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DiAdriana

Laser: rischi e pericolosità degli strumenti di misura (distanziometro, stazione totale, Laser Scanner)

L’utilizzo di macchinari ad alta precisione, durante la rilevazione di un elemento architettonico, può mettere in pericolo la nostra salute?
Per rispondere a questo quesito, risulta necessario approfondire la conoscenza dei vari tipi di laser esistenti, così da conoscere i potenziali rischi causati dalla strumentazione in uso.

Il distanziometro comunemente è di questo tipo:

  • Classe 2
La stazione totale, a seconda dei modelli, supporta, solitamente, uno o due tra i seguenti tipi di laser:
  • Classe 1 con il sistema reflectorless
  • Classe 2 per identificare il punto da misurare
  • Classe 3R nel caso di misurazione senza prisma per lunghe distanze

Il Laser Scanner, invece, presenta una delle seguenti specifiche:

  • Classe 1
  • Classe 3R

Classificazione dei Laser

Conoscere la classe del Laser utilizzato, è facile: esso è desumibile dalla scheda tecnica oppure la Classe Laser viene riportata accanto al simbolo di pericolosità del laser (adesivo presente sullo strumento).
La Commissione elettrotecnica internazionale (IEC), organizzazione globale che prepara e pubblica gli standard internazionali per tutti i dispositivi elettrici, ha pubblicato la norma IEC 60825-1 che delinea la sicurezza dei prodotti laser. Ecco la classificazione relativa ai laser elencati:

  • Classe 1: laser che sono sicuri nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, incluso l’uso di strumenti ottici per la visione del fascio;
  • Classe 2: laser che emettono radiazione visibile nell’intervallo di lunghezze d’onda tra 400 e 700 nrn; la protezione dell’occhio è normalmente assicurata dalle reazioni di difesa compreso il riflesso palpebrale. Questa reazione fornisce un’adeguata protezione nelle condizioni di funzionamento ragionevolmente prevedibili, incluso l’uso di strumenti ottici per la visione del fascio
  • Classe 3R: laser che emettono nell’intervallo di lunghezze d’onda tra 302,5nm e 106nm, dove la visione diretta del fascio è potenzialmente pericolosa ma il rischio è più basso dei laser di Classe 3B; i requisiti del costruttore e le misure di controllo per il responsabile delle attività sono meno che per i laser di Classe 3B. Il LEA è inferiore a cinque volte il LEA di Classe 2 nell’intervallo di lunghezze d’onda tra 400 e 700 nm ed inferiore a cinque volte il LEA di Classe 1 per le altre lunghezze d’onda.
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Come funziona il GPS

Il GPS è un sistema di posizionamento terrestre in grado di rilevare la posizione esatta di un punto nello spazio, questo sistema di rilevamento è stato progettato dal Ministero della Difesa Americano (DOD). Il GPS funziona attraverso 32 satellitii orbitanti, oltre ad alcuni di riserva. Tali orbite sono circolari su 6 piani orbitali paralleli inclinati di 55° rispetto al piano equatoriale, sono distanti circa 20 Km dalla terra. I satelliti compiono due rotazioni del pianeta al giorno.

Il sistema GPS è stato studiato cosicché, in ogni condizione meteorologica, da ogni punto della terra siano osservabili almeno 4 satelliti, necessari e sufficienti all’utilizzo del sistema.

Il GPS è operativo dal 1994 ma, ancora oggi vengono lanciati satelliti in orbita per mantenere sempre alto il numero di satelliti operativi.

Gran parte dei satelliti sono stati posizionati in orbita mediante il lancio di razzi (a perdere). Oltre ai satelliti, esistono anche 4 stazioni di controllo a terra fondamentali per il sistema, che altrimenti non funzionerebbe, perché tale sistema necessita di una costante verifica dello stato dei satelliti, e della correzione dei loro orologi atomici e della loro posizione orbitale. La manutenzione del sistema dunque è essenziale, infatti un’eventuale sospensione della stessa provocherebbe un decadimento del sistema nel giro di pochi giorni e la sua completa inutilità dopo circa 2 settimane.

Ciascun ricevitore GPS effettua queste operazioni:

  • Localizza 4 o più satelliti disponibili;
  • Calcola la distanza da ognuno dei satelliti (presumendo la velocità di propagazione delle onde radio costante);
  • Usa i dati ricevuti per calcolare la propria posizione mediante il processo di trilateriazione: essendo note le posizioni dei satelliti nello spazio e la distanza del ricevitore da ogni satellite, si ottiene una intersezione di 4 sfere che degenera in un punto a meno di un’accuratezza accettabile.

