L’avatar strutturale: un utilizzo consapevole per il rilievo dei ponti e del loro degrado

L’avatar strutturale rappresenta la nuova frontiera del rilievo e del monitoraggio delle opere d’arte. In questo articolo ne saranno discusse le applicazioni alle infrastrutture evidenziandone le differenze ed i vantaggi rispetto ai metodi attualmente in uso. Il rilievo di cantiere non puo’ solo limitarsi alla caratterizzazione della geometria ma, con alcuni accorgimenti operativi diventa strumento di monitoraggio continuo ed in tempo reale del danno e del degrado: è un nuovo approccio allo studio dell’ambiente costruito.

Scansione 3D-4D: caratteristiche e vantaggi rispetto alla tecnologia tradizionale

L’affinamento delle tecniche di rilievo, combinate a strumenti di indagine visiva che utilizzano telecamere e fotocamere di ultima generazione, consentono di eseguire controlli sulle deformazioni delle strutture con accuratezza al millesimo di millimetro in cantiere. Come è stato possibile ottenere una accuratezza così spinta a costi contenuti? 

Molta strumentazione in commercio, utilizzata per applicazioni apparentemente lontane dal mondo della geomatica ha raggiunto costi competitivi con i sensori appositamente realizzati per il monitoraggio strutturale. La fotogrammetria di grado metrologico orientata al monitoraggio del movimento, ottimizzata in flussi di lavoro che consentono l’utilizzo di sensori fotografici ibridi rende finalmente possibile l’impiego di nuovi metodi di indagine, economici e versatili.

Questa accuratezza viene raggiunta nella produzione fotogrammetrica ibrida (quella che prevede un flusso di lavoro che utilizza laser scanner fotografia multispettrale, lidar e tomografia) grazie a sensori fotografici matriciali-lineari concepiti per applicazioni di rilievo ad elevatissima risoluzione.

IMMAGINE 1: Rilievo e monitoraggio del ponte di Via Zappa a Erba (CO). Uso combinato di laser scanner, macchina fotografica, drone, rover con sensori fotografici ad altissima risoluzione

Oltre alla fotogrammetria da aereo e/o drone, alla fotogrammetria di prossimità ed al laser scanner, sono state introdotte nel rilievo di ponti e viadotti macchine fotografiche robotizzate che eseguono la scansione della superficie del manufatto a distanza ravvicinata, aumentando sensibilmente la densità di punti ed il livello di dettaglio delle mesh texturizzate.

La geomatica e le sue tecniche di gestione delle mappe piane XY intimamente interconnesse al rilievo spaziale consentono di processare la struttura e catturarne le deformazioni in tempo reale. Il flusso di lavoro prevede l’uso di algoritmi di correlazione delle immagini e di velocimetria particellare che possono essere installati sia a bordo del laser scanner sia su dispositivi dedicati, generalmente tablet ma anche smartphone collegati alla macchina di rilievo.

Il superamento del concetto di gemello digitale: l’avatar.

Mutuando l’esperienza del motion detection e motion tracking, ovvero del rilevamento del movimento e monitoraggio del movimento, in uso nel settore della produzione cinematografica e degli effetti speciali VFX, dobbiamo immaginare che l’infrastruttura da monitorare sia intimamente connessa con la copia digitale fotorealistica. Ogni movimento di parti strutturali trova il corrispondente nell’avatar.

Rilevamento del movimento versus monitoraggio del movimento

Rilevamento del movimento

Sebbene la tecnologia condivida alcune caratteristiche di rilevamento del movimento utilizzate nei sistemi di sicurezza domestici o aziendali, i sistemi di telecamere dotati di questa capacità utilizzano un diverso tipo di approccio e sono anche più configurabili.

Una telecamera di sicurezza dotata di tecnologia di rilevamento del movimento ha la capacità, attraverso un algoritmo avanzato, di notare quando l'area che sta monitorando o registrando subisce un cambiamento. Questo flusso di lavoro deve essere supervisionato dai metodi geomatici per la fine registrazione e calibrazione delle ottiche per ottenere sistemi di misura coerente. L’uso di ortofotocamere e ortovideocamere costruite in laboratorio velocizza moltissimo il raggiungimento degli obiettivi di monitoraggio.

Monitoraggio del movimento

Si ottiene con le cosiddette telecamere pan-tilt-zoom costruite per avere un'ampia gamma di movimenti grazie ai loro giunti motorizzati e alla programmazione avanzata.  Queste caratteristiche consentono non solo di rilevare quando qualcosa entra nel loro campo visivo, ma di seguirlo mentre si muove attraverso il suo campo visivo.

