamento satellitare GNSS RTK (Global Navigation Satellite System Real-Time Kinematic) e la tecnologia SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) rappresenta un importante passo avanti nel campo della navigazione autonoma e della mappatura ad alta precisione. Queste due tecnologie complementari, se utilizzate insieme, permettono di ottenere dati di posizionamento estremamente accurati e mappe dettagliate di ambienti complessi, rendendo questa fusione ideale per numerose applicazioni industriali e scientifiche.

Cos’è GNSS RTK?

Il GNSS RTK è una tecnologia di posizionamento in modalità cinematica ed in tempo reale che migliora notevolmente la precisione delle coordinate geografiche ottenute dai satelliti. Mentre un sistema GNSS standard in modalità stand alone fornisce posizionamenti con un errore che può variare da qualche metro a decine di metri, RTK utilizza una stazione base fissa e un rover mobile per correggere gli errori in tempo reale, raggiungendo un’accuratezza di pochi centimetri.

Cos’è SLAM?

SLAM è una tecnologia che permette a un dispositivo mobile (come un robot, drone o veicolo autonomo) di mappare un ambiente e contemporaneamente localizzarsi al suo interno. SLAM utilizza sensori come lidar, telecamere o IMU (Inertial Measurement Unit) per creare una mappa dell’ambiente circostante e tracciare la posizione del dispositivo in tempo reale, anche in ambienti sconosciuti o privi di segnale GPS.

Vantaggi dell’Integrazione GNSS RTK e SLAM

1. Accuratezza Estrema del Posizionamento

L’integrazione del GNSS RTK con SLAM consente di combinare la precisione assoluta dei dati GNSS con la localizzazione dettagliata e relativa ottenuta dal sistema SLAM. Questo è particolarmente utile in scenari in cui il dispositivo deve operare in ambienti sia interni che esterni. Nei contesti all’aperto, dove il segnale satellitare è forte, il GNSS RTK fornisce posizioni assolute molto precise; mentre in ambienti chiusi o privi di segnale satellitare, il sistema SLAM può continuare a localizzare il dispositivo con alta accuratezza relativa.

2. Correzione della Deriva SLAM

Uno dei limiti principali della tecnologia SLAM è la deriva, ovvero l’accumulo di errori di posizione nel tempo. Questo avviene perché il sistema si basa sulla continua comparazione di caratteristiche visive o di profondità dell’ambiente. L’integrazione con GNSS RTK permette di correggere questi errori fornendo correzioni in tempo reale, mantenendo la precisione del sistema di localizzazione anche su lunghe distanze e in periodi prolungati di operazione.

3. Navigazione in Ambienti Misti (Indoor/Outdoor)

L’integrazione di GNSS RTK e SLAM consente ai dispositivi di navigare senza problemi tra ambienti interni ed esterni. Mentre il GNSS RTK fornisce una precisione eccellente in spazi aperti, il segnale satellitare può essere debole o assente in spazi chiusi. In questi casi, il sistema SLAM può prendere il controllo e mantenere una localizzazione affidabile. Questa capacità di operare in ambienti misti è particolarmente utile in contesti industriali, logistici e agricoli, dove le operazioni si svolgono sia all’interno che all’esterno.

4. Maggiore Robustezza in Ambienti Complessi

La presenza di ostacoli, superfici riflettenti o ambienti con segnali GNSS deboli può compromettere la precisione dei sistemi di localizzazione tradizionali. La fusione dei dati GNSS RTK con quelli SLAM offre una maggiore robustezza in questi ambienti complessi, poiché i due sistemi possono compensare i rispettivi limiti. Per esempio, in un ambiente urbano con grattacieli che bloccano il segnale GNSS, il sistema SLAM può mantenere la localizzazione del dispositivo sfruttando i dati raccolti da lidar o telecamere.

5. Miglioramento della Mappatura 3D

Integrando i dati GNSS RTK e SLAM, è possibile migliorare la qualità delle mappe 3D. Il GNSS RTK fornisce informazioni georeferenziate ad alta precisione, mentre SLAM crea una mappa dettagliata e densa dell’ambiente circostante. Questa combinazione consente di ottenere mappe 3D con coordinamento geospaziale preciso, utile in applicazioni come rilievi topografici, costruzioni, e operazioni di ricerca e soccorso.

6. Facilità d’Uso e Automazione

L’integrazione di GNSS RTK e SLAM facilita l’automazione in numerose applicazioni, come i veicoli autonomi e la robotica mobile. La capacità di navigare e mappare autonomamente sia in ambienti chiusi che aperti con alta precisione riduce la necessità di intervento umano, migliorando l’efficienza e riducendo i costi operativi.

