Geomatica non ortodossa per rilievi e monitoraggi con modelli 3d intelligenti è un articolo importante, in cui vengono esposte metodologie innovative ed applicazioni avanzate di indagine, anche chimica e fisica, tridimensionale su ponti e viadotti per valutarne lo stato di degrado eventuale. Tali metodologie sono comunque applicabili ad altre tipologie di strutture ed oggetti, con i necessari adattamenti operativi.
Nell’articolo si illustrano l’approccio ed il metodo facendo riferimento, in particolare, al caso applicativo per l’analisi del degrado di un ponte sul fiume Basento, nella città di Potenza, in Basilicata.
L’articolo è realizzato da:
- Prof. Ing. Matteo Felitti,
- Ing. Lucia Rosaria Mecca,
- Ing. Nicola Santoro,
con la collaborazione di iMAGE S e dell’Ing. Donato Marcantonio.
“A mio padre, nella battaglia più difficile della sua vita, combattuta mentre un sogno diventa realtà” Nicola Santoro.
Premessa
Nel 2022 numerose sono le definizioni che possono essere date alla scienza geomatica e tutte argomentano sul tema della tecnologia di rilevamento e trattamento informatico dei dati relativi al pianeta terra e all’ambiente. Tuttavia questa definizione, largamente condivisa dalla comunità scientifica internazionale, alla luce dei recenti sviluppi tecnologici, rimane troppo generica e circoscritta limitandone sensibilmente i campi di applicazione.
La cosiddetta “geomatica non ortodossa”, nel senso di estensione degli ambiti d’uso e delle tecnologie utilizzate, comprende tutto quello che interagisce con il pianeta e con lo stato chimico e fisico della materia, con la descrizione statica e dinamica delle forme liquide e gassose. In tal senso anche il rilievo acustico tridimensionale, il moto magnificato e la fotoelasticità tridimensionale trovano negli strumenti geomatici un robusto flusso di lavoro che consente la caratterizzazione geometrica e la descrizione continua nel tempo, cioè il monitoraggio nello spazio bidimensionale e tridimensionale con gli stessi strumenti in uso della disciplina “classica”.
Geomatica classica VS Geomatica non ortodossa
Nel seguito descriveremo cosa si intende per geomatica “classica” e “non ortodossa”, confidando che a breve, come già successo in passato, l’uso di nuovi strumenti nei flussi di lavoro consolidati diventi patrimonio comune della scienza geomatica.
- La geomatica è informatica, intesa finora come scienza della rappresentazione e dell’elaborazione dell’informazione applicabile attraverso lo sviluppo di attrezzature e di metodi, modelli, algoritmi e programmazione. Ma nel 2022 la geomatica non ortodossa è soprattutto intelligenza artificiale, cioè la frontiera estrema dell’informatica, tecnologia dirompente capace di aumentare sensibilmente la potenza di indagine e di elaborazione di scenari.
- La geomatica è cartografia, in quanto descrizione della forma e delle dimensioni della Terra e dei suoi particolari, naturali e artificiali, mediante la rappresentazione grafica o numerica di zone più o meno ampie della superficie terrestre secondo regole prefissate. La cartografia nella geomatica non ortodossa non rappresenta solo la Terra ma la rigorosa proiezione piana di qualsiasi fenomeno osservato nello spazio a n dimensioni.
- La geomatica è geodesia, cioè la scienza che studia la forma e le dimensioni del pianeta Terra, il suo campo gravitazionale esterno in funzione del tempo: la geodesia rimane ancorata alla definizione classica di questa scienza.
- La geomatica è topografia, nata con la geodesia e pertanto integrata con essa, che consiste nell’insieme delle procedure del rilievo diretto del territorio. Il rilievo oggi si estende oltre il territorio, coinvolgendo le sue parti, opera dell’uomo. Le tecnologie oggi disponibili sono molto evolute e consentono di velocizzare molte operazioni di misura, anche grazie all’intelligenza artificiale, più propriamente quella definita oggi “debole”.
