Riassunto
Le nuove tecnologie sul mercato dei sensori di misurazione e l’avvento di nuove metodologie – come il Modello d’informazioni di un edificio (BIM: Building Information Modeling (BIM) – hanno comportato nuovi sviluppi nel campo dei laser scanner terrestri e degli scanner manuali. ZEB-REVO di GeoSlam è un esempio di questa trasformazione (fig.1 ZEB-REVO). Quest’articolo fa un’analisi dello scanner cinematico manuale e lo confronta con altri apparecchi e metodi di rilevamento tradizionali, come il laser scanner TX5 di Trimble. Lo scopo dell’esercizio consiste nel dimostrare quali sono i vantaggi di utilizzo dello scanner manuale ZEB-REVO e in quali ambiti sarebbe necessario un perfezionamento per avere un rilevamento preciso, come quello richiesto nella misurazione architettonica. Al riguardo si è rinunciato a effettuare una valutazione classica dei prodotti e si sono presi in considerazione unicamente i processi e i sensori di misurazione già esistenti. Quindi, ci si è concentrati sull’handling, sull’elaborazione dei dati e sulla precisione di scansione dello scanner cinematico manuale ZEB-REVO. L’articolo riassume i risultati principali già presentati in occasione del lavoro di diploma, effettuato durante la formazione di tecnico.
Introduzione / situazione di partenza
Lo sviluppo di scanner manuali compatti e portatili comporta grandi cambiamenti nel rilevamento dei dati nella geomatica. Si tratta di un approccio promettente a livello di aumento dell’efficienza al momento della misurazione, per esempio, rendendo superfluo il posizionamento degli strumenti di misurazione, che resta invece imprescindibile con gli scanner terrestri attuali.
All’inizio del test ci si è posti l’interrogativo se gli scanner manuali di questo tipo – in questo caso lo ZEB-REVO (fig.1 ZEB-REVO) di GeoSlam – soddisfacessero gli elevati requisiti di precisione necessari nelle misurazioni di architettura e se si potessero utilizzare i BIM services della Trigonet (fig. 2 bim trigonet services). Il test sull’apparecchio ha dimostrato quali sono le potenzialità e i limiti dello scanner manuale.
Principio di funzionamento di ZEB-REVO
ZEB-REVO (fig. 1 ZEB-REVO) non possiede la struttura e l’orientamento di uno scanner classico. Grazie alla rotazione automatica della testa del sensore, funzionante secondo il principio di un laser scanner a rotazione e dotata anche di IMU (I’unità di misura inerziale), durante il processo di scansione lo scanner può essere tenuto in mano, fissato su un’asta addizionale prevista a questo scopo, collocato sullo zaino o su un apposito veicolo. ZEB-REVO ha una portata massima di rilevamento di 30 m internamente e 15 m esternamente, con un’indicazione di precisione del fabbricante di 2-3 cm. Tuttavia, la precisione assoluta di posizionamento di 3-30 cm si ottiene dopo 10 minuti di scansione con un loop di misura chiuso. Inoltre, GeoSlam rimanda a tutta una serie di influssi ambientali – come superfici estremamente lisce, oggetti spostati, oggetti con una geometria semplice, precipitazioni o errori intercorsi al momento della chiusura del loop di misura – che possono comportare una diminuzione della precisione. Lo scanner genera circa 43‘200 punti al secondo, il che corrisponde a un volume di dati di circa 10MB per minuto di scansione. Con una memoria complessiva di 55GB questo corrisponde a circa novanta ore di scansione.Lo scanner cinematico manuale ZEB-REVO funziona con la tecnologia di cartografia e localizzazione simultanea SLAM (Simultaneous Localization and Mapping). Questa tecnologia è stata sviluppata dall’industria della robotica ed è utilizzata da veicoli autonomi per cartografare ambienti sconosciuti e spostarsi correttamente su di essi. A questo scopo l’algoritmo SLAM utilizza informazioni di sensori (spesso un Lidar, cioè un Light Detection and Ranging). Nel 2012 il sistema è stato ulteriormente sviluppato dalla ditta GeoSlam che ha programmato un algoritmo che consente non solo di navigare autonomamente, ma anche di essere utilizzato per misurazioni 3D e per cartografare l’ambiente circostante.L’algoritmo utilizza i dati provenienti da un sensore Lidar e da un’unità di misurazione inerziale (qui di seguito chiamata “IMU“). Un’unità di misurazione inerziale è una combinazione di diversi cosiddetti sensori inerziali e serve a determinare la direzione, rispettivamente l’orientamento spaziale. L’IMU è solitamente composta da tre accelerometri che misurano il movimento (misurazione di valori G +/-) collocati ortogonalmente gli uni sugli altri i, e da tre girometri allineati ortogonalmente che registrano i movimenti rotatori. L’IMU serve a inizializzare la posizione di partenza e a generare la nuvola di punti da cui si estrapolano le superfici e le geometrie. Il movimento degli oggetti è in seguito calcolato con l’IMU oppure, con lo stesso processo, si possono estrarre superfici nuove o già note. I due set di rilevamenti sono in un secondo tempo impiegati per sintonizzare le nuvole di punti e per correggere la stima delle traiettorie, cioè l’evoluzione del movimento.Dopo quest’operazione si è realizzata la nuvola di punti definitiva sulla base del nuovo calcolo più adeguato. Per ottimizzare ulteriormente il calcolo e limitare il drift dell’IMU (cioè, la rotazione generata dopo un tempo più lungo di scansione nella nuvola di punti) si ricorre a un loop chiuso in modo tale far combaciare gli ambienti iniziali e finali.
