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3D Open Source

E’ possibile creare una riproduzione 3D di un’area senza spendere 1€? La risposta è si e ve lo mostro con questo tutorial!

Cose necessarie:

  • dimestichezza con la metodologia GIS;
  • dimestichezza con QGIS;
  • applicazione;
  • un po’ di pazienza 😉

Iniziamo!

Recuperiamo una CTR, un DTM ed un DSM. Per questo tutorial ho usato la CTR 1:1000 scaricata nella sezione Open Data del sito del Comune di Napoli; per i due DEM ho attinto alla sezione Open Data del SIT della Città Metropolitana di Napoli. Qualche tempo fa vi ho già mostrato le potenzialità dei DEM da LiDAR.

Lavoriamo prima sui DEM. Come sapete DEM è l’acronimo di Digital Elevation Model, ovvero Modello Digitale di Elevazione; appartengono alla famiglia dei DEM i DTM – Digital Terrain Model, ovvero Modello Digitale del Terreno – ed i DSM – Digital Surface Model, ovvero Modello Digitale delle Superfici. Nei DTM è riportata la morfologia dei luoghi al netto del costruito e della vegetazione; mentre nei DSM è riportata la superficie reale di un’area compresi, quindi, il costruito e la copertura vegetativa.

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Confronto tra DTM e DSM

Aprendo il Raster Calculator andiamoci a calcolare la differenza tra i nostri due DEM nel modo che segue.

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Operazioni per calcolare il raster differenza tra i DEM

Abbiamo così ottenuto un raster di differenza, un DEM, che comprende le sole quote del costruito e della vegetazione; non è presente quindi la superficie terrestre.

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Parte del raster di differenza tra DSM e DTM

Adesso andiamo a lavorare sulla CTR. Il primo passo è quello di unire i file che abbiamo a disposizione che, in questo caso, sono composti da due shapefile: una per la Municipalità 1 e l’altro per la Municipalità 10.

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Workflow necessario all’estrazione della linea di costa e dell’edificato

Dall’unione ed attraverso operazioni di select estraiamo la linea di costa e l’edificato. Usiamo quindi il tool lines to polygons per poligonalizzare l’edificato.

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Maschera del tool

Il risultato sarà il seguente, in cui ho omesso le operazioni necessarie per correggere la topologia delle linee affinchè si ottenessero poligoni utili al nostro scopo.

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A questo punto andiamo ad estrarci i centroidi dei poligoni dell’edificato usando il plugin realcentroids, successivamente creiamo un buffer a 10cm dai centroidi appena ottenuti.

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Centroidi dei poligoni dell’edificato

Ora con il tool di Zonal Statistic andiamo ad associare la quota, prelevata dal DEM di differenza tra DSM e DTM, al poligono di buffer appena creato.

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Zonal Statistic

Ora con un semplice join tabellare associamo il field della quota, presente nel vettore dei buffer, al vettore dell’edificato poligonalizzato e salviamo il tutto come nuovo shapefile.

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Siamo finalmente pronti ad usare Qgis2threejs per creare il nostro 3D dell’area! Se non lo abbiamo ancora fatto scarichiamo il plugin dal repository. Quindi scegliamo il DEM di riferimento nella sezione DEM, poi spuntiamo il tab dell’edificato ed in Height scegliamo il field che contiene l’altezza degli edifici.

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Non ci resta che cliccare su Run ed il gioco è fatto! Il risultato sarà una pagina html che potrete caricare su un sito web o far processare da un apposito software di grafica 3D per migliorarne la qualità grafica.

Ecco il risultato della nostra elaborazione, immagine e 3D 😀

 

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Scorcio della costa posillipina

Di seguito la video guida 😉

LiDAR: riprodurre in maniera perfetta la realtà che ci circonda

LiDAR, acronimo di Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging, è una tecnica di telerilevamento “attivo” per l’esecuzione di rilievi topografici ad alta risoluzione. In questo abstract verrà illustrata brevemente questa tecnologia e i suoi campi di utilizzo.

La tecnologia LiDAR è una tecnica di scansione laser che consente di analizzare un’area ottenendo una nuvola di punti.

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Figura 1 – Visualizzazione della nuvola di punti tramite Lastools

Ogni punto porterà con se le coordinate e l’altezza. Il sistema per l’acquisizione dei dati è composto da un laser scanner che emette un impulso ad alta frequenza, un GPS per il posizionamento del punto e dalle stazioni GPS a terra posizionate sui vertici della rete geodedica.

Il laser scanner è posizionato a bordo di un aereo o di un drone ed è composto da un trasmettitore (il laser), un ricevitore costituito da un telescopio e da un sistema di acquisizione dati.

