il rilievo laser scanner - Circe

Laser Scanning: 

principi, acquisizione e trattamento dati

Rilievo 

Rappresentazione 

Topografia 

Vector 

2d 

Fotogrammetria 

3d 

Laser scanning 

Raster 

2d 

Telerilevamento 

3d

Rilievo numerico e rappresentazioni digitali dell’architettura e del territorio




Rilievo numerico e rappresentazioni digitali dell’architettura e del territorio 

Classificazione


Result of classification 

Digital Surface Model 

DSM 

Digital Terrain Model DTM 

Digital Elevation Model 

DEM


Laser scanner terrestrial 

Airborne laser scanner






Laser Scanner: principi 

Luce: 

• forma di energia ottimale per l’estrazione di informazioni dimensionali 

• si riferisce in particolare alle radiazioni visibili all’occhio umano 

Teoria crepuscolare (xvii) 

Teoria ondulatoria (xvii-xix) 

Teoria quantistica 

Luce= onda elettromagnetica caratterizzata 

da una velocità c di propagazione nel mezzo 

in cui viene trasmessa, una frequenza f, una 

lunghezza d’onda l 

l=c/f

Laser Scanning: principi 

Sistemi di misura 3d: 

interazione luce - materia 

Alterazioni: 

1. Assorbimento 

2. Trasmissione 

3. Riflessione Speculare 

Diffusa



Le tecniche ottiche per misurare la forma sono di varia derivazione, ma 

generalmente provengono dalla metrologia industriale. 

• Sono non invasive (l’interazione con l’oggetto è ridotta al minimo) e quindi molto 

adatte per la diagnostica di oggetti fragili. 

• Risentono molto delle variazioni di riflettività della superficie dell’oggetto da 

misurare. 

• Stanno solo recentemente (fotogrammetria esclusa) affermandosi nel campo 

della diagnostica per la conservazione. 

Le tecniche ottiche si possono dividere in attive o passive a seconda della necessità 

di “illuminare” o meno l’oggetto da misurare. 

• La maggior parte delle tecniche ottiche sono attive. 

• Molto spesso le tecniche attive richiedono bassa luce ambiente per funzionare al 

meglio. 

• Quando occorre fare delle misure sul posto, ove la luce ambiente non sia 

controllabile, le tecniche attive sono generalmente svantaggiate.

Misura 3D di superficie e di volume 

A contatto 

Distruttive 

Slicing 

Senza contatto 

Non distruttive 

Onde ad alta energia 

Radiazioni luminose 

Microonde 

Ultrasuoni 

Metro e filo a piombo 

Coordinate 

Measuring Machines 

(CMM) 

Raggi X (CT) 

Luce laser 

Luce bianca 

SAR 

Ecografia 

Sonar

MISURA 3D SENZA CONTATTO BASATA SULLA LUCE 

Tecniche ottiche 

Passive 

Attive 

Topografia 

Fotogrammetria 

Microscopia confocale 

Shape from silhouette 

Triangolazione 

Singolo spot 

Piano luminoso singolo 

Piani luminosi multipli 

Misure distanza (laser) 

Tempo di volo (TOF) 

Interferometria 

Moiré 

Proiezione di pattern 

Shift di fase 

Pulsato (AM) 

Modulazione continua (PM, FM) 

Multi-wavelenght 

Olografica



Passivi 

• Teodolite 

• Fotogrammetria 

Attivi 

• Range camera 

Metodo: intersezione in avanti 

Triangolazione 

• Singolo spot 

• Piano luminoso singolo 

• Piani luminosi multipli (Proiezione di pattern) 

• Scanner laser 

Misure di distanza 

• Tempo di volo (TOF) 

• Pulsato 

• Modulazione continua 

• Interferometria 

• Multiwavelenght 

• olografia 

Metodo: coordinate polari


Sensori a triangolazione 

• Range camera basata su spot laser 

• Sensori a lama di luce 

• Sistemi a luce strutturata 

z A 

sorgente luminosa 

x A 

a 

b 

baseline 

a 

b 

Noti da 

calibrazione 

b 

traccia luminosa 

oggetto 

lente 

sensore 

distanza focale


Sensori a lama di luce 

• L’oggetto viene analizzato 

mediante una “lama” di luce ed 

una o più telecamere a CCD 

ne registrano il profilo da punti 

di vista diversi. 

• La posizione spaziale dei punti 

sul profilo è ricavata per 

triangolazione. 

• La linea viene mossa rispetto 

all’oggetto e viene registrato 

un insieme di profili. 

immagine 

CCD 

laser 

Telecamera: 

CCD:KAF 1400 

risoluzione:1300x1030pixel 

Dim. pixel=6.7 µm 

Laser: 

lunghezza onda λ=670nm 

angolo di espansione:60° 

P=30mW 

oggetto


Sistema di misura: 

il pre-prototipo di laboratorio


Nuvola strutturata 

Pre-view in falso colore

Laser Scanner: principi 

Sensori a luce strutturata (pattern) 

• La tecnica ottica della luce strutturata sfrutta la proiezione di “codici” luminosi 

sulla superficie da misurare. 

