Digital Twin: la digitalizzazione nella geomatica e nelle tecniche di rilievo

Strumenti e tecnologie per l'acquisizione di dati geospaziali e topografici

La geomatica e le tecniche di rilievo giocano un ruolo fondamentale nella creazione di un "digital twin" (gemello digitale) in quanto forniscono i dati geospaziali e topografici necessari per rappresentare in modo accurato un oggetto, un luogo o un sistema fisico nel mondo virtuale.

Un primo aspetto è legato alla fase di acquisizione dei dati geospaziali: la geomatica utilizza strumenti come GPS, LiDAR (Light Detection and Ranging), rilievi topografici, droni e altre tecnologie per raccogliere dati geospaziali ad alta precisione. Questi dati sono essenziali per creare una rappresentazione accurata dell'oggetto o del luogo nel mondo virtuale.

Il GPS è un sistema di navigazione satellitare che consente di determinare con alta precisione la posizione geografica di un punto sulla Terra. Utilizza una rete di satelliti in orbita per calcolare le coordinate geospaziali di un ricevitore GPS, consentendo così di mappare aree, monitorare spostamenti e ottenere dati sulla posizione.

Il LiDAR è una tecnologia di rilevamento che utilizza laser per misurare distanze molto precise tra il sensore e gli oggetti sulla Terra. Questi dati vengono utilizzati per creare modelli tridimensionali di superfici terrestri, come il rilievo del terreno, ed è ampiamente utilizzato in applicazioni quali la cartografia, la pianificazione urbana, la gestione delle risorse naturali e la sicurezza stradale.

I rilievi topografici implicano la misurazione accurata delle caratteristiche geografiche di un'area, come elevazioni del terreno, dettagli topografici, corsi d'acqua e strutture artificiali. Questi dati sono essenziali per la progettazione di infrastrutture, la pianificazione del territorio e la gestione delle risorse idriche.

I droni, o aeromobili a pilotaggio remoto (APR), sono utilizzati per la raccolta di dati geospaziali attraverso fotografia aerea o sensori LiDAR. Possono coprire ampie aree in modo rapido ed efficiente e vengono utilizzati in molte applicazioni, come la mappatura, l'agricoltura di precisione, l'ispezione delle infrastrutture e la gestione delle emergenze.

Oltre a queste tecnologie principali, la geomatica fa uso di una vasta gamma di altre tecnologie, compresi sensori terrestri, satelliti, sistemi informativi geografici (GIS) e strumenti di elaborazione dati. Queste tecnologie consentono la raccolta, l'analisi, la visualizzazione e la gestione dei dati geospaziali in modo efficiente.

L'uso combinato di queste tecnologie consente agli specialisti di acquisire dati geospaziali altamente precisi, che possono essere utilizzati in vari settori, tra cui cartografia, agricoltura, gestione ambientale, ingegneria, pianificazione urbana e molto altro. La geomatica svolge un ruolo fondamentale nel comprendere e gestire il nostro ambiente fisico e nello sviluppo di soluzioni basate sui dati per molte sfide contemporanee.

Raccolta ed elaborazione dati per la modellazione 3D

Nei confronti della modellazione 3D, una delle modalità tramite le quali è possibile creare un gemello digitale, le tecniche di rilievo forniscono dati (tipicamente nuvole di punti) che consentono la creazione di modelli tridimensionali dettagliati dell'oggetto o del luogo. Questi modelli possono essere utilizzati per creare una replica digitale fedele.

Si fa riferimento a un processo chiave in cui strumenti specializzati vengono utilizzati per raccogliere dati geospaziali che poi vengono elaborati per creare rappresentazioni tridimensionali accurate e dettagliate di oggetti fisici o aree geografiche.

Le tecniche di rilievo coinvolgono la raccolta di dati sulla forma, la dimensione, la posizione e altre caratteristiche di un oggetto o di un'area geografica specifica. Questi dati possono essere ottenuti da diverse fonti, tra cui misurazioni terrestri, aeree o satellitari.

I dati raccolti vengono poi elaborati utilizzando software specializzati. Durante questa fase, i punti di riferimento e le misurazioni vengono trasformati in coordinate tridimensionali. I dati possono essere puliti, corretti e resi compatibili con il sistema di coordinate di riferimento.

Con i dati elaborati a disposizione, è possibile creare un modello dell'oggetto o dell'area. Questo modello può essere reso sotto forma di un insieme di punti tridimensionali, una mesh tridimensionale o una rappresentazione solida. La precisione e il dettaglio del modello dipendono dalla qualità dei dati di rilevamento.

Una volta creato il modello tridimensionale, è possibile visualizzarlo e analizzarlo utilizzando software di grafica o software di analisi spaziale. Questa visualizzazione tridimensionale fornisce una rappresentazione realistica dell'oggetto o dell'area, consentendo agli utenti di esaminarne i dettagli da diverse prospettive.

