DRONI E LASER SCANNER IN ARCHITETTURA

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DRONI E LASER SCANNER IN ARCHITETTURA

Esperienza integrata di rilievo dell’architettura con impiego in sinergia della topografia, della fotogrammetria e del laser scanner: Villa Landriani a Bernareggio (MB).

Conoscenza dell'architettura e tecnologia: un esempio di integrazione tra topografia, fotogrammetria e laser scanner

Conoscenza dell’architettura e tecnologia: un esempio di integrazione tra topografia, fotogrammetria e laser scanner: guarda il video del modello

Il rapporto tra conoscenza rilevamento tecnologia appare oggi delicato e degno di attenzione. I droni e il laser scanner rappresentano oggi due delle tecnologie più avanzate per la conoscenza del costruito, in particolare dell’architettura storica. Prima ancora di parlare di tecniche e tecnologie di rilievo, tuttavia, descriverne le potenzialità e le possibilità, ci pare opportuna e necessaria una premessa: l’impiego di una strumentazione di rilevamento piuttosto che di un’altra è l’ultimo passo che il tecnico compie ed è, secondo la nostra esperienza, frutto di un consapevole percorso progettuale del rilevamento stesso che deve condurre ad una successiva selezione di comportamenti da attuare per raggiungere l’obiettivo della conoscenza. La tecnologia, che oggi ci viene in grande aiuto date le sue enormi potenzialità, va dunque assunta dal tecnico come un mezzo e non confusa come un fine; deve essere impiegata come un “veicolo” in grado di condurci ad un determinato obiettivo, non come la meta stessa del nostro viaggio. Il tecnico deve avere dunque la consapevolezza che lo stesso viaggio può essere affrontato a bordo di “veicoli” diversi, ciascuno con le proprie implicazioni, con i propri benefici e le proprie limitazioni.

La conoscenza è il presupposto fondamentale ed irrinunciabile di ogni azione progettuale, conservativa, innovativa che il tecnico possa muovere nei confronti di un bene. La conoscenza è consapevolezza, responsabilità, dominio. La conoscenza è guida. È strumento di partecipazione di un bene o di un manufatto e mezzo di intima comunicazione con esso. Conoscere significa ascoltare. Guardare. Tacere. Abbandonarsi, malleabili, alle sensazioni ed alle sollecitazioni che un luogo ci comunica.

Il rilevamento è quell’insieme di comportamenti ed azioni che il tecnico, guidato dalla propria sensibilità e dalla propria esperienza, mette in atto per approcciare un bene, esplorarlo, conoscerlo, carpirne i segreti e talvolta le lacerazioni di una storia che lui solo custodisce come uno scrigno. Il rilevamento è processo lento e paziente di ricerca e di indagine; esso si concretizza in una serie di azioni che consentono di indagare un oggetto in tutte le sue parti.

Il rilievo è la conclusione del processo conoscitivo. È la sintesi grafica, fotografica, documentaristica, delle sensazioni e delle informazioni raccolte durante la fase di rilevamento. Il rilievo è dato dalla capacità espressiva del tecnico di rappresentare e rendere fruibili alla committenza i dati acquisiti con la cura esclusiva di soddisfare l’obiettivo iniziale. Indipendentemente dalla quantità e qualità delle informazioni collezionate nella fase di indagine, il tecnico deve essere in grado di sintetizzare e manifestare, con i mezzi grafici che ritiene più adatti, solo quelle significative in funzione del traguardo da raggiungere.

Conoscenza rilevamento tecnologia: l'esempio di una sezione ricavata dall'impiego combinato di topografia, fotogrammetria e laser scanner.

Conoscenza rilevamento tecnologia: l’esempio di una sezione ricavata dall’impiego combinato di topografia, fotogrammetria e laser scanner.

