Dalla georeferenziazione del costruito alla segmentazione del rilievo: un percorso per l’informatizzazione del fascicolo del fabbricato

Massimo CHILLEMI, Luigi GIACOBBE[1]

DISIA Facoltà di Ingegneria Università di Messina

L’esigenza di costruire una “carta d’identità” del fabbricato, ovvero un elaborato che raccolga e coordini tutte le informazioni sensibili necessarie per la gestione ed il monitoraggio dell’edificio, è già stata recepita, sotto il profilo normativo, da alcune regioni italiane attraverso l’istituzione del cosiddetto “fascicolo del fabbricato” ed è molto probabile che tale provvedimento sarà prossimamente esteso all’intero territorio nazionale.

Le procedure di redazione del fascicolo del fabbricato convergono ovviamente verso la realizzazione di un data base informatizzato aggiornabile dinamicamente.

Nella presente nota si vuole evidenziare come questo elaborato rappresenti un’importante opportunità per costruire un archivio del patrimonio edilizio, il cui contenuto vada anche oltre le previsioni normative per numero, tipologia e, soprattutto, riferibilità delle informazioni rispetto alla geometria dell’edificio.

In particolare, sarà esaminata la possibilità di utilizzare il rilievo con laser scanner 3D come modello di riferimento per la realizzazione di un vero e proprio “sistema informativo” del fabbricato.

PREMESSA

La conoscenza del patrimonio edilizio ed urbanistico è una base imprescindibile perché possa essere esercitata un’oculata azione di monitoraggio, controllo e valorizzazione del costruito sotto i più diversi profili (architettonico, strutturale, impiantistico) e, in generale, per consentire una fruizione ottimizzata nel tempo.

Tale conoscenza si deve basare sull’acquisizione, attraverso una prassi sistematica, unitaria e graduale, di informazioni il più possibile diffuse ed organiche.

Le tecnologie informatiche consentono, grazie alla disponibilità di software sempre più potenti e condivisi, spesso open source o low cost, e di database multisensore, integrati e dinamici, la costruzione di sistemi informativi territoriali che, specializzati per l’ambito di riferimento, offrono la possibilità di usufruire di archivi aggiornati e georeferenziati di notevole capacità ed in linea con le aspettative tipiche della cosiddetta “società dell’informazione”, in relazione a tempi e facilità di consultazione e di dettaglio del dato.

Si ritiene opportuno sottolineare che la georeferenziazione è elemento topico della “catalogazione” del patrimonio edilizio ed urbanistico, in base al principio secondo il quale nessuna azione è possibile senza avere inserito i singoli beni in un circuito condiviso di conoscenza.

Anche sulla spinta del quadro normativo, che a livello nazionale dovrebbe a breve recepire la tendenza già manifestata da alcune regioni, istituendo il cosiddetto fascicolo del fabbricato, si può allora pensare di ripercorrere a scala ridotta e per il singolo fabbricato il percorso già realizzato in ambito territoriale.

In altri termini, l’enorme mole di dati teoricamente riferibili ad un singolo edificio, grazie ad un adeguato dettaglio grafico (e quindi metrico) dell’impianto architettonico, strutturale e distributivo, può essere “georeferenziata” alla geometria del fabbricato, trasformando un normale database in un vero sistema informativo: il fascicolo del fabbricato informatizzato e referenziato.

Questo documento accompagnerà il manufatto durante tutta la sua vita utile in maniera dinamica, fornendo il necessario supporto per le attività di manutenzione, controllo e monitoraggio e, più in generale, per tutte le azioni tendenti ad ottimizzarne la fruizione.

Il fascicolo del fabbricato: da strumento di Protezione Civile a Carta d’identità dell’edificio

Il fascicolo del fabbricato nasce come strumento di Protezione Civile, introdotto nella normativa urbanistica del Comune di Roma con la delibera n° 166/99 del Consiglio Comunale, cui farà seguito, nel maggio del 2000, la delibera n° 473/00, con la quale viene pubblicato lo schema tipo, che ne specifica contenuti e dettagli.

Il 24 febbraio 2004, con l’emanazione della delibera di C.C. n° 27, il fascicolo del fabbricato diventa obbligatorio nel Comune di Roma.