Applicazioni dell’Integrazione GNSS RTK-SLAM

1. Droni per Rilievi Aerei e Mappatura: I droni possono beneficiare di una navigazione accurata anche in spazi aperti e complessi come foreste, canyon, o centri urbani.
2. Robotica di Magazzino: I robot in ambienti logistici possono passare da aree interne a cortili esterni senza perdere precisione nella localizzazione.
3. Veicoli Autonomi: Per i veicoli a guida autonoma, è fondamentale disporre di un sistema che garantisca una localizzazione precisa sia in strade aperte (con GNSS RTK) che in parcheggi sotterranei o tunnel (con SLAM).
4. Agricoltura di Precisione: Le macchine agricole possono mappare accuratamente i campi agricoli, migliorando l’efficienza delle operazioni come la semina e l’irrorazione.

Conclusioni

L’integrazione dei dati GNSS RTK con la tecnologia SLAM offre una soluzione avanzata per la navigazione autonoma e la mappatura in tempo reale. Questa combinazione non solo migliora la precisione della localizzazione, ma consente anche di superare i limiti che ciascuna tecnologia ha singolarmente. Dalla robotica, ai droni, ai veicoli autonomi, questa fusione sta aprendo la strada a una nuova generazione di dispositivi capaci di operare in modo preciso e autonomo in qualsiasi ambiente, aumentando l’efficienza e riducendo i costi.

La fotogrammetria e il LiDAR sono due tecnologie utilizzate per il rilievo tridimensionale, ma si basano su principi e strumenti diversi. Ecco le principali differenze tra un rilievo fotogrammetrico e un rilievo LiDAR:

1. Principio di funzionamento

• Fotogrammetria: Si basa su fotografie bidimensionali scattate da diverse angolazioni. Utilizzando tecniche di triangolazione, si ricostruisce la posizione tridimensionale degli oggetti. La fotogrammetria sfrutta la luce visibile e richiede che la scena sia ben illuminata per ottenere buone immagini.
• LiDAR (Light Detection and Ranging): Utilizza impulsi laser per misurare la distanza tra il sensore e gli oggetti circostanti. Il sensore invia impulsi di luce laser e misura il tempo impiegato per il ritorno degli impulsi riflessi, creando così una nuvola di punti 3D molto accurata.

2. Strumenti

• Fotogrammetria: Fotocamere (aeree o terrestri), software di elaborazione immagini per generare modelli 3D (come 3DF Zephyr LINK).
• LiDAR: Scanner laser montati su droni, aerei o veicoli terrestri. Questi scanner inviano impulsi laser per creare mappe tridimensionali.

3. Precisione e dettaglio

• Fotogrammetria: Può essere molto dettagliata, ma la precisione può essere inferiore in condizioni di scarsa illuminazione o quando si rilevano superfici riflettenti o trasparenti. La qualità del modello dipende dalla risoluzione delle immagini e dal numero di punti di vista utilizzati.
• LiDAR: Estremamente preciso e in grado di ottenere misurazioni accurate anche su superfici difficili, come la vegetazione densa o in condizioni di scarsa visibilità (es. nebbia o oscurità). Il LiDAR penetra anche tra la vegetazione, permettendo di rilevare il terreno sottostante.

4. Ambienti e applicazioni

• Fotogrammetria: È adatta per l’architettura, la documentazione del patrimonio culturale, la mappatura topografica, la modellazione urbana e progetti di ricostruzione storica. La fotogrammetria richiede ambienti ben illuminati e non è efficace in presenza di vegetazione fitta.
• LiDAR: Utilizzato soprattutto in mappature topografiche, geologiche e forestali, per rilevare strutture sotterranee e creare modelli del terreno sotto la vegetazione. È ideale per l’uso in foreste o aree in cui il terreno è difficile da rilevare visivamente.

5. Costo e complessità

• Fotogrammetria: Generalmente meno costosa, poiché utilizza fotocamere standard, ma richiede una notevole elaborazione software per ottenere risultati accurati.
• LiDAR: Più costoso a causa della complessità della strumentazione (scanner laser), ma fornisce risultati immediatamente più precisi, riducendo la necessità di post-elaborazione.

6. Dati raccolti

• Fotogrammetria: Produce modelli 3D basati su immagini che possono essere utili anche per analisi visive (texture, colori), fornendo informazioni sia geometriche che visive.
• LiDAR: Produce nuvole di punti estremamente precise, ma non cattura informazioni visive (come colori o texture) a meno che non venga combinato con fotocamere.

Sintesi

• Fotogrammetria: Economica, buona per la documentazione visiva, ideale per modelli di superfici con pochi ostacoli.
• LiDAR: Più costoso, ma estremamente preciso, funziona in tutte le condizioni e penetra attraverso la vegetazione.

La scelta tra le due tecnologie dipende dalle esigenze del progetto, dal budget e dalle condizioni ambientali.

La sperimentazione presentata costituisce la prima fase di una ricerca interdisciplinare finalizzata alla codificazione di procedure di controllo e analisi non distruttiva dello stato di conservazione di manufatti del patrimonio culturale per orientare azioni di conservazione preventiva.

