Analizziamo dnel dettaglio in questo articolo estratto dal volume Diagnosi del degrado: metodi avanzati per lo studio dei materiali e dell’ambiente costruito degli autori Matteo Felitti, Lucia Rosaria Mecca e Nicola Santoro, edito da Maggioli Editore.
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Structure from motion
Tre fotografie scattate con una sovrapposizione di almeno il 50% consentono l’individuazione di un punto nello spazio. Per la ricostruzione esaustiva di oggetti e scenari occorrono da poche centinaia a diverse migliaia (non esiste alcun limite di principio al numero di fotogrammi che è possibile processare) di fotografie scattate con sensori fotografici montati su cavalletto, aste, droni e aerei.
Strategie raffinate di calcolo parallelo consentono di ottenere restituzioni di miliardi di punti, ma questi sono casi di nicchia. Nella stragrande maggioranza dei casi dello studio delle patologie edilizie, spesso occorrono poche decine di fotografie o addirittura una singola foto se utilizziamo i principi della fotometria stereo.
La trattazione matematica del processo fotogrammetrico è robusta ed affidabile e consente, se usata in combinazione con tecniche fotografiche mediate da reti neurali, di ottenere una restituzione tridimensionale di qualità impensabile fino a pochissimi anni fa.
Negli ultimi 7 anni sono stati compiuti importanti progressi negli algoritmi di ricostruzione chiamati structure from motion. Esiste un’ampia scelta di programmi, molti dei quali open source, che supportano il lavoro di ricostruzione tridimensionale ed il processamento delle nuvole dense.
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La nuvola densa fluida
Le tecniche di rilievo sono state rese omogenee in un flusso di lavoro nel quale la tomografia, la radiografia e più in generale tutti i metodi di produzione della nuvola densa sono stati utilizzati con approccio fotogrammetrico.
La topografia classica prevede tipicamente la restituzione di piani quotati, a curve di livello, ortofoto e tutto quanto ruota intorno al concetto di una visione statica del rilievo partendo dalla nuvola densa. Per lo studio del monitoraggio continuo del mondo costruito a fini diagnostici occorre introdurre il concetto di rilievo nel tempo e, conseguentemente, di nuvola densa fluida.
Per comprendere il concetto di “nuvola densa fluida” immaginiamo la differenza che intercorre tra un fotogramma e un video. Un video è una successione di fotogrammi nel tempo: allo stesso modo la nuvola densa fluida è una successione georeferenziata di nuvole di punti catturate a determinati istanti ed in successione temporale.
Una nuvola di punti georeferenziata è una matrice spaziale di punti dotata di coordinate geografiche in un convenzionale sistema di riferimento. Produrre 30-60 nuvole dense al secondo di un ponte o un viadotto potrebbe apparire velleitario: muovere nello spazio e nel tempo miliardi di punti sembrerebbe impresa impossibile con gli strumenti a disposizione oggi.
Tuttavia è possibile farlo ricorrendo a tecniche di programmazione originali ed inedite, in cui l’intelligenza artificiale gioca un ruolo importante. Apparentemente la tomografia non avrebbe alcun punto di contatto con la fotogrammetria ed il laser scanner, sia per impostazione metodologica che per l’elevato grado di specializzazione degli operatori coinvolti. Tuttavia questi metodi di analisi per immagini (compresi quelli della geomatica) condividono il prodotto finale, cioè la nuvola densa. Siamo partiti da questa impostazione per riscrivere codici di calcolo e costruire strumenti di scansione mossi dai principi della ricostruzione structure from motion, cioè la fotogrammetria moderna.
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Fotogrammetria inversa
Cos’è la fotogrammetria inversa? È una tecnica di ricostruzione che fa uso massivo della computer grafica per trattare i dati topografici al fine di restituire la trasposizione digitale fotorealistica dell’ambiente costruito.
Nella ricostruzione structure from motion esiste un approccio circolare nel quale si produce la nuvola di punti persino da altre nuvole. Nuvole che generano altre nuvole e caratterizzano determinati fenomeni fisici e chimici con restituzione finale fotorealistica. Il fotorealismo, apprezzato in numerosi settori come la conservazione dei beni culturali e il mondo cinematografico e dell’intrattenimento, è fondamentale, per l’analisi dell’oggetto compiuta attraverso la “computer vision”, cioè la visione artificiale addestrata nell’analisi strutturale, idraulica, meccanica, deformativa dell’ambiente fisico.