Gli impulsi inviati dal laser sono ad alta frequenza, tra i 10 e 150 kHz; per studi sulla morfologia di superficie si hanno lunghezze d’onda tra 1.0 ed 1.5 µm mentre per studi batimorfologici si va da 0.50 e 0.55 µm.[1]

In prossimità di aree costiere, soprattutto in caso di costa composta da falesie, i rilievi sono affetti da errori causati dalla rifrazione delle superfici spigolose e dall’acqua. In questi casi si integrano i rilievi aerei con rilievi da mare posizionando il laser scanner su una imbarcazione.

L’utilità di questo tipo di tecnologia è dovuta al fatto che si può riprodurre l’ambiente in maniera estremamente dettagliata. Infatti è possibile ottenere e dividere ad esempio la vegetazione dall’edificato e dividere edificato e vegetazione dalla superficie terrestre. Questo accade perché ogni impulso restituisce un eco della superficie su cui è rimbalzato, ad esempio se la vegetazione non è eccessivamente densa si riescono ad ottenere rami, foglie ed il terreno su cui poggia l’albero.

In fase di postprocessamento si possono scindere tutte le informazioni catturate in moda da ottenere un DSM (Digital Surface Model) ed un DTM (Digital Terrain Model). Le immagini che seguono mostrano due hillshade ottenuti elaborando la nuvola di punti LiDAR di due echi differenti:

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Come si può notare in figura 2 sono ben visibili edifici e vegetazione, del tutto assenti in figura 3.

Avere la possibilità di riprodurre in maniera così fedele un’area apre l’utilizzo del LiDAR a moltissimi campi:

  • Aggiornamento dei DEM (Digital Elevation Model);
  • Monitoraggio dei ghiacciai;
  • Censimento forestale;
  • Analisi e monitoraggio delle frane;
  • Sviluppo urbano.

Questi ed altri aspetti possono essere rappresentati e studiati con i LiDAR.

La disponibilità di tali dati sul Geoportale Nazionale è abbastanza limitata, dai quadri unione si può notare come non tutto il suolo nazionale sia stato esaminato e delle aree esaminate non tutte sono ad una risoluzione 1×1. Tali dati vista la loro grandissima utilità dovrebbero essere completati e resi disponibile per tutti gli studi del caso.

Altri dati molto importanti, ma assenti all’interno del Geoportale, sono i dati batimorfologici rilevati con tecnica Multibeam. Il multibeam è una tecnica simile alla tecnologia LiDAR che consente di rilevare la morfologia dei fondali con l’uso del sonar. Anche in questo caso a seconda dell’eco si possono ottenere più strati di informazioni relativi al fondale che si sta esaminando.

ARTICOLO PUBBLICATO ANCHE SU GEOMEDIA


[1]LIDAR: an introduction and overview” presented by Keith Marcoe GEOG581, Fall 2007. Portland State University

Usare i file Lidar con QGis: articolo + esercitazione

LIDAR (acronimo dall’inglese Light Detection and Ranging[1] o Laser Imaging Detection and Ranging) è una tecnica di telerilevamento che permette di determinare la distanza di un oggetto o di una superficie utilizzando un impulso laser, oltre a determinare la concentrazione di specie chimiche nell’atmosfera[1] e nelle distese d’acqua.

Definizione di Wikipedia

In questi giorni mi è capitato di dover lavorare su dei file Lidar, è stata la prima volta che mi sono imbattuto in questo tipo di file e innanzitutto ringrazio i ragazzi di GIS ITALIA per il preziosissimo supporto, senza di loro forse ancora stavo ad impazzire per capire come sfruttarli al meglio.

Viste le difficoltà che ho incontrato ho deciso di scrivere questo articolo che magari potrà tornare utile a qualcuno.

Questo articolo sarà in effetti un tutorial con annessa esercitazione; infatti, oltre a descrivere il procedimento che ho eseguito, inserirò alcuni dei file di base che potrete usare per ripercorrere il procedimento e magari fissarlo meglio in testa.

I file di output della strumentazione LiDAR sono generalmente nuvole di punti del tipo, ad esempio, “.xyz” parte di loro potete scaricarli da qui: DOWNLOAD FILE LIDAR

Ho usato l’ultima versione di QGis LTR per questo lavoro, potete scaricarla da qui.

Iniziamo!

