Tecniche Avanzate di Rilievo e Rappresentazione - Appunti

IL RILIEVO LASER SCANNER – STRUMENTI E APPLICAZIONI

Con il termine "rilievo digitale 3D" intendiamo quell'insieme di procedure abbastanza recenti che hanno una caratteristica comune, ovvero di usare strumenti di acquisizione del dato digitale.

La necessità di generare modelli 3D dell'esistente ha accelerato la messa a punto di strumentazioni in grado di permettere la modellazione a partire da dati acquisiti già in forma 3D, punto di partenza che dovrebbe limitare al massimo le perdite di informazioni che si avrebbero utilizzando i metodi bidimensionali o di rilievo a vista.

L'obiettivo è di intendere il modello digitale di un oggetto quale risultato di un processo completo che parte dall'acquisizione dei dati e finisce con il modello virtuale in tre dimensioni visibile interattivamente su un computer. È da questo modello che è possibile ottenere una serie di elaborati successivi (fotopiani, piante, sezioni, ecc.).

prospetti). Oggi la generazione di modelli 3D digitali ottenuti a partire da dati 3D è elaborata servendosi di sensori di misura passivi (fotomodellazione) propri dei sistemi fotogrammetrici che quindi utilizzano immagini fotografiche e sensori di misura attivi (laser scanner) che emettono una sorgente luminosa e ne osservano il comportamento al fine di trarre le misure di distanza.

PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

Laser (=radiazione luminosa) è l'acronimo inglese di Light Amplification by the Simulater Emission of Radiation, ovvero amplificazione di luce tramite emissione stimolata di radiazioni. La lunghezza d'onda del laser può variare dai 200 nm ai 700 nm passando dall'ultravioletto al visibile e all'infrarosso. Il laser presenta delle particolari caratteristiche tra le quali le più importanti sono:

• Unidirezionalità (direzione marcatamente definita);
• Monocromaticità (stessa frequenza in particolare che in alcuni casi

Dalla rugosità della superficie, e dalla lunghezza d'onda del laser. Nel caso di superficie rugosa la riflessione segue il principio della legge di Lambert, quindi la direzione di riflessione è indipendente da quella del raggio incidente; se invece la superficie è perfettamente liscia, la riflessione del raggio è speculare. Il raggio laser quindi si comporta in maniera ibrida. Una reazione diversa avviene per le superfici catarifrangenti, dove il raggio laser viene respinto nella stessa identica direzione del raggio incidente. Questa eccezione è sfruttata, come si vede, per individuare dei target (mire) simili a quelli usati in topografia e per effettuare più scansioni fra loro o georeferire le nuvole di punti a un sistema topografico noto. Esistono nuovi sensori capaci di acquisire dati in un particolare intervallo dello spettro elettromagnetico (IR, UV, etc.) in grado di fornire informazioni specifiche riguardo a particolari (stato di conservazione, ecc.).

• La differenza sostanziale sta nel quantitativo di punti che vengono immagazzinati dallo scanner.

Il centramento su un punto notevole.⋅ La possibilità di eseguire poligonali di precisione.⋅ La possibilità di misurare il singolo punto, individuando così punti-oggetto scelti dall’operatore, non solo un grande insieme.

L’esito di un rilievo fotografico o di un rilievo con laser scanner non sono neanche equiparabili tra di loro intermine di quantità di punti, ma lo sono solo successivamente. Infatti il rilievo laser scanner non presuppone un’operazione che invece è necessaria per i rilievi diretti o fotografici, la selezione dei punti e l’interpretazione dei dati, che viene fatta a tavolino in seconda sede.

