Negli ultimi anni la tecnologia LiDAR ha trasformato profondamente il mondo del rilievo, rendendo possibile l’acquisizione rapida e precisa di ambienti, edifici, infrastrutture e territorio. Scanner laser terrestri, sistemi mobili e strumenti basati sulla tecnologia SLAM permettono oggi di raccogliere enormi quantità di informazioni tridimensionali in tempi molto più ridotti rispetto a molte tecniche di rilievo tradizionali. Il risultato di queste acquisizioni è generalmente una nuvola di punti 3D, cioè una rappresentazione digitale composta da milioni di punti che descrivono la geometria dell’oggetto o dell’ambiente rilevato.
Ma cosa significa esattamente LiDAR? Come riesce un laser a misurare una distanza? E come si passa da una serie di misure a un modello tridimensionale utilizzabile da topografi, ingegneri, architetti e progettisti?
In questa guida vedremo cos’è il LiDAR, come funziona e quali sono le sue principali applicazioni, cercando di spiegare una tecnologia molto sofisticata in modo semplice e accessibile anche a chi si avvicina per la prima volta al rilievo 3D.
Cos’è il LiDAR?
Il termine LiDAR deriva dall’inglese Light Detection and Ranging e identifica una tecnologia che utilizza impulsi laser per misurare la distanza tra un sensore e gli oggetti presenti nell’ambiente circostante. Il principio di base è relativamente semplice. Lo strumento emette un impulso laser verso una superficie e misura il tempo necessario affinché il segnale venga riflesso dall’oggetto e ritorni al sensore. Conoscendo la velocità della luce e il tempo impiegato dall’impulso per compiere il percorso di andata e ritorno, il sistema può determinare la distanza tra lo strumento e il punto colpito dal laser.
Questa operazione non viene però effettuata una sola volta. I moderni sistemi LiDAR possono eseguire centinaia di migliaia o persino milioni di misurazioni al secondo, acquisendo rapidamente la geometria dell’ambiente circostante. Ogni misura genera un punto nello spazio caratterizzato da coordinate tridimensionali. L’insieme di tutti questi punti forma quella che viene definita nuvola di punti.
Il risultato non è quindi una semplice fotografia, ma una vera e propria misurazione tridimensionale dello spazio. Una parete, ad esempio, non viene rappresentata soltanto attraverso il suo aspetto visivo. Il sistema acquisisce una grande quantità di punti appartenenti alla superficie, consentendo successivamente di misurarne dimensioni, posizione e geometria.
Che cos’è una nuvola di punti?
La nuvola di punti è uno degli elementi fondamentali del rilievo LiDAR. Si tratta di un insieme di punti distribuiti nello spazio tridimensionale. Ogni punto possiede almeno tre coordinate, generalmente indicate come X, Y e Z, che ne definiscono la posizione, e un singolo rilievo può contenere milioni o addirittura miliardi di punti. Questi punti ricostruiscono digitalmente l’ambiente rilevato con un elevato livello di dettaglio quando vengono visualizzati insieme all’interno di un software dedicato.
A seconda dello strumento utilizzato, ai punti possono essere associate anche altre informazioni. Ad esempio, alcuni sistemi registrano l’intensità del segnale laser riflesso. Inoltre, attraverso l’integrazione con fotocamere, è possibile attribuire ai punti i colori reali dell’ambiente. Si ottiene così una rappresentazione tridimensionale che può essere osservata, misurata ed elaborata direttamente al computer. La nuvola di punti costituisce spesso il punto di partenza per successive elaborazioni, come la realizzazione di sezioni, piante, prospetti, modelli 3D, elaborati CAD e modelli BIM.
LiDAR e scanner laser 3D sono la stessa cosa?
I termini LiDAR e scanner laser 3D vengono spesso utilizzati come sinonimi. Sebbene siano strettamente collegati, non indicano esattamente lo stesso concetto: il LiDAR identifica principalmente la tecnologia di misurazione basata sull’utilizzo della luce laser, mentre lo scanner laser 3D è uno degli strumenti che utilizza questa tecnologia per acquisire la geometria di un ambiente.
Esistono infatti numerose configurazioni LiDAR:
- Gli scanner laser terrestri vengono normalmente posizionati su un treppiede e acquisiscono l’ambiente da una o più posizioni. Sono particolarmente utilizzati nei rilievi architettonici, industriali e infrastrutturali.
- I sistemi LiDAR mobili possono invece essere installati su automobili, mezzi ferroviari o altre piattaforme in movimento. Questa configurazione consente di acquisire rapidamente aree molto estese.
- Esistono inoltre sistemi installati su droni o aeromobili, utilizzati principalmente per rilievi territoriali, forestali e infrastrutturali.
Negli ultimi anni si sono diffusi anche scanner portatili basati su tecnologia SLAM, che permettono all’operatore di acquisire un ambiente semplicemente muovendosi al suo interno. Di conseguenza, il termine LiDAR comprende un insieme molto più ampio di tecnologie e sistemi di acquisizione.
Scanner statico e scanner mobile: cosa cambia?
Una delle principali differenze tra i sistemi di rilievo 3D riguarda il modo in cui vengono effettuate le acquisizioni.
Uno scanner laser statico viene generalmente posizionato su un treppiede e rimane fermo durante la scansione. Per rilevare completamente un edificio o un ambiente complesso è quindi necessario effettuare più scansioni da posizioni differenti. Successivamente, le varie acquisizioni vengono allineate tra loro per ottenere una nuvola di punti completa. Questa metodologia permette di raggiungere elevati livelli di dettaglio e precisione ed è particolarmente indicata quando la qualità metrica del dato rappresenta una priorità.
