Il DIATI del Politecnico di Torino ha testato sistemi di mappatura portatile SLAM e UAV per creare modelli tridimensionali della Grotta di Bossea, confrontandoli con il laser scanner terrestre e ottenendo risultati promettenti per il monitoraggio geologico ipogeo
Come funzionano SLAM e droni: guida base alle tecnologie di rilievo in grotta.
Per comprendere lo studio condotto nella Grotta di Bossea è utile partire dalle tecnologie impiegate, spiegate in termini semplici.
• SLAM (Simultaneous Localization and Mapping): è un sistema che permette a un dispositivo portatile di capire dove si trova e contemporaneamente costruire una mappa 3D dell’ambiente circostante. Funziona grazie a sensori laser (LiDAR) e telecamere che “sparano” milioni di raggi luminosi ogni secondo e misurano il tempo che impiegano a tornare indietro dopo aver colpito una superficie. In pratica, è come camminare in una stanza buia con una torcia che misura le distanze da ogni parete. Il risultato è una “nuvola di punti”, cioè milioni di coordinate nello spazio che, messe insieme, ricostruiscono la forma 3D dell’ambiente.[Allegato]
• UAV (Unmanned Aerial Vehicle): è il termine tecnico per indicare un drone. In questo studio il drone è stato usato all’esterno, sopra la montagna, per fotografare il terreno dall’alto e ricostruire la forma del versante con la fotogrammetria.[Allegato]
• Fotogrammetria: tecnica che sovrappone centinaia di fotografie scattate da angolazioni diverse per calcolare le coordinate tridimensionali di ogni punto visibile. Dal drone si ottiene così un modello digitale del terreno, come una mappa in rilievo molto dettagliata.[Allegato]
• Laser scanner terrestre (TLS): è lo strumento più preciso, ma anche il più lento. Si posiziona su un treppiede e ruota su se stesso, misurando distanze con il laser in tutte le direzioni. Per coprire un’intera grotta servono decine di postazioni e molte ore di lavoro.[Allegato]
• Nuvola di punti: è il prodotto finale di tutti questi strumenti. Si tratta di un insieme di milioni (o miliardi) di punti, ciascuno con le proprie coordinate X, Y, Z e talvolta un colore. Visualizzata al computer, la nuvola di punti riproduce fedelmente la forma della grotta.[Allegato]
L’idea dello studio è semplice: confrontare i dati raccolti camminando in grotta con un dispositivo SLAM in mano (veloce ma meno preciso) con quelli ottenuti dal laser scanner su treppiede (lento ma molto accurato), per capire se la tecnologia SLAM portatile sia sufficientemente affidabile per mappare e monitorare una grotta nel tempo
La geomatica entra nelle grotte con la tecnologia SLAM
Il rilievo geomatico in ambito speleologico è una delle attività chiave per aggiungere valore scientifico e informativo all’esplorazione delle cavità sotterranee.
Solo grazie alla ricostruzione tridimensionale degli ambienti ipogei è possibile orientarsi, navigare, comprendere la litologia e organizzare meglio le esplorazioni.
Lo studio condotto da Nives Grasso, Paolo Dabove e Marco Piras, ricercatori del Dipartimento di Ingegneria dell’Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture (DIATI) del Politecnico di Torino, descrive l’uso della tecnologia SLAM e di droni (UAV) per il monitoraggio geologico della Grotta di Bossea, in provincia di Cuneo.[1][2]
La tecnologia SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) consente a un dispositivo di determinare la propria posizione mentre mappa un ambiente sconosciuto.
Questo aspetto è decisivo negli ambienti sotterranei dove il segnale GNSS (GPS) non è disponibile.
Lo studio, pubblicato negli atti dell’ISPRS nel 2023, propone una metodologia completa per la ricostruzione 3D delle grotte, integrando rilievi interni con SLAM e rilievi esterni con drone.[1]
La Grotta di Bossea: un laboratorio carsico nel cuore del Piemonte
La Grotta di Bossea si trova nel comune di Frabosa Soprana, in Val Corsaglia. Aperta al pubblico nel 1874, è la prima grotta turistica italiana.