Mai come in questa fare storica, appare “facile” e “veloce” eseguire un rilievo. La tecnologia oggi a nostra disposizione è in grado di acquisire una enorme quantità di informazioni in tempi relativamente brevi, almeno sul campo. Diffusa è l’illusione, sia tra la committenza sia talvolta anche tra i tecnici, che il rilievo può essere affidato unicamente alla strumentazione, confondendo così, come accennato in precedenza, il mezzo con il fine. Proprio in virtù di ciò, mai come in questa fase storica è indispensabile quindi progettazione consapevole delle fasi del rilevamento in funzione dell’obiettivo imposto dalla committenza. Solo tale consapevolezza può guidare il tecnico nella formulazione finale di un rilievo che sia davvero la sintesi critica della enorme quantità di informazioni acquisite. Solo tale consapevolezza può condurre il tecnico alla produzione di un rilievo che in ogni suo elemento possa rispondere agli interrogativi iniziali.

L’esempio che proponiamo in questo articolo è il rilievo strumentale eseguito in maniera integrata tra topografia, fotogrammetria e laser scanner, di Villa Landriani a Bernareggio. Si tratta di un edificio situato nel centro urbano del paese, risalente per la sua parte più antica al XVIII secolo; attualmente di proprietà del comune, era sede del Municipio; oggi in parte è sede della Polizia Municipale.

Rilievo di dettaglio degli interni eseguito con laser scanner

Rilievo di dettaglio degli interni eseguito con laser scanner

L’edificio è costituito da tre blocchi a pianta rettangolare, con disposizione a ferro di cavallo, che si sviluppano su tre livelli: piano terra, primo piano, sottotetto. Un piano seminterrato occupa parzialmente il corpo a sud. La facciata principale dell’edificio è orientata a sud-est; da questa, attraverso una scalinata si accede al cortile centrale. L’ala nord-est è attraversata da un portico voltato che conduce al cortile interno mediante passaggio carrabile. Le altre due facciate, sud-ovest e nord-ovest, affacciano su un parco comunale.

L’obiettivo del rilevamento è stato quello di effettuare un rilievo che fosse base conoscitiva completa per le successive indagini sullo stato di conservazione interno ed esterno dell’immobile. Nell’ottica di produrre elaborati alle scale architettoniche (1:100, 1:50, 1:20) è stato necessario mettere in campo metodi e tecnologie atte alla acquisizione di tutti i dati necessari: geometria, composizione architettonica e strutturale, dettagli decorativi e costruttivi, materiali e colori, stato di degrado e dissesto.

Il metodo più idoneo per il raggiungimento dell’obiettivo ha intrecciato, completato ed unito la topografia, la fotogrammetria digitale ed il laser scanner. In particolare:

  • La topografia ha fatto da “legante”. Con il rilievo topografico, eseguito con stazione totale e GPS, si sono poste le basi di un sistema di riferimento locale e geografico all’interno del quale sono stati inseriti tutti i punti di rete e di dettaglio rilevati sull’immobile e nel contesto circostante. Nel contempo il rilievo topografico ha fissato dei punti di controllo utilizzati nelle successive fasi fotogrammetrica e laser scanner per l’elaborazione e l’unione finale delle nuvole di punti.
  • La fotogrammetria ha consentito la elaborazione di ortofoto dei prospetti esterni e la successiva vettorializzazione degli stessi.
  • Il rilievo laser scanner, impiegato per gli ambienti interni di maggiore pregio, ne ha consentito il rilievo geometrico, materico e strutturale di dettaglio.
Conoscenza rilevamento tecnologia: l'importanza della progettazione del rilevamento. Nell'unione di tecnologie diverse la topografia fa da "collante"

Conoscenza rilevamento tecnologia: l’importanza della progettazione del rilevamento. Nell’unione di tecnologie diverse la topografia fa da “collante”

La progettazione del rilievo è stata naturalmente propedeutica alle fasi esecutive sopra elencate: l’integrazione di tecnologie diverse implica l’esatta predisposizione delle operazioni preliminari, la pianificazione logistica dei successivi steps, la definizione delle sinergie tra tecnici diversi, ciascuno specializzato nell’impiego di tecnologie e strumentazioni diverse, l’approntamento di tutto quanto necessario alla conoscenza diretta del manufatto. Il tutto per guidare alla corretta interpretazione ed elaborazione dei dati strumentali acquisiti nonché alla produzione degli elaborati grafici finali. Il progetto di rilievo ha tenuto conto di:

