Rilievo 3D di ambienti sotterranei e di difficile accesso: cosa risolve il LiDAR SLAM e dove sono i limiti

Il LiDAR SLAM permette di acquisire nuvole di punti 3D in movimento e trova particolare applicazione in cavità, ipogei e ambienti sotterranei dove GNSS e visuali topografiche dirette sono assenti o difficili da utilizzare. La rapidità del data capture non elimina però la necessità di controllare accuratezza, coordinate, quote e georeferenziazione del modello. Attraverso i casi della Galleria Borbonica di Napoli e di Camerano sotterranea, l’articolo analizza possibilità e limiti dell’approccio MLS-SLAM e il ruolo dell’integrazione tra LiDAR, topografia, Computer Vision e geomatica nella qualità del dato 3D.

Criticità topografiche nel rilievo 3D di ambienti sotterranei

I progetti più complessi nell’ambito del rilievo geo-topografico e architettonico riguardano spesso ambienti sotterranei e di difficile accesso: spazi privi di un collegamento diretto con l’esterno, nei quali risulta difficile procedere con le normali operazioni geo-topografiche. In queste condizioni, infatti, può essere impossibile disporre delle visuali dirette necessarie per il trasferimento degli orientamenti azimutali, delle distanze e delle quote.

È il caso di ambienti accessibili solo attraverso cavità, cunicoli o passaggi di dimensioni ridotte, talvolta appena sufficienti al transito degli operatori. Rientrano in questa casistica cave sotterranee, miniere e cavità naturali di interesse speleologico, ma anche ipogei e sistemi sotterranei presenti nel tessuto urbano, realizzati e utilizzati in epoche differenti. In Italia sono numerose le città caratterizzate dalla presenza di cavità sotterranee di interesse storico e archeologico, spesso articolate in reti complesse e non facilmente accessibili.

Queste condizioni operative, tuttavia, non riguardano soltanto gli ambienti di interesse storico, ma interessano numerosi settori e contesti applicativi, come riportato nella Tab. 1.

Orientamento, coordinate e quote: cosa rende complesso il rilievo

Le problematiche da affrontare possono essere simili, ma le condizioni operative e le finalità del rilievo richiedono spesso soluzioni strumentali e metodologiche differenti.

In generale, le principali esigenze possono riguardare:

• l’orientamento azimutale o geo-topografico;
• il dimensionamento assoluto e/o relativo;
• il trasporto delle coordinate;
• il trasporto delle quote assolute;
• il mantenimento della coassialità tra elementi geometrici.

I limiti di stazioni totali, poligonali e livellazioni negli spazi angusti

Negli spazi angusti e di difficile accesso può inoltre risultare complesso operare con le tecnologie tradizionali basate sulle stazioni totali o con sistemi di allineamento. Per sviluppare le cosiddette poligonali geo-topografiche sono stati utilizzati, e vengono tuttora impiegati, anche i giroscopi: strumenti basati su una tecnologia consolidata, che richiedono tuttavia operatori esperti e specifiche procedure di misura e calcolo per determinare le direzioni azimutali.

Per il trasferimento delle quote è invece necessario ricorrere a operazioni di livellazione o ai cosiddetti “pozzi quota”, utilizzati per trasferire riferimenti altimetrici tra punti o ambienti non direttamente collegabili mediante le normali operazioni geo-topografiche.

Operare all’interno di cavità, fortificazioni, prigioni, ipogei e altri sistemi sotterranei pone quindi una questione fondamentale: quali strumenti e metodologie consentono di acquisire in modo efficace la geometria di ambienti complessi e difficilmente accessibili?

MLS-SLAM: acquisizione dinamica e continua della geometria

In questo scenario, le tecnologie MLS-SLAM (Mobile Laser Scanning – Simultaneous Localization and Mapping) possono semplificare in modo significativo almeno la fase di data capture, consentendo un’acquisizione dinamica e continua della geometria dell’ambiente. Ciò non elimina, tuttavia, la necessità di affrontare gli aspetti topografici legati al controllo metrico del rilievo, alla georeferenziazione e al trasferimento di coordinate e quote.

LiDAR SLAM per il rilievo 3D: obiettivi, accuratezza e qualità del dato

Comprendere il campo applicativo descritto in questa articolo richiede di considerare innanzitutto gli obiettivi del rilievo. Nella maggior parte dei casi, la finalità è ottenere un rilievo 3D, o eventualmente 2.5D, con un livello di accuratezza, una densità informativa e modalità operative coerenti con le esigenze del progetto e con il budget disponibile.

