Reality capture, droni e laser: Volterra rivive in un modello 3D | Ingegneri.info

Reality capture, droni e laser: Volterra rivive in un modello 3D

Siamo stati a Volterra dove per due settimane un team internazionale di ingegneri e architetti hanno sperimentato tecnologie come laser scanning, droni e image processing ad alto livello per ricostruire un modello Bim avanzatissimo della cittadina. Il nostro reportage

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Nelle scorse settimane un progetto internazionale ha portato a Volterra, gioiello etrusco nel cuore della Toscana, un team internazionale formato da ingegneri, architetti e specialisti delle tecnologie di reality capturing. Con un obiettivo ambizioso: digitalizzare l’intero patrimonio urbanistico della città, di incalcolabile valore artistico-culturale, e ottenere un modello 3D in altissima definizione. Il tutto a un tempo record: poco più di dieci giorni.

Per farlo, il team ha utilizzato un mix di tecnologie che rappresentano lo stato dell’arte del settore: fotogrammetria e rilievo con drone, laser scanning, software di image processing di ultima generazione. È la prima volta in Italia che questo sistema di tecnologie viene applicato su una scala tanto vasta a un intero insediamento urbanistico. Un evento che, data la sua eccezionalità, abbiamo documentato con attenzione.

A promuovere il tutto, la Fondazione Volterra-Detroit, che ha fatto un’offerta allettante all’amministrazione di Volterra: realizzare un ‘oggetto 3D‘ di altissimo livello dalle utilità più disparate, dal monitoraggio ambientale alla valorizzazione turistica. Insieme alla Fondazione, che ha ricevuto dal Comune un edificio per trent’anni allo scopo di sviluppare progetti nel settore, il team e i software di Autodesk, partner tecnologici del progetto.
“Volterra è capace di contenere le testimonianze delle epoche più disparate”, spiega il sindaco, Marco Buselli. “Dalla cinta muraria ai reperti artigianali in alabastro, eccellenza locale, fino al Teatro Romano rinvenuto, in condizioni incredibilmente buone, durante gli anni Cinquanta.”

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Vista dalla cinta muraria del Teatro Romano di Volterra e dell’annesso complesso termale, scoperto negli anni Cinquanta

Investendo sulla lunga distanza, la Fondazione Volterra-Detroit ha voluto coinvolgere l’amministrazione comunale del Comune toscano nella realizzazione di un’attività innovativa: un workshop internazionale con professionisti delle tecnologie di rilievo fotogrammetrico, rilievo con drone, laser scanning, reality capturing. Come partner tecnologico, il team e i software di Autodesk.
Giunti da Usa e Canada, circa 15 ingegneri, architetti, specialisti di Gis e di sistemi di aviazione, hanno catturato immagini ad altissima risoluzione nonché scansionato l’intero patrimonio edilizio cittadino: milioni di nuvole di punti e pixel che restuiscono, come potete vedere voi stessi, un’immagine di qualità abbagliante. Se non la prima volta in assoluto, è sicuramente un’attività pionieristica in Italia. Un territorio che, come sappiamo bene, più di ogni altro al mondo vede ogni giorno le proprie straordinarie bellezze architettoniche messe a rischio da un territorio fragile, colpito da fenomeni di dissesto in preoccupante aumento, per tacere, purtroppo, dei terremoti, l’ultimo dei quali ha colpito i territori già martoriati del Centro Italia.

“Non ci sono solo i grandi terremoti a mettere a rischio il patrimonio italiano. Noi amministratori locali sappiamo bene che ci sono una miriade di casi più piccoli ma altrettanto minacciosi per i nostri beni. Qui a Volterra, ad esempio, di recente un fenomeno franoso ha causato il crollo di un pezzo di muratura medievale, comportando notevoli disagi anche in termini di gestione dell’emergenza”, continua Buselli. “Un progetto come questa ricostruzione 3D ci consente, in un modo assolutamente innovativo, di possedere una mappa tridimensionale precisa dello stato attuale delle strutture, partendo direttamente dalla realtà. Che vuol dire, ad esempio, essere perfettamente in grado di ricostruire un pezzo di muratura o di edificio partendo dal suo stato reale”.

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I droni in volo in Piazza dei Priori, per il rilievo aerofotogrammetrico

Non ci sono però solo obiettivi di monitoraggio e tutela. “Questo modello 3D”, conclude il sindaco, “ci consentirà di fare molte altre cose. Ad esempio sviluppare un nuovo piano illuminotecnico per la città, o analizzare diversamente la mobilità. A livello turistico, poi, i benefici sono immensi. Potremo ad esempio ricostuire la cisterna sotterranea del Teatro Romano, inaccessibile alle persone diversamente abili, e consentire loro di esplorarla con un tour virtuale”.