Il 12 settembre 2002 la Regione Lazio ha emanato la L.R. n° 31 sull’Istituzione del Fascicolo del Fabbricato, statuendo all’art. 1 che “I Comuni del Lazio hanno la facoltà, nell’ambito della propria competenza territoriale, di istituire un fascicolo per ogni fabbricato esistente o di nuova costruzione. A livello nazionale, l’esigenza di istituire il fascicolo del Fabbricato era stata recepita con la presentazione del ddl 4339/2000.

Secondo le attuali previsioni normative, il Fascicolo del Fabbricato è strutturato in quattro sezioni:

 

1. identificazione dell’edificio;
2. analisi della sicurezza statica, anche con riferimento all’interazione tra strutture portanti e suolo e sottosuolo;
3. analisi della sicurezza impiantistica;
4. sintesi degli accertamenti, eventuali provvedimenti da adottare e piano di gestione del fabbricato.

 

L’oggetto dell’analisi prevista è la sicurezza dell’edificio, sia dal punto di vista strutturale che impiantistico, per cui tutte le indagini e le documentazioni richieste sono orientate a tale finalità.

L’acquisizione e la verifica della documentazione tecnico-amministrativa esistente dovrà essere pertanto integrata da:

 

• elaborati grafici relativi all’intero edificio ed alle singole unità immobiliari, con l’evidenziazione delle modifiche intervenute nel tempo;
• caratterizzazione geologica e geologico- tecnica del sottosuolo;
• descrizione e caratterizzazione dell’impianto strutturale;
• segnalazione di eventuali fenomeni di dissesto;
• descrizione degli impianti e giudizio sulla loro rispondenza alla normativa vigente;
• giudizio sintetico sul livello di degrado dell’immobile.

 

La redazione del Fascicolo richiede quindi una notevole mole di indagini e di apporti multidisciplinari. Tra le varie difficoltà, sottolinea inoltre la necessità di evidenziare eventuali modifiche dell’immobile o di parti di esso (superfetazioni, ampliamenti, modifiche strutturali, modifiche impiantistiche) e ciò evidentemente comporta problematiche non sempre di agevole soluzione, considerata la frequente mancanza delle planimetrie di progetto riferibili alla morfologia originaria.

La difficoltà ed i relativi oneri necessari per garantire un prodotto finale che garantisca effettivamente il conseguimento degli obiettivi previsti in termini di supporto per la gestione della sicurezza, possono giustificare, almeno per gli edifici pubblici e/o di particolare rilevanza storico-artistica, l’implementazione del Fascicolo con informazioni non correlabili alla sicurezza del manufatto, ma che ne completano la descrizione realizzando un database dinamico e scalabile. In un unico elaborato informatizzato potrebbero convergere oltre a quanto già previsto dal Fascicolo del Fabbricato, notizie che riguardano la storia dell’edificio, i suoi caratteri architettonici, distributivi, le caratteristiche tecnologiche e termo-igrometriche delle soluzioni costruttive adottate e dei materiali: una vera e propria carta d’identità in grado di fornire un’anamnesi completa per ogni azione relativa all’edificio.

La referenziazione del database al modello geometrico dell’edificio

Per realizzare un sistema informativo dell’edificio, tutte le informazioni relative al manufatto, qualunque ne sia la natura, dovranno essere collocate in una matrice comune, costituita dalla loro riferibilità spaziale alla geometria del fabbricato.

A questo proposito, si ritiene che un contributo importante possa essere offerto dalla tecnologia del laser scanner, in grado di fornire, ovviamente all’interno di un progetto di rilevamento multisensore ed integrato, una mappa digitale tridimensionale dell’edificio ad elevato dettaglio, cui referenziare tutte le informazioni del database.

Come è noto, il laser scanner 3D consente di modellare digitalmente oggetti tridimensionali di varia forma ed estensione, mediante il posizionamento spaziale di una notevole quantità di punti.

La densità di acquisizione è talmente elevata da generare la cosiddetta nuvola di punti ed il rilevamento, pur essendo discreto, in realtà tende al continuo, consentendo in fase di post-processing la costruzione di modelli solidi di elevata qualità.