Lo studio è coordinato dal prof. Massimiliano Campi, dalla prof.ssa Antonella di Luggo e dall’arch. Valeria Cera del Dipartimento di Architettura dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, nell’ambito dell’Accordo di Collaborazione Scientifica tra il Centro Interdipartimentale di Ricerca Urban\Eco della Federico II e la Diocesi di Teggiano-Policastro, nella figura del Vicario Generale, Don Giuseppe Radesca.

L’indagine è stata condotta sulla chiesa di San Michele Arcangelo a Padula interessata da fenomeni di distacco dell’intonaco di alcuni affreschi del 1954, localizzati all’intradosso dei sistemi voltati, dai quali risultano ora visibili le tracce di pitture antecedenti.

Il lavoro è stato condotto con il supporto dell’azienda MicroGeo, coinvolta allo scopo di relazionare le componenti morfo-metriche acquisite con tecniche di rilievo strumentale ad aspetti cognitivi e tecnici quali dati microclimatici, termici, materici e di scostamento geometrico, al fine di rendere il modello tridimensionale del rilievo architettonico un supporto per la simulazione di scenari connessi a programmi di prevenzione conservativa.

Per tale motivo, dopo aver effettuato un rilievo TLS con un  Faro Focus3D X330 della chiesa, sono state acquisite informazioni di dettaglio delle parti ammalorate degli affreschi attraverso un rilievo con termocamera.

Impiegando una camera termica TESTO890, sono state scattate immagini termiche e, allo stesso tempo, sono state registrate anche fotografie nel campo del visibile con una camera reflex CanonEos1300D collocata sullo stesso treppiede in modo da far coincidere i centri ottici dei due sensori nella fase di processamento. All’interno del software 3DF Zephyr, sono stati dapprima orientati e processati i fotogrammi reflex. Sfruttando la coincidenza dei centri ottici, sono state selezionate poi le immagini termiche come origine del dato. A partire dalla nuvola densa precedentemente ricostruita, le informazioni sul comportamento termico delle superfici sono state proiettate sui singoli punti della nuvola ottenendo un modello 3D discreto in cui per ogni punto alla posizione nello spazio risulta aggregato anche il valore di temperatura e il dato di colore.

Con riferimento alla cupola di copertura del transetto, l’analisi degli stati termici ha evidenziato la presenza di 4 aree fredde discendenti dalla lanterna verso l’imposta, con una temperatura più bassa (di 0.8 o 1.9 gradi a seconda della stagione) rispetto alle zone circostanti.

La lettura incrociata dei dati termici con quelli geometrici e fotografici ha restituito l’insistenza di una condizione patologica di forte umidità in 4 spicchi che sono molto più estesi rispetto alle parti che visivamente risultano intaccate.

Una ispezione visiva condotta all’estradosso, ha consentito in effetti di ricondurre tali porzioni ai punti liberi della superficie della cupola, non interessati dall’intersezione con il sistema di copertura dell’aula e del transetto. Qui, in effetti, non era presente una adeguata coibentazione, oggi messa in opera.

Grazie quindi ai dati provenienti dalla termocamera è stata ravvisata la presenza di umidità che non è visibile in superficie e, per questo, da monitorare per ovviare alla manifestazione di ulteriori fenomeni di degrado, comportanti distacchi di intonaco in aree più grandi.

Chiaramente, le analisi e le relative valutazioni critiche definiscono la base di partenza per indirizzare alcune azioni di intervento diretto e, al tempo stesso, orientare le scelte più opportune per successivi approfondimenti diagnostici, più ristretti e mirati, riducendo i danni al patrimonio storico.

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Questa fase di progetto ha visto il supporto degli arch. Michele Sanseviero, Alessandro Cancellaro e Marika Falcone nonché il contributo degli architetti Giovanni Angrisani e Lorenzo Bisceglia.

Il lavoro è stato, inoltre, condotto con la competente collaborazione di Michele Cirignano e il sostegno dell’azienda MicroGeo che si ringraziano per aver messo a disposizione della ricerca la termocamera TESTO890 e il software 3DF Zephyr per il processamento dei dati.

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Per ulteriori approfondimenti, si rimanda alla lettura di alcuni contributi scientifici:

Cera Valeria (2022). Multisensor Data Fusion for Cultural Heritage Assets Monitoring and Preventive Conservation. ISPRS International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, XLVI-2/W1-2022, pp.151-157. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLVI-2-W1-2022-151-2022, 2022.

Cera Valeria (2021). La manipolazione di modelli discreti per orientare l’indagine diagnostica per il restauro. In Rosa Anna Genovese (Ed.), Il patrimonio culturale tra la transizione digitale, la sostenibilità ambientale e lo sviluppo umano. Cultural Heritage in digital transition, environmental sustainability and human development, pp. 167-190. Napoli: Giannini Editore. ISBN 978-88-6906-196-7.