Metodo comparativo
Per consentire il confronto diretto con i risultati dello scanner manuale ZEB-REVO si è allestita una serie di dati nominali con gli attuali processi di lavoro (laser scanner terrestre TX5 e tacheometro Leica TS30) (fig. 3 rilevamento classico dei dati). L’oggetto scansionato era un’abitazione di cui ci si è limitati a fare lo scanning esclusivamente del garage sotterraneo, della scala interna e di un piano con vari appartamenti. Successivamente lo stesso oggetto è stato addizionalmente scansionato con ZEB-REVO secondo quattro configurazioni di misura. Un confronto tra i due set di dati ha consentito di individuare delle differenze riconducibili ai due metodi di rilevamento. Per valutare correttamente la precisione dei due metodi di scanner, si era partiti dall’idea di confrontare in X, Y, Z le scansioni dei metodi classici e quelle derivate dal metodo cinematico sui Checker-Boards distribuiti sull’oggetto e di arrivare a una tesi sulla precisione della nuvola di punti. Tuttavia, durante le operazioni di misurazione si è constatato che ZEB-REVO non stoccava l’intensità e che quindi non era possibile individuare i Checkerboard sulle nuvole di punti generate. Di conseguenza, nell’ambito di questo lavoro di diploma si è elaborato un workflow per georeferenziare la nuvola di punti attraverso la classica sfera di riferimento. Quest’approccio ha permesso il successivo confronto di set di dati in base alla geometria e in sezioni trasversali generate (fig .4 Schizzo set di dati nominali).
Risultati e discussione
Il test ha mostrato che con ZEB-REVO viene offerta la possibilità di scansionare in modo rapido ed efficiente degli ambienti complessi, senza allestire una stazione. Al riguardo, il metodo di rilevamento mobile permette di lavorare da una a dieci volte più velocemente rispetto allo scanner terrestre tradizionale. Tuttavia, il rilevamento mobile dei dati racchiude anche dei problemi: la quantità di dati necessita di un dispositivo di stoccaggio esterno e si devono correggere i movimenti che intervengono durante la scansione con lo scanner mobile. Inoltre, è venuta ad aggiungersi l’assenza di intensità che non consente di rilevare i checkerboard e complica notevolmente la georeferenziazione. Infine, lo scanner ZEB-REVO provoca un fenomeno di dispersione e una densità di punti relativamente bassa di ca. 2-3 cm che ha un impatto negativo sulla precisione di scansione. Non è quindi possibile avere una qualità sufficiente per l’allestimento di piani dettagliati, sezioni o applicazioni BIM complesse (fig. 3 Sezione telai delle porte e sezione trasversale di una condotta). Dai confronti realizzati è risultato chiaramente che lo scanner manuale ZEB-REVO di GeoSlam non è ancora tecnicamente maturo per effettuare delle operazioni quotidiane di misurazione poiché non soddisfa i requisiti di precisione necessari per fornire prodotti dettagliati per la misurazione architettonica o per i servizi BIM di Trigonet. Rispetto ai metodi tradizionali di lavoro, ZEB-REVO comporta un grande risparmio di tempo perché si effettua più rapidamente la scansione. Ciononostante ZEB-REVO non riesce a tenere il passo con gli altri laser scanner terrestri disponibili sul mercato. Dato che lo scanner manuale cinematico di GeoSlam è un prodotto relativamente nuovo si può supporre che nei prossimi mesi gli ulteriori sviluppi tecnici apporteranno i miglioramenti necessari.
Ringraziamenti
Ringrazio sentitamente Allnav Svizzera, gli esperti Martin Rub e Hans-Jörg Stark nonché la Trigonet AG di Lucerna.
Referenzen:
Claudio Pfister
Trigonet AG
Vermessung Photogrammetrie Rauminformation
Spannortstrasse 5
6003 Luzern
claudio.pfister@trigonet.ch
