Rilievo laser scanner

 

RILIEVO LASER SCANNER DELLA GROTTA GIGANTE – RELAZIONE DESCRITTIVA

Planimetry and tourist path of the Grotta Gigante

Pubblicato sul n. 58 di PROGRESSIONE

Il rilievo della Grotta Gigante, con tecnolo­gia laser scanner, rappresenta uno strumento eccezionalmente valido ed innovativo per approfondire e diffondere ulteriormente, a tutti i livelli, la ricerca scientifica, il monitoraggio ambientale e lo sviluppo eco compatibile della cavità più celebre del Carso triestino. Nel contempo può far conoscere, ai diversa­mente abili, un ambiente quale quello ipogeo altrimenti difficilmente visitabile.
Il rilievo con tecnologia laser scanner della Grotta Gigante ed il relativo filmato 3D sono stati presentati in vari convegni e manifestazioni inerenti lo sviluppo eco-so-stenibile e protezione dell’ambiente carsico, riscuotendo sempre un notevole interesse ed entusiamo.
L’ultima pesentazione, a fine marzo 2012, è stata effettuata presso la Russian Academy of Science in Mosca durante la sessione annuale della National Speleological and Karstologial Society.
Precedentemente il lavoro del rilievo 3D era stato presentato, settembre 2011, a Salisburgo durante la riunione della As­sociazione grotte turistiche austriache in occasione dei 100 anni di fondazione del Landesvereins für Höhlenkunde – Verband Österreichischer Höhlenforscher ed in giugno 2011 al XXI Congresso nazionale di Speleo­logia svoltosi a Trieste.
Fra breve il suddetto lavoro verrà presen­tato a Vienna, presso la sezione Karst- und höhlenkundliche Abteilung sezione riguar­dante le “zone carsiche e la esplorazione speleologica” attiva presso il Naturhistorische Museum di Vienna.

LA GROTTA GIGANTE QUALE POLO TURISTICO E STAZIONE SCIENTIFICA

Particolare 3D dell’ingresso della Grotta Gigante (foto Arch. C.G.E.B.)

La Grotta Gigante, con i settantamila visitatori annui, è tra i poli turistici più visitati non solo della provincia di Trieste ma della regione Friuli Venezia Giuliaei settantamila visitatori annui quasi la metà è rappresentata da studenti di scuole di ogni ordine e grado, dalla scuola materna all’università, per i quali sono stati approntati appositi programmi didattici in modo che tutti gli studenti possano ricavare il massimo profitto dalla visita di istruzione alla Grotta Gigante. La diffusione delle conoscenze e dei dati relativi alle ricerche scientifiche viene offerta a tutti i visitatori, non solo italiani ma anche stranieri, da parte delle guide della Grotta Gigante. Il personale che si occupa della didattica viene appositamente formato in collaborazione con i prestigiosi Istituti di ricerca scientifica di Trieste.
La Grotta Gigante è, a livello internazio­nale, tra le più importanti stazioni ipogee di ricerca scientifica.
All’interno della Grotta sono installati i Pendoli, sensibili strumenti atti a rilevare i movimenti della crosta terrestre. I Pendoli forniscono una serie storica unica di misure continue di deformazione della crosta terre­stre. La gestione di tali misurazioni fa capo al Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Trieste e all’Istituto nazionale di geofisica e vulcanologia. Sempre all’interno della Grotta troviamo la Stazione sismografica digitale a banda larga gestita nell’ambito di un accordo di collaborazione tra l’Istituto nazionale di oceanografia e geofisica sperimentale ed il Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Trieste. All’esterno della Grotta Gigante, nell’area verde di pertinenza, è ubicato l’Osservatorio climatologico del Carso e la Stazione epigea per le misurazioni della dissoluzione carsica.

RILIEVO LASER SCANNER

Immagine laser scanner della sala della Grotta Gigante (foto Arch. C.G.E.B.)

