Una nuova generazione di sensori visuali: gli ultimi progressi della Geomatica Non Ortodossa (G.N.O).
Il caso di studio del Duomo di Napoli
di Nicola Santoro (pubblicato su GeosmartMagazine dove è possibile vedere tutte le foto che corredano l’articolo)
Il 26 Aprile 2022 pubblicai un articolo dal titolo: “Metodi avanzati di indagine chimica su ponti e viadotti: analisi del degrado del ponte sul Basento a Potenza”. L’analisi iperspettrale tridimensionale fu compiuta con tecnologia commerciale che presentava importanti limiti nelle applicazioni geomatiche: l’esperienza di tre anni fa è stata la base per sviluppare in proprio una nuova generazione di macchine, in grado di raggiungere livelli di iperdefinizione attraverso una reinterpretazione e potenziamento dei sensori e delle tecniche di cattura della luce ad ampio spettro elettromagnetico, supportate da codici neurali addestrati in locale per il controllo sul singolo pixel, necessario per restituire misure coerenti.
Recentemente, durante alcuni confronti con colleghi sul tema del rilievo topografico, su quello della geodesia e della geomatica in generale, sono emerse alcune tematiche tecniche che affronteremo nella premessa di questo contributo editoriale. La geomatica non ortodossa diventa patrimonio della geomatica classica nel momento che quest’ultima recepisce facendoli propri le dirompenti innovazioni nel campo del rilievo? Questo, ad esempio, anche alla luce della cosiddetta “GeoAi”, che si riferisce all’uso della intelligenza artificiale nell’analisi del dato geospaziale?.
A mio avviso parliamo di due discipline che non sono metodologicamente sovrapponibili, anche se condividono la struttura matematica e molte tecniche di base. Nel prosieguo illustrero’ alcuni concetti della GNO ( abbreviazione di Geomatica Non Ortodossa) che differenziano questa disciplina scientifica dalla scienza della misura geospaziale tradizionale:
1. Visual Remote Sensing: ovvero misura iper-accurata attraverso le immagini ottenute ad elevatissima distanza, fino ai limiti della possibilità dell’osservazione terrestre, che a determinate condizioni al contorno, nel momento in cui scrivo questo contributo, puo’ raggiungere i 100 chilometri, superando sfide enormi attraversando un mezzo denso e spesso caotico come l’aria. La tecnica fotogrammetrica terrestre a lunghissima distanza è stata prima sperimentata in Italia per un decennio e poi proposta e applicata con successo nel settore del monitoraggio geotecnico a partire dal 2023 nelle cave di marmo di Carrara e nell’osservazione tecnica e scientifica degli ammassi rocciosi sui monti della catena del Partenio, in Irpinia.
2. Monitoraggio 4D: scansione della superficie terrestre nello spazio e nel tempo. In tanti propongono la fotogrammetria 4D, anche in riferimento alla rinascita in chiave AI delle tecniche di render gaussiane e nerfiane. La GNO ha sviluppato una tecnica inedita di registrazione degli istanti successivi che garantisce livelli di accuratezza della registrazione fino alla scala del millesimo di millimetro. Questa tecnica ci permette finalmente di descrivere i punti nello spazio e nel tempo ad un livello di dettaglio ed accuratezza in grado di affrontare il problema dei cinematismi geotecnici e geomeccanici attraverso un approccio fotogrammetrico di nuova generazione.
3. Produzione di misura accurata utilizzando la luce multispettrale ibrida: le recentissime esperienze e le nuove applicazioni nello studio della luce e della ricostruzione spaziale dell’ambiente inteso come spazio sia naturale che antropizzato hanno permesso di superare limiti nella definizione e permeabilità dei materiali densi ritenuti finora difficili o impossibili da realizzare.
I punti 1,2 e 3 sopra descritti trovano piena applicazione nella Geomatica Non Ortodossa, dove cio’ che si approssima in topografia e nella geomatica classica diventa un elemento imprescindibile: la contemporaneità dell’osservazione e della misura da piu’ punti di vista, ovvero rilievo massivo istantaneo.
La contemporaneità della misura nella tecnica fotogrammetrica di ultima generazione
Un rilievo spazio temporale di valore scientifico e ingegneristico non puo’ essere privo della contemporaneità (differenza nell’intervallo compreso tra i microsecondi e zero tra un punto di vista ed un altro a seconda dello schema di lavoro e macchine utilizzate) della misura spaziale acquisita, soprattutto quando ci si spinge a descrivere dettagli alla scala del millesimo di millimetro di una struttura, sia essa un ammasso roccioso, un viadotto, una galleria, un macchinario industriale, partendo da vaste porzioni di territorio osservato e scansionato. La misura dello spazio e delle sue caratteristiche chimiche e fisiche (cosiddetti fenomeni) non puo’ quindi prescindere dalla convergenza all’istantaneità per poter eseguire una robusta correlazione dei processi monitorati. Facciamo un esempio. Il rilievo classico avviene sempre in periodi temporali ravvicinati ma differenti, considerati in prima approssimazione come lo stesso istante. Se scansioniamo un ponte, se battiamo alcuni suoi punti caratteristici, lo facciamo ordinariamente in un tempo differito. Tempo differito, tradotto in parole semplici, vuol dire misure che variano nel tempo, a volte in maniera drammaticamente significativo. Tuttavia si accetta (ed in effetti si dà atto che sia cosi’) di considerare questo prodotto come “rilievo all’istante t”, anche perché spesso le variazioni strutturali del contesto sono inferiori all’accuratezza del rilievo e non vi sarebbe modo di apprezzarle. Un ponte, ad esempio quelli in acciaio (ma non solo), una ferrovia ed il suo armamento, un corpo di frana, nell’arco temporale di una sessione di scansione piu’ o meno esaustiva, subirà rototraslazioni causate dalla dilatazione termica e/o da molteplici altre cause, anche di diversi centimetri o decimetri. La nuvola densa sarà dunque una registrazione grossolana anche se appare coerente in prima approssimazione, forse utile per una modellazione orientata al BIM, ma in nessun caso spendibile per analisi strutturali di monitoraggio.
