RILIEVI LASER SCANNING PER LA PRODUZIONE DI DEM

Cos’è un LASER SCANNING: i sistemi LIDAR

Il LIDAR è un sistema a scansione aviotrasportato, che utilizza la tecnica LASER per ottenere un modello digitale delle superfici «illuminate», rilevando un elevato numero di punti, caratterizzati da alta precisione plano-altimetrica

PRINCIPI generali di FUNZIONAMENTO Misura la distanza tra il punto di emanazione del raggio laser ed il primo

ostacolo che ne genera la riflessione

La misura è effettuata sulla base del tempo di ritorno del raggio

La posizione dell’aereo e dei punti a terra è determinata tramite un doppio sistema integrato INS (Inertial Navigation System) e GPS

Il rilevatore registra due risposte per

ogni impulso: FIRST Pulse LAST Pulse

DSM e DTM Il raggio viene diviso in più componenti che vengono riflesse verso l’alto in tempi diversi:

Il primo impulso rappresenta la risposta del primo ostacolo incontrato dal raggio laser.

L’ ultimo impulso rappresenta la risposta dell’ultimo ostacolo incontrato dal raggio e si può utilizzare per ricavare il valore di quota del terreno.

Dal totale degli impulsi si ricava il DSM

(Digital Surface Model)

Trattando ulteriormente questo valore si ricava il DTM

(Digital Terrain Model)

DSM

Digital Surface Model

DTM

Digital Terrain Model

Il Sistema GPS a terra

L’elevata accuratezza delle misure del LIDAR è garantita dal sistema integrato GPS e IMU (misure inerziali)

Consente di ricostruire in ogni istante posizione e assetto del sensore al momento della misura del laser

40km

CARATTERISTICHE Es. OPTECH – ALTM3033

33000 impulsi laser al secondo

Raggio laser modulato nella lunghezza d’onda dell’infrarosso (λ=1063nm ), emesso con frequenza fissa

Capacità di registrare il valore di intensità del segnale

Tolleranza altimetrica: +/- 20-35 cm (in funzione della quota di volo)

Tolleranza planimetrica : 1/2000 della quota di volo relativa

INTENSITÀ

Ogni oggetto colpito dal raggio laser, riflette il segnale con una intensità relativa dipendente dal tipo di materiale di cui è composto. Il risultato è un immagine in scala di grigio in cui si possono visualizzare sul territorio gli elementi colpiti dal raggio.

Gli elementi come acqua o vapor acqueo (nubi), che nella lunghezza d’onda dell’infrarosso assorbono completamente il segnale e non hanno riflessione, r isultano pertanto neri

CARATTERISTICHE Es. OPTECH – ALTM3033

La quota può variare da 1000 a 3000 metri relativi

Lo scanner oscillante può essere regolato con diversi valori di apertura angolare (fino ad un massimo di ± 20°)

quota di volo (metri)

1000

1500

3000

velocità (nodi)

40

140

140

Pertanto, in funzione delle applicazioni richieste è possibile configurare lo scanner

per ottenere differenti densità di punti sul terreno e differenti precisioni altimetriche

ango lo di scansione (+/- gradi)

distanza media tra i punti (m)

ampiezza della strisciata (m)

5° 0,32 174,27 10° 0,47 351,93 10° 1,07 524,34 20° 1,54 1088,06

10° 1,51 1055,80 20° 2,17 2181,45

Importanza della DENSITÀ Media

Dal tipo di applicazione richiesta dipenderà la scelta dei parametri di volo per ottenere una densità ottimale di punti al suolo:

ESEMPI di APPLICAZIONI del Sistema LIDAR

DENSITÀ Tipo di Applicazione ESEMPIO

Molto alta

Alta

Bassa

Linee elettriche

Modellistica urbana

Modellistica idraulica

DTM in genere

Linee elettriche

Venezia

Fiume PO Arezzo

Marmolada

Linee Elettriche

L’alta densità di punti fornita dai dati laser consente di riprodurre tridimensionalmente i tralicci ad alta tensione, i cavi e le strutture arboree,

permettendo il monitoraggio e la misura delle distanze di sicurezza.

