Validazione altimetrica di un rilievo LiDAR aereo del torrente Cormor

Validazione altimetrica di un rilievo LiDAR aereo del torrente Cormor 
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La larga diffusione di questa tecnologia nei principali campi dell’ingegneria ha sollevato 
un problema cruciale: determinare qual è l’effettiva precisione che si può raggiungere con 
questo sistema in relazione alle garanzie e alle certificazioni che devono essere fornite 
assieme ai prodotti cartografici che ne derivano. Per questo motivo, gli operatori del settore 
hanno promosso degli studi finalizzati alla verifica della qualità delle misure che vengono 
raccolte. Alla luce dei risultati conseguiti dopo anni di esperienza, il rilievo laserscanning si 
dimostra una tecnologia superiore in termini di produttività rispetto alle tecniche 
fotogrammetriche. Il problema, però, non è quello di accertare se il laser sia o non sia una 
tecnica di misura efficace, ma quale sia il grado di precisione che può raggiungere. 
In ambito pratico, non è sempre sostenibile sviluppare una rigorosa analisi degli errori 
che consideri l’interazione dei sistemi di posizionamento satellitare GPS, di orientamento 
inerziale INS e di telerilevamento LASER che compongono il laser scanner. Allo stato attuale 
infatti gli utilizzatori di questi servizi, che siano soggetti privati o enti governativi, per 
risalire ad grado di affidabilità di tali sistemi devono ricorrere a collaudi veri e propri dei 
rilievi. Non esiste neppure una procedura standard condivisa (almeno in ambito europeo) 
per il controllo dei dati.  
Lo scopo di questo lavoro è quello di trovare il modo di attuare una validazione per 
valutare l’accuratezza e la qualità delle misure ottenute da un rilievo LiDAR aereo alla luce 
delle più aggiornate metodologie e dei risultati documentati in letteratura. 
Si è proceduto ad esaminare in generale le pubblicazioni relative al problema, quindi è 
stato approntato un metodo di lavoro razionale adatto alla situazione operativa. Partendo 
dal rilievo LiDAR del torrente Cormor, a disposizione del gruppo di Geomatica 
dell’Università degli Studi di Udine, è stata eseguita la validazione dell’accuratezza 
altimetrica assoluta e relativa. All’interno del processo di verifica si è cercato anche di 
determinare l’accuratezza planimetrica di alcune aree test particolari. Individuate le zone di 
controllo, sono state eseguite delle campagne di misura DGPS di alcuni particolari manufatti 
la cui geometria si prestava bene per il confronto con il dato laser. La scelta del GPS come 
tecnica di misura per il controllo dei dati LiDAR è stata fondamentale per la rapidità di 
esecuzione e la grande affidabilità in termini di precisione. I dati raccolti sono stati elaborati 
e georeferenziati in modo da renderli omogenei a quelli del dataset LiDAR. Questi ultimi 
sono stati a loro volta trasformati per essere nelle condizioni di mettere in atto i confronti. 
Infine, terminate queste operazioni, è stato possibile procedere all’analisi statistica dei 
residui ottenuti dai confronti tra i dati GPS e i dati LiDAR grazie all’ausilio di un foglio di 
calcolo. 
Introduzione 
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Nel primo capitolo si spiega che cos’è il laserscanning, quali sono i componenti che lo 
costituiscono e come si articola la produzione e l’elaborazione dei dati LiDAR. 
Nel secondo capitolo, si richiamano i concetti teorici di accuratezza e precisione, ci si 
sofferma su quali siano le principali fonti di errore correlate ai componenti hardware e alla 
generazione dei prodotti cartografici. Nel medesimo capitolo si analizzano dettagliatamente 
un’ampia casistica di esperienze pubblicate in letteratura inerenti il problema della 
validazione. 
Nel terzo capitolo si descrive l’area oggetto dell’indagine topografica e in quello 
successivo si esaminano dettagliatamente le fasi di acquisizione e le caratteristiche dei dati 
laser oggetto dello studio. 
Il quinto capitolo, infine, rappresenta il nucleo centrale della tesi e in esso sono 
documentate le verifiche attuate. In particolare, nella prima parte è illustrato il processo di 
validazione: la metodologia per l’individuazione delle aree di test, le procedure di 
misurazione con il sistema GPS differenziale, l’elaborazione e la georeferenziazione delle 
misure effettuate in campagna, il trattamento dei dati laser per il confronto. Nella parte 
conclusiva sono presentati i risultati dell’analisi statistica degli errori sulla precisione 
altimetrica assoluta e relativa e sono riportati gli esiti dei due test eseguiti per la valutazione 
dell’errore planimetrico assoluto. 
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Capitolo 1  
Laserscanning 
 
 
 