La cavità ha un orientamento WNW-ESE, uno sviluppo di circa 2.800 metri e un dislivello totale di 184 metri.
Al suo interno opera il Laboratorio Carsologico Sotterraneo, istituito nel 1969, gestito dalla Stazione Scientifica di Bossea del CAI di Cuneo e dal DIATI del Politecnico di Torino, con la collaborazione di ARPA Piemonte e ARPA Valle d’Aosta.[3][4][5][1]
La grotta mantiene una temperatura costante di circa 11°C e un’umidità al 96%, condizioni che rendono le operazioni di rilievo topografico particolarmente complesse.
L’ambiente ospita concrezioni calcaree imponenti, un torrente sotterraneo e resti paleontologici di Ursus spelaeus risalenti a un periodo compreso tra 27.000 e 120.000 anni fa.[6][1]
Rilievo UAV esterno: il drone DJI Phantom 4 RTK sulla montagna
Per ricostruire il modello 3D del versante montuoso sopra la grotta, i ricercatori hanno utilizzato un drone DJI Phantom 4 RTK su un’area di circa 40 ettari.
Il velivolo, equipaggiato con un sensore da 20 megapixel e ricevitore GNSS collegato alla rete SPIN GNSS del Piemonte, ha acquisito 999 immagini con orientamento nadirali e oblique.
La quota media di volo era di 93 metri, con una risoluzione al suolo di 2,54 cm/pixel.[1]
Dall’elaborazione fotogrammetrica è stata generata una nuvola di punti densa di circa 208 milioni di punti.
Successivamente è stato ricavato un modello digitale del terreno (DTM) con risoluzione di 5 cm, utile per stimare lo spessore della roccia tra la superficie e il soffitto della grotta.
L’errore complessivo sui punti di controllo a terra (GCP) è risultato pari a circa 1,16 cm.[1]
Rilievo SLAM interno: BLK2GO e Kaarta Stencil-2 a confronto
All’interno della grotta sono stati testati due sistemi di mappatura portatile basati su tecnologia SLAM: il Leica BLK2GO e il Kaarta Stencil-2.
Il BLK2GO è un dispositivo palmare da meno di un chilo che combina SLAM LiDAR, SLAM visuale e IMU, con una velocità di scansione di 420.000 punti al secondo. Il Kaarta Stencil-2 è un sistema autonomo basato su LiDAR Velodyne VLP-16 con raggio di acquisizione fino a 100 metri.[1]
I ricercatori hanno percorso il tragitto turistico della grotta in andata e ritorno, creando anelli dove possibile.
L’acquisizione con lo Stencil-2 ha richiesto circa 51 minuti lungo una traiettoria di 1.420 metri, producendo circa 258 milioni di punti. Il BLK2GO ha completato il percorso in 38 minuti su una traiettoria di 1.381 metri, generando circa 349 milioni di punti.[1]
I dati di riferimento: 87 scansioni con laser scanner terrestre
Per validare i risultati SLAM, è stato effettuato un rilievo con laser scanner terrestre Faro Focus Cam2, che ha richiesto 87 scansioni e circa 14 ore di lavoro complessivo.
La nuvola di punti di riferimento comprende circa 3,5 miliardi di punti.
La registrazione è stata georeferenziata tramite 178 marker distribuiti lungo il percorso, con un errore di registrazione di circa 1 cm.[1]
Stima dello spessore della roccia con dati UAV e laser scanner
Uno degli obiettivi dello studio era stimare lo spessore della roccia sopra la volta della grotta.
I ricercatori hanno calcolato la differenza matematica tra il DTM del versante esterno, ottenuto dal drone, e il modello digitale della superficie del soffitto della grotta, ricavato dalla nuvola LiDAR.
Questi dati, combinati con termometri installati nella volta e nelle pareti, permettono di studiare come le temperature si propagano dall’esterno all’interno della cavità.[1]
Accuratezza della tecnologia SLAM nel rilievo della Grotta di Bossea
Il confronto tra le nuvole di punti SLAM e il dato di riferimento LiDAR ha evidenziato differenze medie di circa 25 cm per lo Stencil-2 e 27 cm per il BLK2GO.
