Metodi avanzati di indagine chimica su ponti e viadotti: analisi del degrado del ponte sul Basento a Potenza

Nel 2022 numerose sono le definizioni che possono essere date alla scienza geomatica e tutte argomentano sul tema della tecnologia di rilevamento e trattamento informatico dei dati relativi al pianeta terra e all’ambiente. Tuttavia questa definizione, largamente condivisa dalla comunità scientifica internazionale, alla luce dei recenti sviluppi tecnologici, rimane troppo generica e circoscritta limitandone sensibilmente i campi di applicazione.

La cosiddetta “geomatica non ortodossa”, nel senso di estensione degli ambiti d’uso e delle tecnologie utilizzate, comprende tutto quello che interagisce con il pianeta e con lo stato chimico e fisico della materia, con la descrizione statica e dinamica delle forme liquide e gassose.

In tal senso anche il rilievo acustico tridimensionale, il moto magnificato e la fotoelasticità tridimensionale trovano negli strumenti geomatici un robusto flusso di lavoro che consente la caratterizzazione geometrica e la descrizione continua nel tempo, cioè il monitoraggio nello spazio bidimensionale e tridimensionale con gli stessi strumenti in uso della disciplina “classica”.


Geomatica classica vs Geomatica non ortodossa

Nel seguito descriveremo cosa si intende per geomatica “classica” e “non ortodossa”, confidando che a breve, come già successo in passato, l’uso di nuovi strumenti nei flussi di lavoro consolidati diventi patrimonio comune della scienza geomatica.

  1. La geomatica è informatica, intesa finora come scienza della rappresentazione e dell’elaborazione dell’informazione applicabile attraverso lo sviluppo di attrezzature e di metodi, modelli, algoritmi e programmazione. Ma nel 2022 la geomatica non ortodossa è soprattutto intelligenza artificiale, cioè la frontiera estrema dell’informatica, tecnologia dirompente capace di aumentare sensibilmente la potenza di indagine e di elaborazione di scenari;

  2. La geomatica è cartografia, in quanto descrizione della forma e delle dimensioni della Terra e dei suoi particolari, naturali e artificiali, mediante la rappresentazione grafica o numerica di zone più o meno ampie della superficie terrestre secondo regole prefissate. La cartografia nella geomatica non ortodossa non rappresenta solo la Terra ma la rigorosa proiezione piana di qualsiasi fenomeno osservato nello spazio a n dimensioni;

  3. La geomatica è geodesia, cioè la scienza che studia la forma e le dimensioni del pianeta Terra, il suo campo gravitazionale esterno in funzione del tempo: la geodesia rimane ancorata alla definizione classica di questa scienza;

  4. La geomatica è topografia, nata con la geodesia e pertanto integrata con essa, che consiste nell’insieme delle procedure del rilievo diretto del territorio. Il rilievo oggi si estende oltre il territorio, coinvolgendo le sue parti, opera dell’uomo. Le tecnologie oggi disponibili sono molto evolute e consentono di velocizzare molte operazioni di misura, anche grazie all’intelligenza artificiale, piu’ propriamente quella definita oggi “debole”;

  5. La geomatica è fotogrammetria, come scienza che determina la posizione e le forme degli oggetti a partire da misure eseguite su immagini fotografiche degli oggetti stessi. Oggi la fotogrammetria di nuova generazione è uno strumento potente e veloce di ricostruzione tridimensionale a partire da immagini ottenute da numerosi strumenti in molteplici lunghezze d’onda che superano il limitatissimo campo del visibile: in tal senso ricomprende i nuovi sensori fotografici iperspettrali, l’acustica visuale, la radiografia digitale e la cosiddetta tomografia fotogrammetrica. In questo breve articolo descriveremo un approccio innovativo, quello della cosiddetta “iperspettralità di prossimità”, cioè l’uso di strumenti innovativi per costruire rilievi di dettaglio iperspettrali, al fine di compiere nuovi tipi di indagine chimica sul degrado dei materiali da costruzione attraverso la nuvola di punti;

