Velocità in acquisizione, complessità nellʼelaborazione: dal gps alle nuvole di punti

della molteplicità dei dati che vengono acquisiti, cer-cando un compromesso soddisfacente tra tempo diacquisizione e volume delle informazioni, al fine dievitare elaborazioni troppo pesanti e complesse, conla consapevolezza che ottimizzare i tempi mantenen-do l’affidabilità del dato significa un risparmio deicosti ed un conseguente impiego ottimale dei finan-ziamenti.

Il presente articolo vuole contribuire alla discus-sione sui vantaggi ed i limiti dell’utilizzo dell’infor-matica e delle moderne strumentazioni topografichein campo archeologico, attraverso una serie di rifles-sioni metodologiche e scientifiche e tramite l’esposi-zione di una serie di work in progress attinenti adiversi casi di studio, dove sono state utilizzate meto-dologie di rilievo diversificate. L’analisi vuole essereun momento di critica costruttiva sul trattamentodelle informazioni spaziali.

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1. Introduzione

L’Istituto per le Tecnologie Applicate ai Beni Cul-turali 1 (ITABC) afferisce al Dipartimento PatrimonioCulturale del CNR e si occupa di definizione, speri-mentazione ed applicazione di metodologie e tecni-che multidisciplinari integrate per la conoscenza,gestione, fruizione e valorizzazione del PatrimonioCulturale. La linea di ricerca di cui si presentano leattività in questa sede si inquadra in un ambitoarcheologico e topografico, all’interno del quale sonostate sviluppate alcune tecniche, a volte integrate, perun’acquisizione rapida dei dati sul territorio. Si èmirato alla messa a punto di procedure poco invasive,soprattutto nel caso di interventi su edifici architetto-nici e manufatti, e abbastanza agili da permettere disvolgere il lavoro contemporaneamente all’attivitàdello scavo archeologico. Si è tenuto conto, inoltre,

Velocità in acquisizione, complessità nellʼelaborazione: dal gps alle nuvole di punti

di Andrea Angelini, Francesca Colosi, Roberto Gabrielli*, Daniela Peloso

Titolo

The present paper, through a series of methodological and scientific experiences, means to contribute to the use of IT in thearchaeological field. A number of works in progress are exposed, in which different methodologies are related to differentcase - studies . Our analysis wants to be a moment of constructive criticism about the treatment of the spatial information.For any type of IT elaboration and spatial correlation, the attention must be focused on the objectives to reach and on theintrinsic characteristics of the experimental datum. In order to analyze and interpret the data set, itʼs necessary to knowdifferent methodologies and their instrumental errors. Through this type of analysis, it will be possible to perform dimensionaland spatial comparisons that will allow us to use the datum, not only in qualitative but also in quantitative way. In this articlesome case - studies will be shown which are very interesting for the type of methodology used. In the archeological complexof Villamagna, near Anagni, the differential GPS has been used. The purpose of this work, was to get the DTM of the areanear the archaeological excavation. In this survey differential GPS has been used mounted on a off-road vehicle.Subsequently the orto - photo and its connected problems will be analyzed, i.e. the drawing of stratigraphic unity inrelationship to the dimension of the photo and other related problems. Actually clouds of points taken with laser scanner orphotogrammetry, thanks to their precision, are innovative elements for the execution of an archaeological survey. Someexamples related to the use of scanner laser and photogrammetry and belonging to current international projects will beshown: in the first example the laser scanner is applied to buildings of which a virtual navigation is figured. In the secondcase the photogrammetry (manual and automatic), through the use of braked aerostatic ballon, is applied to one of themost important monuments of Petra (Palace Tomb) and on the crusade castle of Shawbak. The purpose of the presentedcase - studies is to show that a single methodology cannot be used everywhere and that very often we need to use amethodology that be related to the specific features of the site.