Ecco come avviene il processo di misurazione: ad un’ora prestabilita (supponiamo le 14:00) il satellite genera un codice (detto pseudo random code) e lo invia sulla terra. Sempre alle 14:00 anche il ricevitore GPS genera lo stesso identico codice per cui, quando il segnale dal satellite arriva a terra e viene letto dal ricevitore, che conosce l’orario di partenza del segnale e quindi è in grado di misurare quanto tempo ha impiegato il segnale per arrivare.
La distanza tra il satellite ed il ricevitore GPS viene ottenuta da quest’ultimo moltiplicando tale tempo per la velocità della luce (299.792 km/s) che è pari alla velocità di propagazione delle onde radio utilizzate per l’invio del segnale. Una volta ottenuta la distanza, il ricevitore sa di trovarsi su un punto della sfera che ha per raggio tale distanza e per centro la posizione del satellite. Ripetuta tale operazione per almeno quattro satelliti si ottiene una sfera per ciascun satellite. L’intersezione di tali sfere degenera in un punto a meno di un’accuratezza accettabile.

I ricevitori GPS di precisione hanno un preciso cronometro interno: un errore sul cronometro pari a 0,0000000001  secondi corrisponderebbe ad un errore di ben 3 centimetri sulla misurazione della sfera.
Gli orologi interni dei satelliti devono essere ancora più precisi in quanto una dissincronia influenzerebbe tutte le misurazioni nel mondo. Pertanto generalmente i satelliti ospitano ben quattro costosissimi orologi atomici del costo di circa 160.000 Euro, che sfruttano le oscillazioni degli atomi di cesio e rubidio e che garantiscono uno standard di precisione assoluto. Infatti la possibilità di errore è di un secondo ogni 30.000 anni.
Una curiosità di rilievo è la seguente: secondo la teoria della relatività, a causa della velocità relativa, i satelliti viaggiano nel futuro e quindi i loro orologi devono subire una correzione per essere sincronizzati con gli orologi di terra! Gli ingegneri progettisti, che non credevano nei viaggi nel tempo, inserirono sui primi satelliti due meccanismi di calcolo: uno che tenesse conto del fatto che i satelliti viaggiano nel futuro ed uno che ignorasse tale aspetto. Il risultato fu che, senza la correzione relativistica, il sistema GPS presentava calcoli errati. Quindi la teoria della relatività di Albert Einstein è stata confermata, tra le altre cose, anche dall’attuale funzionamento dei satelliti GPS.

Ma cosa succederebbe se il segnale arrivasse al ricevitore rimbalzando prima su altre superfici? La linea immaginaria che congiunge il satellite ed il ricevitore non sarebbe più rettilinea, presenterebbe dei punti di passaggio e pertanto il calcolo della distanza tra satellite e ricevitore verrebbe falsato, si tratta del fenomeno del Multipath al quale abbiamo dedicato un articolo.

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Come funziona la Stazione Totale

La stazione totale è strumento topografico utilizzato per il rilievo indiretto. Lo strumento è composto da un distanziometro elettronico, da un goniometro elettronico per la misurazione dell’angolo azimutale e da un secondo goniometro elettronico per la misurazione dell’angolo zenitale. Il calcolo dei dati immagazzinati in fase di campagna, vengono memorizzati attraverso un computer con interfaccia utente. La stazione totale, dunque, è in grado di rilevare la misurazione di angoli e distanze di una serie di punti e di determinarne l’esatta collocazione spaziale rispetto a un sistema di coordinate predefinito.

Per effettuare correttamente un rilievo con stazione totale, è necessario eseguire correttamente la fase di Stazionamento.

Lo stazionamento dermina fin dall’inizio la corretta misurazione dei punti, consiste nel posizionare la stazione totale sulla verticale di un punto materializzato solitamente con un chiodo assicurandola al treppiede tramite una vite di serraggio. Il fissaggio avviene a cavallo del punto con la testa in orizzontale tenendo allungate le gambe del treppiede momentaneamente libere per fissarle meglio nel terreno creando così la stabilità per procedere alla fase di rilievo. La stazione totale e il piombo laser vengono accesi. Quest’ultimo è composto da una luce laser rossa che mostra il punto sul quale lo strumento è a piombo, pertanto per un corretto stazionamento tale laser deve centrare il chiodo di stazione mentre lo strumento è perfettamente livellato. Verificato ciò lo strumento è posizionato ed è possibile configurare l’angolo zero su un riferimento (un altro chiodo di stazione ad esempio) tramite una operazione detta “azzeramento”.