- La geomatica è fotogrammetria, come scienza che determina la posizione e le forme degli oggetti a partire da misure eseguite su immagini fotografiche degli oggetti stessi. Oggi la fotogrammetria di nuova generazione è uno strumento potente e veloce di ricostruzione tridimensionale a partire da immagini ottenute da numerosi strumenti in molteplici lunghezze d’onda che superano il limitatissimo campo del visibile: in tal senso ricomprende i nuovi sensori fotografici iperspettrali, l’acustica visuale, la radiografia digitale e la cosiddetta tomografia fotogrammetrica. In questo breve articolo descriveremo un approccio innovativo, quello della cosiddetta “iperspettralità di prossimità”, cioè l’uso di strumenti innovativi per costruire rilievi di dettaglio iperspettrali, al fine di compiere nuovi tipi di indagine chimica sul degrado dei materiali da costruzione attraverso la nuvola di punti.
- La geomatica è telerilevamento, quello che gli anglosassoni chiamano “remote sensing” cioè la disciplina tecnico-scientifica con finalità di diagnostica che permette di ricavare informazioni quantitative, sull’ambiente e sugli oggetti posti a distanza da un sensore che interagisce con le superfici fisiche indagate. La geomatica non ortodossa integra i flussi di lavoro della diagnostica per immagini medicale e le più avanzate tecniche di motion detection che fanno ampio uso dell’intelligenza artificiale. Da questo punto di vista la fotogrammetria di grado metrologico rappresenta un importante progresso che sfrutta sensori economici non a contatto, rendendo le procedure estremamente speditive ed efficaci.
- La geomatica è scansione laser, per la misurazione e la ricostruzione tridimensionale.
- La geomatica è posizionamento satellitare, che consente la determinazione della posizione tridimensionale di oggetti anche in movimento nello spazio e nel tempo su tutto il globo terrestre, in qualsiasi condizione meteorologica e in modo continuo. Naturalmente, grazie agli sviluppi delle tecniche di “motion detection”, la tecnica satellitare si integra con sensori a terra e/o a distanza ravvicinata per indagare a livelli di dettaglio sensibilmente più elevati i fenomeni fisici e chimici oggetto di studio.
- La geomatica non ortodossa è uso della velocimetria visuale e della tecnica di correlazione delle immagini supervisionata dagli strumenti della geomatica: misura del campo di moto di un fluido e misura delle deformazioni nello spazio tridimensionale.
- La geomatica non ortodossa è tomografia e radiografia: può gestire con strumenti potenti e consolidati questi flussi di dati, indagando l’intima essenza della materia attraverso la nuvola di punti “piena”, cioè estesa agli strati profondi della materia.
- In ultimo, non certo per importanza, la geomatica ricomprende i sistemi informativi geografici, che nella visione non ortodossa estende i casi d’uso in ambiti e discipline apparentemente molto distanti dagli impieghi classici, legati al settore dell’ingegneria industriale e dell’informazione, alla visione artificale e alla computer grafica tridimensionale.
La tomografia e la radiografia digitale unite alla fotogrammetria di ultima generazione rappresentano l’evoluzione della geomatica in grado di fornire strumenti potenti non solo di rappresentazione ma anche di progettazione e di analisi. Nell’approccio classico nulla viene detto in merito alle caratteristiche degli strati profondi dell’oggetto rilevato: i tempi sono maturi grazie alla messa a punto di nuovi metodi e flussi di lavoro in grado di colmare questo gap rispetto ai metodi di diagnostica per immagini che hanno visto nella chirurgia e nella medicina un importante progresso.