* [email protected], tel.06/90672362.1 L’Istituto è diviso nelle seguenti linee di ricerca: Integra-

zione di tecniche avanzate di rilevamento, metodologie geofi-siche, GIS e modelli numerici per la conoscenza dei sitiarcheologici e la caratterizzazione dei manufatti storici; svi-luppo di metodologie multidisciplinari e strategie progettuali

per l’analisi, la conservazione e il riuso del patrimonio costrui-to; metodologie e tecniche integrate di catalogazione, analisi,datazione e studio di manufatti mobili archeologici, storici eartistici; tecnologie digitali integrate per la conoscenza, lavalorizzazione e la comunicazione dei beni culturali attraversosistemi di realtà virtuale.

In qualunque tipo di elaborazione informatica e dicorrelazione spaziale, si deve focalizzare l’attenzionesugli obiettivi da raggiungere e sulle caratteristicheintrinseche del dato sperimentale, tenendo conto cheper analizzare e interpretare in modo corretto diversiset di dati è necessario tenere presente le metodologieimpiegate e le relative sensibilità ed errori strumenta-li. Solo attraverso questo tipo di analisi sono possibiliconfronti dimensionali e spaziali che permettano diutilizzare il dato in maniera quantitativa e non soloqualitativa, rendendo in tal modo riproducibile l’esa-me del fenomeno studiato. In questo articolo si è cer-cato di mettere in evidenza come la scelta delle meto-dologie più idonee sia strettamente legata al tipo diindagine e alle finalità che si vogliono perseguire ecome l’utilizzo di strumenti nati per differenti campidi applicazione deve essere attentamente calibrato, sesi vogliono ottenere risultati congruenti con ciò che sista indagando. La ricerca del corretto impiego delletecnologie moderne nei vari ambiti disciplinari e avari livelli informativi è uno dei compiti che il grup-po di lavoro dell’ITABC si è dato in questi ultimianni. Ad esempio, a lungo si è pensato che il GPSservisse in primo luogo a posizionare punti nello spa-zio per georeferenziare le strutture emergenti; nelcorso del tempo si è imparato ad usarlo in maniera“anomala”, sfruttandone a pieno le caratteristichecinematiche, molto utili nel campo del rilevo tridi-mensionale del territorio (DEM, Digital ElevationModel). La moderna tecnologia, quindi, deve essereaffinata nel tempo ed in base alle esperienze di lavorosul campo, non considerandone mai acquisite le pos-sibilità di impiego e facendo sempre riferimento aiconcreti casi di studio. E’ necessario, ad ogni modo,formulare alcune considerazioni rispetto all’eccessi-vo avanzamento tecnologico nella fase di acquisizio-ne sul campo e all’eccessiva pesantezza dei dati rac-colti che a volte, invece di velocizzare il lavoro, con-tribuisce a rallentare l’interpretazione dell’informa-zione.

In questa sede saranno illustrati alcuni casi di stu-dio particolarmente interessanti per le tematiche trat-tate, perché mettono in evidenza le problematiche

generali e i vantaggi e i limiti delle diverse metodolo-gie utilizzate in specifici contesti. Verranno di seguitoillustrati i seguenti argomenti: uso integrato di stazio-ne totale e GPS differenziale per rilievi topografici,territoriali ed archeologici; fotografia aerea da pallo-ne aerostatico frenato finalizzata a raddrizzamentianalitici, digitalizzazioni planimetriche e foto inter-pretazione; uso di laser scanner 3D per la realizzazio-ne di rilievi archeologici ed architettonici finalizzatialla produzione di elaborati tridimensionali e allanavigazione virtuale; fotogrammetria digitale tridi-mensionale manuale ed automatica da terra ed aerea.

Gli esempi esposti non pretendono di esaurire ladiscussione in merito, ma possono essere utili persottolineare come in determinate circostanze climati-che, ambientali, territoriali e temporali, la sceltametodologica e procedurale sia stata determinanteper una migliore comprensione dell’area indagata; leosservazioni che ne derivano possono essere conside-rate un punto di partenza dal quale avviare le futurericerche per un avanzamento metodologico e per unulteriore ottimizzazione dei tempi di acquisizione edi elaborazione dei dati.