Ambito di utilizzo di modelli 3D realistici

Questi modelli tridimensionali dettagliati hanno numerose applicazioni in diversi settori. Ad esempio, nella progettazione di infrastrutture, come edifici, strade o ponti, i modelli tridimensionali consentono di valutare l'impatto delle nuove strutture sull'ambiente circostante. Nella geologia, i modelli tridimensionali aiutano a comprendere la struttura del terreno. Nell'archeologia, possono essere utilizzati per documentare e studiare siti storici.
In sintesi, le tecniche di rilievo forniscono dati di base da cui è possibile creare modelli tridimensionali dettagliati che trovano applicazione in una vasta gamma di campi, contribuendo alla pianificazione, alla progettazione e alla comprensione del mondo che ci circonda.

Come estrarre un modello digitale da una nuvola di punti

Per estrarre un modello digitale da una nuvola di punti, è necessario seguire un processo noto come "elaborazione di nuvola di punti" o "processing di point cloud". Questo processo coinvolge diverse fasi e l'uso di software specializzati.

La prima fase coinvolge l'acquisizione dei dati in forma di nuvola di punti. Questi dati possono provenire da diverse fonti, come rilevamenti LiDAR, fotogrammetria, scansioni laser, droni o scanner 3D terrestri. È fondamentale che i dati siano accurati e coerenti, con informazioni sulla posizione e l'orientamento dei punti.

Prima di iniziare l'elaborazione vera e propria, è spesso necessario effettuare una pre-elaborazione dei dati per rimuovere punti indesiderati (rumore), correggere errori e assicurarsi che tutti i dati siano riferiti allo stesso sistema di coordinate. In questa fase, la nuvola di punti viene suddivisa in segmenti o gruppi di punti che rappresentano parti specifiche dell'oggetto o dell'area. Ad esempio, in un modello di edificio, si possono creare segmenti distinti per il tetto, le pareti, il pavimento, ecc. I punti all'interno di ciascun segmento vengono quindi classificati in base alle loro caratteristiche. Ad esempio, i punti sul pavimento possono essere classificati separatamente dai punti sulle pareti. Questo passo aiuta a distinguere le diverse parti dell'oggetto o dell'area.

Una volta segmentati e classificati i punti, è possibile procedere alla creazione di un modello 3D. Questo può essere fatto attraverso diversi metodi, tra cui la creazione di mesh tridimensionali (reti tridimensionali di triangoli o poligoni) o di modelli solidi.

Se i dati originali includono informazioni sul colore (come le immagini acquisite da una fotocamera), è possibile aggiungere texture e colore al modello 3D per renderlo più realistico.

A seconda delle esigenze, possono essere applicate ulteriori elaborazioni al modello 3D. Questo potrebbe includere la semplificazione della mesh per ridurre la complessità, l'applicazione di filtri per migliorare la qualità dei dati, l'aggiunta di dettagli o la creazione di versioni più leggere del modello per scopi di visualizzazione o analisi.

Infine, il modello 3D può essere visualizzato e analizzato utilizzando software di modellazione BIM di collaboration, ambienti di visualizzazione, ect. Questo consente di esaminare i dettagli, effettuare misurazioni e condurre analisi specifiche.

Importanza del contesto geospaziale nei Digital Twin

Altro aspetto essenziale è la Georeferenziazione: la geomatica aiuta a georeferenziare i dati, ossia ad assegnare coordinate geografiche e a posizionare il digital twin in un contesto geospaziale preciso.

Il georeferenziamento è il processo di assegnare coordinate geografiche a dati o informazioni, in modo che siano situati in un sistema di riferimento spaziale specifico, come le coordinate di latitudine e longitudine. Questo è fondamentale per attribuire una posizione geografica precisa a oggetti, punti di dati o strutture.

Sappiamo come un "digital twin" è una rappresentazione digitale di un oggetto fisico, un luogo o un sistema in tempo reale o quasi tempo reale. Questo modello digitale può essere utilizzato per simulare, analizzare e monitorare l'oggetto o l'area fisica corrispondente. È spesso utilizzato in settori come l'ingegneria, la manutenzione, la gestione di edifici o impianti, e in generale, per migliorare la comprensione e la gestione di oggetti fisici.

Per creare un digital twin utile e accurato, è essenziale che sia posizionato in un contesto geospaziale preciso. Ciò significa che ogni componente o aspetto del modello digitale deve essere associato a coordinate geografiche specifiche. Questo posizionamento preciso consente di correlare il modello digitale con il mondo reale in modo che i cambiamenti in uno possano essere riflesso nell'altro.

Il processo di georeferenziamento richiede l'uso di tecnologie come il GPS (Global Positioning System) e dati geospaziali accurati. Le tecnologie di rilevamento, come il LiDAR, i sensori di posizione e i droni, possono essere utilizzate per acquisire dati iniziali da georeferenziare. I sistemi informativi geografici (GIS) sono spesso utilizzati per gestire i dati georeferenziati e integrarli nel digital twin.