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Il sindaco di Volterra, Marco Buselli, davanti alla sala del consiglio comunale nel Palazzo dei Priori, un altro dei gioielli architettonici oggetti di rilievo con laser

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Un ingegnere al lavoro sul modello Revit della Sala del consiglio comunale, ottenuto direttamente dalle foto e dalle cloud points ricavate dal laser

Rispetto agli esperimenti già fatti in questo ambito in Italia, l’esperienza di Volterra aggiunge alcuni tasselli preziosi. “Una novità importante è che queste tecnologie sono state applicate sia sulla scala più ampia, con le vedute aeree di intere aree e la ricostruzione di strade complete, sia sulla piccola scala”, spiega Tristan Randall, Strategic Project Executive per Autodesk, a capo della missione americana a Volterra. “Ad esempio, abbiamo anche fatto il rilievo di una mostra temporanea allestita nelle splendide stanze di Palazzo dei Priori, la sede comunale, per mostrare come il sistema può essere perfettamente adattato anche al contenuto di musei e gallerie, come reperti, statue, opere d’arte di dimensioni contenute”.

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Tristan Randall, Strategic Project Executive per Autodesk, con uno dei droni utilizzati per i rilievi a Volterra

Randall lavora in Autodesk da circa cinque anni, dopo aver fatto esperienza di ingegneria civile negli Stati Uniti, in particolare su progetti legati alle infrastrutture e ai sistemi di trasporto. “Mi sono specializzato nell’uso di sistemi di rilievo che combinano droni e laser su molti progetti infrastrutturali. Per semplificare, se si scava un tunnel per inserire una grossa tubatura, si potrà utilizzare il drone per fare un rilievo dello scavo dall’alto. Visto che poi lo scavo verrà coperto completamente, è un sistema che può servire a verificare che il progetto corrisponda alla realizzazione. Su progetti legati al patrimonio architettonico come Volterra, tuttavia, le cose possono diventare molto più complesse”.

Questa complessità ulteriore l’abbiamo vista sul campo con i nostri occhi, per il rilievo di un’intera strada nel cuore delle mura medievali. Gli ingegneri americani, abituati alla vastità degli spazi dal contesto da cui provengono, si sono dovuti misurare con l’irregolarità del piano ortogonale. La larghezza irrisoria dei vicoli, inoltre, ha impedito di ‘entrare’ nel centro storico con i droni.
Sui vicoli, quindi, si è utilizzata la tecnologia di laser scanning in autonomia. A un livello di precisione e puntualità strabiliante, come si vede nel video.

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Il drone cerca di farsi strada davanti alla Porta Etrusca di Volterra

I droni sono stati determinanti, sempre abbinati al laser, per le piazze, le viste dall’esterno delle mura, e il teatro romano. “Le tecnologie che abbiamo impiegato per Volterra sono una combinazione di laser scanning, fotogrammetria con droni, targetless registration”, continua Randall. “Con il laser otteniamo prima una nuvola di punti, catturando l’edificio dalle varie angolazioni necessarie. Il laser stesso poi, in una seconda fase, fotografa i medesimi punti, fornendo così il dettaglio ‘superficiale’ che viene combinato alla nuvola di punti. Non ci sarebbe nulla di nuovo, in verità, nell’uso di queste tecnologie, se non per il fatto – assolutamente fondamentale – che abbiamo realizzato tutto a una velocità incredibile per un progetto di tale dimensione”.

Questa velocità è stata possibile grazie a Autodesk Recap 360, che va a semplificare una serie di fasi dell’image processing altrimenti dispendiose sul piano del tempo (e, di conseguenza, delle risorse). “Tutti questi rilievi li abbiamo potuti ultimare in una decina di giorni”, continua Randall. “Il motivo è che il software, per dirla semplicemente, è in grado di ‘unire’ le nuvole di punti e le fotografie scattate con i droni e con il laser facendo in modo che scompaiano le sovrapposizioni, un problema tipico di questa attività. È sufficiente prendere le foto e caricarle in Recap, e il software combina tutti i dati automaticamente producendo modelli, nuvole di punti e mappe, in tutti i formati disponibili per l’integrazione e la lavorazione BIM in Autodesk Revit. E tutto, in totale automazione. Il vantaggio per noi progettisti è che ci liberiamo di una serie di tempi tecnici che ci servono per focalizzarci sul progetto vero e proprio.”

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Nella sede della Fondazione Volterra Detroit gli ingegneri lavorano sulle immagini 3D processate in Autodesk Revit

A Volterra è stata testata una soluzione sperimentale, ancora non disponibile sul territorio italiano. Si tratta di una speciale integrazione con il sistema 3DR Site Scan. In pratica, il team di progetto può controllare via tablet direttamente il girato del drone, che peraltro può filmare in controllo manuale ma anche automatico, per le parti di take off and landing (in Italia, date le restrizioni molto stringenti in questo ambito, è stato usato il controllo manuale). Una volta finito il rilievo, questa integrazione consente con un click direttamente dal tablet in situ di inviare i dati a Autodesk Recap.
“Questa tecnologia”, aggiunge Randall, “si basa su un principio che in Autodesk chiamiamo ‘hardware agnostic’, che semplificando vuol dire che non importa il tipo di hardware che stiamo utilizzando, in ogni caso il risultato finale sarà un file leggibile a qualsiasi livello. Con l’integrazione allo studio in questa fase consentiremmo un ulteriore risparmio di tempo, ma considerate che già al momento il metodo consente di fare le foto con la GoPro, e dopo circa 8 ore scaricare una superficie 3d, una nuvola di punti o una mappa (ad esempio, file .ortho o .rcs).”