• Il “codice” più semplice è costituito da un reticolo di linee parallele. 

• Osservata sotto un angolo diverso da 

quello di proiezione, l’immagine di un 

reticolo proiettato appare deformata. 

• La posizione delle linee, vista da O, 

cambia in proporzione all'altezza h della 

superficie rispetto ad un ideale piano di 

riferimento S. 

• Gli spostamenti angolari ±α sono misurati 

sulla immagine della superficie ripresa da 

una telecamera posta in O. 

Immagine con reticolo 

Immagine “pulita” 

Solo reticolo 

Mappa

Laser Scanner: classificazione 

In base alla portata nominale i scanner laser terrestri possono essere classificati in: 

strumenti a piccola portata (< 1 m): 

• triangolatori, precisioni sub-millimetriche 

strumenti a media portata (1 m ÷ 50 m): 

• distanziometrici o triangolatori, precisioni da 0.2 mm a 6 mm 

strumenti a lunga portata (50 m ÷ 1000 m): 

• distanziometrici, precisioni centimetriche 

→TOF o misuratori di fase

STIMA DIRETTA DEL TEMPO DI VOLO (PW) 

Laser 

Tx Power 

t 

Detector 

d=c(Δt)/2 

Beam splitter 

t 0 

t 0 +Δt 

t 

• Δt=2d/c ; c=3·10 8 m/s 

• quindi prendendo ad esempio d=1 m si ha: 

Δt=6.67 ns 

28 

Tx pulse 

Rx pulse 

• La luce percorre 1 mm ogni 3.3ps (3.3 10 -12 s)

SCHEMA FUNZIONALE DI UN SITEMA TOF-PW 

se volessimo una incertezza di misura di 1 mm occorrerebbe essere in grado di discriminare un 

impulso ogni 6.67ps -> fc=(1/6.67)*10 12 = 1500 GHz !!! 

29

STIMA INDIRETTA DEL TOF TRAMITE LA FASE (CW) - 1 

Target 

• Nel caso di ostacolo posto ad un ciclo esatto di distanza, l’onda viene riflessa 

identica a se stessa 

30


Target 

• Se l’ostacolo viene leggermente arretrato il segnale riflesso è uguale a quello che 

continuerebbe, ma invertito nel tempo. 

31


Target 

• Se l’ostacolo viene ulteriormente arretrato il segnale riflesso è caratterizzato da uno 

sfasamento via via crescente. 

3 

2

Laser Scanner: classificazione 

• PARAMETRI DEL RILIEVO 

– frequenza di scansione (fino a 83.000 punti al 

secondo!) 

– altezza di volo 

– angolo di apertura (swath) 

– numero di echi (fino a 5): generalmente “First & Last 

pulse” (F/L) 

• PRINCIPALI VANTAGGI 

- Altissima produttività: “nubi” di milioni di punti 3D 

-Alta qualità metrica (sqm = 10-20 cm) 

- Altissima densità di dati (1-30 pti/mq) 

-Indipendenza dall’illuminazione ambientale 

- Informazione radiometrica del segnale 

- Possibilità di “bucare” la vegetazione 

• PRODUZIONE (SEMI-)AUTOMATICA di 

– Modelli Digitali della Superficie e del Terreno 

– Modelli 3D di pendici, alvei fluviali e bacini montani 

– Stima della biomassa boschiva 

– Stima della volumetria dell’edificato urbano ⇒ … ⇒ 

Modellazione dell’edificato urbano

Laser Scanner: parametri qualitativi










Laser Scanning: elaborati ottenibili

Laser Scanning: elaborati ottenibili

Laser Scanning: trattamento dati 

La tecnica laser scanner mette a disposizione uno 

strumento che, in modo autonomo acquisisce 

milioni di punti 3D. 

L’acquisizione avviene senza alcun criterio logico: 

in genere ci saranno molti punti dove non servono 

(su superfici lisce) e pochi o nessuno dove sono 

necessari (lungo le linee di discontinuità). Nel 

rilievo architettonico e urbanistico i problemi da 

affrontare sono più complessi che nelle applicazioni 

aeree: le discontinuità (break-lines) sono la regola 

e il fattore economico è fondamentale . 

Le dimensioni degli oggetti e le precisioni richieste 

variano in un ampio spettro: dai 5 cm richiesti nelle 

applicazioni urbanistiche al millimetro o anche 

meno richiesto nel rilievo dei particolari decorativi e 

nella riproduzione di particolari. 