L’analisi profilo per profilo ha mostrato che la deviazione aumenta nelle zone più lontane dal percorso e nelle aree con soffitti alti.
Il 50% dei punti dello Stencil-2 presenta errori inferiori a 15,2 cm e l’80% inferiori a 33,3 cm. Per il BLK2GO, il 50% resta sotto i 13,3 cm ma l’80% arriva a 40,3 cm.[1]
Le superfici bagnate della grotta hanno influenzato negativamente i risultati, creando riflessi e rumore nel segnale laser. Le differenze globali tra sensori SLAM e LiDAR sono risultate di circa 15 cm in planimetria e 22 cm in altimetria.[2][7][1]
Prospettive per il monitoraggio speleologico con SLAM e droni
Lo studio conferma che la tecnologia SLAM offre prestazioni ragionevoli per il rilievo delle grotte. I tempi di acquisizione sono notevolmente ridotti rispetto al laser scanner tradizionale e i dati possono essere utilizzati per restituzioni cartografiche a scala 1:1000/2000. I ricercatori indicano come possibile sviluppo futuro l’integrazione con sistemi UWB (Ultra-Wideband) per il posizionamento indoor e la ricostruzione 3D georeferenziata in un sistema di riferimento globale.[1]
La Grotta di Bossea si conferma un sito di riferimento per la ricerca speleologica in Italia. Oltre a questo studio, il DIATI del Politecnico di Torino ha condotto nella stessa grotta indagini con droni e stazioni sismiche per analizzare come temperatura e precipitazioni influenzano la stabilità del massiccio roccioso sovrastante la cavità.[8][9]
Fonti
[2] THE USE OF SLAM AND UAV TECHNOLOGY IN GEOLOGICAL FIELD FOR MONITORING: THE CASE STUDY OF THE BOSSEA CAVE https://isprs-archives.copernicus.org/articles/XLVIII-2-W3-2023/73/2023/
[3] Speleologi per un giorno alla Grotta di Bossea https://www.scintilena.com/alla-scoperta-della-grotta-di-bossea-un-viaggio-nel-tempo/08/22/
[4] Grotta di Bossea tra i 100 eccellenze italiane – Scintilena https://www.scintilena.com/grotta-di-bossea-tra-i-100-eccellenze-italiane-primo-turismo-speleologico-riconosciuto-a-palazzo-montecitorio/12/10/
[5] Riserva Naturale Grotte di Bossea https://www.grottedibossea.areeprotettealpimarittime.it/riserva-naturale-delle-grotte-di-bossea
[6] La Grotta di Bossea, un viaggio nella storia e nella scienza sotterranea – Scintilena https://www.scintilena.com/la-grotta-di-bossea-un-viaggio-nella-storia-e-nella-scienza-sotterranea/06/29/
[7] THE USE OF SLAM AND UAV TECHNOLOGY IN GEOLOGICAL FIELD FOR MONITORING: THE CASE STUDY OF THE BOSSEA CAVE https://isprs-archives.copernicus.org/articles/XLVIII-2-W3-2023/73/2023/isprs-archives-XLVIII-2-W3-2023-73-2023.pdf
[8] Monitoraggio delle grotte con geomatica e geofisica https://www.scintilena.com/monitoraggio-delle-grotte-sotterranee-con-geomatica-e-geofisica-il-caso-bossea-mostra-la-risposta-sismica-a-temperatura-e-pioggia-12/09/01/
[9] Droni e sismografi nella grotta di Bossea: il Politecnico … https://torinocronaca.it/news/torino/550445/droni-e-sismografi-nella-grotta-di-bossea-il-politecnico-scopre-come-la-roccia-respira-con-il-clima.html
[10] 01-Introduzione-alla-speleologia.ppt.txt https://ppl-ai-file-upload.s3.amazonaws.com/web/direct-files/collection_08c39ce1-fb5a-4696-a8a1-73d261c2e891/86d36e7b-fb33-423c-9ed5-5859bb837351/01-Introduzione-alla-speleologia.ppt.txt
