Il versatile mondo del LiDAR

Il LiDAR (Light Detection And Ranging) afferma la sua utilità su ampia scala dimostrandosi una tecnologia estremamente versatile e apportando miglioramenti ai più svariati ambiti. L'evoluzione di questo strumento ci permette di creare rappresentazioni visuali del mondo come non lo abbiamo mai visto prima consentendo la ricostruzione di mappe tridimensionali dall'accuratezza inaudita. Il LiDAR è conosciuto in particolare per il suo impiego in ambito aerospaziale e meteorologico, per il telerilevamento della Terra e di altri corpi celesti, per lo studio e il monitoraggio ambientale, ma è presente ormai anche in alcuni dispositivi mobile con funzione di ottimizzazione delle applicazioni AR. L'articolo ha l'obiettivo di illustrare quali siano i campi di applicazione in cui questo strumento di precisione può essere impiegato apportando considerevoli miglioramenti delle metodologie operative.

Introduzione

La tecnologia LiDAR si diffonde per la prima volta negli anni 60 in ambito aerospaziale, subito dopo la comparsa dei primi laser, ma la vera diffusione avverrà appena negli anni 80 grazie all'integrazione con altre tecnologie come GPS e IMU. Proprio tale integrazione ha permesso l'affermazione definitiva del LiDAR in quanto strumento estremamente utile in numerosi ambiti disparati. L'avanzamento tecnologico del LiDAR avviene inizialmente con la mappatura di corpi celesti, lo studio topografico della luna, il monitoraggio dell'atmosfera e l'individuazione di bersagli e target. Nel corso degli anni la diffusione del LiDAR cresce e quest'ultimo inizia ad affermarsi come strumento ideale in molti campi di applicazione: rilevamento topografico, cartografia, geologia, scienze della terra, oceanografia, generazione di modelli predittivi climatici della Terra e di altri corpi celesti, ecc. Oggi il LiDAR è uno strumento oramai consolidato appartenente alla famiglia dei sensori attivi fondamentali per le attività di remote sensing (telerilevamento). Gli sviluppi a riguardo continuano, un esempio ne è il LiDAR allo stato solido. Il LiDAR diventa una tecnologia altamente innovativa per tutti quei settori in cui il processo decisionale dipende dall'ottenimento di informazioni accurate relative a forma e dimensioni di superfici molto estese.

Sistemi LiDAR

I sistemi LiDAR vengono installati su piattaforme aeree, UAS (Unmanned Aerial System), elicotteri, droni, aeroplani, ma anche su robot mobili, veicoli o treppiedi. A seconda della funzione si distinguono diversi sistemi.

LiDAR per rilevamento topografico e batimetrico

Solitamente il LiDAR per il rilevamento topografico utilizza lunghezze d'onda nel vicino infrarosso e si occupa della mappatura della superficie terrestre, mentre il LiDAR batimetrico utilizza impulsi solitamente verdi o blu in grado di penetrare l'acqua per la misurazione dei fondali e l'osservazione della loro morfologia.

Sistemi LiDAR per applicazioni terrestri

I sistemi TLS (Terrestrial Laser Scanning) possono essere utilizzati da terra e si suddividono in sistemi stazionari o mobili, ovvero possono essere installati su veicoli mobili o su treppiedi. Lo scanning stazionario è spesso impiegato nelle attività di studio e ricerca, per esempio nella topografia convenzionale e per la costruzione di modelli 3D altamente realistici, ma anche per la supervisione delle autostrade, l'analisi delle infrastrutture e degli ambienti esterni e interni degli edifici. I sistemi stazionari possono acquisire dense nuvole di punti, spesso rilevate da diverse location, che vengono poi combinate per l'ottenimento di nuvole di punti più estese. La dimensione delle point cloud dipende dal tipo di sistema, che può essere a corto, medio o lungo raggio (i sistemi LiDAR stazionari necessitano di un maggior numero di scansioni effettuate da diverse posizioni). Utilizzare i sistemi stazionari implica un maggior controllo manuale, ma necessita di più tempo per le scansioni; solitamente, le nuvole di punti ottenute sono molto più dettagliate e precise dei sistemi LiDAR mobili. Tali scansioni risultano fondamentali per le attività di monitoraggio dinamico strutturale, conosciuto anche come SHM (Structural Health Monitoring). Per sistema LiDAR mobile (Mobile LiDAR System) s'intende invece il montaggio di uno o più LiDAR su veicoli mobili (su terra o aerei), per la raccolta dati lungo uno specifico percorso (utilizzato per esempio per il monitoraggio stradale, delle linee elettriche, di alberi o strutture pericolanti, ecc.). Solitamente, in questi sistemi, il laser LiDAR viene combinato con GPS, GNSS e IMU. I sistemi MLS comprendono una vasta categoria di dispositivi e strumenti che vengono implementati su equipaggiamento mobile (droni, aeroplani, elicotteri, automobili, veicoli autonomi, robot mobili, ecc.). I sistemi aerei sono particolarmente utili per l'acquisizione di point cloud di vaste regioni e di zone dal difficile accesso (grattacieli, ponti, luoghi disastrati da calamità naturali).

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