1.1 Cos’è un rilievo laserscanning 
Il laserscanning è una tecnica di acquisizione topografica che permette di rilevare forme, 
dimensioni e posizione di un oggetto mediante la misura di un elevato numero di punti 
della sua superficie attraverso una sequenza di impulsi laser diversamente orientati. 
L’utilizzo di questa tecnologia ha svariate applicazioni: dal rilievo architettonico 
mediante apparecchiature a terra, alle tecniche per la generazione dei modelli digitali del 
terreno (DTM) dettagliati grazie all’uso di apparecchiature montate su aeromobili. 
L’intuizione dell’utilizzo del laser a scopi topografici ha avuto origine nei primi anni 
Settanta, ma solo negli anni Ottanta gli istituti di ricerca hanno sviluppato delle applicazioni. 
Negli anni Novanta sono nate le prime apparecchiature sperimentali che poi sono state 
commercializzate e stanno riscontrando un notevole successo per le importanti ricadute 
nella pratica professionale di tutti i giorni. 
Questa tecnologia è in costante evoluzione e i miglioramenti si spingono su tre linee 
principali di sviluppo: acquisire dati video e multispettrali ad alta risoluzione in 
concomitanza dell’acquisizione laser, incrementare la frequenza di impulso del sensore laser 
e aumentare la quota di volo.   
A conferma del primo punto negli ultimi anni si può osservare come i produttori di 
sensori laser abbiano sviluppato sensori ottici proprietari (Optech, Toposys, Enerquest) e come 
affermati realizzatori di sensori ottici si siano dotati di tecnologia laserscanning a cui 
affiancare i loro prodotti (Leica). 
Per quanto riguarda le frequenze di impulso ormai ci si spinge a valori che superano i 
100 kHz e questo è imputabile alla sempre maggior qualità dei diodi emettitori. 
Anche per quanto riguarda la quota operativa si sono fatti notevoli progressi ed essa è 
influenzata dalla potenza del sensore laser e dal valore di divergenza angolare che subisce 
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l’impulso. Da poche centinaia di metri di quota si è passati ad acquisizioni che arrivano a 
4000 metri di altezza dal suolo. 
La grande versatilità dei laser scanner e il costante sviluppo del software dedicato 
all’elaborazione dei dati raccolti fa sì che questa tecnica di rilievo si adatti a un vastissimo 
ambito di applicazioni civili per l’analisi, la pianificazione e la gestione del territorio e del 
patrimonio costruito. Le applicazioni tecniche sono all’ordine del giorno in ambito 
statunitense dove, come a titolo d’esempio, si può richiamare il programma di monitoraggio 
delle zone a rischio idraulico elaborato dalla FEMA (Federal Emergency Management Agency). 
Questo è anche l’unico ente governativo che fino ad ora ha elaborato una normativa specifica 
sull’acquisizione del dato laser e sulla qualità dei relativi prodotti. Anche in ambito europeo 
i progetti di studio in cui viene utilizzato il laserscanning aereo sono diversi  come, solo per 
citarne uno, il progetto di analisi dell’erosione delle coste nei Paesi Bassi. In ambito italiano, 
dopo un timido approccio a questa tecnologia, il laserscanning è diventato uno strumento 
attuale. Importanti esperienze si sono fatte per conto di alcune Autorità di Bacino (il rilievo 
del torrente Cormor è stato effettuato nell’ambito del progetto Interreg) o in ambiti di 
progetti comunitari (come ad esempio il progetto Interreg IIIA a cui ha partecipato 
attivamente il dipartimento di Geomatica dell’Università degli studi di Udine).  
1.2 Le componenti del laser scanner aereo e il loro ruolo 
Le componenti fondamentali che costituiscono un sistema laser scanner montato su 
aeromobile sono tre: una telemetro laser, un sistema INS di rilevatori inerziali (giroscopi, 
accelerometri) e un sistema di rilevamento GPS differenziale (DGPS). Lo scopo della misura 
consiste nel determinare con gran precisione il punto e la direzione (ovviamente) da cui 
parte il raggio laser per poi ricavare, mediante le misure di distanza fatte dal telemetro laser, 
la posizione precisa del punto sul terreno. 
Il raggio laser viene generato e ricevuto mediante una particolare emettitore montato su 
un aeromobile (aereo o elicottero) ed esso misura la distanza tra l’aeromobile e il punto 
illuminato. La direzione dell’impulso luminoso varia costantemente grazie ad uno specchio 
(rotante o oscillante) oppure per mezzo di un sistema a fibre ottiche e viene valutata in 
termini assoluti, calcolando la combinazione dell’inclinazione stessa della macchina da 
presa, del dispositivo deflettore e dell’inclinazione dell’aeromobile misurata mediante le 
apparecchiature INS. La posizione assoluta da cui ha origine l’impulso laser si determina 
grazie a delle misure GPS differenziali costituite da una stazione master a terra, posizionata 
su un punto di coordinate note, e dal ricevitore rover a bordo dell’aeromobile. 
Capitolo 1 – Laserscanning 
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Figura 1.1. Schema di funzionamento di un rilievo laserscanning. 
Tali apparecchiature sono generalmente integrate da camere fotografiche digitali per 
l’acquisizione delle immagini relative alle aree rilevate dal laser, in modo da ottenere un 
confronto diretto tra le due informazioni. Oltre alle camere fotografiche ci possono essere 
altri sensori che operano in parallelo con il laser, come ad esempio rilevatori di emissioni 
all’infrarosso, per avere così un’analisi iperspettrale dell’area indagata per ulteriori 
approfondimenti (archeologici, di inquinamento ambientale, sull’uso del suolo ecc.). 
1.2.1 Il telemetro laser 
Il LASER, ossia Light Amplification by Stimulation Emittied of Radiation, emette una 
luce monocromatica (una radiazione elettromagnetica con una precisa lunghezza d’onda 
determinata dalla quantità di energia rilasciata dall’elettrone che, da uno stato eccitato, 
ricade sulla sua orbita normale), coerente (tutti i fotoni sono emessi ad istanti regolari) e 
direzionale (la luce è convogliata lungo una direzione ben precisa).  
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Figura 1.2. Schema di funzionamento del LASER. 
Il raggio laser dunque è prodotto dal diodo emettitore e attraverso un sistema di lenti e 
specchi è diretto verso il terreno. Per quanto riguarda i sensori attualmente in commercio  ci 
sono principalmente tre modi per deflettere il raggio a terra ed effettuare la scansione: le 
fibre ottiche, lo specchio rotante e lo specchio oscillante. 
Le fibre ottiche sono il sistema adottato dai sensori TopoSys. Essi hanno i seguenti 
vantaggi: la frequenza di impulso non è legata all’angolo di visuale e all’altitudine del volo 
(il risultato è un campionamento denso), non sono necessarie calibrazioni una volta che è 
stato registrato in fabbrica e può essere installato sia sul lato, sia sulla parte anteriore 
dell’aeromobile. I principali svantaggi sono rappresentati dall’angolo di visuale costante, che 
comporta la scarsa adattabilità a particolari condizioni di scansione, e l’impronta a terra 
molto ampia. 
 