I file che dobbiamo caricare, come dicevo prima, hanno l’estensioni .xyz per cui non possiamo caricarli con un semplice “Add layer” ma ci toccherà usare una strada un po’ diversa. Se provate ad aprire con il blocco note di Windows uno di questi file, noterete che è composto da 3 colonne: le prime due riportano le coordinate e la terza l’altezza. In pratica questi file sono composti da un insieme di punti, ognuno con coordinate proprie ed altezza. I file che ho usato hanno in se solo queste informazioni ma al loro interno se ne possono immagazzinare molte altre come densità, esposizione e tutto ciò che si riesce a “captare” con la tecnica LiDAR.

Detto ciò il primo passo da fare è proprio guardare uno di quei file per “capire come è fatto dentro”, in questo modo ci risulterà semplice capire il procedimento che andrò a descrivere. Con QGis aperto andate in Layer>Add Layer>Add Delimited Text Layer, come riportato in figura.

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Ora viene la parte delicata, fate molta attenzione! Cliccato su Add Delimited Text Layer avrete davanti a voi la seguente schermata:

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Andate su Browse, scegliete il file e caricatelo così come viene spiegato nella prossima schermata.

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Vi sarete accorti che questo tipo di file vanno caricati uno per uno, è una delle parti noiose di questa operazione… Caricato il file avrete difronte a voi la schermata che segue:

  • 4
  1. selezionate Regular expression delimiter, come avrete potuto notare c’è dello spazio tra le colonne che definiscono i singoli file;
  2. andate in Expression ed inserite gli spazi presenti tra le colonne, in questo caso sono due ma in altri file su cui ho lavorato sono meno o anche più. Vi dicevo di studiarvi il file proprio per capire come sono delimitate le colonne;
  3. ora bisogna indicare quali sono le colonne che portano con se longitudine e latitudine, se avrete inserito gli spazi correttamente potrete sceglierle dal menù a tendina che compare;
  4. importante, no, IMPORTANTISSIMO! Togliete la spunta da First record as field names. Questo perchè in questo caso i field non hanno nome e fin dal primo riportano coordinate ed altezza, se non togliete quella spunta perderete il primo record, il primo punto in elenco in pratica non verrà riportato. Ora potete cliccare su OK.

Vi verrà richiesto di inserire il sistema di riferimento come riportato in seguito.

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Fatto ciò avrete la vostra bella nuvola di punti in QGis, procedete con i passaggi precedenti per caricare tutti i file che vi ho passato in modo da averli tutti attivi per le prossime operazioni.

Che ci facciamo con questi file?

Possiamo farci una bella interpolazione per estrarci le curve di livello, un hillshade, uno slope, un relief e tanto altro ancora! Come prima cosa facciamo una interpolazione usando l’apposito plugin, vi comparirà la schermata che segue:

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  1. scegliete il layer;
  2. indicate la colonna con l’attributo altezza;
  3. aggiungete il file(se ne può aggiungere più di uno ripetendo i passaggi 1 e 2);
  4. indicate le dimensioni del singolo pixel. Ho inserito 1×1 perchè i file che ho usato hanno il passo di 1m, cioè i punti contigui distano tra loro 1m; in pratica tutto ciò che è più piccolo di 1m non è stato “letto” dallo scanner. Ora cliccate su OK e vi comparirà quello che segue:

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Questa è una porzione di Nisida opportunamente tematizzata, ora unite tutti i LiDAR per ottenere quello che segue:

lidar

Ora proviamo ad estrarre le curve di livello. Andate in Raster>Extraction>Countour, definite la cartella in cui salvare lo shape ed inserite la distanza tra le curve, 1m in questo caso, spuntate Attribute name e cliccate su OK.

 

lidar_9lidar

 

Otterrete un file così:

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Come vedete il file risulta essere un po’ “sporco” in mare, questo è dovuto ad alcuni errori dello scanner causati dalla rifrazione delle onde oppure, come noterete, in alcuni casi sono presenti i contorni delle barche.

Se volete potete divertirvi ad ottenere isoipse a distanze superiori oppure potete sbizzarrirvi con i vari tools di elaborazioni raster di QGis, qui di seguito un po’ di elaborazioni che ho fatto:

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Isoipse a 5m

Hillshade

Hillshade

lidar_14

Relief

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Slope

 

Tutto questo mi è servito per rielaborare in 3D l’area di Posillipo, questo che segue è il video che ho realizzato con ArcScene dopo aver ottenuto la TIN dell’area. Spero che questo articolo vi sia stato utile.


NB: i dati LiDAR utilizzati in questo articolo sono liberamente scaricabili dal SIT della Città Metropolitana di Napoli, sezione OpenData. I file, originariamente in formato grid, sono stati convertiti in nuvola di punti per scopi didattici e per renderli quanto più simili possibili all’output di una strumentazione LiDAR.