Linee Elettriche

menu

VENEZIA Modellistica di aree urbane

menu

Fiume PO

Il Modello digitale del terreno viene ricavato attraverso opportuni algoritmi di filtratura di tutti gli impulsi che arrivano sul terreno

In seguito si tracciano gli argini e le principali strutture artificiali del terreno

breaklines

Le breaklines sono unità vettoriali che rappresentano linee di discontinuità del terreno. HBL e SBL

Fiume PO Esempio di classificazione: “sezione”

“surface” ortofoto

menu

AREZZO (Bibbiena)

Ortofoto

AREZZO (Bibbiena)

DTM

AREZZO (Bibbiena)

DSM

menu

MARMOLADA

Rilevazione e monitoraggio dei ghiacciai

Costa Adriatica

INTENSITÀ

Costa Adriatica

DTM

Costa Adriatica

DSM

NCOLS 2001 NROWS 1431 CELLSIZE 1.000 XLLCENTER 686700.000 YLLCENTER 4873650.000 NODATA_VALUE -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 ... -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 ... -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 ... 293.094 292.984 292.854 292.654 292.484 292.384 292.264 292.074 291.994 ... 9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 -9999.000 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 289.881 289.692 289.642 289.522 289.492 289.462 289.412 289.402 289.412 ... 245.905 245.685 245.455 245.205 244.975 244.635 244.315 244.105 243.795 ... 250.758 250.918 251.268 251.768 252.498 253.078 253.578 253.928 254.148 ... 278.617 278.637 278.657 278.697 278.697 278.737 278.697 278.697 278.697 ... 278.667 278.677 278.757 278.747 278.758 278.708 278.788 278.808 278.788 ... 278.828 278.828 278.848 278.848 278.818 278.828 278.868 278.908 278.948 ... 278.988 279.018 279.058 279.098 279.118 279.138 279.168 279.188 279.218 ... 279.268 279.318 279.368 279.418 279.468 279.498 279.528 279.518 279.408 ... 279.438 279.538 279.518 279.518 279.468 279.488 279.478 279.548 279.538 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

I MODELLI ALTIMETRICI: METODOLOGIE DI

PRODUZIONE E CRITERI DI VALUTAZIONE Introduzione e definizioni

MODELLI ALTIMETRICI PER: D PROGETTAZIONE INGEGNERISTICA (massima precisione)

D … ... … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ….

D … produzione di ortofoto, generazione di curve di livello, analisi

delle risorse ambientali, modellazione morfologica, individuazione e

monitoraggio delle aree a rischio, modellazione idrologica e idraulica

D … … … ... … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

D OMBREGGIATURA CARTOGRAFICA (minima precisione)

UNO STRUMENTO PER OGNI SCOPO!!!

DEM è un concetto generico per dati altimetrici topografici e/o batimetrici

E’ chiamato modello perché i calcolatori

possono usare i dati per modellare e analizzare automaticamente la superficie

terrestre in 3D

A meno di precise indicazioni, il termine

DEM si riferisce alle quote del terreno naturale con esclusione di vegetazione e

manufatti. In questo senso DEM è sinonimo di DTM 27

• Le quote di laghi e fiumi sono

normalmente riferite alla superficie dell’acqua (?)

• I dati batimetrici forniscono la profondità al di sotto della superficie dell’acqua (?)

