I Laser Scanner sono strumenti capaci di catturare ad alta velocità la realtà circostante sotto forma di punti tridimensionali nello spazio. Tali punti compongono un dato collettivo denominato nuvola di punti, composto da migliaia o milioni di singoli punti discontinui tra loro ed organizzati in righe e colonne così che ad ogni punto sia possibile associare un intorno di punti regionalmente vicini. Questa organizzazione rende la nuvola di punti una nuvola strutturata.
Gli scanner sono generalmente composti da un corpo capace di ruotare in orizzontale ed uno specchio che permette di deflettere il raggio laser variando l’angolo verticale in modo molto veloce entro i limiti strutturali dello scanner: alcuni scanner possono comporre solamente finestre verticali di 70-100 gradi, altri possono arrivare a 310 gradi. Data la presenza del treppiedi topografico sarebbe inutile aumentare l’angolo verticale oltre i 310°.
La durata di una singola operazione di scansione può variare da pochi secondi fino a svariati minuti, dipendentemente dalla densità di punti rilevati e, naturalmente, dalla velocità del Laser scanner.
La densità è un dato configurabile e serve a definire con quanti punti discretizzare una superficie ad una distanza data, esso però influenza la velocità di scansione ed il numero di punti totali che compongono l’area.
Ecco un esempio:
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Durante l’operazione di scansione, lo strumento salva i dati angolari, la distanza e la riflettanza che, sarà tanto più alta quanto più la superficie tende al colore bianco. La riflettanza indica la proporzione di luce incidente che una data superficie è in grado di riflettere. Ha quindi un significato fisico ben preciso ed il suo valore è legato alle caratteristiche del materiale di cui è costituita la superficie scansionata.
Per poter dare un effetto maggiormente realistico al rilievo scansionato è possibile utilizzare un dato colorimetrico non basato sulla riflettanza ma fotorealistico.
Per ottenere questo risultato bisogna sovraporre alla scansione foto opportunamente calibrate tramite punti omologhi, così da ottenere un risultato spaziale e fotorealistico.
In generale la tecnologia si basa sempre sull’emissione e la ricezione di un raggio, i vari laser scanner si differenziano in base a principi operativi di funzionamento. Sostanzialmente ci sono 2 tipologie di laser scanner utilizzati nel campo topografico:
- differenza di fase
- TOF (a tempo di volo)
I Laser Scanner a Differenza di Fase (Phase Shift – PS) calcolano la distanza attraverso algoritmi specifici che rilevano la misura tramite la differenza di fase tra l’onda emessa e quella ricevuta. Questi laser scanner sono particolarmente veloci ed hanno una griglia di punti molto densa. La loro possibilità di sfasamento però limita la gittata massima ad alcune centinaia di metri. Una velocità tipica di questi scanner si attesta intorno ai 500.000 punti/secondo.
La tecnologia laser scanner a Tempo di Volo (Time of Flight – TOF) si basa sul tempo che l’onda impiega tra l’istante in cui viene emessa e quello in cui viene ricevuta: si tratta di un cronometro precisissimo. La velocità tipica di questi scanner dipende dalla gittata massima, possiamo indicare 200.000 punti/secondo per una gittata di 6Km. Questi scanner supportano il rilevamento a distanza molto alte ciò però, può rallentare particolarmente la velocità delle operazioni: quando lo scanner punta nel vuoto (nel cielo ad esempio) ed è configurato per rilevare fino a 6Km, questo vuol dire attendere che la velocità della luce possa percorrere 6Km di andata più 6Km di ritorno. Sebbene si tratti di 0,00004 secondi per singolo punto, la reiterazione di questo intervallo di tempo per alcuni milioni di punti può portare ad attese di minuti e frazioni di ora.
Infatti, qualora ci siano 50 milioni di punti di cielo (compatibile con una scena di rilievo tipico) per i max 12Km (tra andata e ritorno), in totale si tratta di 600.000.000 Km pari a 4 Unità astronomiche (UA) ovvero 4 volte la distanza terra-sole, in pratica più di 30 minuti di attesa!
I Laser Scanner TOF avendo caratteristiche di velocità, densità ed ampiezza di area accettabili prettamente per le scansioni in lontananza, non raggiungono, nei lavori a breve distanza, un risultato comparabile a quello degli scanner a differenza di fase. Al contrario gli scanner a differenza di fase non riescono ad arrivare alla gittata dei Laser Scanner a Tempo di Volo. In pratica si tratta di 2 strumenti totalmente diversi e dalle vocazioni complementari.
Nel precedente paragrafo sono state messe in evidenza le caratteristiche di portata e velocità nell’acquisizione per le differenti tipologie dei sensori laser, esistono però numerosi altri aspetti che devono essere considerati per stabilire la qualità di uno strumento laser scanner per il rilevamento di un particolare oggetto:
- velocità di acquisizione
- risoluzione di scansione (densità dei punti)
- possibilità di registrare il dato colorimetrico
- coassialità del dato colorimetrico
- accuratezza nella misura
- accuratezza nella riflettanza
- divergenza del raggio laser
- portata nominale e nelle applicazioni reali
- campo di misura minimo e massimo alle accuratezze desiderate
- maneggevolezza