  1. caratteristiche urbane ed ambientali del sito, condizioni di visibilità e percorribilità degli spazi esterni, necessarie sia per la fase topografica di impostazione della rete poligonale di rilievo sia per la fase fotogrammetrica di acquisizione delle immagini;
  2. caratteristiche del manufatto, con la definizione della poligonale topografica chiusa, dei suoi vertici principali interni ed esterni, del sistema di riferimento da impiegare;

Da cui si è proceduto immediatamente a:

  1. scelta della strumentazione: stazione totale per il rilievo topografico e la creazione del sistema di riferimento locale, GPS per la sua georeferenziazione, fotocamera professionale Sony precalibrata con asta telescopica per le riprese fotografiche dei prospetti esterni, Laser Cam2 Focus 3D X330 per il rilievo di dettaglio degli ambienti interni di pregio architettonico.
  2. preparazione e applicazione dei GCP (Ground Control Point) necessari al dimensionamento ed all’orientamento del modello fotogrammetrico, all’allineamento delle nuvole da laser scanner, all’unione delle due dence clouds.

Il rilievo topografico è stato il “collante” necessario per impostare, elaborare e unire i dati risultanti dalle altre metodologie. Esso ha rappresentato la fase più importante dell’intero iter soprattutto sotto il profilo dell’impostazione del sistema di riferimento e del contenimento degli errori. Nella fase di rilievo topografico si è materializzata in sito una rete poligonale chiusa tale da “comprendere” il perimetro esterno dell’edificio, gli ambienti interni al piano primo e al piano secondo. A tale rete è stata “agganciata” una rete più fitta di dettaglio. La maglia di riferimento così impostata ha costituito la base per l’orientamento, la georefereziazione e l’allineamento delle immagini acquisite nel rilievo fotogrammetrico e l’unione delle scansioni acquisite dal laser scanner.

Unione di modelli a nuvola di punti

Unione di modelli a nuvola di punti

La fotogrammetria è la tecnica che consente l’acquisizione di informazioni metriche di un oggetto tridimensionale (dimensione, posizione nello spazio, orientamento) a partire dalla elaborazione di almeno due immagini fotografiche acquisite da due punti di vista differenti. Nel caso in esame le immagini acquisite sono di tipo digitale e la loro elaborazione è avvenuta mediante specifico software professionale certificato, in grado di produrre un report di lavoro finalizzato al controllo dell’errore finale complessivo del modello. Il rilievo fotogrammetrico si è composto delle seguenti fasi:

  • acquisizione fotogrammi;
  • allineamento fotogrammi e riconoscimento GCP precedentemente rilevati con metodo topografico;
  • elaborazione modello a nuvola di punti;
  • elaborazione mesh e modello texturizzato;
  • restituzione e vettorializzazione prospetti.

Considerata la conformazione, la disposizione e l’orientamento delle facciate del manufatto, le immagini sono state acquisite parallelamente ad ogni prospetto effettuando delle “strisciate” a diverse altezze, e con sovrapposizione media pari all’80%. Si è mantenuta una distanza media costante dall’oggetto di 7-8mt, compatibilmente con la presenza di ostacoli, traffico pedonale e carrabile. Al fine di ottenere una omogeneità di illuminazione su tutte le superfici, si è studiata l’incidenza solare su ogni prospetto scegliendo, per ciascuno di essi, l’orario più opportuno per l’acquisizione di fotografie. Poiché infine le riflessioni di luce prodotte dalle ampie vetrate delle facciate interne alla corte avrebbe causato molto rumore nella nuvola di punti, si è provveduto alla loro opacizzazione con applicazione di teli.

La presenza di ambienti di pregio, nonché di stati deformativi e fessurativi nei solai lignei interni ha richiesto l’impiego di strumentazione laser scanner 3D. D’altra parte, le scarse condizioni di illuminazione interna degli ambienti non avrebbe garantito una efficace risoluzione con metodo fotogrammetrico se non con impiego di un consistente e costoso sistema di illuminazione ausiliario. Il laser scanner è lo strumento che consente di rilevare le coordinate spaziali X, Y, Z di una fitta maglia di punti dell’oggetto. La densità di tale maglia viene preimpostata in base all’obiettivo del rilievo e alla precisione richiesta. Il sistema registra inoltre l’intensità di segnale dipendente dalla natura materica dell’oggetto rilevato, ossia dalla sua riflettività. Una fotocamera interna allo strumento, infine, acquisisce delle immagini fotografiche con le quali è possibile texturizzare (“colorare” con gamma RGB) il modello finale.

