Un’immagine fotogrammetrica può essere ricavata, oltre che da un insieme di fotografie, anche partendo da un rilievo effettuato con un laser scanner.
Laser scanner e fotogrammetria sono spesso considerate due tecnologie distinte nell’ambito della misura e del rilievo. Ma spesso in realtà, queste due tecniche possono essere considerate complementari e permettere di realizzare rilievi che una sola delle due tecniche non sarebbe riuscita a completare da sola, oppure ognuna delle due concorre a migliorare il risultato finale sia in termini quantitativi che qualitativi. Uno dei grandi vantaggi è la possibilità di unire la precisione data dal laser scanner all’alta risoluzione dell’immagine proveniente dalla fotogrammetria; inoltre, con il drone possiamo rilevare zone che da terra non sono accessibili e rilevabili dal laser scanner.
Vediamo prima di descrivere in modo semplificato il funzionamento del laser scanner e poi di confrontare i due metodi.
Fotogrammetria da laser scanner- principio di funzionamento
La caratteristica essenziale della tecnologia “laser-scanning” è quella di permettere rilevamento di modelli tridimensionali di oggetti a scale e risoluzioni differenti tramite l’acquisizione autonoma di milioni di punti 3D in brevissimo tempo attraverso la luce laser emessa da un apposito sensore.
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. La scoperta fondamentale che ha permesso l’emissione della luce laser è dovuta ad A. Einstein nel 1917. Il termine “L.A.S.E.R.” è, infatti, acronimo di: “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (amplificazione della luce da emissione stimolata di radiazione).
Partendo dalla emissione di un fascio di luce laser e misurando il tempo di ritorno del fascio, si acquisisce un insieme di punti sparsi nello spazio in modo più o meno regolare che comunemente viene chiamata nuvola di punti. I laser scanner oggi presenti sul mercato sono molti ed ognuno di essi presenta caratteristiche differenti nel principio di acquisizione, nella precisione ottenibile, nella portata e nella velocità di acquisizione.
Nel campo del rilevamento topografico i più utilizzati sono i laser scanner mobili, o trasportabili. Si tratta di strumenti di dimensioni ridotte che sono posizionati su treppiedi. Grazie al loro utilizzo e con la massima semplicità d’uso, si arriva ad avere come prodotto finale del rilievo con laser scanner una nuvola di punti complessa e completa dell’oggetto da rilevare, meglio se accompagnata dalla rappresentazione dell’oggetto nel campo del visibile, ottenuta con una macchina fotografica RGB integrata o abbinata al laser scanner.
La nuvola di punti ottenuta dal rilievo con laser scanner rappresenta il punto di partenza per la creazione di qualsiasi altro elaborato fotogrammetrico: dovrà essere pienamente integrabile, per tipologia di formati, con quelli utilizzati in fotogrammetria digitale ottenuta a partire da fotografie e sarà elaborata da un software che viene fornito o venduto assieme al laser scanner. La grande differenza rispetto alla fotogrammetria ottenuta a partire da fotografie, è che la nuvola di punti ottenuta da laser scanner è pronta pochi minuti dopo il termine del rilievo.
Fotogrammetria – confronto tra fotografie e laser scanner
La fotogrammetria digitale di un edificio o di una infrastruttura può essere realizzata sia utilizzando un laser scanner da terra che attraverso l’uso di fotografie. Entrambi gli approcci offrono vantaggi e meritano considerazioni specifiche. Come abbiamo accennato, il laser scanner da terra è uno strumento di misurazione avanzato che utilizza impulsi laser per rilevare e misurare le distanze degli oggetti circostanti. Nella fotogrammetria di un edificio o di un’infrastruttura che non si sviluppa molto in altezza, un laser scanner da terra è in grado di acquisire un modello tridimensionale molto dettagliato dell’edificio o dell’infrastruttura stessa. Il laser scanner rileva con precisione la geometria dell’edificio, catturando le sue forme, rilievi, sporgenze e dettagli strutturali.
Questo approccio fornisce una rappresentazione tridimensionale estremamente precisa e dettagliata dell’edificio, consentendo una valutazione accurata e completa delle sue caratteristiche. Ci possono tuttavia essere delle parti dell’edificio che per la loro posizione o per la loro forma non sono facilmente raggiungibili dall’operatore o dove si hanno difficoltà a posizionare lo strumento (ad esempio un tetto scosceso ed irregolare). D’altra parte, l’utilizzo delle fotografie per la fotogrammetria dell’edificio o dell’infrastruttura offre un’alternativa altrettanto valida, specie se integrata dal montaggio su drone della macchina fotografica. Le fotografie catturano l’aspetto visivo della struttura da rilevare da diverse angolazioni e prospettive. L’elaborazione delle immagini fotogrammetriche consente di ricostruire una rappresentazione tridimensionale dell’edificio o dell’infrastruttura, combinando le informazioni visive presenti nelle fotografie. Sebbene le fotografie non forniscano direttamente informazioni sulla geometria tridimensionale, l’elaborazione fotogrammetrica può generare un modello tridimensionale molto ben approssimato dell’oggetto del rilievo
Mentre il laser scanner da terra offre una precisione e un dettaglio superiori e un minor numero di disturbi (il cosiddetto rumore di fondo) nella ricostruzione tridimensionale della struttura da rilevare, l’utilizzo delle fotografie presenta vantaggi come la facilità di acquisizione e la flessibilità nell’ottenere diverse angolazioni e prospettive. Le fotografie possono essere scattate utilizzando una fotocamera convenzionale, riducendo i costi e semplificando il processo di acquisizione dei dati. Un’altra considerazione importante è la complessità dell’edificio stesso. Se la struttura da rilevare ha superfici riflettenti, complessi dettagli architettonici o aree di ombreggiatura, in questi casi l’utilizzo di un laser scanner da terra può garantire una maggiore precisione e risoluzione dei dettagli. In conclusione, sia il laser scanner da terra che le fotografie offrono approcci validi per la fotogrammetria di un edificio.
