Nuvola di punti: il rilievo tridimensionale

Per poter intervenire in un edificio è sicuramente necessario averne un rilievo: tanto più sarà preciso il rilievo, tanto migliore e semplificato sarà poi il lavoro che verrà fatto su di esso. Se prima si utilizzavano grandi fogli di carta su cui dover riportare nel minimo dettaglio il disegno dell’edificio o dell’area interessata oggi la tecnologia semplifica di gran lunga le cose, proponendo soluzioni davvero molto fedeli alla realtà.

La tecnologia moderna ha reso e sta rendendo il processo sempre più semplice, grazie all’unione di fase di rilievo e tecnologia BIM (Building Information Modeling) che ottimizza quella che è la creazione di ciò che viene chiamata nuvola di punti. Per realizzare la nuvola di punti è necessario ricorrere al processo Scan to BIM che prevede scansione laser 3D, Structure for Motion e rilevamento tramite fotogrammi ad alta definizione, da cui risulta una nuvola di punti base utilizzabile per la modellazione BIM. La nuvola di punti è quindi ciò che si ottiene da questo risultato con laser. Potremmo definirla così:

La nuvola di punti è il risultato del rilievo di un determinato oggetto secondo un modello tridimensionale dello stesso grazie a una rilevazione laser scanner 3D. Come si può assumere dallo stesso nome, un insieme di punti dell’area che compone il rilievo ma in formato tridimensionale.

Nella nuvola di punti l’insieme di punti è caratterizzato da uno specifico sistema di coordinate (xyz) e da una collegata determinata intensità. Maggiore sarà la densità dei punti, maggiore sarà il tempo necessario per acquisire il rilievo.

Per ottenere una nuvola di punti è necessario l’utilizzo di software e laser scanner. L’elaborazione prevede 3 fasi:

1. Scansione del rilievo o dell’architettura in considerazione;
2. Registrazione e allineamento delle varie scansioni effettuate,
3. Generazione della nuvola di punti in un modello tridimensionale che può essere solitamentesalvato nei seguenti formati: LAS, LAZ, PLY, BIN, XYZ, ASCII ed esportata anche in programmi CAD e GIS.

La nuvola di punti risulta oltretutto particolarmente utile anche per un secondo scopo, ovvero quello di ottenere un modello mesh, ovvero un modello formato da figure poligonali che descrivono in maniera specifica la forma di ciò che si è andato a rilevare: più densi sono i poligoni, migliore sarà la risoluzione.

È chiaro quindi che il primis, per ottenere una nuvola di punti, è necessario possedere i giusti strumenti.

Tecniche di rilievo e strumenti utilizzati per la nuvola di punti

Per ottenere il rilievo di aree e oggetti architettonici e poi disporre di una nuvola di punti, si possono utilizzare varie tecniche:

Fotogrammetria

Consente di ottenere attraverso l’elaborazione di immagini la posizione, la dimensione e la forma dell’oggetto rilevato grazie a due tipologie di camera tra cui scegliere: quella metrica o quella stereoscopica. Il processo di fotogrammetria si sviluppa in 3 fasi:

1. La presa: si fotografa l’oggetto da due punti di vista distinti con uno dei due tipi di camera precedentemente nominati.
2. L’orientamento dei fotogrammi: i fotogrammi vengono orientati in modo da poter ottenere un modello 3D.

3. La restituzione: ovvero la ricostruzione del modello tridimensionale che permette di rilevarne la forma e le dimensioni.

Laser Scanner

È ciò senza il quale non potremmo ottenere la nostra nuvola di punti. Funziona attraverso un raggio laser che riesce a identificare la posizione precisa dell’oggetto che si sta rilevando in base a variabili quali tempo di ritorno, angolazione del laser scanner e altri fattori.