[11] 03-Speleologia-e-ricerca-scientifica.ppt.txt https://ppl-ai-file-upload.s3.amazonaws.com/web/direct-files/collection_08c39ce1-fb5a-4696-a8a1-73d261c2e891/2e8b1d27-c01e-4793-9b8a-e405da6de545/03-Speleologia-e-ricerca-scientifica.ppt.txt
[12] Tecnologia Speleologica: I Nuovi Strumenti per Esplorare le Grotte https://www.scintilena.com/tecnologia-speleologica-i-nuovi-strumenti-per-esplorare-le-grotte/08/21/
[13] Innovativo drone esplora i passaggi sommersi di un … https://www.scintilena.com/innovativo-drone-esplora-i-passaggi-sommersi-di-un-leggendario-sistema-carsico-nei-monti-urali/02/28/
[14] Grotta Luftloch: la società Adriatica di Speleologia dopo 23 anni di lavoro scopre un nuovo tratto sotterraneo del Fiume Timavo. – Scintilena https://www.scintilena.com/grotta-luftloch-la-societa-adriatica-di-speleologia-dopo-23-anni-di-lavoro-scopre-un-nuovo-tratto-sotterraneo-del-fiume-timavo/03/27/
[15] Soluzione ICT low-cost per le grotte turistiche https://www.scintilena.com/soluzione-ict-low-cost-per-le-grotte-turistiche-il-caso-studio-della-grotta-di-bossea/09/12/
[16] Microplastiche in Grotte Inesplorate: Studio Inedito Rivela … https://www.scintilena.com/microplastiche-in-grotte-inesplorate-studio-inedito-rivela-inquinamento-nel-continente-buio-abruzzese-2/08/24/
[17] Drone scansiona e mappa una grotta lavica in Islanda, in attesa di … https://www.scintilena.com/drone-scansiona-e-mappa-una-grotta-lavica-in-islanda-in-attesa-di-esplorare-grotte-sulla-luna-e-su-marte/03/20/
[18] L’USAN chiude il 2025 con tecnologia e cultura: online il nuovo P’tit Usania – Scintilena https://www.scintilena.com/lusan-chiude-il-2025-con-tecnologia-e-cultura-online-il-nuovo-ptit-usania/12/12/
[19] Il ROV nelle esplorazioni in grotta: Il primo esperimento italiano di un tecnico ricercatore dell’UniBA con il Gruppo Speleologico Vespertilio – Scintilena https://www.scintilena.com/il-rov-nelle-esplorazioni-in-grotta-il-primo-esperimento-italiano-di-un-tecnico-ricercatore-delluniba-con-il-gruppo-speleologico-vespertilio/01/02/
[20] Corso di Fotografia in grotta con il CAI https://www.scintilena.com/fotografia-in-grotta-esperienze-laboratoriali-per-la-realizzazione-di-belle-foto-con-il-cai/03/12/
[21] Monitoraggio Specie Invasive nelle Grotte del Kosovo https://www.scintilena.com/monitoraggio-specie-invasive-nelle-grotte-del-kosovo-ricerca-scientifica-internazionale-per-la-protezione-degli-ecosistemi-sotterranei/09/13/
[22] Terza Conferenza Balcanica di Speleologia: Un Convegno Internazionale Dedicato all’Esplorazione delle Caverne – Scintilena https://www.scintilena.com/terza-conferenza-balcanica-di-speleologia-un-convegno-internazionale-dedicato-allesplorazione-delle-caverne/09/17/
[23] Workshop Misure e monitoraggi delle acque sorgive https://www.scintilena.com/workshop-misure-e-monitoraggi-delle-acque-sorgive-appuntamento-a-bossea/05/27/
[24] L’Edizione di Settembre 2023 di ‘Sopra e Sotto il Carso’ È … https://www.scintilena.com/ledizione-di-settembre-2023-di-sopra-e-sotto-il-carso-e-ora-disponibile-online/10/03/
[25] Solo un mese per scaricare il nuovo studio sulle microplastiche nelle … https://www.scintilena.com/solo-un-mese-per-scaricare-il-nuovo-studio-sulle-microplastiche-nelle-grotte-turistiche-italiane/06/10/
