E’ in corso il progetto di sviluppo del gemello digitale completo dell’area metropolitana di Milano. Un progetto pioniere di una nuova era per il supporto alla gestione urbana. Il progetto ha coinvolto quattro importanti aziende leader nel settore delle informazioni geografiche.
Articolo originale della Prof.ssa Marica Franzini, del Prof. Vittorio Casella ambedue dell’Università di Pavia e Bruno Monti del Comune di Milano, già pubblicato in lingua inglese sulla rivista GIM International.
Il gemello digitale delle città
Immagina una città che può essere vista, misurata e gestita dall’ufficio anziché attraverso visite in loco onerose e dispendiose in termini di tempo e denaro. Una città che può rispondere alle esigenze dei suoi abitanti ottimizzando le sue risorse. Una città che può anticipare e risolvere i problemi creando nuove opportunità di innovazione e collaborazione. Questa non è una fantasia, ma una realtà. I gemelli digitali delle città stanno plasmando l’ambiente urbano, creando un modello dinamico e olistico.
La città italiana di Milano, un polo globale di commercio, moda, finanza, ricerca e turismo, ha abbracciato questa visione, dando vita a un gemello digitale completo dell’area metropolitana.
Il progetto per creare un gemello digitale di Milano ha coinvolto il Comune di Milano e quattro importanti aziende di geoinformazione: Compagnia Generale Ripreseaeree (CGR S.p.A.) per il rilievo aereo, Cyclomedia Technology B.V. per la mappatura mobile, Esri Italia S.p.A. per la gestione dei dati e Servizi Informazione Territoriale (SIT S.r.l.) per il rilievo topografico.
Il Laboratorio di Geomatica dell’Università di Pavia ha partecipato all’analisi e alla valutazione della qualità dei dati.
Il gemello digitale risultante offre un set di dati ricco e diversificato, che cattura vari aspetti dell’ambiente urbano da diverse prospettive. Il modello combina immagini aeree nadirali e oblique, nuvole di punti LiDAR e dati rilevati con mobile mapping terrestre per creare un modello di città dinamico e completo. Il progetto fornisce anche prodotti innovativi, come ortofoto vere (immagini RGB e infrarosse a colori), nuvole di punti Lidar classificate, modelli DTM e DSM e un database di 22 oggetti urbani come semafori, sedute all’aperto, cancelli e segnali stradali.
Le dimensioni del progetto
Il progetto ha coperto un’area di circa 1.575 km2, inclusi 133 comuni e la città di Milano. Il rilievo aereo ha utilizzato il sensore ibrido Leica City Mapper-2, che ha catturato sia immagini nadirali che oblique e raccolto nuvole di punti Lidar. I requisiti di acquisizione specificavano che le immagini aeree dovevano avere una risoluzione di 5 cm e la densità della nuvola di punti doveva essere di almeno 20 punti/m2.
Il rilievo ha prodotto più di 434.000 immagini e oltre 220 miliardi di punti, richiedendo più di 50 TB di spazio di archiviazione. Il sistema di mappatura mobile (mobile mapping system MMS) si è concentrato su Milano, dove il sensore di Cyclomedia ha coperto quasi 2.600 km di strade. I dati MMS dovevano avere una risoluzione delle immagini di 8 mm per pixel o inferiore e una densità della nuvola di punti di almeno 1.500 punti/m2 (entrambe le soglie si riferiscono ai dati acquisiti a 10 m dal percorso del veicolo). I dati MMS occupavano più di 10 TB di memoria, incluse le immagini, la nuvola di punti e un database di circa 1,2 milioni di elementi.
La rete di controllo a terra di alta qualità
Una componente chiave del progetto del gemello digitale di Milano è la rete di controllo a terra di alta qualità che garantisce l’accuratezza e l’affidabilità dei dati. Il team del progetto ha allestito 200 aree di controllo nell’area metropolitana, ciascuna composta da due marcatori distanti circa 100 m. Un marcatore è un chiodo topografico stabile che funge da riferimento geodetico, mentre l’altro è un marcatore fotogrammetrico dipinto sul terreno. L’area piatta attorno al secondo marcatore consente di valutare la qualità verticale e la densità del LiDAR.