Pur non trascurando l’importanza della fase di progettazione dell’acquisizione di un oggetto mediante laser scanner, indubbiamente il momento più delicato dell’intero processo è rappresentato dalla fase di post-elaborazione del dato laser, che si articola in varie operazioni, sommariamente riconducibili a:

 

1. allineamento delle scansioni;
2. georeferenziazione del modello (se necessario);
3. pretrattamento, decimazione e filtraggio della nuvola di punti;
4. segmentazione del dato laser;
5. generazione di superfici e bordi
6. editing delle superfici.

 

In particolare, si vuole qui richiamare l’attenzione sulla segmentazione del dato laser, che, in un’operazione così complessa ed articolata come quella della costruzione del sistema informativo del fabbricato, riveste un ruolo cruciale per il conseguimento di un risultato accettabile sotto il profilo del rapporto benefici/costi.

Utilizzando procedure di segmentazione automatizzato, è infatti possibile estrarre dalla nuvola di punti, in maniera economica e veloce, famiglie di punti che presentano caratteristiche simili.

Piuttosto che modellare l’intero database acquisito con il laser scanner, sarà allora possibile eseguire le fasi di generazione ed editing delle superfici su porzioni elementari della nuvola originaria, che saranno più facilmente gestibili e per le quali, soprattutto, sarà più semplice ed immediato determinare una legge di interpolazione mediante superfici primitive.

Le tecniche di segmentazione

Pur senza voler entrare nel merito di un tema già adeguatamente trattato in diverse pubblicazioni (v. note bibliografiche), si ritiene opportuno richiamare alcuni concetti fondamentali sulle tecniche di segmentazione.

Spesso, almeno nell’ambito del rilievo terrestre, la fase di segmentazione non è presa in considerazione, per cui il passo successivo al pretrattamento è rappresentato dalla generazione di superfici.

Attraverso operazioni di ottimizzazione e lisciatura, si riesce così a conseguire un risultato apprezzabile sotto il profilo della rappresentazione in senso lato, ma senza un’adeguata attenzione al concetto di misura.

Più propriamente, un’analisi topologica e semantica dell’oggetto (inteso come insieme di punti interconnessi da una relazione di tipo geometrico) può invece condurre ad una corretta interpretazione, che ne conservi le peculiari caratteristiche di misura e di scala entro standard qualitativi elevati.

La suddivisione della nuvola di punti originaria in sub-elementi geometricamente omogenei rispetto ad un parametro predefinito dev’essere allora preceduta da un’analisi orientata all’oggetto che, mediante la raccolta e classificazione di una serie di informazioni di carattere topologico-semantico, consenta l’individuazione delle famiglie elementari di punti, dando l’avvio al processo di segmentazione.

I vari sub-elementi potranno essere allora individualmente modellati ed interpretati mediante algoritmi diversi ed indipendenti, ovvero, se ne ricorrono le condizioni, mediante la stessa funzione variandone di volta in volta la parametrizzazione, senza degradare, grazie ai vincoli derivanti dall’analisi orientata preliminare, il disegno d’insieme dell’oggetto.

L’analisi topologico-semantica rappresenta quindi la trama, il denominatore comune, che consente di restituire un modello unitario del manufatto, pur in presenza di una procedura di segmentazione a modelli indipendenti dei sub-elementi, che, dal proprio canto, garantisce un adeguato rispetto del concetto di misura, evitando il ricorso ad eccessive approssimazioni di rappresentazione.

Analisi orientata e segmentazione, fin qui descritte come ‘una propedeutica all’altra, possono in realtà influenzarsi reciprocamente, susseguendosi in un ciclo circolare con successive approssimazioni, in un processo dicotomico di convergenza verso la migliore soluzione possibile. Le nuove informazioni acquisite al termine del ciclo n-esimo, entrano infatti a far parte dei dati di input del successivo ciclo n+1-esimo.

Similmente a quanto avviene nella costruzione della cartografia numerica, anche in questo caso la definizione di una scala nominale del modello ha un ruolo determinante nella scelta delle informazioni necessarie, dal momento che in funzione di tale scala va definito il loro grado di dettaglio.

