Acquisizione di dati LiDAR

L’Airborne Laser Scanning è uno dei metodi più efficaci per misurare il territorio in 3D. Offre dati preziosi e di alta qualità quanto all’esattezza dei dettagli e alla precisione. I dati raccolti formano la base per i modelli digitali del terreno e sono utilizzati anche per altri prodotti e per numerose applicazioni. Nel corso di 2017, swisstopo lancerà una nuova acquisizione di dati LiDAR.

Nuvola di punti classificati della cattedrale di Losanna

swisstopo utilizza la tecnologia LiDAR dagli anni 2000 per la produzione del modello digitale del terreno secondo la misurazione ufficiale (MDT-MU), che è stato ora sostituito dal prodotto swissALTI3D. Grazie alla penetrazione del laser nella foresta, oggi è possibile produrre un MDT omogeneo e di qualità sulla totalità del terreno. Nel 2017, swisstopo organizzerà, in collaborazione con i cantoni, una nuova acquisizione di dati LiDAR sull’insieme della Svizzera e del Liechtenstein distribuita su sei anni (vedi pianificazione più basso).

Questi dati LiDAR formano una nuvola di punti registrati. Servono internamente per l’attualizzazione dei modelli di terreno e del paesaggio, ma vengono anche utilizzati dalla nostra clientela.

Carta con la pianificazione delle 6 regioni per l’acquisizione dei dati LIDAR. 2017-18: Svizzera orientale. 2018-19: Svizzera occidentale. 2019-20: Svizzera centrale e Ticino. 2020-21: Grigioni. 2021-22: Giura e Vallese. 2022-23: Berna, Basilea e Soletta.
Pianificazione per l’acquisizione di dati LiDAR (con riserva di ulteriori modifiche)

I nuovi dati LiDAR coprono l’insieme del territorio della Svizzera e del Principato del Liechtenstein fino a un’altitudine di circa 2400 m (vedi carta sotto). Le regioni più alte, data l’assenza di vegetazione, possono essere misurate topograficamente con dei voli fotogrammetrici annuali.

Caratteristiche dei dati LiDAR

  • Assenza di fogliame e neve durante l’acquisizione dei dati per una misurazione ottimale delle informazioni al suolo e per la produzione di un MDT
  • Densità di punti: minimo 5 pt/m2 (risoluzione al suolo di circa 45 cm), massimo 10 pt/m2 (risoluzione al suolo di circa 30 cm)
  • Classificazione: non classificati (oggetti temporanei, linee di alta tensione), suolo, vegetazione, immobili, acqua, ponti
  • Precisione planimetrica: 20 cm (1 sigma)
  • Precisione altimetrica: 10 cm (1 sigma) 
     

Dati LiDAR cantonali

Parallelamente alle acquisizioni previste da swisstopo, l’Ufficio federale occasionalmente acquista dei dati LiDAR cantonali, se questi corrispondono ai criteri di qualità e ai periodi d’acquisizione voluti. Questi dati cantonali sono compresi poi nei prodotti distribuiti da swisstopo.

Il sistema LiDAR (dall’inglese Light Detection And Ranging / individuazione e misurazione della distanza tramite la luce) comprende un trasmettitore e un sensore di sorgente luminosa che serve a misurare la distanza tramite laser. Le lunghezze d’onda utilizzate sono nello spettro invisibile e, dunque, sono prive di ripercussioni sull’occhio umano. Le pulsazioni laser emesse vengono riflesse dall’ambiente e quindi captate nuovamente dal sistema. La distanza si calcola in base al tempo impiegato dalle pulsazioni per andare e tornare.

Immagine di un rilievo realizzata con LiDAR aereo
Rilievo topografico tramite Airborne Laser Scanning

Lo scanner laser a bordo di un aeromobile misura la topografia “spazzando” il suolo perpendicolarmente al senso del volo. Emette diverse centinaia di migliaia di pulsazioni laser per secondo: ecco perché si parla di “laser scanning” o di “lasergrammetria” aviotrasportata.