Il georeferenziamento dei dati è fondamentale per creare digital twin precisi e utili, in cui ogni elemento è correttamente posizionato in un contesto geospaziale. Questa capacità di integrazione tra il mondo reale e il digitale è essenziale per migliorare la comprensione, la gestione e l'ottimizzazione di oggetti o aree fisiche.

La geomatica consente il monitoraggio in tempo reale degli oggetti o dei luoghi rappresentati nei digital twin.
Ad esempio, sensori e strumenti geospaziali possono essere utilizzati per raccogliere dati in tempo reale e aggiornare il gemello digitale di conseguenza.

Importanza di un monitoraggio continuo e di aggiornamento del Digital Twin

È da sottolineare l’importante concetto di monitoraggio continuo e aggiornamento dei digital twin in base ai dati in tempo reale provenienti da sensori e strumenti geospaziali.

Questo processo vede innanzitutto il coinvolgimento di Sensori e Strumenti Geospaziali.

I sensori geospaziali comprendono una varietà di dispositivi in grado di rilevare informazioni relative alla posizione, al movimento e ad altre caratteristiche geografiche del mondo reale. Questi sensori possono essere montati su veicoli, droni, apparecchiature di monitoraggio o addirittura essere incorporati in strutture o oggetti. Alcuni esempi includono sensori GPS, sensori LiDAR, telecamere aeree e sensori di temperatura, umidità, o qualità dell'aria.

Questi sensori e strumenti sono in grado di raccogliere dati in tempo reale, ovvero dati che riflettono condizioni attuali nel mondo reale. Ad esempio, un sensore GPS può fornire costantemente dati sulla posizione di un veicolo in movimento, mentre un sensore di qualità dell'aria può fornire informazioni istantanee sulla qualità dell'aria in una determinata posizione.

Abbiamo già descritto il digital twin come una rappresentazione digitale di un oggetto fisico, un'area o un sistema in tempo reale o quasi tempo reale. Questo modello digitale è costantemente aggiornato con i dati in tempo reale provenienti dai sensori. Ad esempio, se un sensore GPS su un veicolo rileva un cambiamento nella sua posizione, il digital twin corrispondente verrà aggiornato per riflettere questa nuova posizione.

L'aggiornamento del gemello digitale può comportare la modifica delle coordinate spaziali, delle condizioni o delle caratteristiche del modello digitale per riflettere accuratamente lo stato attuale del mondo reale. Questo processo avviene in tempo reale o con una frequenza specifica, a seconda delle esigenze dell'applicazione.

Questa capacità di monitorare e aggiornare i digital twin in tempo reale ha numerose applicazioni, ad esempio in logistica, può essere utilizzata per tracciare il movimento di merci e veicoli. Nell'industria manifatturiera, può essere utilizzata per monitorare la produzione e il funzionamento delle macchine. Nell'ambito dell'edilizia, può essere utilizzata per il monitoraggio delle condizioni degli edifici.

L'aggiornamento continuo dei digital twin consente un migliore controllo, monitoraggio e gestione degli oggetti o delle aree fisiche. Questo può portare a una maggiore efficienza operativa, una migliore manutenzione preventiva e una risposta più rapida alle eventuali situazioni di emergenza.

In sintesi, l'uso di sensori e strumenti geospaziali per raccogliere dati in tempo reale e aggiornare il digital twin in base a questi dati è fondamentale per sfruttare appieno i vantaggi dei modelli digitali nel mondo reale. Questa integrazione tra mondo digitale e mondo reale migliora la nostra capacità di monitorare, gestire ed ottimizzare oggetti e aree fisiche in modo più efficiente e preciso

Una volta creato il digital twin, è possibile utilizzare la geomatica per condurre analisi e simulazioni dettagliate.
Ad esempio, è possibile simulare il flusso del traffico in una città, l'andamento delle condizioni meteorologiche o le prestazioni di una struttura. I digital twin sono utilizzati per scopi di pianificazione e gestione in vari settori, tra cui l'urbanistica, la gestione delle risorse idriche, la gestione delle infrastrutture e molto altro. La geomatica fornisce i dati chiave per prendere decisioni informate.

In sintesi, la geomatica e le tecniche di rilievo sono fondamentali per la creazione, la gestione e l'aggiornamento di digital twin accurati e utili in diversi settori, contribuendo a migliorare la comprensione e la gestione del mondo fisico nel mondo virtuale.

La Divisione BIM & Digitalisation Consulting Services di Harpaceas si occupa di supportare organizzazioni pubbliche e private e liberi professionisti appartenenti alla filiera delle costruzioni nel loro percorso di trasformazione digitale e comprende le attività di formazione, implementazione e certificazione BIM.

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