I punti in cui posizionare il laser per le rilevazioni sono stati preliminarmente studiati in maniera tale da ridurre le zone d’ombra. Particolare attenzione è stata posta al rilievo degli ambienti solaio ligneo cassettonato, in cui la fitta maglia di travi e travetti poteva creare delle fastidiose zone d’ombra con conseguente mancanza di dato geometrico e cromatico.

Complessivamente sono state effettuate 83 scansioni: 47 al piano terra, 12 negli ambienti dello scalone d’onore, 18 al piano primo, 6 nel portico al piano terra e nella corte. Le scansioni effettuate negli ambienti di pregio e quelle esterne sono state acquisite con RGB e riflettanza per poter restituire la geometria e il colore. Le 12 scansioni prive di prive di valore RGB sono state fatte nelle zone di passaggio (corridoi, magazzini, ecc..) tra una sala e l’altra ed utilizzate per l’allineamento delle scansioni e per il ridisegno delle geometrie in pianta.

Il delicato lavoro finale è stato quello di unire, sulla base del comune sistema di riferimento locale impostato ed acquisito con strumentazione topografica, il modello fotogrammetrico a nuvola di punti dell’involucro esterno con il modello laser scanner, sempre a nuvola di punti, degli ambienti interni. L’operazione è stata effettuata ovviamente tenendo conto della “densità” dei due modelli, necessariamente diversa in quanto derivante dall’impiego delle due metodologie laser scanner e fotogrammetrica.

Una volta ottenuto quindi il modello complessivo, da questo è stato possibile estrapolare piante, prospetti, sezioni, dettagli costruttivi e decorativi, nonché informazioni precise sullo stato di deformazione e dissesto delle strutture ed in particolare dei solai interni.

In conclusione ed a sintesi di questa ricca ed impegnativa esperienza professionale, teniamo a ribadire che il rilevamento è una operazione “interpretativa” della realtà indipendentemente dalla strumentazione che il tecnico sceglie di utilizzare. Le tre parole chiave, conoscenza rilevamento tecnologia, si intrecciano in maniera in maniera tutt’altro che ovvia, lasciando al tecnico il delicato compito di scegliere tra comportamenti, azioni e strumentazioni.

Ogni rilievo non è, e non può essere uguale ad un precedente o a quello eseguito da un tecnico diverso: le operazioni cognitive, la capacità di attenzione ad un determinato bene dipende dall’esperienza e dalla sensibilità di ciascuno, oltre che dal momento temporale in cui vengono effettuate le operazioni, dalla cultura e dalla formazione personale.

Ogni rilievo comporta un margine di errore, che nella fase di progettazione il tecnico deve essere in grado il più possibile di prevedere; è fondamentale che anche la scelta della strumentazione da mettere in campo sia guidata dal margine di errore finale che il tecnico, in funzione dell’obiettivo del rilievo, è in grado di accettare.

Hanno collaborato al progetto l’Ing. Luca Amatori, pilota di droni, l’Ing. Luigina Candelma, specializzata nelle applicazioni fotogrammetriche, l’Arch. Andrea Manti, tecnico laser scanner specializzato in disegno dell’architettura, il Geom. Vincenzo Tropiano nella cura del rilevamento topografico.

Il progetto è stato coordinato dall’Arch. Simona Alauria e dall’Arch. Adriano Colleoni.

Ci occupiamo di riprese aeree a bassa quota e di servizi integrati di geomatica, fotogrammetria digitale e rilievo laser scanner applicati all’ingegneria, all’architettura, alla geologia. Operiamo nel Nord e Centro Italia, con basi operative a Torino, Bergamo e Perugia. Siamo operativi anche in Costa Azzurra.