Con una densità di molti punti per metro quadrato, una precisione di 10 cm e un’alta rapidità di acquisizione dei dati, il LiDAR aviotrasportato è una delle tecniche più performanti per determinare la topografia del nostro ambiente. Questi dati sono utilizzati soprattutto per le applicazioni seguenti:

  • Modellizzazione tridimensionale automatica di immobili e altri oggetti paesaggistici
  • Studi sulla foresta: altezza, larghezza e inclinazione dei singoli alberi, carta e pianificazione del diboscamento, calcolo della biomassa, modelli numerici della canopia
  • Modellizzazione tridimensionale di elementi al suolo sotto la copertura vegetale, quali sentieri forestali o corsi d’acqua
  • Monitoraggio delle linee aeree (cavi, linee di alta tensione)
  • Creazione di modelli numerici del terreno
  • Creazione di modelli numerici di superficie
  • Analisi di visibilità

Dai punti grezzi ai prodotti finiti

La massa di misure acquisite tramite LiDAR necessita di diverse elaborazioni prima di poter essere utilizzata per delle applicazioni specifiche.

Georeferenziazione diretta

Non basta conoscere la distanza tra l’apparecchio e il suolo per produrre delle mappe topografiche. I punti misurati devono essere referenziati in un sistema di coordinate terrestri. Nella lasergrammetria è utilizzata solo la posizione del LiDAR in volo. La posizione nello spazio (XYZ) viene misurata tramite GNSS, mentre la posizione angolare (rollio, beccheggio e imbardata) viene data da un’unità di misura inerziale. La georeferenziazione diventa così “diretta”, dato che non necessita più di punti d’appoggio al suolo, mentre la produzione risulta velocizzata.

Classificazione

La massa di punti grezzi ottenuti tramite LiDAR viene detta “nuvola di punti” e descrive tutti gli oggetti rinviati dal segnale laser, che sono poi estremamente complessi da interpretare. Per rendere quest’informazione più “digeribile” e utile, ogni punto viene assegnato a una classe predefinita con caratteristiche precise. Esiste lo stesso numero di classi e di applicazioni, dipendenti dal fabbisogno degli utenti. Comunque, la maggior parte dei progetti comprendono come minimo le classi seguenti: punti non classificati, suolo, vegetazione, immobili e acque in superficie.

Esempio di una nuvola di punti classificati
Esempio di una nuvola di punti classificati

Nuvola di punti classificati

La nuvola di punti classificati è già percepita come prodotto finito. Più difficile da trattare rispetto a certi prodotti semplificati (vedi sotto), essa offre comunque maggiore libertà ed è utile per più applicazioni.

Il formato più utilizzato e più idoneo per trattare questi dati è il LAS (link in inglese). Sviluppato dall’associazione americana di fotogrammetria e di telerilevamento (ASPRS) in formato open source, è molto efficace per gestire i dati di grande volume e per conservare le informazioni specifiche dei punti LiDAR.

Ulteriori informazioni sul formato LAS   

Grazie a una gestione binaria dei dati, il formato LAS offre una velocità di lettura/scrittura estremamente alta. Le coordinate XYZ dei punti sono ridotte al minimo utilizzando un vettore di traslazione e dei coefficienti di messa in scala per minimizzare la grandezza dei file.

Oltre alla posizione dei punti, il formato LAS memorizza anche tutte le informazioni importanti specifiche del LiDAR. La classificazione, ad esempio, è disponibile e predefinita con diverse classi e con il rispettivo codice.

Modello digitale del terreno e della superficie terrestre

Una nuvola di punti classificata comprende una miriade di informazioni, l’uso delle quali rimane complesso. Ecco perché spesso vengono proposti due prodotti semplificati che utilizzano i dati LiDAR: il modello digitale del terreno (MDT) e il modello digitale della superficie terrestre (MDS). Nei due casi, l’informazione è rappresentata in maniera omogenea nello spazio. Le misure irregolari di una nuvola di punti sono riportate su una griglia regolare. Quest’operazione rende possibile l’uso del formato raster (immagine) e facilita l’elaborazione ulteriore. Comunque sia, la densità dei dati è spesso ridotta e la classificazione si perde.

Il MDT rappresenta il suolo nudo. Sono utilizzati solo i punti “suolo” della nuvola. swisstopo distribuisce un tale modello con il prodotto swissALTI3D. Il MDS utilizza tutti i punti classificati e modellizza così la superficie del territorio, comprendendo la presenza di vegetazione e di beni immobili.

Esempio di un MDS (a sinistra) e di un MDT (a destra)
Dal MDS (a sinistra) al MDT (a destra)


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