Figura 1.3. Schema di funzionamento del sistema di illuminazione laser a fibre ottiche. 
Capitolo 1 – Laserscanning 
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Il sistema a specchio rotante è costituito da un poligono riflettente motorizzato che ruota 
ad altissima velocità. Il vantaggio maggiore è legato al fatto che l’angolo di scansione può 
essere adattato in modo flessibile in base alle esigenze. Il sistema è semplice, affidabile e 
richiede un processo di calibrazione non molto complicato. I principali inconvenienti sono: 
gli errori dovuti al mancato allineamento della superficie riflettente tra l’impulso in andata e 
quello in ritorno (i punti registrati quando il raggio colpisce il poligono vicino agli angoli 
vengono scartati automaticamente), le scansioni si presentano come linee parallele e i punti 
raccolti ai margini delle linee di scansione sono affetti da errori consistenti (e quindi vengono 
eliminati). Questo metodo di deflessione è usato nei sistemi sviluppati da Terrapoint, Riegl, 
Toposys e IGI. 
Figura 1.4. Schema di funzionamento dello specchio rotante. 
Il sistema a specchio oscillante utilizza specialmente superfici in materiale ad elevata 
riflettività, come il berillio, montate su assi servo-assistiti. Il raggio laser colpisce questa 
superficie che subisce inclinazioni e spostamenti di entità e velocità che vengono controllate 
dall’operatore mediante un apposito software. Il profilo di scansione assume la forma del 
cosiddetto “dente di sega” e l’efficienza in termini di precisione, in funzione della 
distribuzione dei punti, è indipendente dalla direzione del volo. Le principali difficoltà sono 
legate al fatto che questo sistema necessità di un’accurata calibrazione e di un’attenta 
implementazione dei parametri di scansione per adattare il sensore alle condizioni operative 
ottimali. Questo tipo di specchio richiede una spesa maggiore e il materiale con cui è 
costruito l’elemento riflettente deve avere delle caratteristiche meccaniche eccellenti in 
termini di rigidità e leggerezza (berillio). Questo tipo di tecnologia è utilizzato dai più 
sofisticati sistemi forniti dalla svizzera Leica (ALS50) e dalla canadese Optech (ALTM 3100). 
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Figura 1.5. Il sistema dello specchio oscillante e due delle apparecchiature che utilizzano questo sistema, lo 
ALS50-II della Leica Geosystem (a sinistra) e lo ALTM3100 della Optech (a destra). 
La maggior parte dei sistemi laser emettono dei segnali ad impulsi e la distanza è 
misurata calcolando il tempo di volo che intercorre fra l’emissione e la ricezione del segnale 
(in questo caso viene calcolata la doppia distanza).  
2AB
t
L c
D
=   
con 83 10c= ×  [m/sec] 
Il tempo di volo è misurato in modo discreto, cioè somma di quantità di brevissimi 
intervalli, e ciò significa che anche la distanza è somma di brevissime distanze elementari. La 
risoluzione in termini di tempo dipende dalla frequenza che ha il generatore di impulsi 
1
t
f
d =   
 