Uno scanner mobile, invece, acquisisce i dati mentre l’operatore o il mezzo su cui è installato si sposta. Questa modalità può aumentare notevolmente la velocità di acquisizione e risulta particolarmente interessante quando bisogna rilevare edifici complessi, grandi superfici o ambienti articolati.
La scelta tra sistema statico e mobile dipende quindi dall’applicazione, dalla precisione richiesta e dalle caratteristiche dell’ambiente da rilevare.
Che cos’è la tecnologia SLAM?
Parlando di scanner mobili è facile incontrare l’acronimo SLAM, che significa Simultaneous Localization and Mapping. Questa tecnologia consente a uno scanner di costruire una mappa dell’ambiente mentre, contemporaneamente, determina la propria posizione all’interno dello stesso spazio. In altre parole, mentre l’operatore cammina, lo strumento acquisisce continuamente l’ambiente circostante e utilizza le informazioni raccolte per ricostruire il proprio percorso. Il vantaggio principale di questa tecnologia è la velocità: invece di posizionare lo scanner su un treppiede, effettuare una scansione, spostarlo e ripetere l’operazione, con un sistema SLAM è possibile attraversare l’ambiente acquisendo continuamente i dati. Questa tecnologia è particolarmente interessante per il rilievo di edifici, capannoni industriali, impianti, gallerie e altri ambienti complessi. Precisione, modalità operative e caratteristiche possono però variare significativamente tra scanner statici e sistemi SLAM. Per questo motivo la scelta deve sempre essere effettuata considerando l’obiettivo del rilievo.
Dove viene utilizzata la tecnologia LiDAR?
Le applicazioni del LiDAR sono numerose e continuano ad aumentare con l’evoluzione degli strumenti e dei software di elaborazione.
Topografia e rilievo del territorio
Nel settore topografico, il LiDAR può essere utilizzato per acquisire rapidamente grandi quantità di informazioni tridimensionali e integrare le misure ottenute con altre tecnologie, come GNSS e stazioni totali.
Infrastrutture
Ponti, viadotti, strade, ferrovie, gallerie e altre infrastrutture possono essere rilevati attraverso sistemi LiDAR statici o mobili. La disponibilità di una rappresentazione tridimensionale dettagliata facilita attività di progettazione, verifica, manutenzione e documentazione dello stato dell’opera.
BIM e Scan to BIM
Nel settore delle costruzioni, il rilievo laser viene frequentemente utilizzato nei processi Scan to BIM. L’edificio esistente viene acquisito attraverso uno scanner 3D e la nuvola di punti risultante viene successivamente utilizzata come riferimento per la creazione di un modello BIM. Questo processo permette di lavorare partendo dalla geometria reale dell’opera anziché esclusivamente dalla documentazione progettuale disponibile.
Architettura e patrimonio storico
Scanner laser e sistemi LiDAR permettono di documentare edifici, monumenti e strutture architettoniche con un elevato livello di dettaglio. Le nuvole di punti possono essere utilizzate per produrre piante, sezioni, prospetti e modelli tridimensionali utili alla progettazione, al restauro e alla conservazione.
Industria
Gli ambienti industriali rappresentano un’altra importante applicazione. Impianti, tubazioni, strutture e macchinari possono essere acquisiti per creare una documentazione tridimensionale dello stato esistente, utile per interventi di modifica, ampliamento o manutenzione.
Cave e movimento terra
Le nuvole di punti possono essere utilizzate anche per analizzare superfici e calcolare volumi. Questa possibilità trova applicazione nella gestione di cave, cumuli di materiale, scavi e attività di movimento terra.
Dal rilievo LiDAR al risultato finale
La scansione rappresenta soltanto la prima fase del lavoro. Una volta acquisiti, i dati devono essere trasferiti e gestiti attraverso software dedicati all’elaborazione delle nuvole di punti. A seconda della tecnologia utilizzata, può essere necessario allineare più scansioni, eliminare eventuali punti indesiderati, georeferenziare il rilievo e organizzare le informazioni raccolte. Successivamente, dalla nuvola di punti possono essere ricavati diversi elaborati: piante, sezioni, prospetti, misure e distanze, modelli tridimensionali, superfici, elaborati CAD e modelli BIM.
Per questo motivo, quando si valuta un sistema LiDAR, non bisognerebbe considerare soltanto lo scanner. Anche il software e il workflow di elaborazione hanno un ruolo fondamentale nella produttività complessiva. Un sistema molto veloce nell’acquisizione, infatti, può perdere parte del proprio vantaggio se richiede procedure particolarmente complesse durante l’elaborazione dei dati.
Conclusioni
La tecnologia LiDAR ha cambiato profondamente il modo di acquisire e rappresentare la realtà tridimensionale. Attraverso milioni di misurazioni laser è possibile creare nuvole di punti dettagliate di edifici, infrastrutture, impianti e territorio. Questi dati possono successivamente essere trasformati in elaborati tecnici, modelli 3D e informazioni utilizzabili nei processi di progettazione e gestione.
Scanner statici, sistemi mobili e tecnologie SLAM rispondono però a esigenze differenti. Comprendere il funzionamento di queste tecnologie rappresenta quindi il primo passo per individuare la soluzione più adatta al proprio lavoro.