[26] MULTISPECTRAL UAV DATA ENHANCING THE KNOWLEDGE OF LANDSCAPE HERITAGE https://isprs-archives.copernicus.org/articles/XLVIII-M-2-2023/1419/2023/isprs-archives-XLVIII-M-2-2023-1419-2023.pdf
[27] Cooperative Trajectory Planning and Resource Allocation for UAV-Enabled Integrated Sensing and Communication Systems https://eprints.whiterose.ac.uk/206141/1/V3_VT_2023_02539_final_version_1_.pdf
[28] Multispectral UAV Data and GPR Survey for Archeological Anomaly Detection Supporting 3D Reconstruction https://www.mdpi.com/1424-8220/23/5/2769/pdf?version=1677835794
[29] Smart three-dimensional processing of unconstrained cave scans using small unmanned aerial systems and red, green, and blue-depth cameras https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1177/17298814211017728
[30] Scalable Autonomous Drone Flight in the Forest with Visual-Inertial SLAM
and Dense Submaps Built without LiDAR https://arxiv.org/html/2403.09596v1
[31] A GRASP-Based Approach for Planning UAV-Assisted Search and Rescue Missions https://www.mdpi.com/1424-8220/22/1/275
[32] Research on pure azimuth passive positioning of unmanned aerial vehicle formation in electromagnetic silence environment https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/00202940241270715
[33] Implementation of Unmanned https://vtrc.virginia.gov/media/vtrc/vtrc-pdf/vtrc-pdf/22-R16.pdf
[34] Three-dimensional modelling of artificial caves for … https://pdfs.semanticscholar.org/0f3d/d3b6a6bf00e0df89873627b0ec125bd7fc18.pdf
[35] An Integrated Geophysical and Unmanned Aerial Systems Surveys for Multi-Sensory, Multi-Scale and Multi-Resolution Cave Detection: The Gravaglione Site (Canale di Pirro Polje, Apulia) https://www.earth-prints.org/bitstream/2122/17082/1/remotesensing-15-03820-v2.pdf
[36] LIVE – SLAM in Galleria (da solo!), su ponti e nei boschi https://www.youtube.com/watch?v=HCgBBqotMlg
[37] THE CASE STUDY OF THE BOSSEA CAVE – Le Biblioteche https://pico.polito.it/discovery/fulldisplay/alma994106513607866/39PTO_INST:VU
[38] Studio di stabilità di volte rocciose naturali nella grotta di Bossea https://webthesis.biblio.polito.it/20642/1/tesi.pdf
[39] the Case Study of the Bossea Cave – NASA/ADS https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023ISPAr48W3…73G/abstract
[40] SPECIALE 63° CONVEGNO NAZIONALE SIFET GEOMATICA https://www.ordineingegneri.latina.it/cms/sites/default/files/GEOmedia_2_2018.pdf
[41] Video, ispezioni, rilievi aerei con drone | Geodrone Servizi https://www.geodroneservizi.com
[42] Paleontologia e archeologia in grotta: il secondo incontro online di … https://www.scintilena.com/paleontologia-e-archeologia-in-grotta-il-secondo-incontro-online-di-biologia-sotterranea-piemonte/03/04/
[43] Una grotta laboratorio, appuntamento il 19 Giugno https://www.scintilena.com/bossea-una-grotta-laboratorio-appuntamento-il-18-giugno/06/16/?amp&
[44] Scintilena – Notiziario di speleologia e del sottosuolo – Scintilena https://www.scintilena.com/page/919/?c=14&wpmp_switcher=mobile
[45] La Grotta di Bossea è una “Meraviglia italiana” https://www.scintilena.com/la-grotta-di-bossea-e-una-meraviglia-italiana/11/24/