Il rilievo della Grotta Gigante utilizzando la tecnologia laser scanner pone la Grotta ai vertici internazionali delle innovazioni tecnologiche utilizzate in ambienti ipogei per due fondamentali motivi che andiamo di seguito ad illustrare.
La scansione al laser scanner, ovvero il rilievo tridimensionale della Grotta Gigante, rappresenta la base per ogni ricerca scien­tifica e monitoraggio.
La base cartografica di pianta e sezione, della Grotta Gigante, risaliva al rilievo effettua­to da Andreas Perko, alla fine dell’Ottocento. Praticamente caduti nell’oblio il preciso rile­vamento fotogrammetrico a cura del prof. Antonio Marussi (pubblicato nel 1953) e la relativa restituzione grafica a cura del geom. Genesio Busà (pubblicata nel 1975). Il rilevamento con tecnologia laser scanner ha invece una precisione centimetrica. Tale rilievo rappresenta una base molto solida per qualsiasi ulteriore sviluppo futuro di ricerca scientifica e monitoraggio ambientale.

TUTELA AMBIENTALE

Marker laser in pianta (foto Arch. C.G.E.B.)

L’antropizzazione delle grotte turistiche sta diventando un problema di importanza planetaria. Sino a qualche anno fa i gestori delle grotte turistiche non tenevano in nes­sun conto l’ambiente in cui andavano ad operare, né dal punto di vista della sicurezza degli operatori, né dal punto di vista della salvaguardia dell’ambiente.
Oggi le coscienze civili sono cambiate, la sensibilità per lo sviluppo eco sostenibile del turismo ipogeo è una realtà ed infatti a livello internazionale in seno alla I.S.C.A. (International Show Caves Association) opera la Commission on Sustainable Development, una commissione permanente per uno sviluppo eco compatibile delle grotte turisti-che e nella U.I.S. (Union Internationale de Spéléologie), in particolare nel Department of Protection and Management, opera la Commission on Protection, Management and Tourism in Caves and Karst Regions. Già ora la Grotta Gigante occupa, presso queste Organizzazioni internazionali, un posto di assoluto prestigio per la sensibilità e competenza, da sempre dimostrata, per la salvaguardia dell’ambiente ipogeo.
Il rilievo della Grotta Gigante, con tecno­logia laser scanner, pone la Cavità ai vertici internazionali per quanto riguarda tanto la ricerca scientifica, rivolta in particolare al monitoraggio ambientale, quanto il turismo, rivolto anche ai diversamente abili.
La Grotta Gigante per la sua morfologia, un salone di oltre cento metri di altezza, con cinquecento gradini in discesa ed altrettanti in salita, non è assolutamente possibile at­trezzare per le visite dei diversamente abili. Le scuole, ma anche gruppi e singoli adulti, chiedono sempre più spesso se la Grotta Gigante prevede di fornire servizi alternativi per i diversamente abili. Attualmente non è, purtroppo, prevista alcuna valida offerta. Una risposta formidabile a queste richieste è for­nita dalla tecnologia: il rilievo laser scanner.
In concreto il rilievo laser scanner per­mette la visita virtuale della Grotta dalla postazione ubicata nella sala proiezioni sita all’interno del Centro accoglienza visitatori della Grotta Gigante. Il rilievo laser scanner permette di realizzare una rappresentazione grafica tridimensionale, colorata e dinamica in quanto ci si muove, tramite il mouse del computer, all’interno del rilievo, che è rea­lizzato in scala. La visita virtuale può, addi­rittura, essere ancora più interessante della visita reale in quanto è possibile muoversi e vedere luoghi della Grotta inaccessibili.
I diversamente abili, sia studenti che adulti, possono effettuare la visita virtuale della Grotta Gigante con piena soddisfazione, senza perdere nessuna delle emozioni che si ricevono durante le visite guidate in Grotta.
                                                                                             A.F.

RELAZIONE TECNICA

Rilievo topografico 3D ad alta risoluzione, con tecnologia laser scanner 3D terrestre e aerea dell’intero comprensorio della Grotta Gigante