2. GPS differenziale: caso di studio del complessoarcheologico di Villamagna 2

L’area archeologica di Villamagna, presso ilComune di Anagni, è posizionata alle pendici deimonti Lepini e conserva resti di edifici appartenutialle proprietà imperiali di Antonino Pio 3. All’internodel complesso archeologico, stratificatosi nel corsodei secoli, è conservata la chiesa di S. Pietro, costrui-ta in epoca medievale per ospitare un monasterobenedettino 4.

Il complesso, che si estende per circa 22 ettari,presenta una serie di problematiche relative alle suegrandi dimensioni. Il fine della campagna di acquisi-zione è stato quello di contestualizzare l’ambiente nelquale insistono i settori di scavo, ponendo in relazio-ne territoriale le strutture di età imperiale e quellemedioevali. Per affrontare una problematica di questa

Andre Angelini - Francesca Colosi - Roberto Gabrielòi - Daniela Peloso

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2 Angelini et al. 2007, 141-158. In questa sede viene breve-mente riassunto il processo metodologico che ha portato allarealizzazione del DTM, ponendo l’accento sulle considerazio-ni relative ai vantaggi e ai limiti di questo tipo di applicazione.

3 Fentress et al. 2006, 1-8.4 De Meo 1998; Raspa 1999, 13-18.

portata su un territorio così vasto si è deciso di utiliz-zare un GPS differenziale in modalità cinematica 5

per creare un modello digitale del terreno (DTM,Digital Terrain Model) che mettesse in evidenzamacro-anomalie relative a strutture nel sottosuolo eche ricreasse fedelmente la geomorfologia del territo-rio per lo studio indiretto degli edifici stessi. Per ese-guire il rilievo, data la grande estensione del territo-rio, è stata messa a punto una procedura basata sulDGPS (Differenzial Global Positioning System)montato su un fuoristrada 6. L’antenna è stata fissatasul supporto ad un altezza da terra nota. E’ stato quin-di simulato il rilievo caricando il fuoristrada di unpeso pari a quello dell’operatore e degli strumentinecessari, per valutare l’effettiva operatività del siste-ma in relazione all’escursione e all’oscillazione degliammortizzatori. E’ stato in seguito eseguito un per-corso di prova per calcolare l’errore medio entro cuitenere il dato e il grado di variabilità altimetrica del-l’antenna in base alle oscillazioni del mezzo, gradoche ha costituito l’intervallo di tolleranza media entro

cui eventuali anomalie altimetriche nonsono state prese in considerazione,tenendo conto che i dati sono stati regi-strati con intervalli di tempo di acquisi-zione molto brevi 7.

Per facilitare il lavoro di acquisizionein cinematico si è deciso di suddividerel’intera area in parti più piccole, sfruttan-do limiti naturali, viali alberati, lottizza-zioni preesistenti e posizionando unabase fissa per il Reference e una serie dipicchetti georeferenziati con il Rover percollegare i dati dei vari settori in fase dipost-processamento. Il rilievo è statointegrato con l’uso della stazione totaleper delimitare le aree là dove non si pote-va impiegare il GPS a causa della scarsavisibilità satellitare generata dai rumoridegli alberi o degli edifici. La suddivisio-ne del territorio in aree più piccole hapermesso di organizzare in più giorni il

lavoro di acquisizione cinematica e di analizzare neldettaglio ogni singola zona per ottimizzare il rilievonelle varie ore della giornata. La sperimentazioneeffettuata permette di trarre una serie di considerazionipositive in merito all’acquisizione del dato. In primoluogo si può affermare che la procedura messa a puntoha consentito una raccolta dei dati molto veloce 8, ingrado di coprire aree molto vaste in poco tempo. Ilpasso di campionamento è stato costante e vincolatoda un lato ai tempi di acquisizione dello strumento edall’altro all’interasse del veicolo. Sul territorio, neicasi in cui è presente una vegetazione non troppo fitta,si sono creati dei riferimenti continui a terra determi-nati dagli pneumatici del mezzo che hanno aiutato l’o-peratore a coprire tutta l’area di interesse, evitando dilasciare fasce scoperte anche se potenzialmente utiliall’indagine (fig. 1).