A Volterra si è creato un modello 3D degli elementi più disparati. Lo splendido Battistero, la porta etrusca all’interno delle mura, la Piazza dei Priori. Potete vederne alcuni esempi cliccando la gallery di seguito.

 

La prova più strabiliante, tuttavia, è il Teatro Romano, il sito archeologico scoperto ‘per caso’ durante gli anni Cinquanta, quando alcuni scavi dovuti al cedimento di un frammento della muratura rivelarono un anfiteatro della capienza di 3.500 posti in buonissime condizioni. Dietro il teatro fu scoperto anche il complesso termale che fu costruito dopo lo smantellamento del teatro nel III secolo.

“Per ottenere questa digitalizzazione”, spiega Silviu Stoian, Virtual Building Services Manager at The Beck Group, che ha curato sul campo il modello del Teatro Romano, “abbiamo dovuto eseguire la cifra record di 110 scansioni, in oltre 3 giorni di riprese. È stato un lavoro di enorme difficoltà, in particolare considerando l’irregolarità del sito, che ha richiesto di dover ‘spacchettare’ in un certo senso il progetto in frazioni più piccole. Ciò nonostante, il sistema ‘seamless’ del software ha consentito di ricongiungere il prodotto delle scansioni in modo eccezionale. Alla fine avevamo 5 miliardi di punti”.

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Silviu Stoian utilizza il laser per rilevare i punti del Teatro Romano di Volterra

Modello BIM del Teatro Romano di Volterra, prodotto attraverso tre giorni di rilievi laser e foto da drone. Cinque miliardi di punti riconvertiti in Revit

Modello BIM del Teatro Romano di Volterra, prodotto attraverso tre giorni di rilievi laser e foto da drone. Cinque miliardi di punti riconvertiti in Revit

Senza arrivare a giga-progetti simili, la tecnologia consente comunque di lavorare ai livelli più disparati. Anzi, in molti casi sono gli stessi specialisti del settore a suggerire di tararsi sugli obiettivi. “Prima di fare il rilievo, occorre sapere esattamente qual è il nostro obiettivo”, Paul F. Aubin, specialista di Revit e BIM, autore di volumi sul tema. “Un modello ai fini di ricerca architettonica o di restauro differisce negli obiettivi da uno fatto per valorizzazione turistica, che vuol dire che non mi serve in entrambi i casi la medesima precisione del dettaglio. A seconda delle esigenze del cliente, in sostanza, si determina il grado di profondità del dato da utilizzare nel modello BIM. La grande potenzialità del sistema, comunque, è che andando a modificare anche un solo elemento del progetto Revit, il sistema è in grado di riadattare in modo ‘intelligente’ i vari pattern architettonici presenti. Il Battistero di San Giovanni, ad esempio, risale alla seconda metà del XIII secolo. Le finestre, è emerso dal rilievo, erano tutte irregolari. Nel modello Bim, se sposto una finestra o parte del serramento o una decorazione, il modello è in grado di riadattare i parametri secondo l’intervento compiuto. Coniugando automazione ed efficienza”.

Le attività sperimentate a Volterra sono solo la punta dell’iceberg delle possibili applicazioni di questa tecnologia. “In generale”, aggiunge Tristan Randall, “il sistema è perfetto per fare monitoraggio, e non solo di edifici o costruzioni. Si può monitorare così anche le stesse persone, o le attrezzature tecniche. Pensate a un grande cantiere: quale vantaggio sarebbe poter rilevare, all’inizio di ogni settimana, l’esatta dotazione tecnica, i materiali giunti e quelli che ripartono, i flussi logistici? Il drone capturing si presta anche a questo”.

Al di là dell’esperienza volterrana, il progetto dimostra ancora una volta quanto queste tecnologie stiano mutando in tempi rapidissimi il modo di fare progettazione ed esecuzione a livello globale. E mutano, di conseguenza, anche le competenze richieste. Basta vedere il background professionale dei partecipanti al workshop: “Questo team internazionale”, conclude Randall, “è composto da ingegneri meccanici, robotici, civili, ma anche specialisti di rilievo del territorio, di aviazione, architetti. È la natura stessa della tecnologia che impone competenze sempre più trasversali, da applicare in team. Nel passato venivano richieste specializzazioni molto forti. Oggi – e con Autodesk, da tempo, stiamo cercando di fare questo – occorre scalare la tecnologia e ‘democratizzarla’ in modo che possa essere utilizzata dal maggior numero di persone possibili”.

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