  6. La geomatica è  telerilevamento, quello che gli anglosassoni chiamano “remote sensing” cioè la disciplina tecnico-scientifica  con finalità di diagnostica che permette di ricavare informazioni quantitative, sull'ambiente e sugli oggetti posti a distanza da un sensore che interagisce con le superfici fisiche indagate. La geomatica non ortodossa integra i flussi di lavoro della diagnostica per immagini medicale e le più avanzate tecniche di motion detection che fanno ampio uso dell’intelligenza artificiale. Da questo punto di vista la fotogrammetria di grado metrologico rappresenta un importante progresso che sfrutta sensori economici non a contatto, rendendo le procedure estremamente speditive ed efficaci;

  7. La geomatica è scansione laser, per la misurazione e la ricostruzione tridimensionale;

  8. La geomatica è posizionamento satellitare, che consente la determinazione della posizione tridimensionale di oggetti anche in movimento nello spazio e nel tempo su tutto il globo terrestre, in qualsiasi condizione meteorologica e in modo continuo. Naturalmente, grazie agli sviluppi delle tecniche di “motion detection”, la tecnica satellitare si integra con sensori a terra e/o a distanza ravvicinata per indagare a livelli di dettaglio sensibilmente più elevati i fenomeni fisici e chimici oggetto di studio;

  9. La geomatica non ortodossa è uso della velocimetria visuale e della tecnica di correlazione delle immagini supervisionata dagli strumenti della geomatica: misura del campo di moto di un fluido e misura delle deformazioni nello spazio tridimensionale;

  10. La geomatica non ortodossa è tomografia e radiografia: puo’ gestire con strumenti potenti e consolidati questi flussi di dati, indagando l’intima essenza della materia attraverso la nuvola di punti “piena”, cioè estesa agli strati profondi della materia;

  11. In ultimo, non certo per importanza, la geomatica ricomprende i sistemi informativi geografici, che nella visione non ortodossa estende i casi d’uso in ambiti e discipline apparentemente molto distanti dagli impieghi classici, legati al settore dell’ingegneria industriale e dell’informazione, alla visione artificale e alla computer grafica tridimensionale.

Metodi avanzati di indagine chimica su ponti e viadotti: analisi del degrado del ponte sul Basento a Potenza
IMMAGINE 1: Restituzione laser fotogrammetrica della membrana oggetto di indagine iperspettrale sulla caratterizzazione chimica del degrado. 

 

La tomografia e la radiografia digitale unite alla fotogrammetria di ultima generazione rappresentano l’evoluzione della geomatica in grado di fornire strumenti potenti non solo di rappresentazione ma anche di progettazione e di analisi. Nell’approccio classico nulla viene detto in merito alle caratteristiche degli strati profondi dell’oggetto rilevato: i tempi sono maturi grazie alla messa a punto di nuovi metodi e flussi di lavoro in grado di colmare questo gap rispetto ai metodi di diagnostica per immagini che hanno visto nella chirurgia e nella medicina un importante progresso.

Pur essendo la tridimensionalità una caratteristica ormai consolidata nel flusso di lavoro del geomatico, questa descrizione geometrica risulta sempre limitata alla pelle dell’oggetto indagato. In questo contributo descriveremo la tecnica di caratterizzazione chimica tridimensionale focalizzata sull’indagine di ponti e viadotti, fornendo anche alcuni cenni sull’approccio tomografico e radiografico attraverso le nuvole dense “piene”, che verrà trattato in una pubblicazione successiva.

 

L’indagine condotta sul capolavoro dell’Ingegnere Sergio Musmeci a Potenza (PZ)

Su ponte dell’Ing. Sergio Musmeci abbiamo condotto una ricerca unica nel suo genere grazie all’indagine iperspettrale di prossimità condotta con una fotocamera Specim IQ dell’azienda Specim, Spectral Imaging Ltd. Insieme al rilievo iperspettrale è stata realizzata una campagna di scansione fotogrammetrica ed una laser scanner con strumentazione Teledyne Optec Polaris. Il Prof. Ing. Matteo Felitti e l’Ing. Lucia Rosaria Mecca dello Studio MECCAINGEGNERIA hanno analizzato in dettaglio le criticità strutturali ed il degrado dell’infrastruttura orientando le fasi di acquisizione dei dati. La scelta del ponte sul Basento per compiere le prime indagini massive iperspettrali tridimensionali in Italia è nata da alcune considerazioni relative alla unicità dell’opera ed al suo stato di conservazione che presenta importanti criticità.

