Rilievo 3D: LiDAR su drone per realizzare modelli digitali in ambienti confinati o poco accessibili

Rilievi 3D con LiDAR dinamica: modelli digitali in spazi pericolosi e difficilmente accessibili

Le tecniche di laser scanning si distinguono in due macro categorie di acquisizioni, quella statica e quella dinamica.

Nel caso statico lo strumento restituisce “porzioni” di ambiente a 360 gradi e la campagna di rilevo si articola su più scansioni da registrare ex-post; nel caso dinamico lo strumento effettua e registra una acquisizione continua dei dati mentre percorre una traiettoria. In entrambi i casi l’output è una nuvola di punti che restituisce l’oggetto di studio nella sua interezza.

Se in passato la precisione degli strumenti statici risultava superiore, oggi la tecnologia LiDAR dinamica ha colmato il gap rendendo i risultati ormai comparabili per applicazioni indoor e outdoor.

Alcuni vantaggi che stanno imponendo i sistemi cinematici su quelli statici sono:

• la velocità (le tempistiche di rilievo sono ridotte rispetto ai sistemi statici),
• la versatilità (la possibilità di essere accoppiati a strumenti di movimentazione come auto, carrelli, droni, imbarcazioni, bracci robotici), la sicurezza: possono sostituire operatori umani in situazioni e scenari rischiosi.

In questa sede si esamina nello specifico l’utilizzo di particolari droni , equipaggiati con Laser Scanner e sensori di prossimità, da utilizzarsi per l’esplorazione e il rilievo di ambienti pericolosi o confinati.

Ma cosa rende questi particolari droni adatti all’esplorazione di ambienti pericolosi o confinati? Ecco alcuni punti chiave:

1. Versatilità d’uso: I droni, per mezzo dei sensori di prossimità, possono accedere a luoghi angusti o inaccessibili, come granai, silos, serbatoi, cavità e grotte, cisterne, vasche, pozzi, impianti di scarico, fognature, pipeline e tubazioni o ambienti con pericolo di crollo. Questi ambienti sono spesso non progettati per la permanenza umana e/o presentano rischi specifici, come la mancanza di ossigeno, la presenza di gas tossici o polveri nocive.
2. Raccolta di dati: Dotati di laser scanner, i droni possono mappare l’ambiente circostante con precisione. Questi scanner emettono impulsi laser e misurano il tempo impiegato per il loro ritorno, creando una rappresentazione tridimensionale dell’area. Questi dati sono preziosi per la valutazione della sicurezza e la pianificazione di interventi.
3. Minimizzazione dei rischi: Utilizzare questi droni per l’ispezione di ambienti pericolosi riduce il rischio per gli operatori umani. Evita l’esposizione diretta a sostanze tossiche o temperature estreme.
4. Efficienza: I droni possono coprire grandi aree in tempi brevi, consentendo una rapida acquisizione di informazioni.

Ciò è particolarmente utile in situazioni di emergenza o quando è necessario prendere decisioni rapide.

In sintesi, l’utilizzo di questi droni, dotati di laser scanner, in ambienti pericolosi rappresenta una soluzione vantaggiosa e performante per l’ispezione e la verifica di manufatti o luoghi rischiosi. Tale tecnologia continua ad evolversi aprendo nuove possibilità per la sicurezza e l’efficienza nell’esplorazione di spazi confinati.

La memoria è divisa in due parti, la prima più generale presenta le caratteristiche e le peculiarità di questa nuova famiglia di droni, nella seconda parte vengono riportati alcune esperienze nelle quali si è avuta la necessità di utilizzare la nuova tipologia di drone unitamente al Lidar.

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Esempi di rilievo con l'uso del drone unito al LiDAR

Nello specifico gli esempi riportati, tutti realizzati nella città di Napoli, sono: i reticoli di gallerie e le strutture afferenti all’ex Arsenale Militare, la cavità attigua alle gallerie della Tangenziale e il complesso conventuale del Crocifisso alla Sanità, e il suo ipogeo.

Sono spazi angusti, difficilmente accessibili, reticoli caveali, siti parzialmente crollati o mai esplorati, in cui la presenza degli operatori sarebbe stata altamente rischiosa, per la qualcosa si è operato con droni pilotati da remoto, equipaggiati di sensori LIDAR e di prossimità, fari ad alta potenza e gabbie semi-rigide per proteggere le strumentazioni da urti accidentali in ambienti ostili.

In tutti i casi l’operatore ha potuto pilotare il drone a distanza di sicurezza, in tempo reale lo stesso restituiva a schermo sia le immagini che un modello 3D a nuvola di punti interrogabile. In questo modo è stato possibile andare alla ricerca delle informazioni di volta in volta necessarie, mappando così il degrado delle superfici, i crolli, le fessurazioni e i particolari tecnologici di ambienti che mancavano di qualsiasi requisito di accessibilità.

L’ultima frontiera nell’uso dei droni è quello delle prove di caratterizzazione dei materiali: se equipaggiati da un payload (ultrasuoni, georadar, pacometri, etc.) dedicato alle indagini non distruttive il drone può essere guidato vicino all’opera fino ad ancorarsi stabilmente sulla parete ed effettuare le prove e misurazioni in sicurezza e autonomia.

Ne è un esempio il progetto sviluppato assieme al consorzio di ricerca interuniversitario MedITech Competence Center riguardante un Drone tester equipaggiato, per ora, con una sonda ad ultrasuoni e attrezzato per prove su strutture in cemento armato.