Al fine di valutare scientificamente i set di datiacquisiti nelle varie aree, in un settore prescelto èstato eseguito un rilievo manuale i cui risultati sonostati comparati con quelli ottenuti lavorando con ilfuoristrada. A parità di tempo, la superficie indagata

Velocità in acquisizione, complessità nell’elaborazione: dl gps alle nuvole di punti

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5 Gabrielli 2001, 329-354.6 Angelini et al. 2007, 141-158.7 Il DGPS in questo caso era stato settato per acquisire 1

punto ogni 2 secondi. All’interno di un intervallo di tempo

così limitato una variazione altimetrica troppo alta (nell’ordi-ne di qualche metro) non può considerarsi valida.

8 La velocità media del mezzo era di ca. 10 Km/h.

1. - Immagine relativa al DTM del terreno del complesso archeologico di Vil-lamagna. Sul terreno sono ben visibili le tracce degli pneumatici del fuori-strada che sono diventate punti di riferimento per una copertura omogeneadellʼarea.

dall’operatore (A) è stata di m2 3700 mentre quelladel mezzo (B) è stata di m2 35000, ben 10 volte supe-riore. I punti acquisiti ed utilizzabili sono stati 4300nel caso A e 6500 nel caso B. Questa differenza didati consiste nel fatto che A risente probabilmente diuna scarsa visibilità satellitare mentre B, potendosispostare più rapidamente dalle zone d’ombra, ottieneuna posizione dei satelliti ottimale. Un altro elementomolto importante riguarda la densità dei punti; A rie-sce ad acquisire 6 punti ogni m2 5, mentre B un solopunto, anche se per coprire m2 5 A impiega 20 secon-di e B soltanto 2. Attraverso questa schematizzazionenon si intende determinare quale modalità di acquisi-zione sia a livello teorico la più idonea, ma si vuolefornire la possibilità di scegliere il mezzo più appro-priato in base alle esigenze concrete. Il fuoristrada sirivela maggiormente indicato nei casi di rilievi alarga scala, come quello di Villamagna, mentre unostudio di dettaglio su aree più limitate deve preferi-bilmente essere condotto a piedi.

Nel caso di Villamagna, la dimensione del sito hacondizionato il rapporto acquisizione dati/volumedati acquisiti a favore del fuoristrada, utilizzando ilquale si è ottenuto un rilievo dettagliato del comples-so archeologico in un tempo relativamente breve (fig.2). Infatti, considerando l’impostazione del lavorosul campo, il posizionamento di una rete fissa, l’inte-

grazione tra GPS e stazione totale e ilrilievo vero e proprio, sono state impie-gate solo 5 giornate di fronte alle 30 sti-mate 9 nel caso di un rilievo tradizionale.In questo secondo caso il rapporto delvolume dei dati sulla superficie sarebbestato maggiore di uno, cioè 1,2 punti perogni m2 rispetto ai 0.2 punti per m2 delveicolo. Il dato ottenuto, tuttavia, è statoelaborato e interpolato con algoritmi chesi avvicinano alla realtà infittendo lasuperficie dei punti e rendendola piùomogenea.

In fase di elaborazione i dati sonostati filtrati per evitare di interpretarearcheologicamente tracce derivanti daerrori di misura. I dati corretti sono statiulteriormente trasformati ed elaborati perpoter essere uniti e visualizzati, dispostisu diversi layer e messi in relazione ad

elementi di natura diversa. Le elaborazioni ottenute,che contengono informazioni implicite, hanno portatobuoni risultati da un punto di vista conoscitivo.