In base al funzionamento del dispositivo laser scanner, possiamo raggrupparne tre tipologie:

• –  Time of Flight (TOF): la distanza si calcola in quello che viene chiamato il tempo di ritorno ovvero il tempo impiegato dal laser dal momento che la luce viene emessa a quando ritorna. Il dispositivo che emette e riceve il segnale è lo stesso
• –  Phase Shift (a differenza di base) misura la distanza tramite la conoscenza della differenza tra “la fase dell’onda laser nel momento in cui il segnale viene emesso e la ricezione dell’impulso”. Anche qui abbiamo un unico dispositivo che emette e riceve il segnale.
• –  Triagolazione: cui entra in gioco la trigonometria e cambia anche il fatto di avere due dispositivi distinti, uno che emette il segnale e uno che lo riceve. Tra i tre è quello che permette di ottenere maggiori dettagli del rilievo ma ha bisogno di distanze più ravvicinate.Ciliegina sulla torta: i dispositivi di rilievo includono all’interno anche macchine fotografiche in grado di restituire i colori dell’oggetto che si è andati a rilevare, contribuendo ad ottenere un risultato ancora più reale.Ciò che potrebbe rendere difficile ottenere un risultato vicino alla perfezione tramite questo strumenti sono le zone d’ombra, superfici non chiaramente visibili e la distanza a cui lo strumento può rilevare. Ma è sufficiente effettuare il rilievo da diversi punti per ottenere un modello quanto più federe possibile a ciò che l’occhio vede.Tecnologia SLAM e laser scannerL’innovazione di effettuazione del rilievo è rappresentata dalla tecnologia SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) grazie alla quale è possibile ottenere la nuvola di punti senza individuare dei punti fissi ma potendo muoversi effettuando scansioni dell’oggetto da rilevare. Muovendosi in uno spazio lo strumento individua una mappa dell’ambiente senza l’uso del GPS. Veicoli e droni possono inoltre essere strumenti utili sui quali istallare gli strumenti e poter rilevare l’intera area in tempi brevi.Funzionamento del laser scannerGli elementi che compongono il laser scanner sono proiettore e camera. Durante la rilevazione dell’area o dell’edificio rilevano la superficie originando punti per poi poter ricreare spigoli e lunghezze. Per misurare la distanza viene utilizzata la triangolazione, prendendo in considerazione gli angoli noti formati da posizionamento dell’oggetto da rilevare, il proiettore e la camera.Si possono trovare diversi tipi di scanner in commercio: quelli portatili, il cui utilizzo è simile a quello di una videocamera, o quelli a stazione fissa, una specie di macchina fotografica su piedistallo che esegue la scansione in autonomia che richiede però lo spostamento del laser in varie posizioni per rilevazioni da diversi punti di vista.

  Un esempio pratico

Per ottenere una quanto più dettagliata nuvola di punti è necessario impostare anche una risoluzione elevata e qui i tempi di scansione andranno da qualche secondo (bassa risoluzione) a qualche minuto (alta risoluzione).

Una volta ottenuto il rilievo dell’oggetto d’interesse si importano le scansioni tramite appositi software seguente una serie di passaggi:

• –  Una volta importate e registrate, collegare le diverse scansioni tra loro;
• –  Eliminare le parti superflue della nuvola di punti ottenuta;
• –  Procedere alla modellazione in un software appropriato.Attenzione che nel caso di rilevazioni con tante informazioni, le scansioni avranno dimensioni elevate e servirà un hardware potente per elaborare le varie fasi.Cos’è lo Scan2BIMIl procedimento Scan to BIM ci porta ad ottenere il modello BIM di cui abbiamo bisogno per la modellazione. Nello Scan to BIM si compie un processo di ingegneria inversa in cui si ha un edificio e da questo si ottiene il modello BIM. Come? Grazie alla nuvola di punti. Attraverso questa tecnologia è possibile la condivisione dell’oggetto rilevato a più persone, senza che queste si rechino in loco avendo a portata di mano tutte le informazioni utili riguardo lo stato dell’edificio o dell’area rilevata quali materiali, misure, numero delle aperture,…Seguite le fasi necessarie e arrivando a ottenere la nuvola di punti desiderata, come possiamo ora gestirla e generare il modello BIM?Fondamentale è avere a disposizione software BIM che tramite appositi strumenti permettano di riconoscere e individuare gli elementi presenti nel modello nel quale sarà possibile individuare tutti gli elementi che lo compongono quali muri, porte, piani e restituirne tavole grafiche, cromoprogramma, computo,….Dallo Scanner alla modellazione BIMUna volta che si è rilevata la superficie o l’oggetto in studio, dopo aver eseguito le fasi di importazione e gestione, è possibile utilizzare la modellazione BIM per crearne il modello tridimensionale di potrà proseguire alla modellazione della nuvola di punti.