• Tutte le quote implicano la definizione di un sistema di riferimento altimetrico

• In generale un DEM è la rappresentazione digitale delle quote terreno ad intervalli regolarmente spaziati in Nord e Est (coordinate cartografiche) o in un assegnato datum planimetrico (latitudine e longitudine)

28

DEM =

MODELLO NUMERICO DISCRETO (PER PUNTI)

DELLA SUPERFICIE TOPOGRAFICA (= PIANO DI CAMPAGNA)

RIFERITO AL GEOIDE

grigliato di dati altimetrici uniformemente distrib uiti per interpolazione su dati altimetrici irregolarmen te

distribuiti ONI ALTIMETRICHE DEL TERRENO

29

Informazioni associate necessarie per una corretta utilizzazione del DEM:

• Sistema geodetico - cartografico di riferimento

• Risoluzione (passo) • Qualità (accuratezza, omogeneità, densità di acquisizione)

30

DEM

=

SERIE DI DATI CHE CONSENTE LA DETERMINAZIONE PER INTERPOLAZIONE DELLA QUOTA DI UN QUALUNQUE PUNTO DEL TERRENO CON PRECISIONE DEFINITA

(STIMATA)

31

DSM (Digital Surface Model) è simile al DTM o al DEM, ma descrive

le quote della superficie di separazione tra Terra solida e atmosfera

32

TIN (Triangulated Irregular Network) è un insieme di triangoli adiacenti, non

sovrapposti, generati da una distribuzione irregolare (N, E, Q o LAT, LONG,Q) di punti

quota che ne costituiscono i vertici

33

Breakline (linea di discontinuità) è un particolare lineare 3D o 2D che

descrive un cambiamento di pendenza della superficie:

•Soft BLs •Hard BLs

34

Mass points (punti quotati sparsi) sono punti acquisiti con distribuzione

irregolare e con metodi interattivi o automatici

35

Curve di livello sono linee congiungenti punti di ugual

quota

36

Le curve di livello portano in linea di principio solo l’informazione altimetrica sui punti che le compongono, ma forniscono in aggiunta anche un’ informazione morfologica sul tipo di terreno (terreno pianeggiante = linee dolci, terreno accidentato = linee mosse)

La rappresentazione per curve conserva piccoli particolari geomorfologici e indicazioni qualitative, anche attraverso l’esagerazione del disegno.

37

CURVE DA DTM (o DEM) OGGETTIVAMENTE DIVERSE DA CURVE

RILEVATE

CURVE PER VISUALIZZARE

DTM PER CALCOLARE

38

Le curve di livello hanno come scopo la rappresentazione visuale

Attendibilità modesta (la precisione è circa la metà dell’equidistanza, per cui alla scala 1:5.000 con equidistanza di 5

metri l’errore medio è di 2,5 metri)

39

La discretizzazione del DTM implica la perdita delle discontinuità (come displuvi o impluvi), tanto più grave quanto più grande è l’ampiezza della maglia, NON RECUPERABILE CON INTERPOLAZIONE (!!!)

Oggetti esterni , come le case o gli alberi, non sono presi in considerazione per il DTM

Le prime applicazioni di DTM riguardarono l’ingegneria civile (grande precisione)

40

./ Il terreno non può essere misurato con accuratezza illimitata, perché questa dipende dalle caratteristiche di rugosità, instabilità e irregolarità

./ L’accuratezza raggiungibile non supera i 15-

20 cm nel migliore dei casi

./ Solo per superfici artificiali e con tecniche

appropriate è possibile superare quel limite

GENERAZIONE

Y acquisizione (misura)

Y calcolo (interpolazione)

42

ACQUISIZIONE

Y interattiva – densità minore di quella del DTM finale

Y automatica – densità maggiore di quella del DTM finale

43

CALCOLO

D elementi finiti

D interpolazione bilineare

D interpolazione bicubica

D triangolazione di Delaunay

D collocazione

D etc. etc.