Durante la fase di interpretazione finale del dato si èavuta un’ulteriore conferma della sua validità e affida-bilità, nonché dell’efficacia della metodologia impiega-ta, ponendo a confronto il modello numerico tridimen-sionale con una foto da satellite ad alta risoluzione. SulDEM erano visibili una serie di linee trasversali di dif-ficile interpretazione, ma che, fin dal primo momentonon sembravano dipendere da una non corretta interpo-lazione numerica. Grazie all’immagine è stato possibileverificare che le linee evidenziate corrispondono a pic-coli canali di drenaggio per l’acqua piovana; una breveispezione sul sito ne ha confermato l’esistenza ed hapermesso di stabilire il livello di dettaglio raggiunto deldispositivo sperimentale, che aveva registrato tali lineenonostante le loro limitate dimensioni. (fig. 3).

3. Fotoraddrizzamento

Il raddrizzamento prospettico è un metodo digenerazione di ortofoto basato su una trasformazione


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9 I 30 giorni sono stati calcolati in base al rapporto tempo diacquisizione a piedi/superficie indagata.

2. - Ricostruzione di tutti i punti acquisiti dal mezzo e posizionati su unacartografia digitale. In questa maniera è stato possibile visualizzare qualizone dovevano essere ancora indagate.

omografica bidimensionale della fotografia. Tale tec-nica permette di deformare l’immagine visualizzan-dola come se fosse stata eseguita perpendicolarmenteall’oggetto da rilevare, annullandone l’effetto pro-spettico. Trattandosi, però, di una trasformazione ditipo bidimensionale, il fotoraddrizzamento non èindicato per la produzione di ortofoto relative asuperfici con dislivelli molto accentuati. Infatti, ogniparticolare nella foto viene rettificato usando la scalae la prospettiva necessarie per il raddrizzamento sulpiano di riferimento. Se gli oggetti rappresentati giac-ciono – come nella maggior parte dei casi – su pianidifferenti, si hanno risultati non corretti per scala oprospettiva. In campo archeologico l’applicazionedel fotoraddrizzamento consente di eseguire rapida-mente i rilievi delle cortine murarie e permette diinterpretare i segni presenti sulle murature fino afacilitarne la datazione.

Negli ultimi anni è stato impiegato un palloneaerostatico a bassa quota per acquisire foto dall’altodelle aree indagate ad un risoluzione utile sia per lemisurazioni a terra che per la foto interpretazione, in

modo da associare l’analisi qualitativa aquella quantitativa.

Tale tecnica è stata sperimentata sualcuni scavi campione dove era necessa-rio restituire in forma dettagliata e preci-sa l’area archeologica e/o monumentale.La difficoltà di rilievo in tali siti eradeterminata dall’associazione di grandidimensioni areali con un dettaglio moltoelevato di particolari. Uno dei primi ten-tativi di generazione di ortofotomosaiciè stato eseguito con un aquilone coman-dato da terra sul sito di Cerveteri 10 e sulcastello crociato di al Wu’Ayra, in Gior-dania 11. In seguito, l’aquilone è statosostituito da un pallone aerostatico fre-nato per i seguenti motivi: una maggiorefacilità nel comandare il mezzo da terracon l’ausilio di tre operatori, una mag-giore stabilità in aria 12, la possibilità dimandare il pallone molto in alto (m

200). Il dispositivo messo a punto è formato da unpallone aerostatico frenato del diametro di circa m 2,sotto il quale viene montato un sistema completo dimacchina fotografica digitale 13. La camera e il siste-ma vengono manovrati da terra per mezzo di un con-trollo remoto gestendo i movimenti sull’asse x di360° e sull’asse y di 180°. La disponibilità di questostrumento è stata utile per documentare sia degliscavi, sui quali è opportuno eseguire voli a bassissi-ma quota, sia interi complessi archeologici e ambien-tali. Per ottenere delle immagini che contenganoinformazioni di tipo spaziale sono stati fissati a terradei GCP (Ground Control Point) mediante l’impiegoalternato di una stazione totale e di un GPS differen-ziale; altri punti di riferimento possono essere ricava-ti direttamente dalle immagini.