  L’innovazione che presenta la tecnologia BIM sta nel riuscire a creare un modello digitale dalle caratteristiche funzionali e fisiche di una struttura, cosa che la tecnologia precedente non era in gradi di fare. Indifferentemente se si tratta di un edificio, uno spazio aperto, un elemento architettonico, grazie a questo tipo di tecnologia si riesce a mappare tutto compresi dettagli, luce, e perfino impatto ambientale, quindi riuscendo ad analizzare anche di un futuro più lontano.

  Il modello BIM non si presta utile soltanto a livello di progettazione, questo è utile anche in fase di costruzione e manutenzione, rendendo più accurate le previsioni e riducendo gli errori. È, per così dire, la carta d’identità dell’oggetto in studio, che si aggiorna nel tempo, fino a quando, per esempio, l’edificio viene demolito.

  I 5 Vantaggi della nuvola di punti e qualche svantaggio

  La nuvola di punti racchiude in sé vantaggi operativi, funzionali e logistici:

1. Velocità: acquisizione del rilievo in tempi brevi con conseguente risparmio di tempo e di denaro. La rilevazione che si ottiene è precisa al millimetro e questo fa si che non si debba ricorrere ad ulteriori rilevamenti per correggere eventuali errori.
2. Enorme quantità di dati registrabili: proprio grazie al laser scanner è possibile raccogliere un gran numero di informazioni dell’oggetto che si deve analizzare.
3. Tanto dettagliata quanto reale: la rilevazione che risulta dalla nuvola di punti è definitivamente molto vicina alla realtà, una gemella della stessa soltanto in versione virtuale, e ciò rende possibile anche visualizzare eventuali possibili problemi.
4. Precisa: conseguenza diretta dell’essere incredibilmente fedele alla realtà, la precisione della rappresentazione dell’oggetto rilevato nella nuvola di punti. Oltre al fatto che l’area rilevata sia in 3D, si può anche calcolare la distanza tra punti e confrontarla con altri modelli ottenendo un vero e proprio modello digitale e una possibile navigazione virtuale dello stesso.
5. Ad utilizzo metrico: è possibile misurare distante direttamente sul modello ottenuto dalla nuvola di punti.

Unica cosa a cui fare attenzione: se si vuole più precisione, bisogna disporre di un hardware sufficientemente potente. Infatti se all’interno della nuvola di punti il numero di punti è elevato, il file che ne deriva risulterà pesante.

Gli svantaggi che potrebbero derivare dalla volontà di ottenere la nuvola di punti dipendono dalla modalità nel crearla:

• –  I costi degli strumenti che variano a seconda della precisione e della risoluzione;
• –  La difficoltà nella gestione della nuvola di punti, specialmente se contenente molte informazioni,
• –  Mancanza di restituzione grafica degli elementi architettonici automatica.Applicazione della nuvola di puntiIl metodo di rilievo grazie a tecnologia laser è utile per restauri e conservazioni, interventi su edifici, rilievi complessi, realizzazioni di modelli in realtà virtuale e modalità digitale, rilevamenti delle condizioni di aree o edifici danneggiati.La nuvola di punti rappresenta, quindi, sicuramente uno strumento in grado di semplificare lo studio di aree ed edifici e che prevede l’utilizzo di strumenti che riescono a restituire immagini fedeli alla realtà potendo modellarle poi a livello digitale, spiccando, oltre che per precisione, anche per poter essere applicata in più campi.