I partner del progetto di Milano hanno optato per misurazioni statiche convenzionali per stabilire una rete di terra affidabile per la valutazione della qualità dei dati anziché utilizzare la tecnologia di rilevamento NRTK (Network Real Time Kinematic) GNSS. Questa scelta ha comportato un errore quadratico medio (RMSE) medio di 8 mm per l’Est, 9 mm per il Nord e 13 mm per la direzione Up. Questi risultati sono adatti per valutare la qualità dell’elaborazione fotogrammetrica, dato che le immagini hanno una distanza del campione a terra di 5 cm.
Inoltre, è stato utilizzato uno scanner laser terrestre per esaminare 50 delle 200 aree di controllo per analizzare le componenti orizzontali e verticali dei dati Lidar. Infine, il team del progetto ha utilizzato la fotogrammetria per raccogliere 2.000 punti dati lungo le strade principali della città. Queste coordinate sono state confrontate con quelle ottenute dal rilevamento MMS per valutare l’accuratezza e la coerenza dell’MMS con il set di dati aerei.
Rilievi aerei e terrestri completi per il gemello digitale
I dati aerei sono un altro componente essenziale del progetto, con dati fotogrammetrici e Lidar acquisiti per coprire l’intera area metropolitana. La qualità di questi set di dati e dei principali prodotti aerei è stata attentamente valutata utilizzando vari parametri e criteri. Uno degli aspetti innovativi del progetto è stata la gestione ottimale delle sovrapposizioni.
Le moderne fotocamere si distinguono per un’ampia varietà di lunghezze focali e dimensioni del sensore, che influenzano il campo visivo (field of view – FOV) e quindi sfidano l’ipotesi che percentuali fisse di sovrapposizioni siano universalmente applicabili. I blocchi fotogrammetrici progettati con sovrapposizione fissa possono quindi essere più o meno vulnerabili alle ostruzioni prospettiche connesse al FOV, e il fenomeno di “inclinazione dell’edificio” (o “inclinazione apparente degli edifici”) deve essere considerato.
Un altro risultato interessante del progetto è stata la densità di punti dei dati Lidar superiore alle aspettative, che era di circa 55 punti/m2 invece dei 20 richiesti. Ciò era dovuto al sistema ibrido che consentiva l’acquisizione simultanea di immagini e punti. Questo valore più elevato deriva dalle caratteristiche del sensore (modello di scansione a spirale con asse inclinato) e dal design del blocco. Il sistema consente l’acquisizione contestuale di immagini e punti; la pianificazione fotogrammetrica prevale sul Lidar, con conseguente aumento dell’acquisizione di punti a causa della sovrapposizione più considerevole delle immagini.
È stata quindi valutata la qualità delle immagini, dei dati Lidar e dei principali prodotti aerei. I risultati mostrano un elevato livello di prestazioni: la regolazione del blocco del bundle raggiunge una precisione di 1,8 cm e 3,7 cm rispettivamente per le componenti orizzontale e verticale. Ciò corrisponde a circa 0,5 e 0,75 della distanza del campione di terra (GSD). La precisione e l’accuratezza verticale dei dati Lidar sono rispettivamente di 2,0 cm e 4,8 cm, mentre la precisione e l’accuratezza orizzontale sono rispettivamente di 8,7 cm e 12,2 cm. Sulla base della qualità dei dati acquisiti, i prodotti dimostrano un livello di eccellenza equivalente.
Le ortofoto, sia RGB che CIR, presentano un errore 2D di 2,5 cm, mentre DSM e DTM hanno un’accuratezza verticale compresa tra 4 e 5 cm. Infine, la classificazione della nuvola di punti Lidar è stata esaminata attentamente per garantire la corretta attribuzione alle 11 categorie specificate nel bando di gara. Queste categorie includono sotterraneo, terreno, linee elettriche, ponti, acqua, edifici, vegetazione alta, vegetazione media, vegetazione bassa, outlier e fuori terra (ovvero oggetti artificiali non appartenenti ad altre categorie).
I dati del mobile mapping
I dati del mobile mapping costituiscono allo stesso modo un elemento essenziale del progetto gemello digitale di Milano. Il MMS facilita l’esame della città in aree che pongono sfide per i rilievi aerei tradizionali, in particolare quelle caratterizzate da strade strette o vegetazione fitta, come comunemente si trovano nelle aree urbane italiane.
