Realtà avanzata dei sistemi Laser Scanner di nuova generazione: dal Rilievo Geo-topografico al Digital Twin in alta fedeltà

Digital Twin nel settore AEC: tra nuove frontiere del Reality Capture e Tecnologie Avanzate

Il mondo dei Digital Twin (DT) sta crescendo ad un ritmo come poche applicazioni e tecnologie del comparto Digital Assets, e con questo crescono le soluzioni e le applicazioni per acquisire sul campo manufatti, porzioni di ambienti urbani, e tutto ciò che rientra nel mondo della digitalizzazione dell’ambiente costruito e dell’ambiente naturale come rocce, vegetazione ed altro. Non parliamo nello specifico del settore industriale, dove sembra che il settore DT stia muovendo budget importanti già da diversi anni.

Nella nostra realtà operativa invece, il mondo dei Digital Twin in ambito AEC diventa lo strumento universale per molteplici scopi ed attività, che nel concreto spaziano e cambiano in relazione allo scopo effettivo del lavoro, che inizia sempre e solo da una unica fase che possiamo ancora una volta chiamare come fase unica del “3D Data Capture” o nelle sue diverse varianti come il più diffuso termine “Reality Capture” lascia intendere.

Tutto ciò è solo la premessa, e al risultato finale di questo processo concorrono numerosi fattori come: le tecnologie, le modalità di impiego, i processi, la comprensione degli aspetti tecnici e teorici, la capacità di gestione degli strumenti di elaborazione, e molte altre peculiarità. Non ultima, la voglia di raggiungere il risultato numerico adeguato, e non solo l’apparente risultato visivo.

L’occasione si è creata durante la conduzione di un'attività di rilievo geo-topografico sul campo, in cui al posto della classica stazione totale laser, si è deciso di testare un sistema più avanzato come il sistema SLAM NavVis di nuova generazione che ha una caratteristica unica nello scenario delle tecnologie SLAM avanzate, ovvero un livello di iperdeterminazione dei dati di rilievo che al termine della post-elaborazione saranno restituiti come le classiche Point Cloud (PC) colorate in RGB, ma anche semplicemente come ortoimmagini generate direttamente dalle PC.

 

  

  

Le caratteristiche del sistema NavVis

Il sistema NavVis mette insieme, in modo smart, le tecnologie del “reality capture” come nessuno aveva fatto prima. In primis la forma rigida del sistema di acquisizione, dove la dinamicità è garantita dal movimento dell’operatore, mentre ben 2 sistemi Lidar e 4 camere di qualità adeguata, rilevano la scena a 360° da un “frame rigido”, dei cui punti nodali di laser e camere fotografiche si conoscono le relazioni XYZ al millimetro.

Il resto è affidato agli algoritmi di trattamento dei dati, dove come sempre conta l’approccio e la potenza di calcolo.

 

 

Il vantaggio dello SLAM Bilaser

Abbiamo coniato per l’occasione il termine SLAM Bilaser, assimilando i due sistemi laser impiegati a 2 centri di presa di tipo fotogrammetrico, con la differenza sostanziale che le misure di tipo Lidar sono di tipo dirette, ovvero serie di misure laser con precisioni che oscillano intorno al cm.

Questa tecnica di fatto non è nuova, e deriva dai diffusi sistemi MMS, che da sempre lo hanno impiegato con camere a 360° anche di elevata qualità come la famosa Lady Bug ed altre.

È indubbio che nel mettere insieme due fonti geospaziali di “misure dirette della realtà”, pone un indubbio vantaggio nel poterle così validare in termini numerici, ed arrivare poi al frame base del modello 3D su cui poter integrare i dati della fotogrammetria, del rendering e quant’altro.

 

La copertura delle occlusioni

Un'altro dei vantaggi di un sistema SLAM dotato di camere fisse di qualità, insieme a misure dirette LIDAR, è che le occlusioni nel modello finale del nostro rilievo si riducono al minimo, e il tutto è demandato al semplice percorso più o meno smart che l’operatore deciderà di eseguire sul campo.

 

I prodotti ready to use

A partire dal set dati di NavVis che esporta nativamente nel formato E57, è bene dotarsi dei relativi tool di gestione del progetto con soluzioni che gestiscano di minima il formato E57, per poi poter migrare in altri ambienti di produzione, che ogni operatore sceglie di adottare.