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Casi studio

Di seguito presentiamo alcuni casi studio in cui è stato utilizzato il drone per ambienti confinati.

A Napoli, nell’ambito della riqualificazione dell’area “ex Arsenale Militare”, sorgerà un nuovo campus universitario per cui è stato previsto uno studio e una campagna di rilievi finalizzata all’indagine sulla pericolosità idraulica e da frana.

L'ex Arsenale Militare si trova ai piedi della collina di Posillipo, nella piana di Fuorigrotta-Bagnoli, si estende su una superficie di circa 10 ettari e presenta diversi edifici di notevoli dimensioni. La costruzione risale al 1738, per volere di Carlo III di Borbone ed aveva il fine di costruire e riparare delle navi della Real Marina. Il sito ha attraversato diverse fasi e trasformazioni: l’ampliamento-ammodernamento del XIX secolo lo rende uno dei più importanti stabilimenti militari d'Italia, successivamente alla Seconda Guerra Mondiale cade in disuso e viene in parte utilizzato dalla NATO e in parte adibito a deposito di materiale militare fino all’attuale stato di abbandono.

L'ex Arsenale Militare possiede anche una parte ipogea costituita da una rete di gallerie sotterranee risalenti ai citati interventi novecenteschi: questi cunicoli si estendono per centinaia di metri e lungo un complesso reticolo che, durante la Seconda Guerra Mondiale, fu utilizzato per la produzione di siluri, produzione che cessò alla fine della Seconda Guerra Mondiale portando il sito alla graduale dismissione.

Al momento alcune parti delle gallerie risultano in condizioni di evidente dissesto, altre parti del complesso risultano vandalizzate e sono in condizioni di degrado ma ancora traspare il fascino storico e architettonico di un importante esempio di archeologia industriale nonché testimonianza della storia militare di Napoli e dell'Italia.

La rete di cunicoli non era stata mai ispezionata totalmente a causa dei pericoli connessi alla loro instabilità; per sopperire a queste criticità e studiare la connessione tra le gallerie e collina sovrastante, abbiamo sfruttato la tecnologia dei droni lidar per mappare e censire i cunicoli, evitando l’ingresso degli operatori.

Attraverso i filmati e le nuvole di punti generate dalle ispezioni siamo riusciti a mappare lo stato di consistenza delle gallerie, evidenziando e cartografando criticità come lesioni e crolli che ne caratterizzano il quadro fessurativo.

Le attività di rilievo sono state eseguite e integrate, anche sul fronte e sui versanti della collina, utilizzando un drone con sistema lidar progettato per i rilievi in esterno, con sensore GPS e piattaforma inerziale.

Alla stessa tipologia appartiene il rilievo e l’ispezione di una grande cavità rinvenuta lungo la tratta di gallerie della Tangenziale di Napoli.

Il reticolo caveale che, letteralmente, avvolge le gallerie Vomero della Tangenziale di Napoli era censito dalle carte storiche ma non era mai stato rilevato in 3d e inserito nel contesto più ampio del Vomero. Vi si accede attraverso una piccola botola presente nella calotta di una delle due gallerie dalla quale si raggiunge un ambiente caveale, che si sviluppa a tutta altezza. La cavità, in volta, ha un accesso in superficie, da cui anticamente veniva estratto il materiale di cava e successivamente, nel tempo, scaricato materiale di risulta. L’ispezione è stata possibile solo attraverso l’ausilio dei droni lidar di ultima generazione che hanno mappato e rilevato l’attuale stato dei luoghi, evidenziando il quadro fessurativo del reticolo caveale, permettendo di ubicare le lesioni sulla nuvola in 3d.

La possibilità di georeferenziare la nuvola permette, successivamente, di contestualizzare il dato alle altre attività di rilievo: il dato metrico-visivo viene correlato ai sistemi tradizionali di rilievo laser attraverso una campagna topografica di precisione, costruendo un modello preciso ed esaustivo dell’opera. In questo contesto abbiamo messo in relazione i dati del reticolo caveale con le gallerie annesse e il soprassuolo rilevato da drone lidar per esterni, ottenendo il modello globale di tutta la zona utile alle fasi di progettazione.

L’altro campo di applicazione che mostriamo è quello delle ispezioni visive e dei rilievi di particolari costruttivi relativi a infrastrutture sensibili come ponti e viadotti.

Il drone è stato utilizzato per raggiungere dettagli nascosti o poco visibili da terra come i pulvini o gli appoggi delle travi, rilevabili tradizionalmente solo con l’ausilio di piattaforme aeree o ponteggi che possano portare l’operatore e la strumentazione nelle vicinanze del dettaglio richiesto.

Stesso discorso vale per il viadotto Capodichino - Tangenziale di Napoli: opera lunga 1400 m, composta da 2 carreggiate separate, alte mediamente 50 m e caratterizzata da un impalcato a cassone metallico che, dal punto di vista della sicurezza, rappresenta un particolare ambiente confinato.

Con l’ausilio del drone LiDAR è stata effettuata l’ispezione e il rilievo di tutta la struttura senza entrarvi fisicamente: il pilota, posizionato all’esterno del cassone, attraverso un radiocomando ha controllato e guidato il drone nell’ispezione del cassone metallico ricostruendone fedelmente le geometrie e lo stato di conservazione.