Ottenere un rilievo tridimensionale accurafto e fotorealistico dei lavori è sempre una eccellente idea, a patto che i costi siano contenuti ed i risultati producibili quasi in tempo reale.
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Il rilievo moderno
In una visione olistica del cantiere edile, la costruzione di un’opera avviene ad ogni istante. Le trasformazioni dell’ambiente fisico costruito avvengono continuamente: anche durante le fasi di “riposo” delle maestranze e dei mezzi d’opera. Ogni lavorazione o interazione con l’ambiente fisico circostante porta a variazioni significative che possono impattare drasticamente sui costi di costruzione e su una infinità di fattori non sempre prevedibili.
Ma questo è solo un piccolo esempio. Il concetto di fondo è che acquistare o noleggiare un laser scanner, una fotocamera termica in combinazione ad una classica reflex avrebbe poco senso se non si immaginasse un flusso di lavoro come quello descritto: sono macchine costose che occorre ammortizzare, immaginando nuovi usi e proponendo servizi altamente professionali.
Occorre avere una visione del rilievo che supera lo schema classico che vede la caratterizzazione topografica del sito a fini amministrativi, contabili o gestionali.
Il rilievo moderno deve essere impostato come flusso documentale in almeno 4 dimensioni: la tridimensionalità geometrica con caratterizzazione dell’informazione dei fenomeni fisici e chimici e il fattore tempo.
Per saperne di più, continua a leggere dal volume
Diagnosi del degrado: metodi avanzati per lo studio dei materiali e dell’ambiente costruito
Il manuale descrive i risultati ottenuti dall’uso di alcune tecniche avanzate di diagnostica strutturale pensate per i professionisti del cantiere e per gli studiosi delle patologie edilizie, con taglio pratico. È stato scritto per essere letto da un vasto pubblico, senza la pretesa che il lettore abbia specifiche competenze sulle nuvole di punti e rilievi tridimensionali. Ognuno degli autori ha una consolidata esperienza nel proprio ambito, e tutti sono animati dal desiderio di innovare, cercare soluzioni nuove a problemi affrontati nella prassi quotidiana degli strutturisti, dei tecnologi del calcestruzzo o dei patologi delle strutture edilizie. Attraverso una raccolta di oltre 140 tavole a colori commentate, il manuale descrive e analizza i metodi avanzati per la diagnosi del degrado: dalla fotogrammetria di cantiere alle tecniche tomografiche nello studio dei materiali; dal rilievo tridimensionale (macro e microscopico) delle patologie edilizie all’uso della tecnologia del laser tridimensionale. L’opera fornisce utili indicazioni sulle analisi dei carotaggi del calcestruzzo e sull’espulsione del copriferro e dei distacchi oltre ad approfondire diversi altri aspetti legati all’innovazione nella diagnostica predittiva per la conservazione delle prestazioni nel tempo dei manufatti di ingegneria civile. Matteo Felitti Titolare dello studio Engineering & Concrete Consulting, si occupa di calcolo strutturale, dissesti statici nelle costruzioni esistenti, degrado dei materiali e risoluzione di contestazioni. Svolge attività di consulenza presso aziende che operano nel settore della prefabbricazione e della fornitura di calcestruzzi prestazionali. Cultore di Scienza delle Costruzioni, docente Esterno di “Calcolo Automatico delle Strutture” presso l’Università degli Studi di Napoli Federico II. Ispettore di ponti, viadotti e passerelle. Lucia Rosaria Mecca Ingegnere strutturista, titolare dello Studio MeccaIngegneria. Si occupa prevalentemente di progettazione e direzione lavori di opere ed infrastrutture realizzate in ambito civile e industriale. Svolge attività di consulenza negli ambiti dell’ingegneria geotecnica e strutturale per professionisti e società in ambito nazionale e internazionale. Autrice di testi e pubblicazioni per collane e riviste di settore. Nicola Santoro Ricercatore autonomo nel settore della computer grafica e dell’Intelligenza artificiale applicata alla geomatica. Laureato in ingegneria civile all’Università degli studi di Salerno. Relatore in convegni e seminari tecnici. Autore di testi e pubblicazioni per collane e riviste del settore. Attualmente lavora a Napoli presso l’Agenzia delle Dogane e Monopoli.
Matteo Felitti, Lucia Rosaria Mecca, Nicola Santoro | 2022 Maggioli Editore
30.00 € 28.50 €
Foto:iStock.com/Philipp Berezhnoy
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