Scan to BIM: dalle nuvole di punti al modello digitale (prima parte)

Dalla bidimensionalità del rilievo tradizionale alla tridimensionalità e livello di dettaglio dello “Scan to BIM”. Sta in questo sintetico quanto complesso passaggio il salto qualitativo compiuto dalle tradizionali tecniche di rilievo con l’introduzione di tecnologie quali il laser scanning, la creazione di nuvole di punti e la loro elaborazione tramite software di authoring per la generazione di modelli digitali BIM, che integrano tutte le informazioni metriche, grafiche e geospaziali relative al manufatto rilevato. È grazie a tali strumenti, infatti, che il modello geometrico di riferimento diventa tridimensionale; all’interno della nuvola di punti ogni singolo punto è identificato dalla sua posizione spaziale, espressa in coordinate rispetto a un punto di origine (la posizione dello strumento utilizzato per il rilievo), nonché dalle sue coordinate cromatiche, se lo strumento utilizzato per il rilievo è in grado di eseguire anche la mappatura fotografica dell’oggetto. Il risultato è un modello digitale dell’oggetto, discretizzato in milioni di punti con caratteristiche numeriche differenti, che rappresenta la base per qualsiasi operazione successiva, in particolare negli interventi di riqualificazione e restauro che sono quelli a trarre maggiore vantaggio da tale nuova metodologia di rilievo.

Gli strumenti
La scansione del manufatto da rilevare viene effettuata tramite laser scanner, uno strumento elettro-ottico che attraverso scansioni successive permette di rilevare un oggetto nelle sue tre dimensioni. Il fascio di luce strutturata proiettato dallo scanner consente di misurare in un tempo relativamente ridotto un elevatissimo numero di punti sulla superficie dell’oggetto e creare la cosiddetta di punti, visualizzabile direttamente sul monitor di un computer come fotografia tridimensionale formata da milioni di punti che descrivono con un elevato livello di dettaglio la superficie dell’oggetto rilevato fornendone le informazioni dimensionali e colorimetriche. Per il rilievo in ambito architettonico vengono utilizzate essenzialmente due tipologie di laser scanner, quelli a tempo di volo e quelli a modulazione di fase, che consentono il rilievo di superfici anche di grandi dimensioni con un livello di dettaglio che può spingersi fino a pochi millimetri e un raggio d’azione relativamente ampio (fino a 2 chilometri).

I primi, basati sulla tecnica di misurazione a tempo di volo, operano emettendo un impulso laser di frequenza pari a una decina di kHz circa che dopo aver colpito il punto da rilevare torna allo strumento stesso, e calcola la distanza dall’oggetto rilevato misurando il tempo di andata e ritorno dell’impulso laser stesso. Il valore di tale tempo, unitamente all’angolo di inclinazione del raggio emesso rispetto all’asse verticale dello strumento e all’angolo azimutale del raggio emesso rispetto ad un asse orizzontale preso come riferimento costituiscono le coordinate che consentono l’individuazione tridimensionale dei punti rilevati. Tali coordinate possono essere georeferenziate tramite l’impiego parallelo di un sistema di rilevazione GPS che registra la posizione dello scanner al momento della scansione in un sistema di coordinate terrestri.

I laser scanner a modulazione di fase si basano su una logica simile a quella degli scanner a tempo di volo, ma in questo caso lo strumento emette luce strutturata a frequenza alternata e ne stima le interferenze tra il momento dell’emissione e il momento del ritorno dovute all’interazione con la superficie dell’oggetto da rilevare. La portata della rilevazione è inferiore a quella degli scanner a tempo di volo (nell’ordine di qualche centinaio di metri), a fronte di una notevole rapidità operativa che consente allo strumento di completare una singola scansione nell’arco di qualche minuto con un buon livello di dettaglio medio.

Per il rilievo di dettagli di piccole dimensioni vengono infine utilizzati i laser scanner 3D a triangolazione, dispositivi di portata in grado di effettuare scansioni fino a una distanza massima di qualche metro ma con un livello di dettaglio nell’ordine del micron. Tali strumenti acquisiscono  informazioni geometriche sulle distanze tra tre punti nello spazio (uno dei quali è lo strumento stesso) per ottenere informazioni sulla posizione degli oggetti da rilevare utilizzando il principio della triangolazione; in questo caso un impulso laser coerente viene emesso da un sensore e ricevuto, dopo la riflessione sull’oggetto da rilevare, da un diverso sensore posto a una distanza predeterminata.

Indipendentemente dalla tipologia, i laser scanner montano in genere anche una fotocamera digitale, che acquisisce immagini fotografiche del manufatto rilevato e consente di colorare e assegnare texture o finiture ad ogni punto rilevato.

L’acquisizione dei dati
A prescindere dalla tecnologia dello strumento utilizzato, la fase di rilievo in campo presuppone una serie di operazioni preparatorie e impostazioni che determineranno qualità e grado di dettaglio del rilievo. Una volta posizionato lo strumento, quest’ultimo può essere facilmente settato tramite un semplice computer e il relativo software gestionale che permette di impostarne i parametri principali, in particolare la risoluzione, che definisce il numero di punti rilevati per singola scansione; la velocità di scansione, valore inversamente proporzionale alla risoluzione; la precisione, direttamente proporzionale alla risoluzione. Intuitivamente, al crescere del numero di punti acquisiti migliorerà il livello di dettaglio della scansione, così come anche il numero di scansioni da eseguire potrà variare in funzione della complessità del rilievo e del grado di dettaglio desiderato. Una volta avviato, lo scanner inizia la scansione della superficie dell’oggetto da rilevare proiettando su di essa un raggio laser e producendo così una nuvola di punti relativa alle superfici colpite dal raggio; a seconda della risoluzione precedentemente impostata e della tecnologia utilizzata dallo strumento, la durata di una singola scansione può variare da pochi minuti a tempi molto più lunghi.

(fine prima parte – leggi la seconda parte)

Giornalista professionista della redazione di BIMportale, specializzato nel settore delle costruzioni, si occupa dai primi anni ’90 di tecnologie applicate alla progettazione e al cantiere. Ha all’attivo numerose pubblicazioni e collaborazioni con le principali testate di settore relative a tecniche costruttive, progettazione 3D, organizzazione e gestione dei processi di cantiere.