Le nuove tecnologie per il rilievo architettonico e strutturale degli immobili

Negli ultimi anni l’evoluzione degli strumenti tecnologici nelle professioni hanno portato a grandi innovazioni soprattutto per quanto riguarda il rilievo del territorio e urbano. Si può ben immaginare quanto sia più veloce ed economico effettuare un rilievo con uno scanner inserito in un drone, piuttosto che utilizzare, come si è fatto finora, una volgare rollina, fettuccia o metro.

Questo nuovo strumento di rilevazione è, ora, regolamentato dall’ENAC, l’Ente Nazionale per l’Aviazione Civile e richiede operatori specializzati, ma è senz’altro molto interessante per chi necessita di rilievi nel settore della progettazione e della manutenzione delle infrastrutture.

L’evoluzione è stata impressionante nel campo degli apparecchi per la ripresa.

• Il rilievo aerofotogrammetrico nasce alla metà del secolo scorso grazie all’uso di apparecchi fotografici posti su aeroplani. Da questi rilievi nascono le cartografie moderne, come per esempio le CTR, le Carte Tecniche Regionali e le ortofoto. Segue il passaggio al digitale, con i DTM, i Modelli Digitali del Terreno, e con la sovrapposizione di questi ultimi con le ortofoto si crearono i primi modelli realistici del territorio in 3D.
• All’inizio di questo secolo nasce il sistema di rilievo laser, dando vita ai sistemi LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) posti su aerei o elicotteri, ma oggi si posizionano sui droni professionali. Con questo sistema si raggiunge una precisione mai vista prima.
• In questi anni si va sempre più diffondendo l’uso di apparecchi fotografici digitali ad altissima risoluzione, ma di dimensioni ridottissime, montati su droni sempre più piccoli.

L’aspetto più interessante, però, riguarda l’evoluzione del software che permette di ricostruire la mesh tridimensionale dalle fotografie scattate dall’alto. Infatti, nel secolo scorso i primi apparecchi per la restituzione fotogrammetrica erano piuttosto ingombranti e costosi, ma altrettanto costosi e specialistici erano i software che utilizzavano. Oggi, invece, gran parte del lavoro di elaborazione dei dati può essere effettuato con un software di facile utilizzo, poco costoso e che permette di rendere disponibili i modelli 3D in tutta la piattaforma Autodesk, da Autodesk InfraWorks 360 ad AutoCAD, AutoCAD Map 3D e Civili 3D, da Autodesk Revit ad Autodesk Navisworks e così via. In particolare, permette di trasformare i dati raccolti dagli apparecchi laser e fotografici in nuvole di punti, mesh tridimensionali, Modelli Digitali di Elevazione (DTM) e ortofoto georeferenziate. In altre parole, tutto ciò che è necessario per la progettazione di infrastrutture nuove o della loro manutenzione. Abbiamo davvero fatto un bel passo avanti. Ma ora vediamo come funziona questa innovazione tecnologica.

Le tecniche di rilievo e le strumentazioni adottate hanno avuto nell'ultimo decennio un notevole sviluppo. In un'epoca in cui si costruisce sempre meno e si recupera sempre più il patrimonio immobiliare esistente, assume un'importanza fondamentale il rilievo puntuale dello stato dell'immobile da recuperare.

La conoscenza dettagliata di una struttura, di una facciata o di un sito, consente al progettista di esprimersi al meglio nella fase progettuale. Lo mette nella condizione di fare delle scelte oculate, di ottimizzare al meglio gli spazi, di computare i lavori da eseguire con notevole precisione.

Fino a qualche tempo fa il rilievo di fabbricati e/o di siti veniva eseguito con strumenti semplici (rotelle metriche, Disto, ecc.) che non consentivano di avere un "modello" dell'immobile su cui si doveva intervenire. Le misurazioni eseguite, ad esempio, per generare la pianta di un edificio, in realtà, erano delle "sezioni" orizzontali, a una determinata quota, che non tenevano conto di eventuali inclinazioni dei muri, eventuali anomalie statiche dei solai, ecc. Seppur si poteva arrivare a un modello 3D dell'immobile, lo stesso era comunque condizionato da una serie di approssimazioni, a cui si poteva in parte ovviare con una lunga campagna di misure.

Oggi, le nuove tecnologie consentono di “trasferire" nello studio del progettista l'oggetto del rilievo su cui sta intervenendo. Oltre alle informazioni metriche, le nuove tecnologie consentono di abbinare anche le informazioni fotografiche, termografiche, ecc. Grazie all'utilizzo di Laser Scanner, droni, il progettista lavora direttamente sulla struttura conoscendone forma, dimensioni, materiali, situazioni critiche (lesioni, situazioni di insalubrità, ecc.). ll tutto a vantaggio di una progettazione di altissimo livello.

In questo articolo cominceremo a conoscere il funzionamento e l'utilizzo dei Laser Scanner e le loro applicazioni.

La nascita del Laser Scanner risale a qualche anno fa e la sua invenzione si deve agli studi e alle intuizioni di Albert Einstein. Il grande scienziato ipotizzò 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.

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. Lo strumento viene definito scanner in quanto, come uno scanner piano, acquisisce dei dati in maniera automatica, senza effettuare alcuna scelta. ln altre parole, "acquisisce" tutto quanto è presente nel suo raggio d'azione.