Il principale obiettivo del progetto era quello di realizzare una banca dati geo-morfometrica dell’intero comprensorio della Grotta, in modo da definirne con precisione le dimensioni, la forma e l’orientazione spaziale nel sottosuolo nonché produrre filmati e modelli tridimensionali dell’ambien­te ipogeo, volti alla promozione turistica ed alla fruizione virtuale della cavità, rivolta in particolar modo ai visitatori impossibilitati all’accesso diretto.
Per poter realizzare quanto sopra de­scritto, è stata impiegata strumentazione topografica e laser scanning aerea e terrestre di ultima generazione. L’Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale (O.G.S.) ha svolto autonomamente tutte le fasi dei rilevi aerei ed ha coordinato le attività di acquisizione terrestre avvalendosi della collaborazione di TERR.A.IN. s.n.c. (con strumentazione Topcon fornita da Geotop s.r.l.) e Hydrostudio CE s.r.l.
In dettaglio, il rilievo è stato pianificato ed eseguito secondo le fasi di seguito descritte.
a.  Dapprima è stato eseguito il rilievo LIDAR aereo e fotografico, impiegando un Piper Seneca II e sensori di telerilevamento di proprietà di OGS, che ha permesso di inquadrare l’area di interesse e di determi­nare l’andamento della superficie topogra­ fica con precisione centimetrica. Durante il volo è stata rilevata una superficie di circa 1  km2 centrata sul comprensorio della Grotta e sono stati acquisiti 15 mln di punti laser con una densità media di 15 p.ti/m2, mentre è stato prodotto un ortofotopiano della medesima area con risoluzione a terra (pixel) di 10 cm.
b.   Quindi è stato eseguito un rilievo topo­grafico mediante Stazione totale e GPS che ha permesso di realizzare più di 1chilometro di poligonale plano-altimetrica per la georeferenziazione su sistema cartografico delle nuvole di punti (points clouds) acquisite con l’impiego del laserscanner.
c.   Successivamente si è provveduto alla realizzazione del rilievo laser scanner terrestre dell’intero sviluppo della Grotta Gigante e dei dettagli di maggior inte­resse. Sono stati impiegati contempora­neamente tre laser terrestri, per circa 70 stazioni di misura, che hanno permesso di registrare 4,5 miliardi di punti con precisione sub-centimetrica e densità media di 10.000 p.ti/m2
d.   Infine sono stati eseguiti il rilievo fotogra­fico e le video riprese aeree e terrestri in alta definizione, dell’intero comprensorio della Grotta, che hanno permesso di documentare le attività svolte, e di ri­prendere gli scorci più belli inseriti poi nel video promozionale ed utilizzati per produrre un Tour virtuale della Grotta. Grazie alla presenza di più squadre ope­rative, ed all’utilizzo della strumentazione so­pra descritta è stato possibile rilevare l’intera porzione della Grotta Gigante turisticamente visitabile in circa dieci giorni di lavoro, per un ammontare complessivo di più di cento ore di acquisizione.
L’elaborazione e l’analisi dei dati raccolti ha permesso per la prima volta nella storia della Grotta Gigante di poterne conoscere l’esatta estensione, la stima del volume interno, la reale profondità dal p.c. nelle sue diverse porzioni, di ricavare sezioni e planimetrie, nonché di posizionarla corret­tamente nelle tre dimensioni conoscendone il reale sviluppo.
Dalle nuvole di punti registrate, dalle riprese video e dalle foto realizzate, è stato possibile montare un Tour virtuale della Grotta, che permette, anche a chi è impos­sibilitato all’accesso, di vivere l’emozione di una visita virtuale alla Grotta attraverso i sentieri che la attraversano incontrando di volta in volta i particolari più interessanti che la contraddistinguono.

