LASER SCANNER E LIDAR COSA SONO?
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 tecnica di rilievo viene chiamata in campo scientifico LIDAR (Light Detection and Ranging; o Laser Imaging Detection and Ranging) e permette di determinare la distanza di un oggetto o di una superficie utilizzando un impulso laser. La principale differenza fra il lidar e il radar è che il lidar usa lunghezze d'onda ultraviolette, nel visibile o nel vicino infrarosso; questo rende possibile localizzare e ricavare immagini e informazioni su oggetti molto piccoli, di dimensioni pari alla lunghezza d'onda usata.
Il laser scanner può essere considerato come una stazione totale motorizzata ad elevata automazione, in grado di acquisire milioni di punti in pochi minuti.
I campi di utilizzo del laser scanner sono ormai tantissimi e in continua evoluzione, ne citiamo alcuni:
  • Giudiziario: misurare la scene del crimine, controlli dimensionali in 3D, rilievo di incidenti;
  • Navale: analisi per miglioramenti performance, misure per dimensionamento allestimenti, analisi strutture per restauro/ristrutturazione;
  • Infrastrutture e territorio: misurazioni di movimento, rilievo di geometrie, modellazione del territorio;
  • Beni culturali: stato di fatto e mappe del degrado, strutture e dettagli, database a scopo documentativi, ortofoto, realtà virtuale;
  • Architettura e edilizia: tavole 2D, modelli 3D, facility management.
I rilievi possono essere effettuati a distanze variabili da 3 a 2000 metri a seconda della riflettività del target, trovando molti campi di impiego tra cui 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 scan 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. L’enorme numero di punti che il sistema laser scan riesce a fornire, permette un sovracampionamento, aumentando notevolmente la qualità del rilievo.
Inoltre, le stazioni totali classiche richiedono generalmente la presenza di uno o più operatori sul luogo del rilievo, non sempre possibile o agevole in zone impervie od in situazioni d’alto rischio. 

PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
LASER significa amplificazione di luce tramite emissione stimolata di radiazioni (acronimo di Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiaton). Nacque nel 1917 ad opera di Albert Einstein.
Le principali caratteristiche del laser sono:
  • Unidirezionalità: La luce laser si propaga in una direzione ben definita al contrario delle lampadine normali
  • Monocromaticità: La luce laser ha sempre stessa frequenza, mentre la lampadina emette radiazioni di diversa frequenza
  • Coerenza: La luce laser deve essere costituito da onde con stessa frequenza che si sommano con grande potenza e intensità. Se due sorgenti emettono onde continue nel tempo le intensità saranno la stesse. Le due sorgenti vengono chiamate coerenti fra loro.
La lunghezza d'onda varia da 200 nm a 700 nm, toccando l'ultravioletto, il visibile e l'infrarosso. La lunghezza d'onda è la distanza presente fra 2 punti di massima altezza d'onda.

Il laser è costituito da un cilindro allungato in materiale attivo che consente di amplificare le radiazioni, ed è inserito tra una coppia di specchi, di cui uno trasparente per consentire al fascio di uscire.

L'utilizzo del laser può creare disturbi a pelle ed occhi. La tolleranza varia a seconda della lunghezza d'onda, della durata d'esposizione e dell'organo colpito.
I laser sono classificati in classi crescenti di rischio:
  • CLASSE 1: laser sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevoli;
  • CLASSE 2: laser che emettono radiazioni visibili. l'occhio è protetto dalle reazioni di difesa, compreso il riflesso palpebrale;
  • CLASSE 3A: laser sicuri per visione a occhio nudo. La visione di laser 3A con strumenti ottici (binocoli, telescopi) può essere pericolosa;
  • CLASSE 3B: la visione diretta di questi laser è sempre pericolosa, anche la visione di riflessione è pericolosa;
  • CLASSE 4: laser che producono riflessioni pericolose, provocando lesioni alla pelle e pericolo di incendio. Richiedono estrema cautela per l'utilizzo.
La riflessione dipende dalla rugosità della superficie colpita e dalla lunghezza d'onda. Se la superficie è rugosa il raggio riflesso è indipendente da quello incidente, se liscio è speculare, se catarifrangente è parallelo a quello incidente.