Con acquisizione corretta e sufficiente, i risultat i dei diversi metodi sono analoghi

44

STRUTTURA

./ maglia regolare

./ punti quotati, elementi lineari e di controllo (lin ee di discontinuità, aree di esclusione)

./ maglia quadrata di densità variabile

./ maglia triangolare irregolare

./ maglia geografica (~trapezoidale)

45

Linee di discontinuità (breaklines) e punti quotati sparsi (mass points)

isola

lago

Punto quotato 46

Linea di costa fium

e

TIN derivata(o) da punti quotati sparsi (mass points) e linee di discontinuità (breaklines)

47

DEM da profili

48

I puntini rappresentano le tracce del rilievo laser e le curve sono generate automaticamente senza integrazi one manuale.

49

II ponte e attraversato dalle curve e diventa come una diga!

50

Il ponte presenta curve quasi corrette. Senza un’in tegrazione manuale il modello idraulico risulterebbe ingannevo le!!

51

Modellizzazione di una superficie

La superficie topografica può essere considerata una superficie matematica continua, teoricamente costituita da infiniti punti

In pratica si rappresenta con un campione di punti e un interpolatore per stimare le quote dovunque

52

Vista di un TIN con i punti sparsi collegati in una rete di triangoli di Delaunay

53

Punti quotati e linee di discontinuità acquisiti per la creazione di un TIN

54

Vista prospettica della superficie generata dal TIN

Vista prospettica del TIN che include i fabbricati nella geometria della superficie (DSM)

56

GRIGLIATI REGOLARI

• Un grigliato è una matrice regolare di celle cui è associata una quota riferita al centroide

• Le celle possono essere quadrate o trapezoidali

57

GRIGLIATI REGOLARI

Il modulo quadrato è il più “obiettivo”, in quanto non privilegia alcuna direzione La maglia trapezoidale, analoga alla maglia del reticolato geografico , di cui un esempio è il DTM in coordinate geografiche del Servizio Geologico degli Stati Uniti, potrebbe essere ottimale per estensioni elevate, soprattutto qualora vengano rappresentati con più di un sistema cartografico, come avviene in Italia.

Proprio in Italia però, a causa della sua lunga estensione in senso nord/sud, un DTM con maglia di 1 secondo avrebbe una larghezza di m 31 x 25 in Sicilia e m 31 x 22 in Friuli. 58

GRIGLIATI REGOLARI

• Il grigliato può essere interpretato in

modo continuo o discreto • La risoluzione del grigliato è legata

alla precisione dei dati di input • Il passaggio da TIN a GRID comporta

comunque una perdita di informazione e un aumento di occupazione di memoria compensato da una più facile gestione

59

Interpretazione discreta di un grigliato

60

i ,

••[••••

··•

••••••• f.- l 1· · I

i · . . . I ···- ...

t I ; I j I

: I

I /

I I

l I

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•••••••• ·

I c ··· ·

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I

lnterpretazione continua di un grigliato

- I• •••••••••·· I· •

. II I

·r·····.... ······· ··············· ·············r; ·························· ···;-1 ... ......... ...... .. .····· ·.......... i....... ... ···- .... ·/ / 1 ,I

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Interpolazione

Il processo di calcolo è costituito da un’interpolazione, con cui si passa dall’informazione sparsa (punti quotati, breaklines, curve di livello ecc.) all’informazione regolare

62

Curve di livello

• In origine erano frutto

dell’interpretazione manuale dei punti misurati

• Successivamente erano frutto del rilievo fotogrammetrico

• Oggi sono spesso il frutto dei DEM • Hanno scopi totalmente differenti dai

DEM

63

Curve di livello di una superficie interpolata

64

Principi generali di interpolazione

Quantità, distribuzione e posizione dei dati di input sono i parametri fondamentali per una corretta rappresentazione del terreno con un DEM

Un terreno con forti variazioni necessita di un campionamento più fitto

Le curve di livello sono un input di bassa qualità per la generazione dei DEM (effetto terrazzamento)

65

Principi generali di interpolazione

Differenti metodi applicati allo stesso terreno producono differenti DEM

Ogni metodo applicato a terreni differenti produce DEM di differente affidabilità