Inoltre, la mappatura mobile è la principale fonte di dati per la creazione del database degli oggetti urbani. Pertanto, è richiesta una valutazione approfondita per quanto riguarda la risoluzione delle immagini panoramiche e la densità della nuvola di punti generata. Entrambi i requisiti hanno soddisfatto la soglia specificata di 8 mm per pixel per la risoluzione dell’immagine e 1500 punti per metro quadrato per la densità dei punti (a 10 metri per il percorso del veicolo).
L’integrazione delle fondi dati rilevati da aereo e a terra
Uno dei principi fondamentali del progetto è quello di utilizzare sia dati aerei che terrestri per ottenere prospettive complementari e migliorare l’accuratezza delle analisi. È essenziale garantire l’allineamento tra questi set di dati e tale allineamento deve essere valutato attentamente. Sono stati misurati 2000 punti in totale utilizzando la fotogrammetria e confrontati con i dati MMS. I risultati mostrano un RMSE soddisfacente di circa 7 cm orizzontalmente e 14 cm verticalmente, indicando una forte compatibilità tra le due fonti di dati.
Strumenti software per l’accesso a dataset complessi
Uno degli aspetti chiave delle specifiche tecniche della gara era la fornitura di strumenti software avanzati per un facile accesso a dataset complessi. Si tratta di un miglioramento significativo nell’ottimizzazione della gestione dei dati urbani e nella facilitazione della collaborazione tra enti locali.
Sono stati proposti due strumenti principali per raggiungere questo obiettivo. Il primo strumento è un’app Web sviluppata da Cyclomedia che consente agli utenti di visualizzare, analizzare e condividere informazioni geospaziali in modo intuitivo, utile per la pianificazione urbana e la gestione delle risorse. Il secondo strumento è un plug-in per l’ambiente Esri ArcGIS che consente l’integrazione di dataset complessi nei flussi di lavoro esistenti, migliorando così l’efficienza e l’accuratezza dell’analisi geospaziale.
Queste soluzioni innovative consentiranno al Comune di Milano di prendere decisioni consapevoli e tempestive basate su dati accurati e aggiornati. In breve, l’implementazione di questi strumenti software segna un passo cruciale nella gestione dei dati urbani, favorendo una maggiore collaborazione e condivisione delle informazioni tra i vari dipartimenti locali. Adottando queste tecnologie, Milano sarà meglio preparata ad affrontare le sfide future e migliorare la qualità della vita dei suoi cittadini.
Un catalizzatore per il cambiamento sociale
Il progetto digital twin di Milano rappresenta un esempio all’avanguardia di come i dati geospaziali possano creare una rappresentazione realistica e dinamica di una città, consentendo una migliore governance, pianificazione e innovazione. Integrando diversi tipi di dati da rilievi aerei e terrestri, il progetto fornisce una visione completa e accurata dell’ambiente urbano, delle sue caratteristiche e dei suoi cambiamenti nel tempo. Il progetto dimostra anche come strumenti software avanzati possano facilitare l’accesso, l’analisi e la condivisione di set di dati complessi, migliorando la collaborazione e il processo decisionale tra i vari stakeholder.
I risultati del progetto andranno a beneficio del Comune di Milano, dei cittadini, aziende, ricercatori e visitatori che vivono, lavorano o interagiscono con la città.
Il progetto è un risultato tecnico e un modello per il futuro. Mostra come una città digitale possa offrire nuove possibilità per migliorare la qualità della vita, la sostenibilità e la resilienza delle aree urbane. Mostra anche come una città digitale possa promuovere creatività, sperimentazione e partecipazione, stimolando nuove idee e soluzioni per il bene comune. Il progetto ci invita a immaginare un mondo in cui ogni città ha un gemello digitale, dove i dati diventano una risorsa preziosa per migliorare lo sviluppo urbano e dove la tecnologia è un catalizzatore per il cambiamento sociale. Il progetto ci sfida ad abbracciare questa visione e a renderla realtà.
(Articolo originale di Marica Franzini, Vittorio Casella, Bruno Monti pubblicato in lingua inglese sulla rivista GIM International)
