Tecniche di modellazione 3D a partire da dati rilevati con Laser Scanner terrestre e Fotogrammetria digitale; il caso del Castello dell'Imperatore a Prato

- 1 -  
Introduzione Introduzione Introduzione Introduzione    
 
Il rilievo architettonico ha come scopo l'interpretazione dell'oggetto, il 
monitoraggio dello stato di degrado, lo studio delle geometrie e la 
memorizzazione dell'oggetto rilevato. 
 
Oggi per eseguire un rilievo architettonico possiamo avvalerci di moderni 
strumenti e sensori, che con il recente sviluppo di sistemi performanti per la 
visualizzazione e gestione di dati digitali, permettono la conservazione e 
l’archiviazione di numerosi dati, che possono servire sia per la valorizzazione 
del bene attraverso il web che per la progettazione di interventi futuri. 
Questi aspetti portano ad un miglioramento dell’informazione relativa a 
particolari architettonici che fino a qualche anno fa non potevamo ottenere. 
L’interesse sulle nuove metodologie di rilievo architettonico e di modellazione 
tridimensionale è evidenziato dall’aumento dell’uso dei laser scanner terrestri e 
soluzioni software-hardware di fotogrammetria digitale, che possono fornire in 
fase di output nuvole di punti. 
In questo scenario dobbiamo porre particolare attenzione alla fase di 
integrazione tra le tecnologie tradizionali e quelle innovative. 
La definizione di un sistema che integri le nuove tecniche di rilievo con quelle 
classiche è il risultato di un processo che vede coinvolte molte competenze  e 
professioni diverse, che però hanno lo stesso obiettivo. 
Un altro argomento propedeutico, ma non meno importante, riguarda la post-
elaborazione dei dati: di fronte ad una grandissima quantità di dati, qualsiasi 
operatore non esperto si troverebbe in difficoltà. 
È per questo motivo che in fase di post-elaborazione l’operatore esperto deve 
cercare di produrre elaborati semplici e sintetici, che contengano le 
informazioni necessarie al cliente o ad un qualsiasi ente pubblico. 
 
L’obiettivo di questa tesi è quello di capire se è possibile creare un modello 
parametrico tridimensionale di strutture architettoniche storiche partendo da 
nuvole di punti, allo scopo di presentare al cliente un modello 3D che sia allo 
stesso tempo funzionale e semplice da visualizzare: questo causerà da una parte
- 2 -  
una notevole riduzione dell’informazione, ma dall’altra produrrà un file di gran 
lunga più leggero, in pratica si passerà dall’ordine dei Gigabyte ai Megabyte. 
 
Questa tesi introdurrà nei primi 3 capitoli le nozioni teoriche riguardanti il 
laser scanner terrestre, la fotogrammetria digitale e la modellazione grafica 
CAD e BIM, e si concluderà con il caso studio, il rilievo del Castello 
dell’Imperatore a Prato, esempio di integrazione tra uno strumento topografico 
classico (stazione totale) utilizzato per realizzare la rete topografica, e moderni 
laser scanner terrestri e strumenti di fotogrammetria digitale utilizzati per 
rilevare il castello e la pavimentazione stradale circostante. 
I dati ricavati dal rilievo saranno gestiti sottoforma di nuvole di punti: essi 
verranno allineati e referenziati rispetto alla rete topografica. 
L’ultima fase riguarderà la creazione di modello tridimensionale quasi 
completamente parametrico con la produzione di vari elaborati: planimetria, 
piante, prospetti, sezioni e rendering.
- 3 -  
CAPITOLO CAPITOLO CAPITOLO CAPITOLO 1 1 1 1    - - - -    Fotogrammetria terrestre Fotogrammetria terrestre Fotogrammetria terrestre Fotogrammetria terrestre    
    