Pur essendo la tridimensionalità una caratteristica ormai consolidata nel flusso di lavoro del geomatico questa descrizione geometrica risulta sempre limitata alla pelle dell’oggetto indagato. In questo contributo descriveremo la tecnica di caratterizzazione chimica tridimensionale focalizzata sull’indagine di ponti e viadotti, fornendo anche alcuni cenni sull’approccio tomografico e radiografico attraverso le nuvole dense “piene”, che verrà trattato in una pubblicazione successiva.
iMAGE S nasce nel 1994. E’ una azienda italiana che opera con competenza ed elevata professionalità nel mercato della visione artificiale e nel settore geospatial si pone come punto di riferimento nel nostro Paese per chi sviluppa sistemi di visione. E’ stato quindi possibile condurre una ricerca unica nel suo genere grazie all’indagine iperspettrale di prossimità condotta con una fotocamera Specim IQ dell’azienda Finlandese Specim, Spectral Imaging Ltd di cui iMAGE S è distributore ufficiale per il mercato italiano.
Questa realtà imprenditoriale offre anche strumentazione avanzata per la misura ed il rilievo: è stata quindi l’occasione per testare sul campo il laser scanner Polaris della Teledyne Optech, leader mondiale da oltre 40 anni nella realizzazione di sistemi lidar terrestri ed aerei, di cui iMAGE S è distributore ufficiale per il mercato italiano. Di iMAGE S fa parte l’ingegnere Donato Marcantonio che ha supportato le fasi di acquisizione iperspettrale e laser scanner.
Il Prof. Ing. Matteo Felitti e l’Ing. Lucia Rosaria Mecca dello Studio MECCAINGEGNERIA hanno analizzato in dettaglio le criticità strutturali ed il degrado dell’infrastruttura orientando le fasi di acquisizione dei dati. La scelta del ponte sul Basento dell’Ing. Sergio Musmeci per compiere le prime indagini massive iperspettrali tridimensionali in Italia è nata da alcune considerazioni relative alla unicità dell’opera ed al suo stato di conservazione che presenta importanti criticità.
Per originalità e tecnica di costruzione utilizzata dal suo geniale progettista, oltre che alle condizioni di degrado che interessano il manufatto, abbiamo voluto condurre sull’opera indagini di cantiere sperimentali sfruttando le esperienze pregresse e l’opportunità di utilizzare attrezzature uniche nel loro genere in questo momento in Italia.
Il superamento del concetto di gemello digitale: l’avatar del ponte sul Basento.
La geomatica non ortodossa combinata con la computer grafica offrono delle risposte concrete alla virtualizzazione del manufatto ed alla sua caratterizzazione chimica e fisica attraverso la confluenza dei controlli non distruttivi nell’avatar. Mentre il gemello digitale rappresenta, nella declinazione classica del Bim, la trasposizione del mondo costruito in un modello cad tridimensionale gerarchizzato in famiglie con attributi condivisi in una piattaforma informatizzata, l’avatar veicola senza alcuna mediazione o se vogliamo semplificazione schematica e modellistica predeterminata, il prodotto principe della geomatica, la nuvola densa, con approccio diretto, ottenendone grazie alla computer grafica, un potente strumento concepito per svolgere, attraverso l’apprendimento automatico, misurazioni dirette di campi di deformazioni sotto carico : la caratterizzazione degli stati tensionali. Nessuna mediazione modellistica tendente alla semplificazione dei dati catturati viene introdotta in questo flusso di lavoro: si usa direttamente il rilievo inteso come fatto geometrico eseguito con accuratezza topografica, arricchito di informazioni multispettrali su singolo punto nello spazio e nel tempo.
Oggi è possibile simulare fenomeni fisici e chimici con modelli matematici più o meno sofisticati: siamo in grado di progettare e realizzare con successo meravigliose strutture, eppure tutto questo bagaglio di conoscenza non fornisce risposte complete cimentandosi con il mondo costruito. Le strutture esistenti, infatti, necessiterebbero di approcci di studio ben differenti da quelli adottati in fase di progettazione che siano in grado di fornire informazioni corrette e complete sulle condizioni strutturali. Informazioni che peraltro rivestono un ruolo strategico per le opere e per le infrastrutture che pur molto vicine alla vita nominale continuano ad essere utilizzate, con carichi spesso gravosi e in un quadro normativo in continua evoluzione che ne richiede la verifica sul campo per il rispetto dei parametri prestazionali.
