Telerilevamento speditivo mediante laser scanning e moderne tecniche di fotogrammetria digitale

Abstract

Recenti sviluppi delle tecniche di telerilevamento hanno dato luogo da un lato alla realizzazione di strumenti laser a scansione concepiti per misure a breve, media e lunga distanza con chiare peculiarità osservazionali, affidabilità e comodità di utilizzo, dall’altro a tecniche fotogrammetriche innovative caratterizzate da una grande precisione e da un elevato livello di automazione del processo di generazione del modello geometrico tridimensionale (3D). L’applicazione della tecnica laser scanning terrestre (TLS) all’analisi dello stato deformativo di edifici danneggiati da un terremoto o di versanti franosi è stata già trattata più volte nella collana dei rapporti tecnici dell’INGV [Pesci et al., 2011b; Pesci at al., 2013; Pesci et al., 2015]. I sistemi TLS si basano essenzialmente sulla possibilità di inviare impulsi laser (oppure, nel caso degli strumenti a onda continua, segnali laser modulati) e misurarne il tempo di volo (rispettivamente la differenza di fase) in modo da ottenere la distanza tra l’oggetto osservato e lo strumento. In tal modo, la scansione di un’intera superficie fisica di interesse, attuata secondo una griglia angolare calibrata, permette di ottenere modelli tridimensionali ad alta precisione e risoluzione, perciò fedeli alla realtà. Le informazioni tecniche fornite dalle case costruttrici sono generalmente chiare ed esaurienti; tuttavia, è sempre necessario realizzare esperimenti specifici al fine di caratterizzare completamente le prestazioni degli strumenti utilizzati e quindi di ottimizzare il rilievo per una massima resa in termini di risoluzione, stabilità e ripetibilità dei risultati [Pesci et al., 2011a]. Ciò è importante soprattutto in condizioni di emergenza, in cui tempi e logistica di lavoro possono essere non favorevoli; in particolare, se vincoli di sicurezza o di presenza di macerie impongono l’esecuzione del rilievo da posizioni non favorevoli, la conoscenza delle corrispondenti distorsioni introdotte nella modellazione geometrica diviene prioritaria al fine di prevenire ingenui errori di valutazione ed interpretazione dei risultati. Al giorno d’oggi, gli strumenti TLS sono generalmente portabili, veloci, altamente automatizzati e consentono di riprodurre la realtà in tempi rapidi e con costi ragionevoli (ad esempio, è spesso possibile noleggiare la strumentazione più idonea per il genere di misura programmata). Di pari passo, lo sviluppo di tecniche di visione artificiale, dovuto anche all’evoluzione della robotica, ha avuto importanti ricadute sulla fotogrammetria digitale. In particolare, la fotogrammetria Structure from Motion (SfM) permette di ottenere modelli tridimensionali densi e precisi a partire da serie di immagini digitali acquisite in piena libertà, senza uso di complessi e costosi sistemi di orientamento delle camere. Anche se la base geometrica della nuova tecnica è la stessa della fotogrammetria tradizionale (equazioni di collinearità e geometria epipolare), vi è stato un avanzamento notevole, reso possibile anche dalla potenza di calcolo oggi disponibile, che consiste nell’utilizzo di algoritmi che individuano in modo automatico o semiautomatico i punti “omologhi” sulle immagini digitali acquisite da posizioni differenti intorno alla superficie di interesse. In tal modo, è possibile individuare l’orientazione delle camere nello spazio fisico e calcolare i parametri delle equazioni fotogrammetriche necessari a trasformare i pixel delle immagini in punti nello spazio tridimensionale. Si noti che, con l’avvento della fotografia digitale, la distanza focale e i parametri di orientazione interna di una fotocamera sono di norma inclusi nei metadata delle immagini da essa fornite in qualunque formato conosciuto (JPEG, TIFF, etc.). Infine, è da notare che, per definizione, un modello ottenuto mediante SfM è foto-realistico. In questo lavoro sono messi a confronto i modelli ottenuti mediante TLS e SfM per valutare vantaggi e svantaggi di queste metodologie di rilievo nell’ottica di un monitoraggio veloce in caso di emergenza, ricollegandosi a lavori presentati precedentemente sia su questa collana, sia altrove, ad esempio Pesci et al. [2013] e Pesci et al. [2015]. In particolare, seguendo l’approccio basato sulla creazione di mappe morfologiche, verranno messi a confronto rilievi realizzati con alcune camere digitali, sia compatte che professionali, per evincerne l’affidabilità in termini di ripetibilità del risultato. È infine importante sottolineare come, in generale, nessuna tecnica di rilievo sia del tutto autosufficiente ai fini della completa descrizione dello stato deformativo di un edificio. Al contrario, la comprensione delle effettive prestazioni di un sistema di misura e l’uso di tecniche di supporto (ad esempio, stazione topografica totale nel rilievo fotogrammetrico nel caso in cui sia richiesto un modello georeferenziato) sono fondamentali per l’integrazione dei risultati nell’ambito di un progetto globale.