Rilievo topografico - fotogrammetrico 

Se il “controllo” dell’acquisizione 

viene meno occorre aumentare il 

“controllo” nel trattamento dei 

dati. 

Rilievo con laser scanner

Applicazioni consolidate e nuove frontiere tecnologiche. L’innovazione tecnica del nuovo RIEGL VZ400 

Venezia 18.03.10 

I rilievi esistenti / metodi di rilievo / principi di funzionamento / fase di acquisizione / restituiozione / rappresentazione digitale 

Tecnologia 

Uno specchio prismatico esegue la 

scansione verticale (3) mentre la rotazione 

sull'asse principale (4) effettua la scansione 

orizzontale. 

Ad ogni impulso corrisponde una posizione 

angolare azimutale e zenitale per fornire per 

ogni riflessione ricevuta una tripletta di 

coordinate Alfa , Teta e Dist . 

La connessione con il computer (6) avviene 

con connessione di rete LAN (5) per lo 

scarico dei dati rilevati in modo veloce ed 

efficiente. 

LMS-Z390i Riegl 

Velocità di scansione: da 11.000 pti/sec ad 8.000 pti/sec 

(dipendente dalla modalità di scansione) 

Precisione 6 mm singola misura 2mm su media di misure 

Distanze misurabili: da 1mt fino a >400mt (dipendenti dalla 

riflettività del materiale) 

Laser Classe 1 

Divergenza del raggio laser: 0.25mrad 

Angoli di scansione: 360° orizzontale – 80° verticale 

Fotocamera per acquisizione RGB 

Applicazioni laser scanner in Architettura: i rilievi delle facciate palladiane a Venezia




















I rilievi esistenti / metodi di rilievo / principi di funzionamento / fase di acquisizione / restituzione / rappresentazione digitale 

Trattamento dati 

Interno: filtri 

A - Selezione dati. 

B – Filtratura. 

C – Decimazione. 

Esterno: georeferenziazione e orientamento 

D – Su punti topografici: 

spazio. 

rototraslazione nello 

E - Nuvola su nuvola: rototraslazione nello spazio. 

F - Triangolazione spaziale 

(cfr. triangolazione aerea a modelli indipendenti). 









Si tratta di selezionare dall’intera nuvola solo i punti che 

riguardano la zona di interesse. 

Non si compie nessun ricampionamento spaziale dei punti. 











Si tratta eliminare quei punti che hanno una alta probabilità di non 

appartenere alla superficie dell’oggetto 

Una causa è ad esempio il rumore (noise) 

Si utilizzano filtri robusti come p.e. quelli sulla mediana. 










Si tratta diminuire la densità spaziale dei punti 

(ricampionamento) per renderla omogenea e congruente rispetto 

alla scala nominale del rilievo da svolgere. 

Spesso i punti vengono allo stesso tempo grigliati (spaziati in 

modo regolare) utilizzando un octree). 

1.540.241 punti 

(passo angolare 0.026 deg) 

230.604 punti 






A 

B 



spazio. 





Si tratta di una rototraslazione nello spazio (6 

parametri: 3 traslazioni e 3 rotazioni) di ogni 

nuvola nel sistema globale. 

C 

Fasi operative: 

• riconoscimento dei punti omologhi sulle 

nuvole e sul file dei punti topografici; 

• rototraslazione di ogni nuvola nel sistema 

topografico; 

• unione delle nuvole. 










A 

B 



spazio. 





Non esiste un sistema esterno di riferimento 

Si sceglie il sistema di una nuvola come sistema 

globale 

C 


• riconoscimento automatico dei “punti di 

passaggio” (target) sulle nuvole; 

• rototraslazione di ogni nuvola nel sistema 

“nuvola di riferimento”; 







A 

B 



spazio. 





E’ la somma dei due metodi precedenti: si usano sia punti di 

passaggio che punti di appoggio 

Garantisce un ottimo controllo minimizzando i punti di appoggio 

C 


• riconoscimento dei “punti di passaggio” (target) sulle nuvole; 

• individuazione dei punti di appoggio 

• stima simultanea dei parametri di rototraslazione di ogni 

nuvola 

• rototraslazione di ogni nuvola nel sistema globale; 






scansione 1 

scansione 2 

scansione 3 orizz 

scansione 4 







Redentore 

S. Francesco della Vigna 

S. Giorgio 

S. Pietro di Castello 















San Francesco della Vigna 4 scansioni esterne e 2 interne, 

Redentore 5 esterne e 3 interne, 

San Giorgio Maggiore 5 esterne e 5 interne, 

San Pietro di Castello 3 esterne e 3 interne. 

Per le scansioni degli esterni si è scelto un passo angolare di 0,02 deg, 

mentre per gli interni di 0,035 deg.

il rilievo laser scanner - Circe

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