Il laser scanner è una soluzione versatile per l'acquisizione di grandi quantità di dati con tempi ridotti e precisione alta. Lo scanner 3D è considerato come un occhio che misura tutto ciò che è visibile dalla posizione in cui si trova come una stazione totale molto potente.
Il calcolo delle coordinate avviene tramite il sistema polare con angoli orizzontali, verticali e distanze analogamente a quanto di realizza con una stazione totale con la differenza che il passo di misura angolare orizzontale e verticale viene definito a priori durante la fase di impostazione della scansione.

Le principali differenze tra laser scanner e stazione totale sono:
  • Il laser misura senza prisma riflettente, ogni elemento è misurabile nella sua normalità;
  • La velocità di acquisizione dei dati nel laser è molto maggiore, si possono immagazzinare milioni di punti al secondo;
  • Il laser scanner, oltre a x,y,z prende anche informazioni sul colore e sulla riflettanza.
  • La misura con laser scanner è automatica e “non intelligente”, non è possibile quindi imporre il rilievo delle linee di discontinuità degli oggetti rilevati
I principi di misurazione dei laser scanner terrestri si dividono in tre categorie:
  • Laser scanner triangolatori;
  • Laser scanner a tempo di volo;
  • Laser scanner a misura di fase.
I laser scanner triangolatori sono usati per oggetti piccoli e per la prototipazione rapida, cioè la possibilità di riprodurre copie in modo industriale dell'oggetto rilevato. Per la loro precisione sono usati per l'archiviazione dei reperti archeologici o rilievi di monumenti, statue, ecc...
Il principio usato è quello di una classica intersezione in avanti. Il triangolo è formato da emettitore-oggetto-ricevitore. Se le distanze tra l'emettitore e le altre due fonti sono troppo grandi o troppo piccole la precisione diminuisce. Il triangolo deve essere il più possibile equilatero.
Questi scanner sono usati sopratutto nei locali chiusi per il problema della luce ambientale. Molte volte i triangolatori non possono misurare, sia se il puntatore del laser non è visibile, sia se la superficie ricevente è riflettente e il puntatore risulta doppio. I triangolatori misurano fino a due decimi di millimetro su oggetti posti a una distanza massima di due metri.

Gli scanner che lavorano con il principio del tempo di volo sono i più usati nel campo architettonico e ambientale. Si può misurare fino a 1500 m di distanza, con precisioni fino al millimetro.
Il principio del tempo di volo misura l'intervallo di tempo tra impulso trasmesso e impulso ricevuto.

Spazio = (velocità*tempo)/2

La velocità è uguale al prodotto fra lunghezza d'onda e frequenza, il calcolo del tempo avviene tramite un orologio con una frequenza stabilizzata. Il funzionamento è lo stesso dei laser per interni, l'operazione di misura viene ripetuta milioni di volte ruotando il laser.
Il meccanismo è come quello manuale del topografo, s'imposta l'angolo orizzontale, si collima il punto ecc... ; nello scanner questo procedimento è automatico.
Il movimento orizzontale avviene per la rotazione dello strumento e quello verticale è calcolato tramite la rotazione di uno specchio.

Il distanziometro a misura di fase si basa sull'emissione di una radiazione che viene modulata e trasmessa verso un prisma retroriflessore, questo riflette l'onda verso l'apparecchio ricevente che calcola la differenza tra onda emessa e ricevuta. Lo sfasamento dipende dalla distanza fra distanziometro e prisma. I distanziometri a fase sono composti da due parti, una trasmittente e una ricevente.
Questi scanner permettono di raggiungere precisioni di qualche millimetro per distanze degli oggetti fra 100 e 800 m ma possono raggiungere anche portate sino a 1 km con precisioni di qualche centimetro. In generale all’aumentare della portata dello strumento si ha un decremento della precisione.