In questi ultimi anni è sempre più avvertita la necessità di monitorare ponti, viadotti e gallerie, e più in generale l’ambiente costruito. Spesso si tratta di una vera e propria emergenza: i sempre più frequenti collassi strutturali con i drammi umani e sociali che ne conseguono, impongono un urgente ripensamento dell’approccio al mondo costruito spesso in condizioni critiche di mantenimento. Importanti sviluppi nella geomatica e nella computer grafica supportata da quella che semplificando viene definita “intelligenza artificiale” offrono all’indagine strutturale dell’ambiente costruito strumenti nuovi e potenti per misurare deformazioni e spostamenti con metodi visuali non a contatto
Trasformare una camera iperspettrale in un potente strumento di indagine tridimensionale per modelli 3d intelligenti
Le precedenti esperienze di acustica visuale tridimensionale e di termografia 3D sviluppate sul ponte di Via Zappa, in Provincia di Como, nel territorio amministrativo della Città di Erba (CO), hanno permesso lo sviluppo di un flusso di lavoro che ha permesso la ricostruzione iperspettrale tridimensionale attraverso la nuvola densa. Peraltro la stessa tecnica ha consentito di superare i limiti della scarsa qualità del colore e dell’accuratezza dell’informazione colorimetrica del laser scanner sul punto che, con poche lodevoli eccezioni, è un limite di moltissimi strumenti sul mercato. La fotogrammetria di grado metrologico consente di raggiungere un livello di accuratezza sub pixel nella registrazione delle informazioni. Ad oggi esiste un unico algoritmo commerciale in grado di eseguire fotogrammetria di precisione per applicazioni avanzate di metrologia. Nel caso del rilievo del ponte sul Basento abbiamo utilizzato un approccio sperimentale basato sulla visione artificiale. Questa tecnica ha anche il vantaggio di eseguire i rilievi in assenza di luce, affidando l’aggiunta dell’informazione del colore in fasi diverse della campagna del rilievo. L’informazione iperspettrale richiede invece condizioni di luce ambientale ottimale che puo’ essere naturale o artificiale a seconda delle condizioni in cui si opera. Durante l’impiego della Specim IQ sono nate nuove strategie per l’impiego in condizioni estreme attraverso lo sviluppo di kit in grado di estenderne i campi di applicazione. Sulle membrane del ponte Musmeci è stato possibile individuare la presenza di ossidi di ferro su superfici apparentemente non interessate dai fenomeni di corrosione delle armature. Tuttavia l’impiego di firme iperspettrali preregistrate consente di estrarre molte informazioni sulla presenza di composti chimici sulle superfici in cls: da questo punto di vista la macchina è in grado di essere programmata e restituire tutte le informazioni richieste dal tecnico strutturista direttamente in cantiere, senza l’ausilio di computer o hardware aggiuntivo.
Una strategia seguita per il Ponte Musmeci è stata quella di virtualizzare un ambiente di lavoro completamente basato su nuvole dense, dove lo stesso diagramma iperspettrale è diventato un oggetto a matrice di punti nello spazio tridimensionale.
Portare l’imaging iperspettrale nella terza e quarta dimensione (il tempo) è stato un obiettivo ambizioso raggiunto grazie alla SPECIM IQ, un dispositivo rivoluzionario ed estremamente pratico per le indagini iperspettrali prodotto dalla Spectral Imaging Ltd. Grazie alla fine mosaicatura dei dataset iperspettrali, all’intelligenza artificiale e a innovative tecniche di registrazione automatica dei dati del laser scanner e della fotogrammetria, è stato possibile ottenere nuvole dense stratificate con l’intero spettro catturato dal dispositivo ed interrogabile tramite tresholding attraverso gli strumenti disponibili negli ambienti di lavoro basati su matrici di punti spaziali.