Dal rilievo alla nuvola di punti: geometria, colore e densità informativa

Nell’attuale contesto digitale, l’obiettivo è infatti acquisire il maggior numero possibile di informazioni utili attraverso un rilievo 3D sufficientemente accurato rispetto allo scopo. Alla componente geometrica può inoltre essere associata quella cromatica, così da disporre, anche nelle successive attività di elaborazione e analisi in ufficio, di una rappresentazione visiva più completa dell’ambiente rilevato.

La sintesi del processo può quindi essere espressa in un obiettivo preciso: generare un modello 3D della realtà con un livello di fedeltà geometrica e cromatica compatibile con le tecnologie disponibili, il budget e le finalità del progetto.

Questa nota editoriale non è riferita a un singolo progetto, ma nasce dall’esigenza di approfondire possibilità e limiti di applicazione delle tecnologie di rilievo, alla luce della rapida evoluzione della geomatica. La crescente disponibilità di strumenti, sensori e soluzioni di elaborazione sta infatti spostando progressivamente l’attenzione dalla sola tecnologia di acquisizione alla qualità, all’affidabilità e all’utilizzabilità del dato prodotto.

Progetti di riferimento

Per comprendere concretamente questi aspetti, riportiamo due progetti di riferimento, sviluppati in contesti e fasi differenti dell’evoluzione tecnologica.

La Galleria Borbonica di Napoli

La Galleria Borbonica di Napoli rappresenta un importante sistema sotterraneo legato alla storia della città. Il rilievo delle sue cavità costituisce un’attività complessa e progressiva: nella sola area della Nunziatella le operazioni di conoscenza e documentazione proseguono da oltre dieci anni.

In questo contesto, i rilievi hanno consentito di censire almeno 2.000 cavità e, nel corso del tempo, sono stati sperimentati diversi sistemi LiDAR SLAM, a partire dai primi sistemi ZEB di GeoSLAM fino all’impiego di differenti soluzioni STONEX.

La complessità del lavoro non riguarda soltanto l’acquisizione geometrica delle cavità. Uno degli aspetti determinanti è infatti il trasferimento delle coordinate e delle quote, necessario per collocare correttamente nello spazio i diversi ambienti rilevati.

Un ruolo centrale in queste attività è svolto dal geologo Gianluca Minun, che con IN.GEO opera da oltre vent’anni nell’area sotterranea della Nunziatella e ha maturato una lunga esperienza nel rilievo di questi sistemi ipogei.

Da un’intervista telefonica al dott. Minun emerge come il problema topografico sia stato affrontato nel tempo attraverso l’integrazione di differenti metodologie. Oltre all’impiego del sistema di coordinate Gauss-Boaga, una delle principali criticità ha riguardato l’allineamento dei rilievi con la cartografia del centro storico di Napoli, rappresentata alla scala 1:1.000.

Per garantire il corretto trasferimento delle quote e degli allineamenti sono stati utilizzati anche vecchi pozzi di lavorazione e altre soluzioni topografiche, partendo da punti noti all’esterno e collegando successivamente a questi riferimenti i rilievi acquisiti mediante tecnologia SLAM.

Il rilievo delle cavità della Galleria Borbonica, Napoli

Camerano sotterranea: il confronto tra differenti sistemi SLAM

Un secondo caso di interesse è rappresentato da Camerano sotterranea, complesso di rilevanza storica oggetto di rilievi eseguiti mediante differenti sistemi basati, in larga parte, sull’approccio SLAM.

Il progetto ha assunto anche il carattere di un test operativo nell’ambito di un’attività di ricerca condotta con il coinvolgimento dell’Università Politecnica delle Marche e di altri soggetti. La possibilità di utilizzare più sistemi sul medesimo sito ha consentito di confrontarne modalità operative e risultati, mettendo in evidenza caratteristiche, vantaggi e limiti delle differenti soluzioni.

I risultati della sperimentazione sono illustrati nella pubblicazione disponibile al seguente LINK.

