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Dal rilievo 3D superficiale al rilievo tomografico

Dal rilievo 3D superficiale al rilievo tomografico, lo stato dell’arte della geomatica non ortodossa. Stiamo parlando del passaggio dal rilievo spazio temporale del “guscio” dell’ambiente costruito al rilievo spinto all’intima essenza della materia. Un nuovo metodo operativo di cantiere, e non solo, per la caratterizzazione chimica e fisica dello spazio a n-dimensioni.

Rilievo 3D e render di un fronte di estrazione
Figura 1: Rilievo 3D e render di un fronte di estrazione di materiale lapideo. La differenza di densità nella restituzione della nuvola è dovuta alla creazione della nuvola densa volumetrica, punti che rappresentano l’intima essenza della materia estesa nel caso illustrato a 200.000 metri cubi di materiale.

Premessa

Nell’estate del 2021 nel numero 7 della rivista “Lo strutturista” fu pubblicato uno speciale dal titolo “La geomatica nella scienza e nella tecnica delle costruzioni” scritto da me insieme all’ing. Lucia Rosaria Mecca, l’ing. Francesco Oliveto e l’ing. Matteo Felitti.

Tre anni di esperienze condivise e confronti costruttivi tra la scienza geomatica e lo studio delle strutture, con colleghi professionisti esperti in settori molto specializzati. Il contributo editoriale illustrò diverse tecniche di monitoraggio tridimensionale, teorizzando e praticando metodi e creando al contempo le basi per gli sviluppi operativi odierni.

Tre anni prima della pubblicazione di questo articolo, la mia collega ed amica Ing. Lucia Rosaria Mecca mi disse, durante una pausa al convegno Codis tenuto a Firenze nel 2018: “Nicola, se riuscissi con una macchina fotografica a farci vedere le deformazioni con un metodo visuale, sarebbe stupendo”. E aggiunse “ricordati che per essere competitivi con i metodi di monitoraggio in uso bisogna essere accurati alla scala del centesimo di mm e costare ragionevolmente poco“.

Da questa interazione con l’ingegneria del monitoraggio ed i suoi problemi, è nata la “Geomatica non ortodossa”, (i cui principi fondanti sono stati descritti nell’articolo “Geomatica non ortodossa per rilievi e monitoraggi con modelli 3d intelligenti”).

Dal rilievo 3D superficiale al rilievo tomografico

Oggi sappiamo come realizzare un rilievo 3D nuvole di punti dinamiche, variabili nel tempo, associando informazioni chimiche e fisiche, e applicando i metodi di correlazione delle immagini nello spazio e nel tempo, superando i limiti del telerilevamento classico.

Tuttavia questo argomento verrà affrontato in una serie di contributi successivi, perché meritevole di doverosi approfondimenti. In questo lavoro viene presentata la nuvola di punti volumetrica, base di partenza per importanti sviluppi dei metodi classici di indagine, condotti alla dimensione conoscitiva superiore, quella dello spazio e del tempo fin dentro l’intima essenza delle opere d’arte.

La geomatica classica definisce e caratterizza un guscio tridimensionale

Qualsiasi strumentazione venga utilizzata, dal lidar, al TLS (laser scanner terrestre) alla fotogrammetria, il risultato è sempre la scansione della superficie del manufatto: che si utilizzi un metodo diretto o indiretto di misura, oggi il risultato del rilievo 3D massivo è quello della superficie, senza alcuna eccezione.

Semplicemente non sembra ancora esistere un metodo per creare nuvole dense piene estese a centinaia di migliaia di metri cubi di strutture, da cui derivare indagini ingegneristiche e di analisi meccanica, chimica o fisica che aiuterebbero gli studiosi e gli specialisti a indagare ciò che finora è stato solo teorizzato o dedotto indirettamente ed in modo molto localizzato.

Le indagini condotte dalla geomatica non ortodossa

La geomatica non ortodossa studia e indaga l’interno dei materiali, superando la visione della sola superficie e lo fa attraverso l’approccio olistico, che è qualcosa di molto diverso dalla multidisciplinarità, perché si riferisce alla gestione della complessità con approccio agile, attingendo dai saperi ciò che è strettamente necessario alla realizzazione di nuovi concetti e metodi operativi per risolvere problemi ancora aperti.

Oggi possiamo creare sistemi integrati che indagano l’interno dei materiali e l’esterno contemporaneamente, assegnando con accuratezza colori e texture ai punti sotto la superficie. Il colore sul punto è spesso accompagnato da scale a falsi colori, mentre in alcuni casi è realmente possibile assegnare la corretta colorimetria dell’osservazione a luce diretta.

In questa logica la nuvola di punti iperspettrale diventa il singolo mattone di una struttura di dati costruita strato dopo strato.

Intendiamoci: non si tratta di utilizzare i raggi x e gamma che fanno uso di fonti di energia e tecnologie molto costose ed energivore, oltre che spesso rischiose durante le operazioni di rilievo 3D. Nella mia esperienza professionale come funzionario dello Stato italiano ho avuto modo di verificare come sia possibile radiografare corpi solidi estesi anche per centinaia di metri, anche se l’uso, rispetto alle finalità della geomatica, è riduttivo e limitato al controllo merceologico previsto dalle normative italiane.

Certamente la fotogrammetria e la tomografia, soprattutto quella ottica a luce visibile condividono buona parte dell’hardware e dell’impostazione delle macchine di scansione, ma trattandosi di geomatica e non di esperimenti di laboratorio, occorre sviluppare strategie rivolte a volumi massivi di roccia, calcestruzzo, liquidi densi ecc.

Figura 2 Rilievo 3D e render
Figura 2: Render di una cava di estrazione di materiale lapideo vista dall’interno della montagna. La differenza di densità nella restituzione della nuvola è dovuta alla creazione della nuvola densa volumetrica. Nello specifico osserviamo anche l’uso combinato della fotogrammetria con un laser scanner terrestre (vedi particolare 2).

La geomatica non ortodossa descrive nello spazio e nel tempo le deformazioni geometriche, le caratteristiche chimiche e fisiche dell’ambiente costruito e naturale di ogni strato dei materiali.

L’approccio utilizzato permette di creare rappresentazioni accurate delle deformazioni profonde dei materiali naturali ed artificiali.

L’evoluzione del metodo velocimetrico e di correlazione delle immagini applicato alle nuvole dense volumetriche verrà trattato in un contributo editoriale successivo.

Studi avanzati in questo ambito sono ancora in corso, condotti insieme a specialisti di meccanica delle rocce e ingegneri geotecnici.

L’intervento dell’intelligenza artificiale

Lo sviluppo dirompente degli strumenti resi disponibili dall’intelligenza artificiale porta come conseguenza la rapida obsolescenza dei flussi di lavoro, che richiedono continui sforzi di aggiornamento. Come conseguenza i modelli di calcolo risultano spesso inadeguati rispetto ai prodotti della geomatica non ortodossa, che impongono la totale riscrittura degli algoritmi: operazione dispendiosa e non banale.

Ma come vincere la sfida dell’indagine massiva di strutture e materiali naturali? Una combinazione olistica di metodi su base tomografica, fotogrammetrica e intelligenza artificiale: il punto di arrivo della geomatica non ortodossa nel 2023.

Il caso della cava di estrazione materiale lapideo

Colonna volumetrica di ammasso roccioso.
Figura 3: Colonna volumetrica di ammasso roccioso.

In questo articolo viene presentato, attraverso le immagini, un caso di studio legato alla estrazione di materiale lapideo. Partendo dalle prospezioni geotecniche profonde, mediante l’uso dell’intelligenza artificiale resa disponibile nel 2023, è stato possibile definire la “genetica della stratificazione”.

La tomografia moderna utilizza un approccio matematico molto complesso nato negli anni ’70 che rende possibile la ricostruzione tridimensionale a partire da scansioni a strati del corpo umano. La tomografia e la fotogrammetria consentono di raggiungere i primi strati della pelle del corpo umano, utilizzando radiazione non pericolosa. Partendo da queste considerazioni è stato possibile colorare negli studi preliminari iniziati diversi anni fa gli strati dell’epidermide e la tecnica sviluppata è stata estesa allo studio delle rocce sedimentarie.

Il metodo tomografico

Il metodo ricostruisce con affidabilità elevata le stratificazioni reali, consentendo al contempo indagini conoscitive e ricostruzioni delle discontinuità profonde. L’uso delle reti neurali è il vero motore di questo processo molto impegnativo dal punto di vista computazionale. Tuttavia, l’uso dei moderni processori grafici rende finalmente possibili sviluppi impensabili solo un anno fa.

L’esperienza di esperti geologi e geotecnici diventa cruciale per guidare la geomatica nella restituzione di prodotti coerenti e validati. Lo scopo di questo lavoro è di illustrare un metodo di analisi e restituzione, in maniera semplice, pur evidenziando che i metodi matematici che hanno alimentato la restituzione tridimensionale verranno presentati da esperti in numerose discipline nelle sedi opportune nelle prossime settimane.

Figura 4: Processo di creazione della nuvola densa volumetrica.
Figura 4: Processo di creazione della nuvola densa volumetrica, partendo dalla prospezione geotecnica degli strati profondi. Il codice di calcolo realizza strato dopo strato la struttura interna dell’ammasso roccioso, producendo nuvole piene.

I passaggi che portano alla costruzione dell’ammasso roccioso partendo dalle prospezioni geologiche è concettualmente molto semplice. L’utilizzo non convenzionale del prodotto tridimensionale e la generazione additiva dell’intelligenza artificiale addestrata da geologi e geotecnici hanno permesso di realizzare quanto illustrato nella figura 4.

Conclusioni

L’auspicio di questo contributo è ancora quello di stimolare nei prossimi mesi un dibattito sull’uso spinto dell’olismo in geomatica, che diventi finalmente uno strumento direttamente spendibile nell’ingegneria, anche attraverso la realizzazione di modelli di calcolo di nuova concezione, quella che io chiamo la “geomatica di progetto e previsione”.

Articolo di Nicola Santoro

Ricercatore autonomo nel settore della computer grafica e dell’Intelligenza artificiale applicata alla geomatica.

Mi sono laureato nel 2001 in ingegneria civile all’Univesità degli studi di Salerno. Fin da bambino la mia passione è sempre stata quella di sperimentare e costruire. A 8 anni ho realizzato la mia prima casetta in legno multipiano nel giardino di casa. Capitava spesso in quegli anni di seguire in cantiere gli operai che edificavano le case dei miei genitori. L’altra mia passione è sempre stata quella del disegno tecnico, dell’illustrazione e dell’aerografo.

Dopo la laurea ho iniziato nel 2002 a lavorare per la pubblica amministrazione svolgendo l’attività di progettazione e direzione lavori in diversi ambiti, tra cui la progettazione fotovoltaica, l’illuminotecnica stradale e architetturale e prima di lasciare l’incarico comunale, diversi lavori di ingegneria naturalistica sul reticolo idrico maggiore e minore della Città di Erba, in provincia di Como.

Dalla fine del 2020 ho iniziato un nuovo incarico per l’Agenzia delle Dogane e dei Monopoli, svolgendo sempre ruoli tecnici.

Negli ultimi 15 anni i miei interessi si sono rivolti alla geomatica, alla computer grafica e all’uso di algoritmi di intelligenza artificiale per la realizzazione di rilevi iperrealistici del mondo che mi circonda cercando innovative e pratiche applicazioni dei miei studi attraverso i miei incarichi istituzionali. Lo studio del mondo fisico attraverso la fotografia , la costruzione di macchine ed esperimenti di chimica e fisica occupano il mio tempo libero. Amo leggere e ascoltare musica di ogni genere. Sono sposato e padre. Coltivo da sempre la passione per la motocicletta e gli impianti audio esoterici.

 

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