Scelta la scala di analisi più piccola tra quelle ritenute possibili nell’uso del modello in fase di costruzione, le informazioni necessarie sono classificabili in:

 

• caratteristiche intrinseche, cioè proprietà fisiche degli oggetti: colore, forme e tessitura;
• caratteristiche topologiche, ovvero relazioni geometriche tra gli oggetti: posizione ed orientamento relativo, distanza, condizioni di adiacenza, tangenza ed intersezione;
• caratteristiche contestuali, cioè relazioni semantiche tra gli oggetti.

 

Il processo fin qui descritto è in grado di evidenziare e rendere il più fruibile possibile il set di informazioni insite nella nuvola di punti, in modo che, come già prospettato in questa nota, il prodotto finale potrà diventare la base di una cartografia numerica dell’oggetto rilevato, che può essere implementata da ulteriori informazioni geometriche diversamente acquisite e cui saranno referenziati i data base esterni, fino alla costruzione del sistema informativo del fabbricato.

Focalizzando l’attenzione soltanto sulle tecniche di segmentazione automatica e rimandando per maggiori dettagli alle pubblicazioni specializzate sul tema in oggetto, si ricorda soltanto che in ambito terrestre si prestano ad essere vantaggiosamente utilizzate le seguenti procedure:

 

• algoritmi K.D.M. (Knowledge Driver Methods) o Top-Down: formulato un modello parametrico dell’oggetto, l’algoritmo tenta di determinare i parametri che garantiscono le migliore corrispondenza tra modello e set dei dati a disposizione;
• algoritmi D.D.M. (data Driver Methods) o Bottom-Up: concettualmente speculari ai precedenti, questi algoritmi consentono la costruzione di segmenti, che solo dopo un’analisi semantica acquistano il significato di oggetto, mediante estrazione diretta dalla popolazione dei dati e senza alcun modello predefinito;
• algoritmo Region Growing: l’algoritmo, a partire da un punto casuale detto seme, avvia il processo di aggregazione includendo punti di caratteristiche simili, fino a costruire una primitiva corrispondente a criteri predefiniti;
• algoritmo R.S.M. (Region Splitting and Merging): seguendo un procedimento inverso rispetto al Region Growing, a partire dall’insieme dei dati si esegue una suddivisione in sottoinsiemi arbitrari, che a loro volta vengono disaggregati, fino a soddisfare le condizioni di segmentazione.

Conclusioni

Andando ben oltre i limiti imposti dalla normativa in evoluzione in materia di sicurezza degli edifici, le moderne tecniche di rilevamento e restituzione, sfruttando anche le competenze maturate in ambiti diversi e, specificamente, nel campo dei Sistemi Informativi Territoriali, rendono possibile la realizzazione di un modello informativo del fabbricato, che ne costiturà la carta d’identità, scalabile ed aggiornabile, per tutta la sua vita utile.

Un tale obiettivo, che è oggi possibile enunciare grazie anche alle esperienze maturate nel campo del rilevamento con laser scanning 3D, che, opportunamente integrato, può fornire la “cartografia numerica” dell’edificio cui referenziare tutte le informazioni necessarie, in realtà si presenta molto complesso da raggiungere, anche per i notevoli costi che presumibilmente, almeno in un primo tempo, ne limiterebbe l’applicazione a edifici di particolare valenza storico-architettonica.

E’ quindi auspicabile che si possa giungere all’elaborazione di un progetto pilota su scala nazionale, che, oltre a testare le procedure esistenti e la loro applicazione al caso in oggetto, ne consenta anche l’affinamento, soprattutto in ordine alle tecniche di segmentazione.

Bibliografia:

Roggero M., 2006: “Segmentazione di dati laser ed analisi orientata agli oggetti” in “Laser scanning terrestre” – ed. CISM

Rinaudo F., 2002: “La tecnica laser scanning: applicazioni architettoniche e urbanistiche” in “La tecnica del laser scanning: teoria ed applicazioni” – ed. CISM

Roggero M., 2002: “Segmentazione di oggetti con tecniche di Region Growing e analisi delle componenti principali” in Atti 6^a Conferenza Nazionale ASITA

[1]  Il contributo dei due Autori alla stesura del presente articolo è da intendersi paritetico.