Semplificando al fatto che i dati disponibili coprono il massimo possibile nel rilievo tipico del “geospatial data capture”, ovvero un ambito in cui l’obbiettivo è spesso quello delle precisioni architettoniche, o ancor meglio le precisioni dei più comuni “rilievi celerimetrici”, le cui precisioni sono nel range dei cm (1-5-10), pertanto in questa esperienza ci riferiamo a questo ambito applicativo.

È scontato che il mondo applicativo cambia per obiettivi e necessità, ma tra i settori applicativi del “Digital Twin” e il supporto al mondo dell’AEC cé una variazione di scala spesso significativa. Con il BIM e il mondo della gestione tecnica invece, non si può prescindere dal lavorare con scale locali di 1:100, 200 e 500, e le precisioni oscillano dal cm al decimetro, ma mai verso il Mapping-GIS, che in ambito territoriale ha varianza tra i 20 e i 90 cm.

Quindi è chiaro, che per limitate porzioni di territorio e/o altro (infrastrutture, beni culturali, industria, smart cities, entertainment, etc.), la precisione spinta verso i centimetri può sembrare eccessiva, ma l’AEC esige risposte spesso critiche, sia in fase di progetto che in fase operativa, magari dell’As-Built. Risposte più prossime all’ingegneria che alla geografia, e quindi più topografia che GIS.

Infine, quindi, possiamo pensare che la risposta adeguata all’uso di un sistema SLAM di nuova generazione è nei tre items di seguito riportati:

•  Full 3D PC - La point cloud (pc) è il primo prodotto che si può estrarre da un sistema come il NavVis, poiché è dotato di due sistemi lidar di qualità, in configurazione geometrica rigida, e che presenta di fatto una buona copertura, tale da soddisfare un rilievo “diretto” dei punti notevoli della scena o rilievo geo-topografico di tipo avanzato. Questo vuol dire per l’utente, la possibilità di avere un primo modello digitale di qualità, senza ulteriori elaborazioni, se non la post-elaborazione di base in cui il lidar dotato di informazioni RGB, che viene rilasciato in vari formati, tra cui quello nativo del sistema NavVis che ha adottato il pluri-noto E57, il cui vantaggio è quello di portare con se le immagini a 360°, consultabili e misurabili in ogni momento. Il formato E57 è in ogni caso supportato dalla maggior parte di piattaforme professionali, e non sarà quindi un problema impiegarlo sul sistema scelto dal cliente. Con una Full 3D PC è possibile con poco lavoro, estrarre i dati primari come i DTM classificati, i TIN, profili e sezioni in modalità semi-automatica.

 

  

• Full 3D Mesh - Nel caso di progetti che puntano al mondo VIZ, impiegando i dati della nuvola di punti, e la fotogrammetria generata a partire dalle 4 camere fotogrammetriche, diventa facile integrare i dati, ed estrarre una buona rappresentazione a mesh, che in certi ambienti operativi come l’architettura o i beni culturali, rappresentano un primo valore, prima di passare ad altre piattaforme di vero e proprio rendering.

• Estrazione documentazione tecnica - La fase produttiva più importante è chiaramente quella della estrazione dei dati finalizzati alla stesura della “documentazione tecnica”, – termine con cui si intendono piante, sezioni, profili, viste ortogonali, mappa degli spessori, curve di livello, etc. – ma ovviamente non solo potremo estrarre le informazioni classiche come file dxf o altri formati, ma anche generare DTM, ottenere le curve di livello, generare piante e profili secondo necessità. Nel concetto allargato e digitale della documentazione tecnica, non possiamo ovviamente non comprendere i prodotti digitali utili alla generazione delle celerimensure di nuova concezione, ovvero non solo di disegno 2D, ma anche e soprattutto di disegno 3D delle geometrie generative dei più complessi modelli 3D, o frame di primo livello che possano rappresentare la primaria definizione di qualsiasi prodotto a complemento della documentazione tecnica come CAD/BIM/Altro.

 

Il rilievo geo-topografico cambia paradigma

Con i sistemi di SLAM avanzato di nuova generazione, ovvero integrati e con approccio stop & go, sono ipotizzabili numerosi scenari innovativi. Ma nascono naturali alcune domande, di cui la più importante è quella di seguito indicata.

