Il Dizionario della Digitalizzazione: N come Nuvola di punti

INGENIO  lancia la rubrica "Il Dizionario della Digitalizzazione" a cura di Simone Garagnani, si tratta di brevi articoli con l’obiettivo di riflettere o di approfondire o ancora di guardare da un punto di vista diverso  termini ormai entrati nel linguaggio corrente e che a volte si utilizzano senza valutarne il reale significato.


N come Nuvola di punti

L’esigenza propria dell’uomo di valutare e comprendere le distanze tra gli oggetti e misurarle si è manifestata sin dagli albori della civiltà. Strumenti, metodi e unità di misura si sono così avvicendati e raffinati nel tempo; sarà però nel ‘600, dopo la diffusione del cannocchiale galileiano prima e kepleriano poi, che la metrologia (la disciplina legata alla misurazione delle grandezze fisiche) incontrerà l’ottica, avviando una nuova serie di studi che ancora oggi vengono perfezionati.

Se la seicentesca “livella diottrica” di Geminiano Montanari influenzerà di molto gli studi di topografia dell’inglese William Green, si dovrà aspettare il 1810 quando i tedeschi Von Reichenbach e Von Fraunhofer metteranno a punto un più preciso, ma empirico, cannocchiale con stadia graduata, che sarà in seguito validato scientificamente dagli studi di Ignazio Porro.

Negli anni ’30 del secolo scorso tuttavia, il russo Balaikov sviluppò sul piano teorico uno strumento ad onde elettromagnetiche che, alcuni anni dopo, venne prodotto dal connazionale Lebedev, introducendo di fatto il primo distanziometro elettro-ottico della storia.

Da allora la tecnologia e la manifattura dietro ai moderni strumenti ottici di misura si è molto evoluta, favorendo lo sviluppo di apparati attivi (vale a dire in grado di emettere energia) e passivi (in grado di riceverla dall’ambiente circostante). 

Se i secondi sono di uso comune, basti pensare alle fotocamere presenti negli smartphone che ne costituiscono un esempio eclatante, i primi hanno ricevuto un impulso importante con i primi anni ’90 del secolo scorso, quando la tecnologia dei laser scanner terrestri (TLS) ha iniziato ad essere impiegata nel settore delle costruzioni. 

Questi strumenti, che si appoggiano a tecnologie note di emissione elettromagnetica e misura del tempo di riflessione (time of flight), della variazione qualitativa dell’onda riflessa (phase shift) o della direzione geometrica dell’emanazione (triangolazione trigonometrica), producono dati di misura estremamente accurati

Assunto un sistema di riferimento unico per tutte le stazioni di presa (vale a dire la posizione reale dove vengono attivati di volta in volta tali strumenti), i dati in uscita assumono l’aspetto di una serie molto ampia di punti posizionati nello spazio digitale: ogni punto rappresenta la distanza dello strumento dalla superficie che ha riflesso l’onda luminosa da esso emessa.

Tutti i punti, solitamente milioni per ogni stazione, rappresentano quindi una trasposizione digitale del reale, resa possibile dalla generazione di una “nuvola di punti” (point cloud). Essa è costituita quindi da una serie di punti nello spazio, definiti da coordinate geometriche univoche, non collegati tra loro e, ormai in quasi tutti i casi, integrati da una informazione sul colore della superficie che ne ha consentito la riflessione di nuovo verso lo strumento di misura.

La nuvola di punti, che oggi può essere ottenuta anche attraverso sensori passivi tramite l’applicazione dei principi di fotogrammetria digitale, è così un insieme non strutturato di punti colorati, molto utili e versatili nella misura di un manufatto edilizio, nella documentazione del costruito o nell’analisi ripetuta nel tempo delle possibili variazioni strutturali o materiche.

Se da un lato la nuvola di punti generata in pochissimo tempo fornisce un quadro molto esaustivo sullo stato dei luoghi, essa tuttavia non è in grado di definire automaticamente le caratteristiche dei componenti edilizi, limitandosi a documentare solo ciò che lo strumento “vede”, vale a dire l’involucro esterno degli edifici investigati.

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Nuvola di punti della navata centrale di Sant’Apollinare a Ravenna (rilievo e gestione dei dati di S. Garagnani, 2012)

La separazione delle porzioni di nuvola che identificano componenti (pavimenti, pareti, decorazioni, coperture, ecc…) viene detta segmentazione e non è ancora una sequenza completamente automatizzabile. E’ questo un limite tecnologico ma anche un vantaggio, dal momento che il controllo umano del risultato digitale è imprescindibile per la comprensione del costruito, in particolare storico.

La segmentazione, ciò nonostante, si rivela utile nella definizione delle parti di nuvola destinate ad essere tradotte negli “oggetti intelligenti” dei sistemi BIM, seguendo svariati approcci: da quello in massima parte manuale ai sistemi automatici di riconoscimento delle superfici (Scan2BIM e varianti), seppure questi ultimi non siano ancora particolarmente efficaci per oggetti complessi.

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Nuvola di punti e successiva segmentazione e modellazione BIM per i componenti edilizi del padiglione 31 della Fiera di Bologna
(rilievo e modellazione di S. Garagnani, 2012).