Introduzione 
Con le recenti evoluzioni tecnologiche ed informatiche, siamo passati in pochi 
anni dalla fotogrammetria terrestre convenzionale, che condivide con la 
fotogrammetria aerea la base teorica e l’approccio stereoscopico nella 
restituzione, a quella cosiddetta non convenzionale, nata e sviluppata per 
contenere i costi significativi che le camere metriche, semimetriche e gli 
stereorestitutori analitici prevedevano; essa rinuncia alla stereoscopia e si affida 
nella restituzione a opportuni tipi di software. 
La produzione fotogrammetrica tradizionale ha perso la propria efficacia anche 
per le nuove esigenze d’economia, rapidità e sintesi, causati dalle nuove 
tecniche emergenti di acquisizione ed elaborazione. 
Ad oggi c’è un integrazione completa tra le informazioni raster e vettoriali: si 
parla di immagini da satellite, modelli digitali del modello (DTM, DEM), 
ortofoto, cartografie vettoriali. 
La tecnica fotogrammetrica si è diffusa tantissimo in campo archeologico, 
architettonico e urbanistico per eseguire rilievi, molto probabilmente per il 
fatto che non è necessario un contatto diretto con l'oggetto da indagare e 
quindi questo non viene modificato. 
E’ proprio per questi motivi, che il 1° capitolo centrerà la parte teorica della 
moderna fotogrammetria terrestre, parlando in particolare degli output che si 
possono ottenere da questa tecnologia, per concludere con un tipo di hardware 
- software, prodotto dall’azienda Menci Software, Zscan, che anch’esso si è 
evoluto nel corso del tempo, formando diverse soluzioni, a seconda delle 
esigenze.
- 4 -  
Fondamenti 
 
Storia della fotogrammetria 
La fotogrammetria è una tecnica di rilievo utilizzata da molto tempo, forse 
dall’invenzione della fotografia e la cui teoria è stata sviluppata perfino prima 
dell’invenzione stessa, come pura geometria proiettiva. 
Prima di parlare dell’evoluzione di questa tecnica di rilievo, dobbiamo fare una 
premessa: la storia della fotogrammetria è molto legata, nei suoi principi 
teorici, alla storia della geometria descrittiva ed in particolare alla formulazione 
della teoria della prospettiva, mentre nella sua applicazione è legata alla storia 
dell’ottica, della fotografia ed alle relative scoperte tecnologiche. 
Si ricorda inoltre che la fotografia, da un punto di vista ottico-proiettivo, è 
assimilabile ad una proiezione centrale: ovvero tutti i raggi provenienti dal 
mondo esterno vengono convogliati attraverso le lenti dell’obbiettivo in un 
punto (o assimilabile a tale), e proiettati su uno schermo che li intercetta, 
(lastra, pellicola, sensore CCD): pertanto si può affermare che la fotografia è, 
con buona approssimazione, una vista prospettica della realtà. 
E’ questo uno dei motivi per cui la fotogrammetria, ha dovuto attendere lo 
sviluppo delle conoscenze tecniche e informatiche necessarie per la geometria 
descrittiva e per la fotografia, legando infine le due discipline: nota la 
prospettiva ed i procedimenti geometrici “inversi”, per ricavare da essa le 
proiezioni ortogonali dell’oggetto reale, è stato possibile ricavare informazioni 
metriche dalle rappresentazioni fotografiche, prima in modalità geometrica 
proiettiva, poi in modalità analitica ed infine digitale. 
E’ stato l’avvento della fotografia digitale, a permettere lo sviluppo di 
programmi  per l’estrazione di informazioni metriche e le successive 
modellazioni grafiche. 
Qui di seguito, allego una tabella cronologica, che descrive l’evoluzione nel 
corso della storia del modello.
- 5 -  
 
Figura 1 - Tabella cronologica che descrive l’evoluzione del metodo (tratto da M.A. 
Gomarasca, Elementi di geomatica, ed. AIT, 2004) 
 