La misurazione attraverso la Stazione Totale tiene conto degli angoli verticali, orrizzontali e della distanza inclinata e può essere esportata dallo strumento in coordinate Polari grezze o in coordinate Cartesiane. Nel primo caso il Topografo potrà intervenire autonomamente nella verifica degli errori e nella costruzione della poligonale, nel secondo caso ci si fiderà dello strumento e dei suoi software interni ed esterni.
Per una corretta misurazione angolare e lineare è necessario centrare ciascun punto con il cannocchiale fino a visualizzarlo esattamente sull’incrocio di linee corrispondenti al centro ottico dell’obiettivo.
La distanza viene rilevata grazie alla tecnologia Electronic Distance Measurement (EDM) integrata nella Stazione Totale. Questo sistema non fa altro che rilevare il tempo che impiega il raggio laser ad andare e tornare dal punto colpito al cannocchiale. Il dato viene memorizzato dallo strumento e contestualmente vengono mostrate tramite display le coordinate polari.
La misurazione con la Stazione Totale può avvenire attraverso due metodologie:
  • raggio infrarosso
  • raggio laser

Il rilievo attraverso il raggio infrarosso ha bisogno di un sistema riflettente; in questo caso per la misurazione viene utilizzato un prisma o un mini prisma per attenuare ulteriormente l’errore di rilevamento.

Il rilievo, invece, con raggio laser è un metodo adottato per rilevare punti difficilmente accessibili all’operatore, dato che non è necessario posizionare alcun sistema riflettente.

La Stazione Totale tradizionale negli ultimi tempi si è evoluta in Stazione Totale Motorizzata o Robotica. Tale strumento permette all’operatore di poter lavorare anche senza un partner dato che si occupa di mirare autonomamente il prisma in movimento. Inoltre tale strumento può anche attivare una procedura di ricerca a largo spettro, capace di riallinere il reticolo al prisma qualora lo perda totalmente. Una delle caratteristiche interessanti nell’uso della Stazioni Totale Motorizzata è l’autocentramento per la fase di azzeramento e di misura delle stazioni: tramite l’uso di questa caratteristica viene attenuato l’errore umano di centramento.

DiAdriana

La riservatezza con il laser scanner: come proteggere il segreto industriale

Effettuare un rilievo Laser Scanner è, ad oggi, sicuramente il metodo più oggettivo e preciso di rilevazione di un oggetto, una stanza, uno stabile. Tuttavia, pur essendo il metodo migliore di rilevazione, può anche risultare invasivo, proprio perchè l’obiettivo dello scanner è quello di rilevare gli ambienti così come sono.

Gli ambienti,  però, potrebbero contenere qualcosa di importante: magari in quel momento si sta lavorando ad un prodotto ancora non pubblicizzato o c’è un segreto industriale da proteggere.
Dunque chi ha un segreto industriale è costretto ad abbandonare l’idea di un rilievo Laser Scanner della sua proprietà o può tutelarsi in altro modo?

GESI, da sempre vicina alle esigenze di ogni tipo di cliente sa bene che, per non incorrere in alcun tipo di problema può tutelare il cliente grazie all’accordo di riservatezza accompagnandolo con sistemi di invio dei dati idonei al mantenimento della privacy dei dati.

L’accordo di riservatezza per la tutela di un progetto è l’accordo con cui tutti i contraenti si impegnano, prima di iniziare le trattative, a non divulgare i dati sensibili relativi al progetto da realizzare. Viene richiesto, nel momento in cui determinate informazioni debbano rimanere segrete e confidenziali, senza essere divulgate a terzi. Molto spesso per i rilievi con Laser Scanner, dove la rilevazione è oggettiva e totale, viene richiesto questo tipo di accordo dato che lo scanner rileva tutto ciò che è presente nella stanza o nello stabile, riproducendo la realtà così come la si vede. Dunque la sicurezza dei dati per un’azienda che lavora nell’ambito dei rilievi topografici è oggi fondamentale. Tali procedure di messa in sicurezza dei dati sono a favore non solo della ditta ma anche del cliente. Innanzitutto, va stilato l’accordo di sicurezza che le due parti si impegnano a mantenere reciprocamente, dopo di che GE.S.I mette al servizio del cliente due sistemi di invio dei dati in maniera rapida e sicura:

Per assicurare l’uso dei dati condivisi in cloud, GE.S.I può crittografare tutti i dati inseriti con un algoritmo semplice con chiave simmetrica, tipo AES 256 bit che garantisce una sicurezza adeguata ad aziende medio-piccole oppure, preferisce un algoritmo a chiave asimmetrica, come RSA da 3072 bit, che è molto più complesso e difficile da manomettere. In tutti i casi il transito dai server cloud avviene sempre tramite comunicazione crittografata. Ovviamente la scelta di crittografare anche i dati viene discussa in base alle esigenze del cliente e del caso. Costantemente valutiamo le prestazioni dei server e delle reti su cui condividere i dati, così da offrire un servizio di scambio sempre veloce e funzionale.

L’invio protetto dei dati può avvenire attraverso 3 sistemi eventualmente sovrapponibili:

  • Dato crittografato. Il dato viene spedito a mezzo mail o postale interamente crittografato. In questo modo non si esclude un’intercettazione del dato che potrebbe comunque, essere letto in futuro risolvendo l’algoritmo matematico con cui è stato crittografato.
  • Server in cloud. Il dato viene trasferito eventualmente con una identificazione a mezzo password e sempre con un trasferimento crittografato. Qualora terzi dovessero utilizzare la stessa password per scaricare i dati, siamo in grado di constatare la violazione. Inoltre, è possibile cancellare il dato in cloud appena scaricato così da attenuare il rischio che esso venga ulteriormente scaricato da terzi.
  • VPN. Il dato non viene spedito in alcun modo ma, viene poggiato in rete ed è il cliente che lo preleva dal network. Sicuramente questo è il metodo più sicuro per proteggere le proprie informazioni.

Come già preannunciato i 3 sistemi sono sovrapponibili: è ad esempio possibile crittografare il dato, mettere i files crittografati in cloud protetto da password e porre il cloud che già prevede una crittografia di trasferimento, dietro una VPN con un proprio livello di crittografia e proprie chiavi.

Per poter offrire ai nostri clienti questi sistemi ad oggi GESI dispone di una vera e propria infrastruttura di rete, con propri server e servizi.

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Come nasce il DGPS?

Il GPS differenziale (DGPS) nasce per motivi di sicurezza, data l’eccessiva precisione raggiungibile dal sistema GPS fin dal suo esordio.

Il Dipartimento della Difesa Americano introdusse un sistema di degradazione intenzionale della precisione denominato Selective Availability, capace di fornire ai ricevitori non militari prestazioni ancora sufficienti per molte applicazioni di interesse pratico ma, sensibilmente inferiori a quelle teoriche. Dopo l’introduzione della SA, l’errore del sistema crebbe a livelli talmente alti da stimolare la ricerca di soluzioni per compensarlo.

Risultò presto chiaro che ciò sarebbe stato possibile con uno schema ingegnoso, detto GPS differenziale (DGPS), che richiede l’uso di almeno 2 ricevitori GPS.

Uno dei due ricevitori viene etichettato “Riferimento” (Reference) e posizionato per la durata delle operazioni su un punto fisso con coordinate note. L’altro ricevitore detto “Mobile” (Rover), è libero di muoversi.

Si presume che l’errore sia uguale per entrambi i ricevitori pertanto, conoscendone intensità e verso, possiamo calcolare le corrette posizioni del ricevitore Mobile.

Calcolare l’errore è estremamente facile: la posizione del GPS “Riferimento” è uguale alle coordinate reali più l’errore indotto, quindi conoscendo le coordinate reali con una semplice sottrazione si determina l’errore.

Sottraendo l’errore alle coordinate lette dal GPS “Mobile” otteniamo, anche su questo, le coordinate reali.

Questa procedura, non solo può essere usata per attenuare l’errore indotto dalla SA (oggi non più in funzione) ma, attenua anche errori fisiologici del sistema che è molto preciso ma non accurato.

