TRAIL: il mobile mapping in zone urbane diventa più accurato e autonomo

Rendere i rilievi 3D più precisi, veloci e affidabili anche dove il GPS non funziona bene: è questa la sfida affrontata dal progetto TRAIL, nato dalla collaborazione tra FBK e 3D Target. Grazie all’integrazione intelligente di sensori LiDAR, dati inerziali e algoritmi avanzati di SLAM, la nuova soluzione sviluppata migliora l’autonomia dei sistemi di mobile mapping e porta l’accuratezza dei rilievi entro pochi centimetri anche in contesti urbani complessi.

Nell’ambito dell’iniziativa EDIH-SoE InnovAction, cofinanziata dal Ministero delle imprese e del Made in Italy (MIMIT) si è conclusa la collaborazione che ha coinvolto l’unità 3DOM del Centro Digital Industry di FBK e l’azienda 3D Target, attiva nel settore dei rilievi 3D terrestri e da drone. Il team di 3DOM, guidato da Fabio Remondino, ha collaborato con l’azienda al progetto TRAIL – Trajectory Reconstruction and Augmentation using Inertial and LiDAR data, sviluppato nell’ambito del servizio “Twin Transition – PoC”. Specializzata nello sviluppo di soluzioni integrate per il rilievo tridimensionale di infrastrutture e ambiente, 3D Target si è affermata negli anni come uno dei principali riferimenti tecnologici nel settore del mobile mapping 3D, grazie alla piattaforma proprietaria Scanfly. 

In un mercato in rapida evoluzione, l’obiettivo della collaborazione era compiere un ulteriore salto tecnologico: aumentare l’accuratezza assoluta dei rilievi, soprattutto in condizioni di segnale satellitare degradato o assente, migliorare l’affidabilità delle acquisizioni e ridurre significativamente i tempi di processing dei dati 3D raccolti. 

Una nuova generazione di SLAM per il mobile mapping

Il progetto TRAIL nasce con l’obiettivo di sviluppare una metodologia, basata su SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), per ottimizzare, all’interno della piattaforma proprietaria SmartProcessing LiDAR, il rilievo eseguito con i sistemi Scanfly.

La soluzione sviluppata combina dati provenienti da sensori LiDAR terrestri, sistemi inerziali IMU e osservazioni GNSS per migliorare la qualità della traiettoria osservata durante il rilievo, specialmente in scenari urbani caratterizzati da copertura satellitare limitata, intermittente o completamente assente.

L’iniziativa si inserisce in un più ampio percorso di transizione digitale applicata al settore del rilievo tridimensionale, introducendo metodologie avanzate di georeferenziazione e analisi spaziale in grado di aumentare automazione, interoperabilità e dettaglio geometrico dei dati acquisiti.

Il miglioramento della qualità dei rilievi 3D con strumentazione mobile mapping consente infatti di rendere più affidabili le analisi sugli asset urbani, stradali e forestali, accelerando la trasformazione digitale dei processi di gestione e manutenzione delle infrastrutture.

Sistema Scanfly Duo di 3D Target

Dai requisiti operativi alla raccolta dei dataset

Le attività progettuali sono partite da una fase di definizione dettagliata dei requisiti tecnici e operativi necessari allo sviluppo della soluzione SLAM. Il lavoro ha permesso di identificare le caratteristiche richieste in termini di sensoristica, frequenze di acquisizione, configurazione hardware e metriche di validazione, definendo come piattaforma di riferimento per la raccolta dati il sistema Scanfly EVO, con estensione alle configurazioni Scanfly PRO per gli scenari più complessi. Particolare attenzione è stata dedicata alla compatibilità con SmartProcessing LiDAR, il software proprietario utilizzato da 3D Target per l’elaborazione dei dati raccolti con i sistemi Scanfly.

Successivamente è stata avviata un’intensa attività di raccolta dati in contesti reali, attraverso campagne di rilievo effettuate con i sistemi Scanfly in ambienti urbani, naturali e misti. I dataset acquisiti includono scenari caratterizzati da diversi livelli di complessità: rilievi in aree con buona copertura GNSS, acquisizioni in ambienti con segnale satellitare degradato, rilievi dinamici mediante sistemi montati su bicicletta e acquisizioni backpack in ambienti naturali privi di segnale satellitare. La scelta di creare dataset variegati è stata fondamentale per garantire piena coerenza tra gli algoritmi sviluppati e le reali condizioni operative dei sistemi Scanfly, evitando le limitazioni tipiche dei benchmark pubblici disponibili.

La nuova pipeline SLAM sviluppata nel progetto TRAIL

Il cuore del progetto TRAIL è una nuova pipeline di elaborazione basata su algoritmi SLAM e integrazione INS/GNSS, progettata per migliorare precisione e affidabilità dei rilievi 3D. Il sistema funziona su due livelli. Nel primo, una tecnologia chiamata LiDAR-Inertial Odometry (LIO) combina i dati dei sensori inerziali con le scansioni LiDAR per ricostruire una prima stima del percorso effettuato durante il rilievo. Nel secondo livello entra in gioco un processo di ottimizzazione chiamato Plane Bundle Adjustment (PBA), che corregge eventuali errori residui e migliora la coerenza geometrica della nuvola di punti 3D.

Integrando dati INS/GNSS alla co-registrazione dei profili LiDAR, il sistema mantiene un’elevata accuratezza anche in assenza di segnale GNSS, sfruttando la solidità dei dati LiDAR e la continuità fornita dai sensori inerziali.

Accuratezza entro i 5 centimetri e tempi ridotti

I risultati ottenuti hanno portato a un netto miglioramento delle prestazioni dei sistemi Scanfly. L’obiettivo del progetto era raggiungere un’accuratezza inferiore ai 5 centimetri in qualsiasi condizione operativa, riducendo allo stesso tempo fino al 50% i tempi di elaborazione dei modelli 3D. Questo permette di evitare rilievi aggiuntivi o procedure correttive spesso necessarie quando il segnale GNSS è debole o instabile.

I test di validazione hanno confermato l’affidabilità della soluzione e la possibilità di integrarla efficacemente nel workflow di SmartProcessing LiDAR.

Un passo avanti verso il rilievo 3D completamente digitale

Il progetto TRAIL rappresenta un importante passo avanti verso sistemi di mobile mapping terrestre sempre più autonomi, interoperabili e intelligenti. La possibilità di combinare LiDAR, sensori inerziali e algoritmi avanzati di SLAM in un’unica pipeline software apre infatti nuove prospettive applicative sia in ambienti outdoor che indoor, ampliando il potenziale utilizzo delle piattaforme Scanfly in ambiti come monitoraggio infrastrutturale, smart city, gestione forestale e digitalizzazione del territorio.

Per 3D Target, l’iniziativa costituisce anche un importante vantaggio competitivo sul mercato internazionale, grazie all’integrazione di funzionalità avanzate in grado di aumentare precisione, automazione e velocità dei processi di rilievo tridimensionale.