È comunque doveroso precisare che in ambito ter-ritoriale il problema principale consiste nel piano diproiezione sul quale si intende spalmare la foto. Nellamaggior parte dei casi, dato anche il poco tempo adisposizione, i dati del GPS e della stazione totalenon permettono di determinare tutti i piani presenti


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10 Moscati 2001, 47-53; Colosi et al. 2003, 177-197. 11 Bini, Bertocci 1997.12 La maggiore stabilità è dovuta all’annullamento delle

forze vettoriali: la spinta del pallone verso l’alto contrasta

quella laterale del vento, diminuendo notevolmente la derivadel pallone. Nel caso dell’aquilone la forza vettoriale delvento spostava bruscamente il dispositivo.

13 Colosi et al. 2003, 177-197.

3. - DTM di tutta lʼarea indagata del complesso archeologico di Villamagna.Sul modello numerico sono ben visibili le tracce dei canali di drenaggio sulterreno ed una serie di terrazzamenti artificiali utilizzati come vigneti.

sulla superficie e, conseguentemente, di rettificarlacorrettamente. Quasi sempre le ortofoto sono ottenutesul piano medio di raddrizzamento, ossia il piano chesi avvicina di più a quello reale, generando, comunque,una serie di errori che non permettono di misurare cor-rettamente tutti gli elementi. A tal proposito si è resonecessario sviluppare un’integrazione dei dati da foto-raddrizzamento con quelli ottenuti da elaborazionifotogrammetriche. In fase di acquisizione, oltre allefoto zenitali vengono scattate anche una serie di fotoinclinate della stessa area da vari punti di vista. Inseguito le foto vengono raddrizzate con il metodo clas-sico su un piano medio di proiezione. Durante la fasedi mosaicatura delle varie ortofoto si mettono in evi-denza le zone dove non è presente un perfetto allinea-mento delle strutture. In quei punti si interviene appli-cando la fotogrammetria manuale: sulle foto, orientatee poste nello stesso sistema di riferimento, vengonoimplementati i punti di controllo che vengono sceltidall’operatore nelle aree dove sono presenti forti disli-velli o zone non perfettamente coperte. Attraversoquesto tipo di integrazione è possibile abbassare note-volmente l’errore del dato e quindi misurare anche ele-menti posti a livelli differenti (fig. 4).

È possibile formulare, a questo punto, alcune consi-derazioni di tipo pratico. L’uso del foto-raddrizzamentoda pallone (da m 30 a m 200) permette di ottenere unanotevole definizione delle immagini rispetto a quelle da

satellite, anche se si deve considerare, ovviamente, iltempo di acquisizione e di elaborazione e, in territorionazionale, il limite di m 40 di sorvolo in zone lontaneda aeroporti 14 (fig. 5); il sistema, quindi, fornisce lapossibilità di vettorializzare edifici e strutture visibilisulla foto, pur tenendo conto della problematica relati-va ai piani di proiezione. Di contro, il lavoro sul campoper la messa a punto delle infrastrutture necessarie alvolo del pallone è molto complesso, basti citare, adesempio, la posa a terra delle mire distanziate in manie-ra razionale; la difficoltà di ripresa, dovuta ad errori dimovimento umani e naturali, è alta, soprattutto in zonedove si cammina molto difficilmente; il forte vento puòcondizionare il volo. Inoltre, durante la fase di elabora-zione e di restituzione, si deve valutare la risoluzioneottimale in relazione allo spazio fisico occupato dai file,affinché quest’ultimi possano essere gestiti da pro-grammi ACAD per la vettorializzazione finale. Unaltro limite riguarda il problema di scattare le fotosenza servirsi di strumenti per visualizzare l’area inqua-drata come, ad esempio, una telecamera abbinata avisori a terra. Nonostante ciò l’ipotesi di equipaggiare ilpallone con telecamera è stata scartata sia perchéavrebbe comportato un ulteriore peso sul vettore (aqui-lone o pallone) nonché l’utilizzo di batterie per alimen-tare il sistema, sia perché su aree con forte illuminazio-ne solare la visualizzazione del monitor è praticamenteimpossibile. Del resto non è facile contestualizzare insitu le aree riprese su un piccolo monitor. La tecnicascelta, quindi, è stata quella di dedicare un operatorealla ripresa dei fotogrammi, seguendo il dispositivodurante il suo volo e contando i passi che separano unaripresa dalla successiva: più alta è la quota di volo,maggiore sarà, ovviamente, il numero dei passi. Nelsuo cammino l’operatore avrà anche il compito di indi-care la direzione per la strisciata fotografica in modo diassicurare la più corretta copertura dell’area indagata.