Il laser scanner da terra fornisce una ricostruzione tridimensionale estremamente precisa e dettagliata, ma richiede strumenti ed operatori specializzati e un maggiore investimento iniziale. Le fotografie, d’altra parte, consentono una rapida acquisizione dei dati e offrono flessibilità angolare, ma possono presentare una risoluzione e una precisione inferiori.
I due sistemi non sono concorrenti, ma come nel caso del rilievo in esame, sono spesso complementari. I moderni programmi di fotogrammetria permettono di integrare la nuvola di punti ottenuta con il laser scanner da terra di una parte dell’edificio/infrastruttura con la nuvola di punti ottenuta dalle foto scattate da drone della restante parte dell’edificio della infrastruttura, per comporre il modello completo dell’oggetto da rilevare.
Esempio applicativo
La fotogrammetria digitale di una infrastruttura può essere realizzata sia utilizzando un laser scanner da terra che attraverso l’uso di di fotografie scattate da drone. I due sistemi non sono concorrenti, ma come nel caso del rilievo in esame, sono spesso complementari. I moderni programmi di fotogrammetria permettono di integrare la nuvola di punti ottenuta con il laser scanner da terra di una parte dell’infrastruttura con la nuvola di punti ottenuta dalle foto scattate da drone della restante parte dell’infrastruttura, per comporre il modello completo dell’oggetto da rilevare.
l rilievo del ponte che usiamo come esempio applicativo è stato eseguito con tecnologia mista: il laser scanner da terra è stato utilizzato per riprendere la parte bassa del ponte, i piloni e i due basamenti laterali. Il software proprietario abbinato al laser scanner ha generato come output una nuvola di punti in formato file .e57
Nuvola di punti ottenuta da una fotogrammetria laser scanner da terra – le carreggiate superiori non sono dettagliate
La macchina fotografica RGB integrata nel drone è stata utilizzata per riprendere la carreggiata stradale del ponte, con un volo programmato.
Questo rilievo ha generato come output una seconda nuvola di punti in formato file .e57
Nuvola di punti ottenuta da una fotogrammetria laser scanner da drone – le carreggiate superiori sono dettagliate
Le due nuvole di punti fin qua separate si possono unire con programmi open source come CloudCompare, oppure con i programmi di fotogrammetria commerciali.
Nuvola di punti ottenuta da una fotogrammetria laser scanner da terra – piloni e parte inferiore – e da una fotogrammetria realizzata con fotografie – parte superiore esterna del ponte
Le Prospettive Future del laser scanner
Con lo sviluppo dei sistemi di guida assistita per le automobili, i laser scanner hanno trovato un nuovo impiego nel settore automobilistico. I sistemi di guida assistita utilizzano sensori, inclusi i laser scanner, per comprendere e mappare la conformazione dell’ambiente che circonda l’automobile. I laser scanner possono generare rapidamente una mappa tridimensionale ad alta risoluzione dell’ambiente circostante, rilevando con precisione gli ostacoli, le strade, i marciapiedi e gli altri veicoli. Questi dati vengono poi elaborati dai sistemi di intelligenza artificiale di assistenza alla guida per prendere decisioni in tempo reale, come il rilevamento degli ostacoli, il monitoraggio del traffico e l’assistenza nel parcheggio. Questa evoluzione nell’utilizzo dei laser scanner trainata dal settore automobilistico sta portando a una serie di vantaggi e cambiamenti significativi nel loro utilizzo in vari settori. I laser scanner per poter essere integrati nei sistemi di guida assistita sono stati ridisegnati, resi più compatti e in grado di rilevare e misurare rapidamente il loro ambiente circostante, fornendo un flusso continuo di informazioni all’automobile. Il mercato dei laser scanner da topografia ha cominciato a trarre vantaggio dall’avere a disposizione questi nuovi strumenti, offrendo soluzioni più scalabili e a costi accessibili. Sono stati presentati sul mercato i primi laser scanner integrati a bordo di un drone di peso inferiore ai 3 kg, soglia che rappresenta il peso standard di un drone professionale. Il trend di riduzione di pesi ed ingombri è in evoluzione e potrebbe portare nel giro di poco tempo a rendere i prezzi dei laser scanner più accessibili e quindi a favorire una loro maggiore diffusione ed utilizzo.
Conclusione
Le tecniche di fotogrammetria digitale basata su laser scanner e quella basata su fotografie, come abbiamo visto hanno caratteristiche diverse.
Entrambe le tecniche hanno i loro vantaggi e limitazioni. Il laser scanner è ideale per oggetti complessi e dettagliati, ma può essere costoso e richiedere più tempo per acquisire dati. La fotogrammetria basata su fotografie è più economica e veloce, ma può essere influenzata dalla qualità delle immagini e dalle condizioni di illuminazione.
Queste due tecniche possono essere complementari. L’uso congiunto di dati laser scanner e fotografie può migliorare notevolmente la qualità dei rilievi di fotogrammetria digitale. Ad esempio, le informazioni dettagliate fornite dal laser scanner possono essere integrate con la ricchezza di dettagli visivi delle fotografie. Questa sinergia consente di ottenere modelli tridimensionali più accurati e completi, utili in una vasta gamma di applicazioni, dalla cartografia alla conservazione del patrimonio culturale.
Immodrone è a Vostra disposizione per valutare quale è la tecnica di rilievo fotogrammetrico più adatto alle vostre esigenze.