La fotogrammetria trova fondamento nella volontà di ricostruire in modo 
rigoroso la corrispondenza geometrica tra immagine e oggetto al momento 
dell’acquisizione. Questo avviene definendo tra i punti immagine, i centri di
- 6 -  
presa e i punti oggetto delle stelle di raggi di proiezione nello spazio, secondo il 
modello geometrico della prospettiva centrale. 
Attualmente, a seconda delle diverse applicazioni, la fotogrammetria si divide 
in 3 parti: 
 fotogrammetria aerea (aerofotogrammetria), quando l’acquisizione 
avviene da piattaforma spaziale aerea. In questo caso la camera si 
trova a bordo di aeromobili e l’oggetto inquadrato è il territorio; 
 fotogrammetria terrestre, se le prese vengono effettuate con camere 
posizionate a terra e gli oggetti rilevati sono architetture o parti di 
queste; 
 fotogrammetria da drone, tecnica degli ultimi anni, basata sulla 
teoria aerofotogrammetrica, se l’acquisizione avviene tramite 
microdroni (micro-UAV), cioè velivoli senza presenza umana a 
bordo, pilotati da remoto da una stazione a terra. 
Nella prassi consolidata si parla di fotogrammetria dei vicini, o Close Range 
Photogrammetry, quando gli oggetti interessati risultano situati ad una 
distanza inferiore a circa 300 m dalla camera da presa fotogrammetrica, e come 
fotogrammetria dei lontani, quando gli oggetti sono situati a distanze 
maggiori. 
Il processo fotogrammetrico tradizionale è riassumibile in: 
1. acquisizione/registrazione delle immagini; 
2. orientamento delle immagini e ricostruzione del modello tridimensionale 
attraverso tecniche stereoscopiche; 
3. restituzione, cioè misura dell’oggetto e formalizzazione numerica o grafica 
delle sue caratteristiche dimensionali. 
A puro scopo divulgato, descrivo i 2 principali strumenti utilizzati per la 
restituzione, anche se il primo di essi non è più utilizzato: 
 fotogrammetria tradizionale se l’immagine disponibile è su supporto 
fotografico; 
 fotogrammetria digitale se l’immagine è registrata in forma digitale. 
La ricostruzione del modello passa storicamente attraverso due approcci:
- 7 -  
 analogico, in cui è l’azione fisica di componenti ottici, meccanici ed 
elettronici a ricostruire le corrispondenze geometriche, sistema ormai 
superato; 
 analitico, in cui la ricostruzione è affidata alla modellazione matematica 
rigorosa supportata dall’elaborazione digitale. 
La fotogrammetria può generare due tipi di prodotti, a sua volta suddivisibili 
in diversi output: 
 prodotti immagine, derivati da immagini originali per trasformazioni 
geometriche più o meno complesse 
 fotopiani: costituito da uno o più fotogrammi raddrizzati, ovvero 
corretti in modo tale che il piano del fotogramma, il piano principale 
dell'obiettivo e il piano di proiezione si incontrino lungo una retta 
 ortofoto: attraverso un modello geometrico tridimensionale l’immagine 
viene geometricamente corretta, passando dalla prospettiva di 
acquisizione ad una proiezione ortogonale, in modo che la scala sia 
uniforme 
 mosaici: accorpamenti di immagini singole raddrizzate o ortorettificate 
per realizzare una copertura unitaria dell’area di interesse 
 prodotti numerici puntuali o vettoriali, in cui la restituzione passa 
attraverso la determinazione di punti oggetto in un sistema di riferimento 
tridimensionale: 
 cartografie: punti quotati o curve di livello 
 disegni vettoriali 
 profili 
 
Fotogrammetria terrestre non convenzionale 
Nel corso del tempo, l’impiego della fotogrammetria terrestre tradizionale, è 
rimasto limitato nel campo del rilievo architettonico degli edifici e 
archeologico. 
Per risolvere i problemi della fotogrammetria tradizionale, nell’ambito del 
rilievo fotogrammetrico terrestre, sono stati concepiti e messi a punto svariati 
sistemi di fotogrammetria non convenzionale che possono essere utilizzati