L'automatizzazione dei laser scanner permette di avere molte informazioni e molto precise, anche velocemente; ma l'operatore deve sempre fare alcuni accorgimenti per eseguire un buon rilievo. In particolare occorrerà definire con attenzione i seguenti parametri:
  • La risoluzione: Si imposta una griglia di punti a una certa distanza, se l'oggetto è posto a una distanza superiore la densità sarà minore di quella indicata e viceversa;
  • Il numero di SHOTS: La misura viene fatta n volte, il dato immagazzinato è il valore medio;
  • I limiti della distanza: E' possibile impostare una distanza massima e una minima di misurazione.
Dopo queste informazioni il calcolatore stimerà:
  • Il numero dei punti che verranno acquisiti;
  • Il tempo necessario per la scansione;
  • La classe del laser.
Su alcuni laser è possibile controllare la messa a fuoco.

Di fondamentale importanza è decidere la sistemazione dello strumento rispetto all'oggetto, facendo attenzione ai coni d'ombra. Se davanti a una facciata vi è un ostacolo la parte retrostante non può essere misurata, si è dunque costretti a spostarsi ed effettuare una seconda ripresa. Le due scansioni permetteranno di avere una nube completa priva di ombre.

Il vantaggio dell’acquisizione di una grande mole di dati mostra però, in fase di elaborazione dei dati LIDAR subito l’altro lato di questa medaglia, i due problemi principali con cui si deve fare i conti in fase di restituzione:
  • La gestione di una grande mole di dati elaborabili solo con calcolatori di fascia medio alta e con software dedicati;
  • Il riconoscimento delle linee di discontinuità che statisticamente non saranno mai acquisite direttamente ma dovranno essere sempre ricostruite a posteriori
OPERAZIONI DI TRATTAMENTO DEI DATI LASER SCANNER

  • Acquisizione: Consiste nell’inserimento dei dati e delle immagini nel programma.
  • Calibrazione della camera(mouting): Consiste nell’orientamento della camera fotografica rispetto al laser scanner così da definire il legame geometrico fra pixel acquisiti dalla fotocamera e punti rilevati con laser scanner. Questa procedura si realizza mettendo in relazione la posizione dei marker sulle immagini con la loro posizione all’interno della nuvola di punti. Il riconoscimento dei marker nella scansione è effettuato in modo automatico dal software di elaborazione in base alla riflettenza dei punti presenti, il riconoscimento automatico ovviamente comporta errori grossolani come l’identificazione di punti che in realtà non sono marker. Nel nostro caso la presenza dei bidoni della raccolta differenziata, dotati di bande catarifrangenti, ha portato all’individuazione di un numero di punti pressoché doppio rispetto a quello dei marker. Il collegamento fra i punti immagine e i punti scansione è affidato all’operatore che può quindi intervenire eliminando i punti erroneamente identificati come marker e scegliere su quali punti realizzare il calcolo del mouting.
  • Filtraggio: Operazione attraverso la quale si toglie il rumore di misura e gli errori di acquisizione.
  • Georeferenziazione: Si realizza mettendo in relazione coordinate dei marker, rilevate in un sistema di riferimento generale, con la nuvola di punti acquisiti mediante la scansione laser. Il software mette in relazione la posizione dei punti rilevati con la posizione dei punti all’interno della nuvola e individua i parametri di trasformazione fra i due sistemi che minimizzano gli scarti. Con tali paramenti definisce quindi la posizione di ogni punto della scansione nel nuovo sistema di riferimento.
  • Colorazione della nuvola di punti per mezzo delle immagini digitali acquisite durante le operazioni di rilievo
  • Registrazione dei punti: Ogni punto rilevato mediante scansione è definito attraverso le sue tre coordinate, tre numeri che ne definiscono il colore (componenti RGB) e il valore di riflettenza. La riflettanza indica, in ottica, la proporzione di luce incidente che una data superficie è in grado di riflettere. È quindi rappresentata dal rapporto tra l'intensità del flusso radiante riflesso e l'intensità del flusso radiante incidente, è una grandezza adimensionale. Con la registrazione oltre a memorizzare queste informazioni si mettono insieme le diverse scansioni.
Il risultato ottenuto dall’insieme delle operazioni elencate e realizzate con l’ausilio del software RISCAN sono state tre nuvole di punti colorate e tutte riferite al medesimo sistema di riferimento cartesiano, punto di partenza per la creazione di prodotti finali veri e propri.
  • Segmentazione: Consiste nella separazione della nuvola colorata in superfici omogenee (piani, cilindri, coni)
  • Creazione superfici (triangoli)
  • Modellazione: Consiste nell’utilizzo delle superfici e della segmentazione per la realizzazione di un modello 3D
CREAZIONE PRODOTTO FINALE
Da una nuvola di punti è possibile ottenere:
  • Prodotti derivanti dalla sola tecnologia laser scanner (modello tridimensionale a superfici, curve di livello, sezioni…)
  • Prodotti ottenibili dall’integrazione della tecnologia laser scanner con le tecniche di fotogrammetria digitale (ortofoto di precisione, immagine solida, modello 3D a colori, navigazioni virtuali…)
Ortofoto
Nel caso dell'immagine creata dal modello digitale, o meglio dire, creata dalla nuvola di punti rilevati durante la scansione del terreto con il LASER, l' ortofoto è l' immagine georeferenziata, (non ha bisogno di correzioni), in modo tale che la scala di rappresentazione della fotografia sia uniforme, cioè la foto può essere considerata equivalente ad una mappa.
Il vantaggio dell'avere questo tipo di immagine, è che l'ortofoto (proiezione ortogonale fotografica, con un modello di forma che contiene le informazioni tridimensionali dell’oggetto rappresentato) in questione, puo' essere creato sia dal modello digitale della superficie (DSM) che dal modello digitale del terreno (DTM) perchè, come ricorderemo, il laser ha la capacità di misurare attraverso la maggior parte degli ostacoli presenti sulla terra.
In questo caso, il vantaggio di avere un ortofoto, creato dalla nuvola di punti del DTM, è quello di avere una foto, che mostra cosa c'è sotto la vegetazione o gli ostacoli, cosa che l'ortofoto generato dalle foto digitale scattate in volo non puo' fare, in quanto mostreranno sempre la cima degli alberi o gli altri ostacoli.
Quindi anche in questo caso, tali immagini (essendo georeferenziate) possono essere importate in qualunque software di disegno, topografia ecc. che si sta utilizzando, contemporaneamente alla nuvola di punti rilevata con il LASER, o anche contemporaneamente alle curve di livello che il modello digitale su cui si sta lavorando ha creato, consentendo una migliore interpretazione della morfologia del terreno, anche dove le normali foto, non possono fornire informazioni (situazione che è sempre stata fino ad ora, il più grosso limite dell'utilizzo della fotogrammetria tradizionale).