 

Restituzione del diagramma iperspettrale interrogabile in ambiente pc-desktop o direttamente a bordo fotocamera iperspettrale

IMMAGINE 2: Restituzione del diagramma iperspettrale interrogabile in ambiente pc-desktop o direttamente a bordo fotocamera iperspettrale.

 

Per originalità e tecnica di costruzione utilizzata dal suo geniale progettista, oltre che alle condizioni di degrado che interessano il manufatto, abbiamo voluto condurre sull’opera indagini di cantiere sperimentali sfruttando le esperienze pregresse e l’opportunità di utilizzare attrezzature uniche nel loro genere in questo momento in Italia.

 

Una fase dei rilievi laser-fotogrammetrici condotte dall’Ing. Donato Marcantonio e dall’Ing. Nicola Santoro

IMMAGINE 3: Una fase dei rilievi laser-fotogrammetrici condotte dall’Ing. Donato Marcantonio e dall’Ing. Nicola Santoro. La tecnica di fusione dei dataset laser e fotogrammetrici è stata eseguita con un flusso di lavoro che sfrutta il machine learning per le fasi di allineamento automatico e di ricostruzione tridimensionale.

 

Trasformare una camera iperspettrale in un potente strumento di indagine tridimensionale

Le precedenti esperienze di acustica visuale tridimensionale e di termografia 3D sviluppate sul ponte di Via Zappa, in Provincia di Como, nel territorio amministrativo della Città di Erba (CO), hanno permesso lo sviluppo di un flusso di lavoro che ha permesso la ricostruzione iperspettrale tridimensionale attraverso la nuvola densa. Peraltro la stessa tecnica ha consentito di superare i limiti della scarsa qualità del colore e dell’accuratezza dell’informazione colorimetrica del laser scanner sul punto che, con poche lodevoli eccezioni, è un limite di moltissimi strumenti sul mercato.

La fotogrammetria di grado metrologico consente di raggiungere un livello di accuratezza sub pixel nella registrazione delle informazioni. Ad oggi esiste un unico algoritmo commerciale in grado di eseguire fotogrammetria di precisione per applicazioni avanzate di metrologia. Nel caso del rilievo del ponte sul Basento abbiamo utilizzato un approccio sperimentale basato sulla visione artificiale. Questa tecnica ha anche il vantaggio di eseguire i rilievi in assenza di luce, affidando l’aggiunta dell’informazione del colore in fasi diverse della campagna del rilievo.

L’informazione iperspettrale richiede invece condizioni di luce ambientale ottimale che può essere naturale o artificiale a seconda delle condizioni in cui si opera. Durante l’impiego della Specim IQ sono nate nuove strategie per l’impiego in condizioni estreme attraverso lo sviluppo di kit in grado di estenderne i campi di applicazione. Sulle membrane del ponte Musmeci è stato possibile individuare la presenza di ossidi di ferro su superfici apparentemente non interessate dai fenomeni di corrosione delle armature. Tuttavia l’impiego di firme iperspettrali preregistrate consente di estrarre molte informazioni sulla presenza di composti chimici sulle superfici in calcestruzzo: da questo punto di vista la macchina è in grado di essere programmata e restituire tutte le informazioni richieste dal tecnico strutturista direttamente in cantiere, senza l’ausilio di computer o hardware aggiuntivo.

Portare l’imaging iperspettrale nella terza e quarta dimensione (il tempo) è stato un obiettivo ambizioso raggiunto grazie alla SPECIM IQ, un dispositivo rivoluzionario ed estremamente pratico per le indagini iperspettrali prodotto dalla Spectral Imaging Ltd. Grazie alla fine mosaicatura dei dataset iperspettrali, all’intelligenza artificiale e a innovative tecniche di registrazione automatica dei dati del laser scanner e della fotogrammetria, è stato possibile ottenere nuvole dense stratificate con l’intero spettro catturato dal dispositivo ed interrogabile tramite tresholding attraverso gli strumenti disponibili negli ambienti di lavoro basati su matrici di punti spaziali.

 


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