4. Laser scanner, fotogrammetria manuale edautomatica

Le nuvole di punti, recentemente, hanno assuntoun’importanza fondamentale nell’ambito del rilievo


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14 Per il superamento della quota prevista dall’ENAC biso-gna ottenere delle autorizzazioni specifiche.

4. - Esempio di immagini raddrizzate dellʼarea archeologicadi Beida (Petra, Giordania). Nellʼimmagine di sinistra è pre-sente un disallineamento che, grazie allʼintegrazione dellafotogrammetria, viene corretto sul fotogramma a destra.

archeologico, grazie alla capacità di alcune strumen-tazioni di ottenere in poco tempo risultati completi eaffidabili. In passato il gruppo di ricerca ha incentratoil proprio interesse sull’uso del laser scanner per lericostruzioni tridimensionali, con lo scopo di ottenerela documentazione spaziale dell’oggetto studiato 15, digenerare modelli tridimensionali utili alla prototipiz-zazione e, infine, di elaborare modelli numerici,montati attraverso specifici software, per la naviga-zione virtuale e la fruizione al pubblico 16. La metodo-logia utilizzata è stata la seguente: una fase di acqui-sizione sul campo integrata all’uso di una stazionetotale, una fase di elaborazione e di gestione dellenuvole di punti e infine la restituzione finale ad altarisoluzione del modello geometrico completo di tuttele informazioni necessarie alla sua interpretazione.Rispetto all’utilizzo del laser scanner sono state fatte

alcune considerazioni che mettono in luce i seguentiproblemi pratici: il peso del laser scanner 17 utilizzatoera superiore a 50 chili, con la conseguente difficoltàdi spostare lo strumento su aree archeologiche parti-colarmente complesse dal punto di vista morfologicoe geografico. Anche se i laser scanner di nuova gene-razione sono sicuramente più leggeri, è comunqueproblematico il loro impiego su aree logisticamentedifficili da raggiungere, considerando, inoltre, ilcosto elevato che hanno ancora oggi tali dispositivi.L’alimentazione del laser scanner, costituita da batte-rie che si scaricano velocemente, spesso non è idoneaall’uso intensivo che ne viene fatto sul campo, ren-dendo necessario l’ausilio di un generatore di corren-te. Se questi limiti possono essere parzialmente supe-rati attraverso un adeguata organizzazione, i proble-mi intrinseci relativi alla gestione software dello stru-


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15 Peloso 2005, 199-22416 Baratin, Peloso 2007, 462-467. 17 Callidus CP3200.

5. - Immagini raddrizzate e mosaicate dellʼarea archeologica del castello di Shawbak. Le riprese ad alta definizione hannouna risoluzione a terra di cm 2 ad unʼaltezza di m 100 da terra.

mento non sono ancora del tutto risolti. Ogni disposi-tivo della stessa categoria è tarato per uno spettrod’azione predefinito: esistono scanner laser territoria-li che non offrono le stesse precisioni di quelli archi-tettonici; ne esistono altri ancora più specifici per ipiccoli oggetti. All’interno di queste categorie lascelta della risoluzione del rilievo finale deve esserefatta aprioristicamente prima della sua esecuzione,anche se spesso nel corso del lavoro, e soprattutto infase di elaborazione del dato, possono emergere esi-genze non considerate in precedenza che generanoproblemi di interpretazione, dovuti ad una sovrab-bondanza o a un’insufficienza di informazione.