La tecnica di correlazione delle immagini (DIC) e la velocimetria particellare (PIV).
Esistono metodi raffinati conosciuti ed apprezzati da tecnici, ricercatori e studiosi a livello internazionale che consentono di estrarre informazioni sulle deformazioni, sui campi di velocità, da fotografie e flussi video. Tutti i nostri sforzi sono rivolti al raggiungimento di un unico obiettivo: alimentare l’avatar strutturale con informazioni coerenti sugli aspetti chimici e fisici senza alcuna mediazione modellistica. Con l’iperspettrale di prossimità siamo finalmente in grado di svolgere studi approfonditi sulla chimica del degrado e combinare queste informazioni con le deformazioni ed i moti di vibrazione della struttura grazie al rilievo del moto magnificato. Dal punto di vista di un geomatico che utilizza nel proprio flusso di lavoro i metodi della fotogrammetria e del rilievo laser scanner tridimensionale, l’uso diretto della fotografia o del flusso video non preventivamente trattato, nonostante sia ottenuto da strumenti professionali di nicchia, porta con se errori di deformazione che vanificano gli sforzi di apprezzare, con codici di calcolo molto raffinati, spostamenti, campi di velocità ed accelerazioni attraverso l’uso combinato della metodologia PIV e DIC.
Grazie alle reti neurali appositamente addestrate, ai codici Structure From Motion e a tecniche ibride di registrazione, i dati di questi sensori vengono processati e resi coerenti ottenendo la correzione matematica degli errori, certificando una accuratezza tale da validare le misurazioni ottenute dagli algoritmi di correlazione delle immagini. Questo processo avviene in modalità automatica e in tempi ragionevolmente veloci, consentendo l’estensione del metodo DIC e PIV a tutta la struttura, compreso il contesto ambientale (corsi d’acqua e pendii).
Le mappe UV
Nel campo della Computer Grafica le mappe UV, quelle che gli ingegneri chiamano comunemente mappe XY, sono le proiezioni sul piano dell’oggetto tridimensionale. Semplificando, queste mappe “scartano” sul piano un oggetto 3D attraverso delle deformazioni ottenute con calcoli matematici eseguiti dall’algoritmo. Ogni punto del piano ha la perfetta corrispondenza nello spazio.
Perché usare le mappe piane in un flusso di lavoro di rilievo ed elaborazione tridimensionale? Il motivo principale è legato alla interfaccia uomo-macchina ed alla particolare tecnica utilizzata dal Gruppo di Lavoro. Numerosi sono i codici AI potenzialmente utilizzabili per indagini strutturali e le reti neurali che processano i dati, eseguono elaborazioni fini e impegnative dal punto di vista computazionale, usano fondamentalmente fotografie.
Occorre chiarire che, per i fini legati al mondo della diagnostica e del monitoraggio che fa uso di controlli non distruttivi e non a contatto, Le mappe UV non sono un prodotto strettamente legato al mondo delle texture: spesso sono nuvole di punti riproiettate sul piano, perché in alcune fasi dell’elaborazione utilizzata dal Gruppo di Ricerca la nuvola densa deve essere usata in questo particolare modo.
Tralasciando per brevità la trattazione matematica alla base del processamento è stato messo a punto un procedimento che consente di trasformare biunivocamente i dati letti da diversi sensori (multispettrale, camere slow motion, ecc) da rilievo tridimensionale a mappe XY dinamiche, ovvero in grado di registrare nel tempo le variazioni spaziali. Queste mappe XY sono lette da algoritmi PIV e DIC che consentono la lettura continua delle deformazioni attraverso l’avatar. Codici di machine learning trasformano le mappe UV in oggetti idonei ad essere processati in flussi di lavoro finora confinati alle indagini sui materiali in laboratorio.
La visione artificiale usa l’avatar per monitorare i campi di deformazione e spostamenti, oltre che i dati di caratterizzazione acustica visuale, in modo “naturale” simulando la visione umana, giungendo a definire scenari critici. L’acustica visuale, lo studio dei transienti acustici opportunamente filtrati e georeferenziati hanno un ruolo importante nel monitoraggio continuo e nella diagnostica automatica che fa uso dell’intelligenza artificiale.
L’ispettore di ponti può far uso di visori di realtà virtuale e/o aumentata per ispezionare la struttura, interagendo in tempo reale, visualizzando le deformazioni e valutando il comportamento reale sia su base qualitativa che quantitativa. Con mappe di colore e scale di sollecitazioni programmabili in base alle specifiche esigenze può vedere quali parti sono maggiormente caricate e quali meno.
Le mappe XY concepite per un uso in indagini strutturali sono spesso oggetti di notevole dimensione che non ammettono semplificazione (riduzione che invece è imprescindibile nei flussi di lavoro video ludici dell’industria dei videogiochi, per consentire una fruizione reattiva nelle applicazioni orientate all’intrattenimento). La densità di informazione a livelli più spinti è invece cruciale per l’ingegneria strutturale perché consente l’estrazione accurata di dati sui campi di deformazione e sulla misura del degrado attraverso raffinate tecniche di registrazione e variazione colorimetrica (si pensi alle indagini di fluorescenza UV, IR, ecc.).
I codici di calcolo Structure From Motion generano notoriamente mappe scarsamente leggibili in modo “naturale” e difficilmente editabili. Tuttavia attraverso alcune librerie sperimentali è stato possibile sfruttare utilmente alcuni codici SFM per la generazione di mappe con caratteristiche specifiche orientate al monitoraggio: parti discrete di forma leggibile e restituite per l’editazione “naturale”. Queste “isole” sono “ingegnerizzate” per le indagini di velocimetria e correlazione delle immagini. Solo grazie alla Geomatica ed ai suoi flussi di lavoro e trattazione del dato è stato possibile gestire mappe XY di dimensioni virtualmente illimitate con la fluidità e la produttività tipica del mondo dei Sistemi Informativi Territoriali.
E’ importante sottolineare quanto sia importante avere l’identica mappatura ad isola in caso di scansioni successive di parti salienti del manufatto. I fotogrammetristi e i professionisti di computer grafica sanno benissimo che il processo fotogrammetrico di generazione delle mappe UV restituisce sempre un prodotto coerente con la ricostruzione tridimensionale ma diverso dal precedente nella generazione delle mappe piane. Questo passaggio è cruciale per gli strutturisti in quanto gli studi sulle strutture esistenti si basano sul confronto di dati coerenti tra un determinato istante ed il successivo. Questo passaggio non è ottenibile attraverso i tradizionali metodi di ricostruzione Structure From Motion ed ha richiesto l’approntamento di un nuovo metodo battezzato dagli autori di “fotogrammetria inversa”. Un processamento SFM dei dati geospaziali inedito concepito per gli strutturisti e gli esperti di patologie edilizie.
Gli studi in corso ed i risultati molto promettenti consentono di sfruttare le tecniche proprie della Geomatica al servizio dell’Ingegneria Civile. Sono in corso ricerche oggetto di prossimi articoli che riguarderanno proprio l’utilizzo delle tabelle di misurazione degli spostamenti in strutture esistenti in esercizio (misure in pixel) per il post-processing sullo stato di deformazione e di tensione. Contestualmente il Gruppo di Ricerca sta lavorando sul moto magnificato e la fotoelasticità tridimensionale applicata alle strutture esistenti.
Nell’ambito dell’ingegneria strutturale l’utilizzo dei flussi di lavoro descritti permette la deduzione delle matrici delle funzioni di forma in modo completamente automatizzato generandole direttamente dalle mappe visuali opportunamente trattate con algoritmi dedicati.