Prima dei controlli di qualità è opportuno introdurre verifiche visive e analisi di

distribuzione delle quote e delle pendenze

66

Controlli visivi tridimensionali: un errore di diff icile identificazione nella vista planimetrica immediatam ente

evidenziato nella vista prospettica

67

Principi generali di interpolazione

Se le variazioni altimetriche presentano discontinuità lineari, come lungo il letto di un fiume, la vetta di una montagna, un lago o lungo un muro di sostegno, ecc., tali linee di discontinuità devono essere acquisite per assicurare una buona descrizione del terreno.

68

DEM di nuova generazione

Con il passaggio a processi di acquisizione semi-automatici o automatici (correlazione d’immagine, LIDAR), e perciò più economici, cambia l’approccio scientifico:

IERI si avevano meno dati misurati perché più costosi e si privilegiava il raffittimento dei punti (interpolazione) per migliorare (?) l’output

OGGI c’è un processo di selezione dell’enorme quantità di punti acquisiti, che permette la selezione dei punti migliori .

69

I MODELLI ALTIMETRICI: METODOLOGIE DI

PRODUZIONE E CRITERI DI VALUTAZIONE

I sistemi di riferimento

70

Sistemi di riferimento altimetrici

• Sistema altimetrico nazionale • Sistema di riferimento per i dati batimetrici

marini • Sistema di riferimento per i dati batimetrici

delle acque interne • Livello medio del mare: definizione ed

evoluzione • Quote ellissoidiche e quote ortometriche • Concetti di base sulle quote determinate

con GPS • Relazioni tra sistemi altimetrici di

riferimento

71

Schema dei riferimenti altimetr ici e batimetrici

livello dell' alta marea

ampiezza della mar ea

···-·- ·-·- ···-·- ·-·-·-·- ·-··- ··· -·-·-·- ··· -·- ···-·-·- ·

altezza dell'acqua sul livello medio del mare in un dato istante

livello dell'acqua in un dato istante

altezza dell' Alta Morea livello

altez z a della marea

altezza del livello medio (ZO)

in un dato is tant e

livello della basso marea altez za della Basso Morea

profondita' (carte nautiche)

72

AROEG A

I •

/,

, EDI ER

hR

Quote ellissoidiche e quote ortometriche

R

P HR

HP

NR NP

hP

I MODELLI ALTIMETRICI: METODOLOGIE DI

PRODUZIONE E CRITERI DI VALUTAZIONE Accuratezza e affidabilità

75

Accuratezza e precisione

• Accuratezza: campo entro cui un valore misurato o calcolato è una stima del valore vero.

• Precisione: misura statistica della

ripetibilità di un valore, di solito espressa come varianza o deviazione standard delle misure ripetute.

• Livello di confidenza: la probabilità che un

errore non superi il valore massimo specificato.

76

Accuratezza

• L’accuratezza altimetrica si esprime come errore di una grandezza 1D a livello di confidenza X%

• L’accuratezza planimetrica si

esprime come errore di una grandezza 2D a livello di confidenza X%

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Livello di confidenza

• acc z a livello di confidenza 95% = 1.96 x s.q.m.(z)

• acc xy a livello di confidenza 95% = 2.45 x s.q.m.(x,y)

78

Accuratezza

• Nel rilievo fotogrammetrico l’accuratezza altimetrica dipende strettamente dalla quota di volo e dalla focale

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PARAMETRI DI CLASSIFICAZIONE

D Accuratezza

DRisoluzione spaziale

80

La dimensione della maglia del reticolato (risoluzione) deve essere:

Y sufficientemente piccola da consentire un’interpolazione affidabile

Y sufficientemente ampia da consentire un’agevole gestione informatica

Y definita in funzione delle caratteristiche del terreno e del livello di accuratezza richiesto

Differenti accuratezze richiedono in generale differenti risoluzioni