Sia il rilevamento del movimento che il monitoraggio del movimento possono essere ottenuti, oltre che da sistemi di telecamere fissi, anche da droni e rover. Speciali algoritmi consentono di caratterizzare i movimenti producendo rilievi tridimensionali in una successione di istanti successivi. La mappatura dei movimenti avviene attraverso una tecnica di proiezione bidimensionale XY e l’uso di codici di correlazione delle immagini per la misura delle deformazioni, delle accelerazioni e della caratterizzazione chimica-colorimetrica delle superfici del ponte.

Le strategie di programmazione si adattano alle esigenze di rappresentare le deformazioni in campo sia elastico sia plastico. 

Il fotorealismo è fondamentale per consentire alle reti neurali di analizzare le parti della struttura. Grazie ai metodi geomatici, le mappe ad elevatissima risoluzione vengono scomposte in tasselli in grado di essere processati dalle schede video, estraendo molteplici informazioni (Figura 1.13).

La geomatica e la computer grafica offrono delle risposte concrete alla virtualizzazione del manufatto ed alla sua caratterizzazione chimica e fisica attraverso la confluenza dei controlli non distruttivi nell’avatar. Mentre il gemello digitale rappresenta, nella declinazione classica del Bim, la trasposizione del mondo costruito in un modello Cad tridimensionale gerarchizzato in famiglie con attributi condivisi in una piattaforma informatizzata, l’avatar veicola senza alcuna mediazione, o se vogliamo semplificazione schematica e modellistica predeterminata, il prodotto principe della geomatica, la nuvola densa, con approccio diretto, ottenendone grazie alla computer grafica, un potente strumento concepito per svolgere, attraverso l’apprendimento automatico, misurazioni dirette di campi di deformazioni sotto carico: la caratterizzazione degli stati tensionali.

IMMAGINE 2: Tavola illustrativa dell’approccio alla scansione di gallerie stradali. Galleria in corrispondenza del Santuario di Montevergine nel territorio del comune di Mercogliano (AV) a 1450 m slm.

Nessuna mediazione modellistica tendente alla semplificazione dei dati catturati viene introdotta in questo flusso di lavoro: si usa direttamente il rilievo inteso come fatto geometrico eseguito con accuratezza topografica, arricchito di informazioni multispettrali su singolo punto nello spazio e nel tempo. 

L’infrastruttura è generalmente osservata nel tempo con sistemi di visione e sensori che veicolano le informazioni all’avatar, registrando sul punto spostamenti e deformazioni. 

Questi spostamenti e deformazioni continui, finemente registrati in mappe bidimensionali e tridimensionali in un flusso continuo nel tempo, vengono letti grazie alla visione artificiale da reti neurali appositamente addestrate, consentendo di monitorare le infrastrutture in maniera massiva ed esaustiva. Ciò offre un superamento dei limiti della sensoristica puntuale.

Quali sono i limiti dell’avatar?

I limiti corrispondono principalmente a due aspetti:

• Affinchè i sensori (pochi!) siano in grado di raccogliere risposte in termini di comportamento generale della struttura è necessario avere l’esatta conoscenza del comportamento del costruito, in modo da poter individuare quali sono i punti nevralgici da sottoporre a controllo;
• Le trasformazioni geometriche che l’opera subisce nel tempo potrebbero modificare la “gerarchia” delle zone nevralgiche e rendere di conseguenza prioritario il controllo di punti non contemplati nell’impostazione iniziale. 

Si tratta di limiti difficilmente superabili con l’impiego delle tecniche tradizionali poiché il nostro modello analitico – la cui fedeltà con il manufatto reale avviene solo attraverso il controllo effettuato con i sensori fisici in punti oppositamente scelti- nasce “ipotizzando” che un particolare sistema di azioni si distribuisca secondo un particolare sistema di rigidezze. Ipotesi, questa, validissima in contesti dove l’indisponibilità dei moderni strumenti di calcolo rendeva necessaria la semplificazione del modello. 

È del tutto evidente, però, l’odierno vantaggio che traiamo se il modello analitico piuttosto che ipotizzarlo lo deduciamo “visualizzando” il comportamento dell’opera.

Oggi è possibile scattare foto con qualsiasi sensore e inviarle automaticamente al server che le processa e le integra in automatico nella scansione, ottenendo aggiornamenti dell’avatar sulla base della sensibilità  professionale dell’operatore.

In questo articolo propongo alcuni casi di studio e flussi di lavoro propedeutici alla mappatura continua nello spazio e nel tempo attraverso opere significative.

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