[46] Corso CAI di idrologia carsica a Bossea – Traccianti artificiali https://www.scintilena.com/corso-cai-di-idrologia-carsica-a-bossea-traccianti-artificialicome-impiegarli-come-riconoscerli/05/16/
[47] Bossena, convegno Naz. CAI – Scintilena https://www.scintilena.com/bossena-convegno-naz-cai/05/08/
[48] Le Meraviglie Nascoste del Piemonte: Un Viaggio tra Storia e Natura nelle Grotte della Regione – Scintilena https://www.scintilena.com/le-meraviglie-nascoste-del-piemonte-un-viaggio-tra-storia-e-natura-nelle-grotte-della-regione/05/28/
[49] Scintilena – Notiziario di speleologia e del sottosuolo – Scintilena https://www.scintilena.com/page/623/?c=7
[50] Study of a complex karst system feeding: the case of Bossea cave https://www.semanticscholar.org/paper/dc6a048a3af6e51cc739d94c137a1af09255b07a
[51] STUDIO IDROGEOCHIMICO SUL CONTENUTO DI LANTANIDI NELLE ACQUE SOTTERRANEE https://www.semanticscholar.org/paper/44d228f6bfbc5baff1ba8582cefc2ad4f070e1bd
[52] Archeologia dell’edilizia storica e costruzione del documento archeologico. Problemi di popolamento mediterraneo. I. Un’archeologia del costruito per la storia del territorio medievale https://www.openaccessrepository.it/record/61640/files/fulltext.pdf
[53] Erudizione cittadina e fonti documentarie https://books.fupress.com/isbn/9788864538402
[54] La Carta idrografica d’Italia come fonte per la storia degli opifici idraulici alla fine dell’Ottocento. Il caso toscano https://www.bsgi.it/index.php/bsgi/article/download/1302/924
[55] Il laboratorio carsologico della grotta di Bossea https://csc.cai.it/il-laboratorio-carsologico-della-grotta-di-bossea/
[56] Grotta di Bossea….dentro… la natura https://www.comune.frabosasoprana.cn.it/Guidaalpaese?IDPagina=55552&IDCat=8605
[57] GROTTA DI BOSSEA https://www.piemonteitalia.eu/it/natura/grotte/grotta-di-bossea-0
[58] Piemonte Sotterraneo – Le Grotte di Bossea – Torino https://www.somewhere.it/curiosita/storie/Piemonte-sotterraneo-le-grotte-di-bossea/
[59] Esplora la grotta https://www.grottadibossea.com/esplora-la-grotta
[60] GROTTA DI BOSSEA – visitcuneese https://www.visitcuneese.it/dettaglio-punto-di-interesse/-/d/grotta-di-bossea
[61] [PDF] AMBIENTE CARSICO E UMANO IN VAL CORSAGLIA – DigiLands https://www.digilands.it/caicslp/attidispense/bossea91/lmanobossea.pdf
[62] Grotta di Bossea….dentro… la natura – Comune di Frabosa Soprana https://www.comune.frabosasoprana.cn.it/Guidaalpaese?IDCat=8605
[63] Sapete che cos’è il Laboratorio Carsologico Sotterraneo di Bossea … https://www.facebook.com/clubalpinoitaliano/posts/sapete-che-cos%C3%A8-il-laboratorio-carsologico-sotterraneo-di-bossea-si-tratta-di-un/5845173248898659/
[64] Grotte di Bossea: la prima grotta italiana aperta al pubblico https://www.grottadibossea.com
[65] Natura – Riserva Naturale Grotte di Bossea https://www.grottedibossea.areeprotettealpimarittime.it/natura
[66] GROTTA DI BOSSEA | Luogo FAI – FAI – Fondo Ambiente Italiano https://fondoambiente.it/luoghi/grotta-di-bossea?ldc
[67] “La prima grotta turistica d’Italia”. Il laboratorio di Bossea raccontato … https://www.loscarpone.cai.it/dettaglio/la-prima-grotta-turistica-ditalia-il-laboratorio-di-bossea-raccontato-da-carlo-alberto-garzonio/