Insomma, il sistema DGPS prevede il miglioramento delle performance del GPS tramite la trasmissione di un dato supplementare.
Tale dato supplementare può essere trasmesso da stazioni a terra o da Satellite. Le performance sono tanto migliori quanto più l’errore viene calcolato vicino al GPS “Mobile” in quanto la stazione di riferimento, in quel caso, condivide le stesse interferenze ambientali. Infatti uno degli errori è dato dal fatto che atmosfera e ionosfera, in base alla propria composizione, variano la velocità di propagazione delle onde radio ed inducono un errore.

I principali sistemi satellitari che implementano il concetto del GPS differenziale tramite dato supplementare inviato da Satellite sono l’americano WAAS (Wide Area AugmentationSystem), in servizio dal luglio 2003, e l’europeo EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), entrato in fase finale di test. Anche il Giappone sta sviluppando un suo sistema assai simile denominato MSAS.

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Il fenomeno Multipath

Il fenomeno Multipath si verifica quando si effettua un rilievo GPS in prossimità di una superficie riflettente. In tal caso, parte del segnale satellitare giunge direttamente all’antenna al contrario, la restante parte raggiungerà l’antenna dopo un certo tempo in virtù della riflessione subita, dando così origine ad un errore di calcolo della posizione.
Questo fenomeno ovviamente degrada la qualità del segnale e fa sì che il calcolo del tempo di volo sia errato. Il Multipath, in città, è piuttosto frequente e si presenta attraverso il fenomeno del “canyoning”, ovvero “gole tra i palazzi”.
Questa problematica viene neutralizzata con le antenne choke-ring, particolari antenne dalla forma circolare, composte da anelli in serie, rivestiti spesso da una guarnizione protettiva.
Il design dell’antenna nasce presso il Jet Propulsion Laboratory, di cui la NASA ne è proprietario e, diretto dal California Institute of Technology.
Ad oggi, la migliore tecnologia è espressa dalla Leica che ha sviluppato una nuova choke ring per un tracciamento migliorato, un’eccellente simmetria del centro di fase e una soppressione del multipath senza eguali per tutte le frequenze GNSS.
DiAdriana

Quale tecnica utilizzare per un rilievo: dalla rollina al Laser Scanner

I rilievi sono spesso motivo di discussione dato che è possibile utilizzare le più diverse tecniche di misurazione. Ogni metodo di misura porta con sè vantaggi, svantaggi e requisiti in termini di tempo e di personale utilizzato.

Rilievo tramite Rollina e Distanziometro Laser (Misurazione Diretta)

Il rilievo tramite rollina metrica e distanziometro laser prevede la misurazione delle distanze che costituiscono ad esempio lunghezza e larghezza di una stanza, lo sfasamento dell’infisso rispetto ad una parete, le diagonali di una stanza, etc. L’unione delle varie aree misurate in una unica planimetria avviene tramite elementi di passaggio tra un ambiente e l’altro. In questo tipo di rilievo è consigliabile collezionare distanze che attraversano più ambienti, così da avere una conferma delle somme delle misure parziali; ciò permette anche di evitare l’accumulo degli errori e puntare ad una accuratezza globale di rilievo determinabile. Uno dei punti deboli di questo tipo di tecnica è sicuramente la precisione in caso di rilievi multipiano dato che i muri potrebbero non essere completamente verticali e non si può sempre presumere che le mura perimetrali siano completamente congruenti se osservate dall’alto. Questo tipo di rilievo è consigliato per piccole misurazioni, per rettifiche di planimetrie già esistenti e per un uso amatoriale della misurazione.

Rilievo tramite Stazione Totale e Misurazione Diretta

Il rilievo tramite Stazione Totale prevede la collimazione dei punti, i quali riportati in planimetria vanno poi uniti per generare le sagome. Nel caso di rilievo di interni, è sicuramente la metodologia consigliata per immobili complessi. L’utilizzo della Stazione Totale prevede un appoggio topografico tramite punti materializzati sul posto e che possono essere utilizzati oltre che per il rilievo di prima pianta, anche per una sovrapposizione corretta del rilievo di seconda pianta.
Il rilievo effettuato tramite Stazione Totale può anche essere usato per determinare correttamente la posizione di punti specifici dai quali partire per rilevare con il metodo diretto (Rollina e Distanziometro Laser) geometrie più semplici, così che tale rilievo diretto sia vincolato da punti specifici e possa trovare riscontro ridondante.
Questo metodo, se utilizzato correttamente, consente di valutare l’accuratezza globale di rilievo ma non consente una rapida esecuzione dato che è necessario prevedere tutte le misurazioni da compiere manualmente. Saltare una misurazione può significare dover tornare sul posto.