L'approccio SLAM di cui a questa nota editoriale, Sostituisce il rilievo geo-topografico o celerimentrico ? - SI, a nostro parere con le precisioni finali in gioco intorno a 1-3 cm possiamo parlare pian piano di “sostituzione della topografia classica”, anche se su questo tema il dibattito pare forte e polemico su chi intende per rilievo topografico solo il rilievo realizzato con le classiche stazioni totali, mentre il concetto vero di rilievo topografico va pesato e pensato secondo assiomi oggi non più riconducibili tout court agli schemi generativi dei processi geo-topografici tradizionali. Di fatto l’evoluzione delle tecniche geo-topografiche classiche, in primis con l’avvento dei sistemi di posizionamento GPS e poi GNSS, e con l’evoluzione del concetto della cartografia e/o del rilievo in generale, ha già di per se mutato fortemente sia le tecniche, che il contesto generale delle precisioni e delle modalità operative.

Nella realtà operativa, è da qualche anno che sono stati introdotti sistemi avanzati di tipo IMU, i quali permettono virtualmente parlando di ridurre l’attenzione e la precisione con coi viene impiegata una palina topografica, cosi che di fatto l’uso di un prisma e l’uso di una sistema GNSS ha un grado di libertà quasi assoluto, a fronte però di procedure di autocalibrazioni che è necessario effettuare ad intervalli più o meno regolari, al fine di garantire le precisioni richieste.

 

Il Full Concept Errato del nuovo che avanza nel rilievo geo-topografico

Questo paragrafo si pone come punto di vista critico sul mondo della topografia, che da attività di tipo scientifico-operativa, si sta spostando sempre più come attività di nicchia per il solo mondo professionale, industriale e dell’AEC.

Di fatto l’introduzione massiva dei sistemi GNSS, insieme all’uso dei sistemi IMU a basso costo, sta mettendo fuori uso le professionalità più esperte, e il rilievo topografico sta diventando, almeno per le situazioni più semplici, una cosa alla portata di tutti.

Andando avanti nella disamina di quanto sopra, se è vero che oggi quasi tutti i sistemi GNSS sono dotati di sistema IMU, è vero che sia il leader di settore Leica Geosystems, che le altre aziende di fascia alta, hanno cominciato a rilasciare queste soluzioni da oltre un lustro. In alcuni casi sulla testa del GPS sono state inserite anche delle fotocamere in configurazione sterescopica, e dalle quale si é in grado di ricostruire una nuvola di punti, e quindi le misure accessorie per la determinazione di target non misurabili direttamente.

Con l’evoluzione dei sistemi LIDAR, e poi con quelli LIDAR-SLAM, il popolo dei “topographic smart pole” (TSP) si moltiplica come non mai, e dall’insieme dei sistemi TSP con GNSS + IMU + CAMERE, si è passato a sistemi come il CHCNAV GNSS RS10, distribuito in Italia da Microgeo e DynaTech, che possiamo affermare essere il top dell’integrazione, che unisce il concetto di GNSS RTK, l’imaging 3D con 3 camere di medio livello, e infine un sistema LIDAR SLAM con portata 120 m. È ovviamente integrato un sistema IMU a 200 Hz che permette di integrare sia i dati SLAM, quanto l’inclinazione della palina che diventa smart.

Certamente la precisione di 5 cm entro i 15 metri (dichiarata sul data sheet) non è cosi spinta come serve in topografia tradizionale, ma per numerosissime attività di mappatura veloce permette risultati efficienti e accettabili per una prima fase di mapping. La topografia è ovviamente un’altro oggetto, che vive di misure dirette e indirette, ma che devono rientrare entro ellissi d’errore dell’ordine dei pochi, pochissimi centimetri.

Concetto di ridondanza ! - Nella valutazione delle precisioni ottenibili da un sistema SLAM, uno degli elementi primari consiste nella determinazione del fattore di ridondanza delle misure. Nel caso tradizionale i sistemi SLAM non presentano misure troppo ridondanti, pertanto il singolo nodo della PC è in genere derivato da calcoli matriciali in cui la posizione del punto di emanazione è legato al punto nodale di un singolo emettitore, mentre con il sistema NavVis la determinazione dei nodi ha una altissima probabilità di sfruttare la ridondanza dei dati, basata sull’uso contemporaneo di due emettitori laser. In aggiunta ovviamente a quelli determinati con i processi fotogrammetrici impiegati con le immagini delle 4 camere in alta risoluzione, anche esse posizionate con i centri di presa di cui si conosce la posizione 3D con precisione sub-millimetrica. Da ciò la nostra convinzione che i dati finali di un rilievo realizzato con un sistema avanzato come quello citato, presentano una migliore ridondanza ed affidabilità geospaziale dei dati. Ovviamente questo ragionamento semplifica enormemente la realtà operativa, ma soprattutto, il processing dei dati non è generato a partire dai soli dati dei centri di emanazione delle misure, bensì da matrici di calcolo molto più complesse e soprattutto da matrici sparse in cui i cosiddetti "features points" hanno una loro valenza tra le più significative nella mole di dati rilevati, insieme alle traiettorie e alle misure dirette.