Capitolo 1 – Laserscanning 
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e la risoluzione in termini di distanza è data dalla relazione 
2
t
L c
d
d =   
I sensori laser vengono progettati in modo tale che sia rispettata la condizione di non  
ambiguità nella ricezione del segnale, cioè, prima che venga emesso il raggio successivo, tutti 
gli echi di ricezione dell’impulso appena inviato devono essere tornati al sensore. Il tempo di 
andata e ritorno deve essere minore del periodo di emissione, cioè l’inverso della frequenza 
di emissione 
2 1h
c f
<  
 
2
2
c
h
f
c
f
h
<
<
  
Aumentare l’altezza massima dei rilievi laser comporta un abbassamento della densità di 
punti rilevati. In prima analisi spingersi ad altissime frequenze di emissione sembrerebbe 
eludere questo problema, ma come abbiamo visto, ad una data altezza, per rispettare la 
condizione di non ambiguità del segnale, la frequenza deve restare sotto un certo limite. 
Nonostante gli stretti angoli solidi in cui vengono convogliati i raggi laser, questi hanno 
comunque una divergenza che determina un’impronta al suolo di una certa dimensione che 
è in funzione dell’angolo di apertura e dell’altezza dal terreno. Per questo i raggi laser 
possono incontrare degli ostacoli che determinano delle riflessioni parziali del segnale 
(specialmente nelle zone con vegetazione fitta), inducendo così nel ricevitore delle 
ambiguità, in quanto per una singola emissione risultano due o più riflessioni. Spesso nel 
sistema opera un filtro che registra l’impulso di partenza e l’ultimo in arrivo. Questo è di 
massima importanza quando si vuole determinare il DTM, poiché solo l’ultima riflessione 
apparterrà al punto che è più vicino al terreno. 
 
Figura 1.6. Divergenza del raggio laser e impronta a terra. 
Certamente, se il rilievo è finalizzato ad analizzare il patrimonio costruito o a restituire il 
modello tridimensionale di una zona urbana, allora risulta molto più importante raccogliere 
il primo impulso riflesso, scartando quelli successivi. Nell’analisi delle biomasse, invece, sarà 
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necessario avere tutti i dati a disposizione per una stima del volume costituito dalla 
copertura vegetale.  
Per questo motivo i sensori laser più recenti sono corredati di un analizzatore della forma 
d’onda (waveform digityzer) del segnale riflesso. In questo modo è possibile individuare le 
riflessioni multiple, così da avere a disposizione le informazioni sulla presenza di ostacoli 
intermedi incontrati dal raggio laser. La presenza di riflessioni multiple e l’utilizzo di 
apparecchiature che misurano la modulazione dello spettro elettromagnetico riflesso 
rappresentano informazioni che, se correttamente interpretate, migliorano i risultati finali. 
L’elaborazione di particolari algoritmi che sfruttano questo tipo di dati permette di 
incrementare l’efficienza nella fase di classificazione. 
 
Figura 1.7. Un esempio dell’acquisizione LiDAR che sfrutta l’analisi della forma d’onda del segnale di ritorno. 
Un altro metodo per la determinazione delle distanze mediante laser è quello di 
utilizzare un sistema a multifrequenza. Il segnale laser infatti viene modulato in forma 
sinusoidale e vengono valutate le differenze di fase tra il segnale ricevuto e quello emesso. 
La distanza viene calcolata dallo scarto di fase misurato che è direttamente proporzionale al 
tempo che il segnale impiega a percorrere la distanza tra la sorgente e il bersaglio. La 
necessità di utilizzare due o più frequenze è dovuta alla determinazione dell’ambiguità 
iniziale, che nasce dal fatto che la lunghezza d’onda è generalmente più piccola del doppio 
della distanza tra l’aeromobile e il punto illuminato dal laser. Il problema comunque è 
analogo a quello descritto nei manuali di topografia relativamente ai distanziometri a 
differenza di fase.