La contemporaneità della misura nello sviluppo di un 4D con l’uso di strumentazione tradizionale sarebbe teoricamente possibile ma di ardua realizzazione per problemi di complessità, di costi e di limiti di descrizione dei dettagli, soprattutto ad elevatissime distanze di osservazione.
Ciò che in topografia e geomatica classica viene considerata una necessaria e ben accettata approssimazione, che rende possibile l’esecuzione pratica di un rilievo a livelli di accuratezza e definizione adeguata, diventa una criticità inaccettabile nella geomatica non ortodossa: la caratterizzazione spaziale e temporale dei fenomeni fisici e chimici è il pilastro fondante di questa disciplina nata in Italia nelle primavera del 2022, dopo 20 anni di gestazione e sperimentazione sul campo condotta sia nel nostro Paese che in diversi contesti affrontati in giro per il mondo.
La fotogrammetria di frontiera come strumento di innovazione
Automatismo, velocità di esecuzione in tutto lo spettro elettromagnetico. L’oggetto puo’ essere gestito da pochi centimetri a distanze chilometriche in osservazione diretta, ottenendo scansioni tridimensionali di valore ingegneristico. Parleremo approfonditamente dei metodi di scansione chilometrica 3D e 4D in un altro articolo, data l’importanza del tema per le implicazioni applicative in numerosi settori ingegneristici di monitoraggio.
L’iper-accuratezza della misura e la descrizione geospaziale iperdefinita
Gli ingredienti della GNO per ottenere misure ipeaccurate alla scala micrometrica, coperti attualmente da brevetto, sono i seguenti:
a) Metodi innovativi ed inediti nel tracciamento dei punti a terra. Qui occorre precisare. Un punto, in geomatica non ortodossa è sempre un volume di dimensione significativa. Il punto è solo una pratica astrazione che diventa di fatto un elemento di amplificazione dell’errore che non consente di scendere sotto la barriera centimetrica su vasta scala.
b) Sistema automatico di produzione e certificazione alla scala micrometrica del contesto, esteso a superfici volumetriche massive.
c) Sensori fotografici e macchine di cattura del dato di nuova concezione.
Intelligenza artificiale per il 4D predittivo. La misura spazio temporale rimane fondamentalmente un fatto statistico. Sappiamo che non esiste una misura esatta ma solo una sua rappresentazione sufficientemente contenuta nella gaussiana. Ma in cosa consiste la misura predittiva? È la misura del cinematismo spazio temporale dei fenomeni che fa affidamento meno alla statistica e pone in maggior rilievo ai dati misurati.
Come misurare il cinematismo prima che accada? L’approccio utilizzato anche in questo caso è diverso da quello classico. La geomatica è la scienza della verità attraverso la misura ed in quanto tale, occorre migliorare sensibilmente la probabilità dell’accadimento di un evento partendo da metodi e strategie nuove rispetto al passato se desideriamo un maggiore coinvolgimento della misura reale. Chiamiamo questo nuovo approccio il metodo 4D del moto incipiente sul quale sono in corso numerosi studi di validazione in Irpinia. L’AI in geomatica si utilizza da almeno 10 anni. Personalmente ho ottenuto i risultati piu’ significativi utilizzandola principalmente per migliorare la resa del processamento fotogrammetrico, anche se ormai da 5 anni i dirompenti sviluppi informatici hanno completamente rivoluzionato e ampliato l’uso dell’AI nella GNO secondo strategie differenti rispetto alla classica geoAI.
Il caso di studio del Duomo di Napoli
Introduciamo a questo punto il nostro lavoro di ricerca eseguito a partire dal mese di Febbraio 2025 nel Duomo di Napoli. Concepito inizialmente come progetto di rilievo tridimensionale donato alla città di Napoli, dopo il primo giorno in cantiere le restituzioni preliminari hanno mostrato subito interessanti novità grazie all’uso di strumenti e tecniche descritte all’inizio di questo articolo.
Mentre il Team principale guidato dall’Ingegnere Orlando Pandolfi si è occupato del rilievo ibrido laser fotogrammetrico (di prossimità e aereo) un ristretto gruppo di ingegneri ha utilizzato una versione ottimizzata di Observer catturando set di dati fotogrammetrici con un GSD alla scala del centesimo di millimetro, focalizzato sul soffitto ligneo, da una distanza media di 30 metri. L’algoritmo di ricostruzione tridimensionale, che io ho chiamato Point Mesh Studio nel lontano 2017, ha restituito risultati inattesi, soprattutto nella permeabilità dei marmi a profondità fino a 15 centimetri, nelle tele e negli strati pittorici: un caso di applicazione inedita della tomografia fotogrammetrica, utilizzata nella scansione degli strati profondi delle cave di marmo a Carrara.