PRINCIPI DI MISURAZIONE E TIPOLOGIE DI STRUMENTI

Le tecnologie esistenti proprie del laser scanner individuano quattro categorie differenti di strumenti:

• Sistemi interferenziali (sensori interferometrici – conoscopic holo graphy, OTC) sono utilizzati per l’acquisizione di oggetti a piccola

piccolissima scala (area di lavoro di pochi cm), forniscono accuratezze nell'ordine dei micron e si caratterizzano per l'estrema densità dei campionamenti che permettono di realizzare (ordine dei 500 campioni per mm di superficie) con tempi di scansione medi in funzione delle caratteristiche meccaniche del sistema adottato per far scorrere lo strumento sulla superficie dell'oggetto; vengono principalmente utilizzati in ambito medico (dentisti) Design, scienze fisiche, scienze mediche e ortodontiche. Sistemi a triangolazione, Sistemi a tempo di volo (TOF) e a differenza di fase Territorio, città, architettura. Sistemi ibridi coniugano la tecnologia a tempo di volo con quella a modulazione; si caratterizzano per le elevate accuratezze che permettono di ottenere, paragonabili a quelle dei sistemi a triangolazione; hanno quale contropartita un altro costo, una maggiore lentezza nel campionamento rispetto ai sistemi a tempo di volo puro ed una

maggiore difficoltà di gestione Diagnostica, indagini climatiche–SISTEMI DI TRIANGOLAZIONE

Possono essere sia a laser che a luce strutturata, sono impiegati per l’acquisizione di oggetti di piccole o medie dimensioni e le precisioni ottenibili, a livello di misurazioni, sono nell’ordine del decimo di millimetro.

Il principio che utilizza questo strumento è paragonabile alla più classica interruzione in avanti utilizzata in topografia. Poiché è nota con esattezza la distanza tra emettitore e ricevitore e gli angoli di direzione, il triangolo è risolto. In questo caso l’emettitore è il raggio laser che viene proiettato da uno specchio rotante sull’oggetto da rilevare, il cui movimento è noto in ogni momento. Il ricevitore è una fotocamera digitale calibrata su cui comprare lo spot (l’impronta lasciata dal laser sull’oggetto). La posizione di questo spot viene calcolata rispetto al centro del

fotogramma che, proiettato per la distanza focale dell'ottica, permette di ricavare l'angolo di direzione a completamento del calcolo.

La distanza ottimale dall'oggetto del rilievo è direttamente proporzionale alla distanza tra l'emettitore e il ricevitore. Nei casi in cui l'oggetto da misurare è troppo distante o troppo vicino, e quindi gli angoli che si vengono a formare alla base sono troppo acuti o troppo ottusi, la precisione tende a scendere. Il triangolo formato tra emettitore-oggetto-ricevitore deve essere il più possibile simile ad un triangolo equilatero.

Si usa affermare che questi scanner sono utilizzati per indoor objects; infatti, i principali rilievi vengono fatti in laboratori, officine o in locali chiusi.

Questa necessità non è dettata dalla dimensione dell'oggetto, che di solito è medio-piccolo e ben gestibile in una officina, ma dalle problematiche derivate dalla luce ambientale/naturale.

Ci sono

Delle situazioni in cui gli scanner a triangolazione non riescono a misurare e altre in cui sono da preferire agli scanner a tempo di volo TOF (superficie traslucida come marmi e stalattiti).

SISTEMI A TEMPO DI VOLO (ToF = Time of Fly)

Si tratta di sistemi particolarmente adatti all'acquisizione di oggetti di grandi dimensioni (edifici, ambiti urbani o porzioni di territorio) in grado di fornire accuratezze dell'ordine di alcuni millimetri. Con tali strumenti oggi è possibile misurare distanze fino a 1500m con precisioni che vanno dal millimetro fino a pochi centimetri.

Semplificando il principio del tempo di volo, nei laser scanner, si misura l'intervallo di tempo che intercorre tra l'impulso trasmesso e l'impulso ricevuto.

VELOCITÀ = SPAZIO/TEMPO > SPAZIO = VELOCITÀ X TEMPO/2

La velocità del laser è pari al prodotto della lunghezza d'onda per la frequenza. Inizialmente si è spiegato come lunghezza d'onda e

La frequenza e la coerenza sono caratteristiche fondamentali della luce laser. Il calcolo del tempo avviene invece tramite un orologio con una frequenza stabilizzata al quarzo.