Tutto sul rilievo architettonico con laser scanner 3D

Nella moderna attività di rilievo, anche nel settore del rilevamento architettonico finalizzato alla conoscenza di una costruzione esistente al fine di un progetto di riuso, sono da qualche anno entrate due moderne tecniche mensorie, molto particolari e specialistiche. Di che si tratta? Mi riferisco ai metodi satellitari (o GPS) e alla tecnologia di scansione laser 3D. Le innumerevoli possibilità di analisi consentite rendono i laser scanner 3D molto interessanti per il rilievo architettonico o meglio per un'identificazione completa dello stato attuale di edifici anche complessi, tema di grande attualità soprattutto nel nostro Paese in cui troppo spesso e volentieri le strutture sono degradate e trascurate. È per questo che oggi approfondiamo meglio questo aspetto qui sul nostro Magazine: perché usarli nel rilievo e come funzionano?

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Una volta effettuato e restituito in scale adeguate il rilievo geometrico, è sempre opportuno procedere a una completa rilevazione di tipo fotografico che possa documentare al meglio lo stato di conservazione del manufatto. La restituzione grafica dello stato materico e del degrado si realizzerà tramite la riproduzione della manifestazione riscontrata sull’edificio impiegando tutte le metodologie di rappresentazione che oggi la tecnologia ci mette a disposizione, corredate dalle specifiche per il riconoscimento delle patologie e dei materiali. Le lente e complicate tecniche tradizionali di tipo selettivo (china, matita, aerografo, ecc.) sono state superate ormai da decenni e per questo ci si avvale oggi del supporto digitale impiegando la lettura tramite laser scanner, la fotogrammetria o il raddrizzamento fotografico.

Perché usare il laser scanner 3D per il rilievo architettonico

La scelta di utilizzare nel rilievo architettonico la strumentazione laser scanner 3D può rivelarsi di notevole interesse: questa tecnologia permette infatti di estrarre i dati necessari per ottenere la morfologia esatta del manufatto nei punti ritenuti significativi e visualizzarli poi tridimensionalmente. L’interrogazione delle nuvole di punti, opportunamente calibrate e parametrizzate, permette infatti di visualizzare anche quelle informazioni non facilmente rilevabili ad occhio nudo con gli strumenti tradizionali e di mettere in evidenza elementi di particolare criticità. Mica poco!

Allo stesso modo si può procedere con la lettura diretta dell’edificio (che necessita in parallelo dell’analisi delle fonti indirette a supporto di quanto riscontrato visivamente e concretamente sul manufatto), degli elementi costruttivi e dei materiali che lo compongono, delle tecniche di lavorazione, nonché dei fenomeni di degrado e dissesto.

Anomalie costruttive, discontinuità murarie, aggiunte, sottrazioni o modifiche divengono in questo modo chiaramente leggibili e sono dunque funzionali alla comprensione effettiva della fabbrica nella sua complessità, nel suo essere palinsesto di segni stratificatisi nel corso del tempo. Scendendo poi di scala e lavorando per esempio su singoli ambienti di un edificio, la restituzione tridimensionale può contribuire ad evidenziare non solo le questioni legate al comportamento strutturale della scatola, ma anche tutto ciò che concerne le problematiche “ambientali” presenti su fronti adiacenti o contrapposti di una medesima muratura. Attraverso la mappatura contestuale e la possibile visualizzazione contemporanea dei dati (mappatura dell’umidità di risalita, discendente o di condensa, monitoraggi microclimatici su temperatura ed umidità relativa, restituzione delle informazioni derivanti da rilievi termografici, ecc.), si può arrivare a una lettura congiunta dei fenomeni che si manifestano non solo sulla superficie interna ed esterna di una muratura, ma anche di quelli che la interessano nel suo spessore e che la mettono in relazione al contesto di cui è parte, ipotizzando rapporti di causa-effetto.

Rilievo architettonico: laser scanner 3D e tecnologia LIDAR

Nel settore del rilevamento territoriale e architettonico è apparso un nuovo strumento, molto rivoluzionario: il laser scanner 3D. Le sue maggiori applicazioni attualmente utilizzano la tecnologia LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) trasportato su aereo, elicottero o veicolo attrezzato e una sorta di “caso particolare” sono le applicazioni del laser scanner al caso terrestre. In breve il LIDAR è costituito da un insieme di strumentazioni cablate su apposite strutture di rilievo e coordinate a un unico misuratore di tempo. Si tratta dei seguenti strumenti:

1. un misuratore di distanza laser che invia e riceve impulsi laser (praticamente con la stessa tecnologia di funzionamento dei distanziometri)
2. uno scanner che permette di muovere il raggio laser in tutte le direzioni possibili e ne misura l’assetto rispetto al sistema di riferimento strumentale del LIDAR
3. un GPS che rileva in cinematico la posizione (X, Y e Z) del velivolo (con una misura ogni mezzo secondo)
4. uno strumento inerziale (IMU – Inertial Measurement Unit) che misura con frequenza ogni centesimo di secondo circa la variazione di assetto attorno agli assi X, Y e Z del velivolo
5. una fotocamera digitale che esegue una sequenza di immagini in modo coordinato al resto degli strumenti.

Durante il rilievo la misura GPS è differenziale in quanto si lavora sempre con un altro ricevitore posizionato su di un punto di coordinate note nell’area del rilievo. Integrando le misure GPS con le variazioni di assetto date dall’IMU si ricostruisce la traiettoria nel tempo del velivolo e in particolare della strumentazione LIDAR ad esso assemblata. Nel contempo il laser esegue misure verso terra, deviate volutamente e con assetto noto dallo scanner; la tecnologia è in continua evoluzione ma esistono laser che eseguono circa 50.000 misure al secondo. Accorpando la traiettoria ad ogni singolo impulso laser, in funzione dell’assetto definito dallo scanner, è possibile determinare le coordinate di ciascuno dei 50.000 punti al secondo rilevati.