Rilievo laser scanner 3D

Il laser scanner 3D si sta affermando sempre più come metodo insostituibile per il rilievo di oggetti complessi, in modo particolare nell’ambito dei beni culturali e ambientali. L’elevata densità dei punti cam­pionati consente di eseguire il rilievo geo­metrico degli oggetti con un ragguardevole livello di dettaglio e completezza grazie al notevole affinamento delle tecniche software di trattamento del dato tridimensionale.
I sensori laser scanner (anche detti laser 3D) sono strumenti che consentono il rileva­mento di modelli tridimensionali di oggetti a scale e risoluzioni differenti.
L’utilizzo di un sensore Laser scanner permette di ottenere uno o più prodotti del rilevamento che consentono di estrarre, nel modo più agevole possibile, una serie di informazioni riguardanti l’oggetto che è stato rilevato. Le nuvole di punti acquisite con i sensori laser sono in grado, per loro natura, di rispondere a questo tipo di esigenza solo parzialmente. Si tratta infatti di dati di tipo discreto e quindi difficilmente interpretabili. Per questi motivi, al fine di ottenere uno o più prodotti in grado di rispondere alle esi­genze dell’utilizzatore, si rende necessario elaborare correttamente i dati acquisiti. A seconda del tipo di prodotto che si vuole ottenere dovranno essere attuate particolari procedure di trattamento ed elaborazione che, esattamente come nel caso delle acqui­sizioni, dovranno essere progettate a priori e controllate durante l’utilizzo. Il progetto delle fasi di elaborazione del dato laser è di fondamentale importanza in quanto è proprio da questo insieme di operazioni che si ottiene il prodotto finale. Effettuare il trattamento dei dati in modo sbagliato è la causa principale dell’ottenimento di un prodotto non congruo rispetto a quello pro­spettato. Un progetto di trattamento dei dati laser correttamente ideato permette invece da un lato di ottenere un prodotto finale di qualità, dall’altro di controllare operazione per operazione ciò che si sta producendo. Con il termine di trattamento dei dati laser scanner si intende l’insieme delle operazioni che consente di ottenere, a partire da una o più nuvole di punti acquisite, un prodotto finale che possa essere utile ad un utente per l’estrazione di informazioni di interesse (modello 3D a colori, immagine solida, ortofoto di precisione,…). Questo insieme di operazioni può, per semplicità, essere rappresentato da due fasi ben distinte:
a.  trattamento dei dati laser;
b. realizzazione di un prodotto finale.

Trattamento dei dati laser

Con il termine trattamento preliminare del dato laser si intendono tutte le operazioni che vengono effettuate direttamente sulla nuvola di punti per la realizzazione di un modello 3D completo e corretto dell’oggetto. Al termine di questo insieme di operazioni il modello ottenuto è ancora sottoforma di punti sparsi ma privo di errori di acquisi­zione ed espresso in un unico sistema di riferimento scelto a piacere.Le operazioni tipiche del trattamento preliminare dei dati laser aerei sono:

  • calcolo della traiettoria e dell’orientazione del sensore mediante strumentazione DGPS/INS: vengono elaborati i dati deri­vanti dalla stazione fissa a terra (master) e dal GPS a bordo del velivolo (rover). La
    traiettoria elaborata in modalità cinema­ tica differenziale viene successivamente integrata con i dati provenienti dall’unità inerziale per ottenere la traiettoria finale (SBET).
  • calibrazione dei sensori:  quando si raccolgono dati da  “sensori remoti”, essendo la distanza sensore-target un moltiplicatore di errore della posizione dell’impronta a terra, oltre all’estrema accuratezza nella determinazione della posizione dell’unità inerziale, cioè del centro geometrico di acquisizione, è necessario determinare con altrettanta accuratezza anche la distanza e l’assetto dei vari sensori rispetto all’ unità inerziale stessa. Per questo si effettuano delle procedure di calibrazione sia periodiche che specifiche per ogni rilievo, mediante analisi incrociate tra dati provenienti da scansioni ortogonali, anche su bersagli di dimensioni note a priori.
  • georeferenziazione e generazione della nuvola di punti 3D: gli echi di risposta laser registrati sono riferiti al tempo GPS di acquisizione, quindi per poter utiliz­zare appieno il dato bisogna convertire ogni eco in informazione geografica. Il primo passo è associare ogni impulso alla posizione geografica del centro geometrico di acquisizione (IMU), cioè ai valori di posizione ed orientamento della traiettoria per quel tempo. Secondo passo è l’affinamento della posizione con i parametri di correzione ottenuti in fase di calibrazione del sistema. Infine, dopo aver proiettato l’impronta a terra di ogni singolo eco, si ottiene una nuvola di punti georeferenziati. Il prodotto finale è un file contenente i dati di tempo GPS, il vettore di posizione e il valore di intensità di retrodiffusione del laser (ampiezza) di ogni impulso misurato.
  • classificazione dei punti: una volta eli­minati i punti macroscopicamente errati e associati a falsi ritorni (nuvole, uccelli, vetrate, ecc…), si procede ad una clas­sificazione del volume dei dati al fine di attribuire ad ogni singolo punto un signifi­cato fisico specifico. Utilizzando algoritmi specifici, si possono quindi classificare i punti in base all’altezza, all’ampiezza, all’appartenenza al solo terreno, alla ve­getazione, agli edifici e così via.
  • creazione di modelli e vettorializzazione: dai dati classificati si possono sia genera­re dei modelli digitali di elevazione (DTM o DSM) che passare alla vettorializzazio­ne di precisione di alcuni strutture come edifici, strade, manufatti in genere. Questi prodotti sono indispensabili sia per una migliore interpretazione morfologica del dato, che per eventuali operazioni di aggiornamento cartografico.