Un tour del modello in Point Cloud delle Grotte di Camerano (AN)

LiDAR SLAM e rilievo 3D: verso una geomatica sempre più integrata

L’evoluzione dei sistemi di rilievo dinamico ha trovato nell’approccio SLAM – Simultaneous Localization and Mapping uno dei principali fattori di sviluppo. È utile ricordare che questa tecnologia nasce nell’ambito della robotica, dalla necessità di consentire a un sistema mobile di determinare la propria posizione mentre costruisce contemporaneamente una rappresentazione dell’ambiente circostante, e non direttamente nel campo della geomatica.

I primi sviluppi hanno fatto ampio ricorso anche all’analisi delle immagini e alla Computer Vision (CV). Si tratta di discipline strettamente connesse alla geomatica, che ne ha successivamente integrato e consolidato metodi, modelli matematici e applicazioni nell’ambito del rilievo.

La diffusione dei sistemi LiDAR ha ulteriormente ampliato queste possibilità. L’integrazione tra scansione laser, algoritmi SLAM, Computer Vision, fotogrammetria e tecniche di stima della traiettoria consente oggi di acquisire e ricostruire ambienti complessi attraverso sistemi dinamici sempre più efficienti.

Più che di una presunta “geomatica non ortodossa”, appare quindi più corretto parlare di geomatica applicata e integrata, nella quale convergono matematica, geometria, sensoristica, informatica e differenti tecniche di acquisizione ed elaborazione del dato.

L’introduzione dell’intelligenza artificiale amplia ulteriormente questo scenario, soprattutto nelle attività di interpretazione, classificazione ed elaborazione delle informazioni acquisite. La geomatica conferma così la propria natura multidisciplinare: non è la singola tecnologia a determinare la qualità del rilievo, ma la capacità di integrare strumenti, metodi e controlli in funzione del dato che il progetto deve produrre.

In sostanza, essendo la geomatica la convergenza di molte tecniche e di molte scienze, finché saremo vivi, non smetteremo mai di stupirci per quello che l’uomo riuscirà a fare con questi strumenti, frutto della conoscenza e della fantasia applicativa.

FAQ tecniche - LiDAR SLAM per il rilievo 3D di cavità e ambienti sotterranei

Che cos’è il LiDAR SLAM?
SLAM significa Simultaneous Localization and Mapping. Applicato a un sistema LiDAR consente di stimare la traiettoria del sistema mentre viene acquisita la geometria dell’ambiente circostante, producendo una nuvola di punti 3D. Nell’articolo viene considerato soprattutto nell’ambito dei sistemi MLS per rilievi dinamici in ambienti sotterranei.

Dove può essere utilizzato il LiDAR SLAM?
Il campo applicativo comprende cavità, ipogei, miniere, tunnel, siti archeologici sotterranei, bunker e altri ambienti nei quali visuali dirette e normali procedure topografiche risultano difficili da applicare. 

Quali problemi topografici presenta il rilievo degli ambienti sotterranei?
Le principali criticità indicate nell’articolo riguardano orientamento azimutale, dimensionamento assoluto e relativo, trasferimento delle coordinate e delle quote e mantenimento della coassialità tra elementi geometrici.

Quali vantaggi offre un sistema MLS-SLAM rispetto al rilievo tradizionale?
Consente un’acquisizione dinamica e continua della geometria, particolarmente utile quando gli spazi rendono complesso l'impiego di stazioni totali e sistemi di allineamento. Non elimina però le esigenze di controllo metrico, georeferenziazione e collegamento a coordinate e quote note.

Come si georeferenzia un rilievo SLAM in un ambiente sotterraneo?
L’articolo mostra, attraverso il caso della Galleria Borbonica, l’integrazione fra SLAM e procedure topografiche. Sono citati punti noti all’esterno, coordinate Gauss-Boaga, pozzi di lavorazione e collegamento alla cartografia del centro storico di Napoli in scala 1:1.000.

Come si verifica l’accuratezza di un rilievo LiDAR SLAM?
La ISO 17123-9:2018 definisce procedure di campo per determinare e valutare la precisione dei terrestrial laser scanner e delle relative apparecchiature ausiliarie impiegate nelle misure topografiche e di ingegneria. La norma fornisce quindi un riferimento metodologico per verificare le prestazioni strumentali in condizioni operative. Per i sistemi mobili MLS-SLAM, l’applicabilità delle specifiche procedure deve essere valutata in relazione alla tecnologia e alla configurazione utilizzata.