Rilievo Laser Scanner

Il rilievo tramite Laser Scanner 3D consente agli operatori di focalizzare sulla scena: bisogna posizionare lo scanner in più posizioni così che esso possa catturare tutto ciò che conta nella misurazione o tutto ciò che è visibile a meno di impedimenti particolari; spesso la differenza tra le due cose è tanto minima da propendere per la seconda opzione senza porsi troppe domande.
Ogni posizione genera una nuvola di punti, l’unione delle diverse nuvole di scansione vengono collegate tramite una procedura che prende il nome di registrazione e che può basarsi su punti omologhi o su punti noti.
Si parla di punto omologhi e di registrazione “Cloud to Cloud” quando esistono dei punti nella nuvola da registrare che sono visibili in un’altra nuvola già registrata attraverso un metodo o considerata già registrata. Si parla invece di punti noti e di registrazione “per Punti Noti” quando vi è un appoggio topografico o un altro metodo dal quale far derivare le coordinate dei punti.

L’appoggio topografico è consigliato nel caso di rilievi complessi e nel caso in cui si vuole un miglioramento sulla precisione complessiva del rilievo, consente tra l’altro una verifica rigorosa (poligonale chiusa) e l’attenuazione degli errori tramite compensazione. Per integrare tale tecnica, prima dell’inizio delle scansioni, va istituita una poligonale dalla quale vanno determinate le coordinate di Punti Noti visibili dallo scanner sottoforma di target. Un singolo target può essere visto da più scansioni, l’importante è che ogni scansione ne veda almeno 4.
L’appoggio topografico aumenta i tempi di lavorazione ma consente di evitare l’uso della registrazione di tipo “Cloud to Cloud” aumentando la precisione complessiva del rilievo.

Ecco una comparativa dei PRO e dei CONTRO del Rilievo con tecnologia Laser Scanner rispetto ai Rilievi con Misurazione Diretta ed eseguiti con la sola Stazione Totale.

 PRO  CONTRO
Acquisizione dati molto veloce Investimenti iniziali alti
Nessun rischio di dover tornare sul posto ad integrare nuove misure Curva di apprendimento abbastanza ripida relativamente a tecniche e software.
Precisione complessiva del rilievo determinabile ed elevata Tempi di post-produzione più alti
Tempi di campagna più brevi ovvero costi di trasferta inferiori Gittata più stretta

Da questa tabella si desume come il Laser Scanner sia più performante laddove l’area oggetto della misurazione risulti raccolta e laddove si preferisca stringere i tempi di campagna anche se ciò dovesse comportare l’allungamento dei tempi di post-produzione in ufficio, condizione compatibile con una trasferta.

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Laser scanner topografici: Tempo di volo e differenza di fase

I Laser Scanner sono strumenti capaci di catturare ad alta velocità la realtà circostante sotto forma di punti tridimensionali nello spazio. Tali punti compongono un dato collettivo denominato nuvola di punti, composto da migliaia o milioni di singoli punti discontinui tra loro ed organizzati in righe e colonne così che ad ogni punto sia possibile associare un intorno di punti regionalmente vicini. Questa organizzazione rende la nuvola di punti una nuvola strutturata.

Gli scanner sono generalmente composti da un corpo capace di ruotare in orizzontale ed uno specchio che permette di deflettere il raggio laser variando l’angolo verticale in modo molto veloce entro i limiti strutturali dello scanner: alcuni scanner possono comporre solamente finestre verticali di 70-100 gradi, altri possono arrivare a 310 gradi. Data la presenza del treppiedi topografico sarebbe inutile aumentare l’angolo verticale oltre i 310°.

La durata di una singola operazione di scansione può variare da pochi secondi fino a svariati minuti, dipendentemente dalla densità di punti rilevati e, naturalmente, dalla velocità del Laser scanner.

La densità è un dato configurabile e serve a definire con quanti punti discretizzare una superficie ad una distanza data, esso però influenza la velocità di scansione ed il numero di punti totali che compongono l’area.