Immagine solida
L'immagine solida è un’immagine bidimensionale dell’oggetto a cui vengono collegate le informazioni di posizione (X,Y,Z) di ogni punto rappresentato inoltre, essendo una rappresentazione bidimensionale contiene informazioni sulle tre dimensioni dell’oggetto ed è un prodotto interrogabile con adeguati software. Inoltre l’immagine solida è un prodotto di integrazione tra immagine digitale e modello di forma tridimensionale prodotto da sensori laser a scansione (laser scanner) o da tecniche di fotogrammetria digitale che mantiene completamente intatte le caratteristiche geometriche e radiometriche dell’immagine digitale e permette la gestione contemporanea di tutte le informazioni tridimensionali geometriche dell'oggetto. L’immagine solida si presenta all’utente come una classica immagine digitale ad alta risoluzione (prospettica, RGB), integrata con una matrice numerica della stessa dimensione e risoluzione, che contiene l’informazione metrica tridimensionale dell’oggetto rilevato. Ad ogni pixel è associata l’informazione sulla relativa posizione espressa in coordinate tridimensionali in un determinato sistema di riferimento. Semplicemente posizionando il cursore del mouse su un punto qualsiasi dell'immagine solida, utilizzando un apposito visualizzatore, sono mostrate in tempo reale le coordinate del punto collimato. Allo stesso modo è possibile utilizzare l'immagine solida per effettuare misura di angoli e distanze tridimensionali, si possono determinare aree e generare sezioni e profili, senza alcun ausilio di tecniche di visione tridimensionali.

BIBLIOGRAFIA
Daniele Bartolucci - Principi di laser scanning 3D, edito da Dario Flaccovio Editore
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