È una tecnica di rilievo diretta dove si acquisiscono le coordinate tridimensionali di un punto tramite la misura della distanza inclinata e di angoli orizzontali e verticali. A differenza della strumentazione classica di rilievo, ci troviamo a operare con una tecnologia che ci permette di effettuare rilievi tridimensionali in tempi brevissimi attraverso la misura di un elevato numero di punti a cui possono venire associate informazioni sul colore e riflettenza dei materiali.

I laser scanner fissi, quelli su cui concentriamo il nostro interesse, si possono dividere in due categorie, a tempo di volo o a differenza di fase. Dal punto di vista del risultato non c'è alcuna differenza, otterremo sempre una nuvola di punti, cambia la tecnologia con la quale viene determinata la distanza tra lo strumento e la superficie da rilevare.

Gli strumenti a "tempo di volo" calcolano la distanza misurando il tempo che impiega un fascio di luce che parte dallo strumento e ritorna, allo stesso, dopo aver impattato un oggetto. Questa tecnologia viene utilizzata per misure su lunghe distanze, nell'ordine dei km, in ambito territoriale.

Gli strumenti a "differenza di fase" sfruttano un altro principio. Confrontano la fase del segnale di ritorno con quello di partenza. L'acquisizione delle misure è molto più rapida, fino ad 1 milione di punti al secondo, ma con il limite di una distanza di qualche centinaio di metri. Questo tipo di laser scanner è più idoneo per applicazioni edili, industriali, architettoniche dove gli ambienti sono più piccoli ma complessi, dove è necessario fare più posizionamenti ed è importante avere una velocità di acquisizione elevata.

I laser scanner si differenziano, inoltre, anche per il campo visivo. Infatti, mentre tutti hanno la possibilità di ruotare in orizzontale di 350 gradi, in verticale ci sono differenze dovute a scelte tecniche di costruzione e alle destinazioni dello strumento. Gli strumenti più adatti al rilievo di interni devono poter rilevare tutto ciò che li circonda, rimanendo escluso dall'acquisizione solo il cono d'ombra sotto il loro basamento.

ll risultato che otteniamo, con tutti gli strumenti che abbiamo visto fino ad ora, è un insieme di punti tridimensionali chiamato "nuvola di punti". I punti rilevati hanno, tra le varie caratteristiche, associato un colore. Con la scansione c'è la possibilità di associare alle coordinate dei punti anche un dato RGB, derivante da una fotocamera, che può essere interna o fissata esternamente. Se vogliamo l'informazione sul colore, lo strumento in un momento diverso da quello di scansione fa una seconda acquisizione per le immagini e, avendo noti il punto di presa e l'angolazione di scatto, assegna al punto t, informazione sul colore più vicino ad esso. L'acquisizione delle fotografie è spesso più lenta, rispetto alla durata della scansione di rilievo, ma, proprio per questo motivo e qualora non richiesto, possiamo evitare questo tipo di acquisizione. Una informazione che invece abbiamo sempre è la riflettanza.

Abbiamo anzidetto che la misura della distanza tra lo strumento e l'oggetto da misurare, avviene tramite l'emissione di un segnale che rimbalza su di una superficie e ritorna al sensore. La superficie da rilevare, a seconda del materiale di cui è composta, assorbe una quantità di radiazione più o meno alta. Questo fattore, oltre che influenzare la distanza massima misurabile, è registrato durante l'acquisizione e permette di ottenere una visualizzazione dell'oggetto del rilievo tramite la mappatura di questo valore. Può essere utile per visualizzare una nuvola di punti della quale non sono state scattate le fotografie oppure per indagare su materiali differenti pur avendo lo stesso colore.

Le fasi principali di un lavoro realizzabile con tecnologia laser sono:

• acquisizione;
• elaborazione;
• estrazione delle informazioni geometriche.

In fase di impostazione dell'acquisizione dei dati possiamo indicare un passo per la nostra griglia di punti. La selezione nella strumentazione avviene tramite l'individuazione di un passo angolare che, riferito a una distanza campione, determina la densità prevista nel rilievo. Alcune strumentazioni permettono di impostare valori numerici a questo passo oppure semplici indicatori di densità. Le superfici che si trovano più vicine di questa distanza avranno una densità maggiore di quella indicata mentre, per quelle più lontane, la densità aumenterà all'aumentare della distanza dallo strumento. La scelta della densità influenza sia il tempo di acquisizione che la dimensione del file ottenuto, in funzione del numero complessivo di punti. Appare evidente che difficilmente avremo un passo costante sulla superficie, necessario per ottenere delle elaborazioni più corrette, nel momento che si passerà da nuvole di punti a superfici formate da triangoli.

Ovviamente sarà possibile rilevare solo ciò che si vede dal punto di stazione quindi, per coprire tutta l'area del rilievo è, spesso, necessario effettuare acquisizioni da più punti di stazione.

Per la fase di elaborazione esistono numerosi formati di file contenenti nuvole di punti, alcuni proprietari delle aziende costruttrici e altri liberi.

Anche i software che possono aprire e gestire questa tipologia di dati sono numerosi, tutte le principali case che vendono laser scanner hanno un loro software di registrazione ed elaborazione dati. Esistono, inoltre, validi software open source.

Non esistono ancora programmi di modellazione così performanti da trasformare, in modo automatico, un rilievo laser scanner in un modello 3D, se non con drastiche semplificazioni. ll tempo per trasformare un rilievo laser scanner nelle classiche piante, prospetti e sezioni è davvero notevole e deve essere eseguito da un tecnico esperto per evitare di perdere particolari esistenti nella nuvola di punti (fuori piombo, variazioni di spessore di pareti e solai, spanciature, deformazioni, ecc.). ■