Le operazioni tipiche del trattamento preliminare dei dati laser terrestri sono:

  1. ricerca di punti presegnalizzati all’interno della scansione laser (marker o entità
    geometriche di vario tipo, ad esempio sfere di dimensione nota);
  2. filtratura della nuvola di punti per l’elimina­ zione degli errori di acquisizione (outliers e gross errors) e del rumore presenti;
  3. eliminazione dei punti non contestual­mente legati all’oggetto (ad es. punti di sfondo o di primo piano);
  4. allineamento automatico di modelli tridi­ mensionali adiacenti;
  5. georeferenziazione delle nuvole di punti in un sistema di riferimento esterno noto a priori;
  6. triangolazione laser a modelli indipenden­ ti delle nuvole di punti (per un corretto allineamento di una serie di scansioni adiacenti);
  7. colorazione della nuvola di punti per mezzo delle immagini digitali acquisite durante le operazioni di rilievo.

Il risultato che si ottiene dall’insieme delle operazioni elencate è una nuvola di punti complessa e completa dell’oggetto che rappresenta il corretto punto di partenza per la realizzazione di qualsiasi prodotto rivolto all’utilizzatore finale dei dati.

 REALIZZAZIONE DEL PRODOTTO FINALE

Dopo aver effettuato l’insieme delle ope­razioni di trattamento preliminare è possibile procedere alla Realizzazione del prodotto finale vero e proprio. I prodotti oggi otteni­bili utilizzando la tecnologia laser possono essere di vario tipo. In particolare è possibile distinguere due famiglie di prodotti sostan­zialmente differenti:
a.  prodotti che è possibile ottenere utiliz­zando la sola tecnologia laser (modello tridimensionale a superfici, curve di livello, sezioni, modelli di esposizione…);
b.  prodotti ottenibili dall’integrazione della tecnologia laser scanner con le classiche tecniche di fotogrammetria digitale (ortofoto di precisione, immagine solida, modello 3D a colori, navigazioni virtuali…).

 L’IMMAGINE SOLIDA

Uno degli argomenti che maggiormente ha suscitato e continua a suscitare interesse da parte dei ricercatori e dei produttori di strumenti laser scanner, è l’integrazione della tecnologia laser scanner con altri tipi di informazione. Tra tutte le possibili integra­zioni quella dell’informazione radiometrica derivante da immagini digitali ad elevata definizione è quella che suscita maggior interesse. Questo tipo di completamento di dati permette infatti di colorare la nuvola di punti con i colori reali dell’oggetto. I modelli ottenuti sono molto simili a quelli di realtà virtuale e rendono possibile la creazione di modelli tridimensionali e di visualizzazioni digitali prima d’ora impensabili.
Colorare una nuvola di punti significa però in qualche modo perdere parte delle informazioni acquisite per via fotografica. Come se non bastasse le informazioni perse sono proprio quelle che, in fotogrammetria, sono utilizzate per la definizione delle linee di discontinuità. Una soluzione alternativa è quella di cercare di preservare la qualità dell’immagine digitale ed integrare le due tecniche secondo principi differenti. È pro­prio in questa ottica che è stata sviluppata l’immagine solida. Si tratta di un nuovo prodotto di integrazione che mantiene completamente intatte le caratteristiche geometriche e radiometriche dell’immagi­ne digitale permettendo però la gestione contemporanea di tutte le informazioni tridimensionali geometriche acquisite con i sensori laser scanner.
                                                           dott. Paolo Paganini e ing. Alessandro Pavan
O.G.S.- Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale