I progressi della geomatica non ortodossa nel monitoraggio strutturale e geotecnico, introduzione alla geomatica non ortodossa e sue applicazioni.
La geomatica non ortodossa è una branca relativamente recente della geomatica, che esplora approcci innovativi e interdisciplinari per raccogliere, analizzare e interpretare dati geografici e spaziali. Si distingue dalle tecniche tradizionali per il suo uso di metodi e tecnologie non convenzionali, spesso prese in prestito da altre discipline o sviluppate ad hoc per risolvere problemi complessi.
In sintesi, la geomatica non ortodossa si propone di andare oltre i limiti delle tecniche di rilevamento e analisi tradizionali, sfruttando l’innovazione per risolvere problemi in modi nuovi e flessibili.
Questo articolo è un importante aggiornamento del precedente, sempre pubblicato da Geosmart Magazine nel 2022, dal titolo “Geomatica non ortodossa per rilievi e monitoraggi con modelli 3d intelligenti”.
Nell’era delle tecnologie avanzate, la geomatica non ortodossa sta rivoluzionando il monitoraggio strutturale e geotecnico, offrendo nuove prospettive e metodi per l’analisi tridimensionale e predittiva del territorio e delle infrastrutture.
Questo articolo esplora i progressi raggiunti dal 2022 ad oggi, con un focus sull’integrazione delle reti neurali generative, che portano la geomatica ben oltre i confini delle pratiche classiche. Tra misurazioni ad alta definizione, fotogrammetria innovativa e monitoraggio visuale a lunga distanza, la geomatica non ortodossa si pone come pilastro per l’analisi iperrealista e l’osservazione strutturale in 4D.
Differenze tra geomatica classica e geomatica non ortodossa
Nel 2022 pubblicai un articolo che nelle mie intenzioni voleva essere il “manifesto della geomatica non ortodossa” e soprattutto che spiegasse chiaramente quali fossero le differenze metodologiche e concettuali rispetto alla “geomatica classica”.
In effetti, come già successo in passato, siamo consapevoli che l’uso di nuovi strumenti e metodi nei flussi di lavoro consolidati con il tempo diventa patrimonio comune della scienza geomatica. Tuttavia, alcune caratteristiche della geomatica non ortodossa, come la contemporaneità della misura, le reti neurali generative e la rappresentazione dei moti vibrazionali (di cui parleremo in un articolo successivo) la rendono differente sia come approccio metodologico che come risultati attesi.
Impatto di Intelligenza Artificiale e reti neurali
Nel 2024 la geomatica classica ha recepito anch’essa l’intelligenza artificiale, la cosiddetta “geoAI”. Tuttavia, ancora una volta l’approccio olistico della geomatica non ortodossa è riuscita a spingere in avanti la frontiera estrema con la programmazione delle reti neurali applicata alla misura, fino a raggiungere la cosiddetta “geomatica di previsione generativa” che è legata al monitoraggio strutturale e geotecnico.
In realtà le reti neurali svolgono numerosi compiti nel campo della misura spaziale da circa un decennio. Tuttavia, oggi l’approccio del loro impiego ha cambiato radicalmente forma e filosofia, spingendo soprattutto sulla visione artificiale e sulla generazione degli scenari visual, piuttosto che sull’analisi massiva del dato.
A partire dal 2016 è stato possibile validare l’uso delle reti neurali in diversi aspetti del flusso di lavoro della ricostruzione tridimensionale. Ma oggi, grazie all’ingresso di nuovi ambiti scientifici nel settore di rilievo e misura, il suo ruolo appare essersi spostato prevalentemente all’indagine visuale, al “visual” sia analitico che predittivo del dato tridimensionale.
Anche le competenze dei sistemi informativi geografici diventano, nella geomatica non ortodossa, un importantissimo avanzamento nella costruzione del vero 4D.
Come può la proiezione cartografica piana rappresentare un punto di svolta nella generazione 4D? Si parte dalla ovvia considerazione dell’esistenza di una intima interconnessione tra la mappa piana XY e la sua rappresentazione spaziale. Portando ad un livello superiore e reinterpretando con approccio “non ortodosso” questo corposo patrimonio di metodi e tecnologie che appaiono persino scontati, riusciamo a ottenere progressi significativi nella descrizione della evoluzione dello spazio fisico nel tempo. La mappa piana, che non è la classica mappa “UV” in uso nel mondo videoludico e nell’approccio della “gamification”, diventa un rigoroso strumento di misura ed un ponte con il mondo 3D-4D, in quanto intimamente connesso con esso.
Geomatica non ortodossa e innovazioni in fotogrammetria e sensori
Nella geomatica, come ben noto, la fotogrammetria da sempre occupa un ruolo cruciale ed ha imparato a gestire il dato proveniente dalla scansione lidar, facendolo proprio nei flussi di lavoro più raffinati. Noi utilizziamo un approccio ibrido laser-fotogrammetrico proprietario: tuttavia il raggiungimento della scala centesimale e millesimale ha richiesto una completa rivisitazione dei flussi di lavoro e la creazione di un metodo che fosse in grado di rispondere alle esigenze di numerosi mercati della misura accurata e iper definita. Oggi la fotogrammetria di frontiera è uno strumento potente di ricostruzione tridimensionale spazio-temporale 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 articolo mostriamo come la fotogrammetria abbia imparato a superare le barriere della scala centimetrica, giungendo alla soglia del millesimo di millimetro.
In un successivo lavoro editoriale illustreremo come la fotogrammetria abbia risolto anche il problema della scansione notturna, in assenza di luce artificiale, e di come sia in grado, nonostante l’assenza di radiazione elettromagnetica nel campo del visibile, di restituire l’informazione del colore, tipica della visione diurna, ma in totale assenza di fonti di luce RGB di grado solare.
L’iperrealismo nelle rappresentazioni fotogrammetriche
Raggiungere il livello di definizione del centesimo di millimetro ha aperto la strada del telerilevamento visuale spaziale ad elevata distanza di osservazione. Tecnicamente è certamente possibile utilizzare una macchina fotografica di medio livello riuscendo a catturare dettagli millimetrici e sub millimetrici: ma a quali condizioni al contorno?
Occorre eseguire scansioni fotografiche a distanze estremamente ravvicinate, entro i due metri dal bersaglio. Il telerilevamento visuale, sviluppato dopo anni di ricerca, ha raggiunto questi risultati a distanze (il dato è in corso di aggiornamento man mano che le ricerche mostrano progressi importanti fino ai 500 metri) fino ai 100 metri, aprendo la strada alla osservazione iperrealista.
L’iperrealismo e l’estrema definizione della nuvola di punti ottenuta con approccio fotogrammetrico ha richiesto un importante lavoro di rivisitazione di ogni aspetto del rilievo, sia operativo che metodologico. La fotografia diventa un prodotto raffinato ottenuto da una precisa combinazione di diversi fattori tecnici e metodologici inediti: è nato il metodo Dual Imago.
Elevatissimo ingrandimento ottico, spinto anche oltre i duecento ingrandimenti, costruzione di ottiche ibride specifiche per fotogrammetria ad elevatissima distanza, sensori scalabili ad elevatissima risoluzione, superiore ai 200 megapixels, raffinate tecniche di elaborazione fotogrammetrica, completa rivisitazione dei metodi di rilievo in campagna.
La fotogrammetria di frontiera, iperrealista, restituisce nuvole dense indistinguibili da una mesh texturizzata.
Le criticità affrontate e risolte sono state numerose, alcune delle quali ben note dagli studiosi della osservazione fotografica a distanze estreme. Il concetto stesso di marcatore fotogrammetrico è stato messo in discussione e abbandonato nella sua forma usuale in numerosi contesti di indagine 3D-4D. La filosofia dello “zoom infinito” diventa lo strumento privilegiato per osservare il macroscopico ed il microscopico al contempo.
Monitoraggio 4D e rilevamento delle micro-deformazioni
Il monitoraggio 4D è una potente evoluzione del rilievo tridimensionale, dove emerge la vera e profonda differenza rispetto alla geomatica classica: una misura di valore nel tempo non può essere priva del fattore della contemporaneità della cattura del dato. Alla scala del centesimo di millimetro ed ancora di più a quella millesimale, il mondo osservato inizia a mostrare le naturali vibrazioni della materia, oscillazioni impercettibili che diventano finalmente evidenti, e questa continua variazione fisica dell’equilibrio diventa cruciale per la diagnosi strutturale, a patto di isolarla dal cosiddetto “rumore di fondo” dei micro-spostamenti indotti dall’inquinamento ambientale, oltre quello strumentale. I micro spostamenti sono un potente strumento di indagine, reso fattibile dall’iperrealismo della fotografia che necessita di un processamento automatico per essere evidenziato ed amplificato.
Cosa è possibile catturare alla scala centesimale da grande distanza di osservazione? Entro i cento metri, diventa finalmente possibile eseguire l’analisi strutturale esaustiva delle strutture tralicciate, delle strutture filiformi come reti paramassi e cavi aerei di qualsiasi diametro, tutti obiettivi che necessitano un livello di dettaglio estremo ottenuto con strumenti che, attraverso un metodo proprietario, rendono fattibile, economica e desiderabile la restituzione iperaccurata.
La meccanica delle rocce e la deformazione strutturale utilizzano sensori fisici in grado di apprezzare variazioni dei campi di spostamento, velocità ed accelerazione particolarmente spinte alla scala centesimale e millesimale. Quale contributo può offrire la geomatica non ortodossa per estendere massivamente questa qualità della misura puntuale? Si tratta di estendere il valore di questa misura puntuale a partire da centinaia di metri quadrati negli ammassi rocciosi, o di alcuni metri quadrati nel caso di strutture edilizie, a seconda delle necessità dell’addetto ai controlli, tale da apprezzare su larga scala queste deformazioni a distanze superiori ai canonici 1-2 metri di osservazione e fino ai 500 metri.
Oggi, nella prassi comune, la fotogrammetria di prossimità o da UAV non riesce ancora a spingersi a questi livelli di dettaglio, soprattutto per limiti metodologici. Alla scala millesimale, le vibrazioni indotte dal velivolo, ininfluenti nell’acquisizione alla scala centimetrica e decimetrica, rappresentano un limite che impedisce l’acquisizione utile del dato. Questi problemi sono stati risolti con la tecnologia proprietaria di filtraggio della vibrazione: un metodo di eliminazione del micro mosso indotto dallo strumento. Unica eccezione ben consolidata è la fotogrammetria metrologica, in uso nel settore industriale da diversi decenni, che continua ad essere utilizzata in settori di nicchia.
Evoluzione della fotogrammetria ibrida a distanze estreme
Il progresso portato dalla geomatica non ortodossa nel 2024 è la fotogrammetria ibrida alla scala del centesimo e del millesimo di millimetro, ottenuta da elevatissime distanze di osservazione, con metodi non a contatto.
Un drone civile di ultimissima generazione, a determinate condizioni, può certamente volare a pochi metri da un bersaglio, riuscendo a catturare dettagli molto spinti, dal centimetrico al millimetrico.
Il telerilevamento visuale sperimentato, non esclusivamente ancorato al suolo, basato sulla fotogrammetria ibrida di frontiera, per definizione, opera in un intervallo di osservazione che varia da pochi metri fino ad un limite pratico di 5km, che però si può spingere fino a 75 km.
Al momento sono in corso sperimentazioni a distanze fino a 50 km, ma la misura restituita a queste distanze estreme, allo stato attuale della ricerca, non raggiunge gli standard elevatissimi ottenuti fino ai 100 metri per una serie di fattori ben noti, ma molto presto potremmo dover aggiornare questa affermazione.
Giova ribadire in ultimo che Il telerilevamento visuale lavora sia di giorno che di notte, ovvero in assenza di luce, e lo fa grazie a importanti caratteristiche dello spettro elettromagnetico oltre il visibile e di come questo dato viene raccolto dai sensori ed elaborato con codici dedicati.
In fotogrammetria è in teoria possibile ricostruire nello spazio e nel tempo qualsiasi fenomeno. Tutto dipende dalla struttura delle fotografie e dalla macchina in grado di catturare un dato utile a questo tipo di ricostruzione.
Il metodo Dual Imago, pur prevedendo l’uso di marcatori come grafi speciali o ordinari largamente in uso in geomatica classica, non necessita strettamente della loro presenza per restituire la nuvola densa iperdefinita e misurabile alla scala centesimale.
“La fotografia è tanto vicina alla scienza quanto all’arte”: ma deve essere spesso prodotta con strumenti molto diversi da una classica macchina fotografica così come la conosciamo, per ottenere significativi progressi nella scienza geomatica, utili al variegato mondo delle professioni.
Casi applicativi: monitoraggio strutturale e meccanica delle rocce
In questo articolo presentiamo due casi applicativi. Il primo nel settore del monitoraggio strutturale di un ponte stradale, il secondo sul monitoraggio del sistema ammasso roccioso e rete paramassi in aderenza.
Nel primo caso, mostriamo come sia possibile correlare la scansione tridimensionale del clima acustico su un appoggio della trave Gerber con il cinematismo di spostamento dell’impalcato in due istanti del monitoraggio. La tecnica acustica tridimensionale è uno strumento molto potente di indagine, di innesco dei fenomeni elastici e plastici, sia in aria che in acqua.
Nel secondo caso, osserviamo e caratterizziamo la deformazione della rete paramassi, attraverso un metodo proprietario di conversione automatica della nuvola di punti in matematiche cad, utile a esportare i dati nei modelli di calcolo largamente in uso. Tuttavia, nel prossimo futuro, la cosiddetta “geomatica predittiva”, che fa largo uso dei modelli AI generativi, mostrerà gli scenari di deformazione direttamente come nuvole dense, esattamente come mostrato nelle figure contenute in questo articolo, con la differenza che mentre oggi caratterizziamo il passato ed il presente del cinematismo, le reti generative ipotizzeranno scenari spaziali di fenomeni deformativi, con elevata affidabilità. I nostri studi hanno già dimostrato come sia possibile ottenere questi risultati in alcuni ambiti, come i fenomeni di dissesto di ponti e viadotti.
In entrambi i casi il procedimento permette di ottenere superfici modellate automaticamente dalla nuvola, comprese le coordinate spaziali baricentriche di ogni parte e la rappresentazione automatica del vettore spostamento.
Le ricostruzioni del 3D sono state ottenute con fotogrammetria metrologica ad una distanza di 100 metri, ottenendo un livello di definizione alla scala del centesimo di millimetro. Sia sulle infrastrutture civili che nei casi di studio della meccanica delle rocce, è possibile ottenere un livello di dettaglio spinto ai 20 micron grazie ad un metodo proprietario, sempre attraverso il telerilevamento visuale a grande distanza.
Note:
L’autore vuole ringraziare lo Studio Orlando Pandolfi per la preziosa collaborazione.
(Articolo di Nicola Santoro)