 

I dati del test operativo

Il test operativo riguarda il rilievo geo-topografico di diversi ambienti urbani della città di Roma, con diverse tipologie di spazi urbani e di funzioni specifiche. Strutture di viabilità, manufatti, arredo urbano, segnaletica e quant'altro, ovviamente nello spazio 2D, 2.5D e 3D, finalizzando la restituzione dei dati a tutte le tipologie di rappresentazioni, anche se l'obbiettivo più immediato è stato quello di consolidare una base di dati geospaziali, da cui estrarre la popolazione di elementi celerimetrici come TIN, etc., che alla bisogna serviranno alla produzione di elaborati tecnici di progetto o di gestione.

Complessivamente per consolidare le attività sono state necessarie 36 ore circa di operazioni sul campo, sia per i rilievi SLAM, sia per il rilievo di un numero congruo di GCP impiegati per la georeferenziazione di inquadramento dei rilievi. In via definitiva con alcune giornate di lavoro sul campo, e un numero congruo di sessioni di elaborazione sulla piattaforma cloud che fa parte dell’offerta tecnologica di NavVis, è stato generato un modello 3D ad altissima densità e precisione, che descrive in maniera ineccepibile i circa 8 ettari di superficie urbana, da cui saranno poi estratte le informazioni primarie come limiti delle murature, del sedime stradale, ma anche degli elementi caratteristici delle infrastrutture, quali pozzetti di superficie delle reti tecnologiche come fognature, telecomunicazioni, rete idrica e quanto di altro ha accessibilità dalla pavimentazione stradale.

Ma il lavoro non si esaurisce con il tracciamento, bensì continua con la generazione dei piani quotati delle aree a verde, dei marciapiedi, degli arredi urbani, e delle reti tecnologiche di superficie, mentre la densità informativa digitale delle strutture lineari e non, permetterà anche un vero e proprio tracciamento CAD 3D, che potrà essere di supporto per tutte le attività di progettazione e manutenzione.

 

 

Tecnologia SLAM Avanzata: oltre l'acquisizione, verso una Post-Produzione consapevole

L’evoluzione degli ultimi 10 anni della tecnologia SLAM, insieme al consolidato approccio dell’imaging con camere sferiche, ha portato le soluzioni più innovative verso un limite superiore nell’acquisizione dei modelli della realtà, eliminando per lo più quel rumore di fondo caratteristico dei modelli LIDAR-SLAM dei sistemi light, che costano poco e poco rendono. Ma l’acquisizione è solo una parte del problema, e la centralità dei sistemi è legata soprattutto alle piattaforme di post-produzione, ma ancora più centrale è la chiarezza e la consapevolezza sul risultato che si vuole ottenere.

 

Riferimenti

PC - Corrisponde alla contrazione del termine Point Cloud, ovvero alle nuvole di punti o matrice sparsa dei dati LIDAR e/o dei dati LIDAR e fotogrammetrici.

Sistema NavVis - un sistema innovativo che integra diversi tipi di hardware, ma anche processamento e accessibilità ai dati post-prodotti.

Digital Twin - tradotto in italiano diventa letteralmente “gemello digitale”, anche se il termine è di difficile comprensione, poiché il grado di approfondimento, la risoluzione e la funzione posso spaziare fortemente a seconda dell’obbiettivo e del contesto funzionale.

MMS - Mobile Mapping System, da sempre i primi sistemi che hanno permesso di generare dei modelli digitali virtuali, ovvero basati su immagini a 360° e altri tipi di dati. I primi sistemi MMS sono nati in Canada negli anno ’80. La tecnologia degli MMS è quella che ha permesso di realizzare la virtualizzazione del nostro globo attraverso lo “street views” di Google.

VIZ - è il termine usato per riferirsi ad un aspetto“visual” dei dati per il rendering e non solo, caratteristici dell’era digitale. Mentre il “Data VIZ” è un termine più complesso e che spazia verso il mondo della comunicazione visiva.