Ecco un esempio:

Finestra
Angolo OrizzontaleAngolo Verticale
360°310°
Angolo tra punti
OrizzontaleVerticale
0,018°0,018°
Punti
OrizzontaleVerticaleArea
20.0008.612~172 Milioni
Velocità di scansione
500.000Pti/sec
Tempo per l'intera finestra
~6 minuti
Distanza tra punti su superficie
a 2m0.6mm
a 5m1.6mm
a 10m3.1mm
a 50m16mm

Durante l’operazione di scansione, lo strumento salva i dati angolari, la distanza e la riflettanza che, sarà tanto più alta quanto più la superficie tende al colore bianco. La riflettanza indica la proporzione di luce incidente che una data superficie è in grado di riflettere. Ha quindi un significato fisico ben preciso ed il suo valore è legato alle caratteristiche del materiale di cui è costituita la superficie scansionata.

Per poter dare un effetto maggiormente realistico al rilievo scansionato è possibile utilizzare un dato colorimetrico non basato sulla riflettanza ma fotorealistico.
Per ottenere questo risultato bisogna sovraporre alla scansione foto opportunamente calibrate tramite punti omologhi, così da ottenere un risultato spaziale e fotorealistico.

In generale la tecnologia si basa sempre sull’emissione e la ricezione di un raggio, i vari laser scanner si differenziano in base a principi operativi di funzionamento. Sostanzialmente ci sono 2 tipologie di laser scanner utilizzati nel campo topografico:

  • differenza di fase
  • TOF (a tempo di volo)

I Laser Scanner a Differenza di Fase (Phase Shift – PS) calcolano la distanza attraverso algoritmi specifici che rilevano la misura tramite la differenza di fase tra l’onda emessa e quella ricevuta. Questi laser scanner sono particolarmente veloci ed hanno una griglia di punti molto densa. La loro possibilità di sfasamento però limita la gittata massima ad alcune centinaia di metri. Una velocità tipica di questi scanner si attesta intorno ai 500.000 punti/secondo.

La tecnologia laser scanner a Tempo di Volo (Time of Flight – TOF) si basa sul tempo che l’onda impiega tra l’istante in cui viene emessa e quello in cui viene ricevuta: si tratta di un cronometro precisissimo. La velocità tipica di questi scanner dipende dalla gittata massima, possiamo indicare 200.000 punti/secondo per una gittata di 6Km. Questi scanner supportano il rilevamento a distanza molto alte ciò però, può rallentare particolarmente la velocità delle operazioni: quando lo scanner punta nel vuoto (nel cielo ad esempio) ed è configurato per rilevare fino a 6Km, questo vuol dire attendere che la velocità della luce possa percorrere 6Km di andata più 6Km di ritorno. Sebbene si tratti di 0,00004 secondi per singolo punto, la reiterazione di questo intervallo di tempo per alcuni milioni di punti può portare ad attese di minuti e frazioni di ora.
Infatti, qualora ci siano 50 milioni di punti di cielo (compatibile con una scena di rilievo tipico) per i max 12Km (tra andata e ritorno), in totale si tratta di 600.000.000 Km pari a 4 Unità astronomiche (UA) ovvero 4 volte la distanza terra-sole, in pratica più di 30 minuti di attesa!

I Laser Scanner TOF avendo caratteristiche di velocità, densità ed ampiezza di area accettabili prettamente per le scansioni in lontananza, non raggiungono, nei lavori a breve distanza, un risultato comparabile a quello degli scanner a differenza di fase. Al contrario gli scanner a differenza di fase non riescono ad arrivare alla gittata dei Laser Scanner a Tempo di Volo. In pratica si tratta di 2 strumenti totalmente diversi e dalle vocazioni complementari.

Nel precedente paragrafo sono state messe in evidenza le caratteristiche di portata e velocità nell’acquisizione per le differenti tipologie dei sensori laser, esistono però numerosi altri aspetti che devono essere considerati per stabilire la qualità di uno strumento laser scanner per il rilevamento di un particolare oggetto:

  • velocità di acquisizione
  • risoluzione di scansione (densità dei punti)
  • possibilità di registrare il dato colorimetrico
  • coassialità del dato colorimetrico
  • accuratezza nella misura
  • accuratezza nella riflettanza
  • divergenza del raggio laser
  • portata nominale e nelle applicazioni reali
  • campo di misura minimo e massimo alle accuratezze desiderate
  • maneggevolezza