È abbastanza evidente che si tratta non di un vero e proprio rilievo ma di una specie di modellazione a tappeto degli oggetti indagati.

La tecnologia utilizzata dal LIDAR è perlopiù di tipo informatico e i tecnici del rilevamento interagiscono normalmente solo nella fase di progettazione del rilievo e di creazione degli output desiderati una volta che gli informatici hanno eseguito tutta la notevole elaborazione del segnale. In un’ora di rilievo continuo (ad esempio da elicottero sorvolando un certo territorio) rilevando 50.000 punti al secondo si arrivano a determinare le coordinate di 180.000.000 di punti; il vero problema del rilievo LIDAR è quindi l’enorme numero di punti rilevati che produce la cosiddetta nuvola di punti all’interno della quale si devono poi ricercare in modo semiautomatico e talvolta assolutamente manuale gli elementi architettonici richiesti. Occorrono per questo computer dalle altissime prestazioni, programmi di elaborazione semiautomatici abbastanza complicati e una notevole dote di esperienza.

Se si rileva il territorio, una delle caratteristiche di progetto da tener presente è il piano di volo, cioè la scelta della quota media relativa di volo (rispetto al terreno) e dell’angolo di apertura dello scanner. In ogni caso è un metodo di rilievo assolutamente comparabile a livello di precisione con la celerimensura; è impressionante però la produttività visto la quantità di punti al secondo che possono essere misurati. Quindi è certamente un ottimo metodo di rilievo per indagare le superfici esterne di cascine, quartieri, ambiti urbani con architettura anche complicata, intere città. Il metodo LIDAR viene molto utilizzato per determinare in modo accurato la forma del terreno (DTM – Digital Terrain Model) soprattutto per applicazioni legate alla difesa del suolo e agli interventi per il rischio idrogeologico.

Come detto, il vero problema del LIDAR sta nel fatto che è un metodo che non esegue scelte mentre effettua il rilievo. Rileva tantissimi punti ma tali punti sono a caso, non corrispondono all’interpretazione e alla discretizzazione di un oggetto che normalmente un architetto esegue prima di iniziare a rilevare e che sono il motivo per il quale si decide di rilevare un certo spigolo di un elemento architettonico piuttosto che un altro.

Caratteristiche simili, e quindi anche pregi e difetti, ha anche il laser scanner architettonico, cioè uno strumento oggettivamente più semplice, che viene messo in stazione in un certo punto e che da esso esegue una sorta di scansione di tutto quello che ha intorno, con una densità di punti che può essere impostata dall’operatore. In questo caso ogni scansione genera una nuvola di punti che va orientata nello spazio. Per eseguire il rilievo di più locali adiacenti o per rilevare le geometrie di scavo di una galleria, si devono eseguire più scansioni; le varie nuvole di punti rilevate vengono agganciate le une alle altre tramite appositi punti di collegamento che spesso sono materializzati da opportuni target riflettenti, ben identificabili all’interno di ciascuna nuvola di punti.

Negli impieghi architettonici d’interno è ancora più evidente la discrasia fra l’elevato numero di punti casuali rilevati e l’interesse a riassumere il rilievo su piani e/o forme predefinite o canoniche (le piante e i prospetti). Non esistono ancora programmi di modellazione così raffinati da trasformare in modo automatico un rilievo laser scanner in un modello 3D (tipo BIM) se non con drastiche semplificazioni che mettono in discussione l’opportunità di utilizzare il laser scanner al posto delle metodologie tradizionali. Questi programmi lavorano benissimo per il rilievo di complessi impianti industriali o per modellare edifici moderni costruiti in elementi prefabbricati (e quindi per natura molto regolari) mentre qualche dubbio nasce se si devono applicare ad architetture esistenti poco regolari (e/o molto antiche). Il 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 e deformazioni di intradossi, ecc.)

I distanziometri laser per facilitare le operazioni di rilievo architettonico

L’uso di distanziometri laser ha notevolmente facilitato le operazioni di rilievo riducendo i tempi delle operazioni di campagna. Alcuni strumenti di recente produzione sono entrati nell’uso quotidiano professionale per la misurazione delle distanze: si tratta di distanziometri laser portatili, normalmente identificati come Disto, cioè strumenti pratici per il rilievo diretto delle distanze che basano il funzionamento sul principio della riflessione di un raggio laser contro una superficie sufficientemente riflettente.

Di costo abbastanza contenuto risolvono molto velocemente problemi di misurazione anche complicati (ingombri, salti di quota, sottotetti, altezze, edifici pericolanti, ecc.), permettendo rilevazioni anche a singoli operatori. Utilissimi per gli interni, denunciano qualche problema in esterno quando impiegati in piena luce a causa della difficoltà di lettura del puntatore luminoso.

Per approfondire

Abbiamo dedicato un libro intero a questo argomento da cui ho tratto queste informazioni sui laser scanner 3D che si concentra sulle metodologie e tecniche per il progetto di intervento; SE anche tu desideri o hai la necessità di saperne di più sappi che sfogliando l'opera dell'Architetto Christian Campanella troverai risposte precise su:

• Rilievo dell'architettura
• Rilievo per l'adeguamento impiantistico
• Descrizione delle alterazioni e degradazioni macroscopiche dei materiali
• Indagini quantitative
• Indagini qualitative
• Tavole grafiche di supporto

E tu, che tipo di laser scanner 3D hai utilizzato per il rilievo architettonico e come ti sei trovato?