Per tutte queste ragioni, in zone dove si presenta-no situazioni morfologiche complesse, anguste estrette, è stata applicata la fotogrammetria manualeed automatica, terrestre ed aerea, che fornisce iseguenti vantaggi: facilità di trasporto della strumen-tazione comprensiva di alimentazione e storage deidati in ambienti logisticamente difficili; rapida acqui-sizione del dato costituita da una successione di scattifotografici. Inoltre, per quanto riguarda la fotogram-metria automatica, un notevole vantaggio deriva dalfatto che la scelta della risoluzione avviene in fase dipost-processamento, con la possibilità di valutare divolta in volta quale sia il dettaglio più adeguato, natu-ralmente in relazione alla camera fotografica utilizza-ta e al suo obbiettivo. Si ricorda che lo spettro d’azio-ne del sistema fotogrammetrico varia da un minimodi cm 15 18 ad un massimo di m 50 con un’accuratez-za che va dal micrometrico al centimetrico. La sensi-bilità e la precisione dello strumento aumentano conl’aumentare dei pixel della camera in dotazione.Anche sostituendo la reflex digitale con una piùpotente non è necessario investire in altri upgradesull’hardware principale (barra calibrata) e sulsoftware di gestione.

È opportuno sottolineare che quanto esposto nonvuole privilegiare una tecnica rispetto ad un’altra: ilaser scanner sono strumenti formidabili sia per lavelocità di esecuzione che per la loro alta definizione,ed in alcuni casi sono insostituibili, come in ambienti

poco illuminati (grotte od ipogei) oppure in siti estre-mamente complessi dal punto di vista geometrico(interno di una cattedrale, ripresa di una cupola inter-na o del colonnato di una navata). Nei casi che ven-gono di seguito descritti le caratteristiche che hannocondizionato la scelta della fotogrammetria rispettoal laser scanner sono state quelle, già citate, dellafacilità di trasporto per il viaggio, di impiego sul sitoe della possibilità di ricavare nuvole di punti da ripre-se aeree.

Di seguito vengono riportati due casi di lavororelativi a progetti internazionali finanziati dal MAE(Ministero Affari Esteri) svolti in collaborazione conle Università di Firenze e di Urbino e il CNRS (Cen-tre National de la Recherche Scientifique) francese.Nell’ambito di questi progetti sono state eseguitenumerose sperimentazioni per la restituzione diinformazioni tridimensionali che con il tempo hannoportato alla scelta e al perfezionamento di tecnichefotogrammetriche manuali ed automatiche delle qualivedremo, nel campo di applicazione, gli aspetti posi-tivi e negativi.

Il progetto “Antica rete idrologica di Petra. Stu-dio e restauro nell’ottica della conservazione deibeni architettonici” 19, ha previsto il censimento e lostudio delle canalizzazioni e cisterne nabatee presentisul territorio del complesso archeologico di Petra.L’intera valle, di origine tettonica, insiste su forma-zioni quarzoarenitiche tardo cambriane di originecontinentale 20. Studi condotti recentemente hannoevidenziato che le principali cause di degrado di taliarenarie all’interno dei monumenti sono imputabili afenomeni di dilatazione/contrazione dovuti alle fortiescursioni termiche e alle piogge battenti 21. Osserva-zioni condotte durante le ricognizioni sul territoriohanno messo in luce come, a causa dell’interramentodella rete idrica nabatea, il dilavamento delle acquesuperficiali sulle facciate dei monumenti rappresentiun’importante causa dell’avanzato degrado 22. Unesempio emblematico di questi fenomeni è rappre-sentato dalla Tomba Palazzo, l’unica tomba del com-plesso ad essere in parte modellata nell’arenaria e in


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18 Esiste una versione del sistema che permette di ottenereuna restituzione tridimensionale di oggetti molto piccoli conprecisioni micrometriche.

19 In collaborazione con il responsabile del progetto Prof.

Roberto Franchi dell’Università di Urbino, e il dott. PierreDrap del CNRS.

20 Franchi et al. 200421 Al-Kashman 2005, I-XII22 Drap et al. 2006, 333-338.

parte costruita alla sommità (fig. 6). La tomba è stataoggetto di studio sia per quanto riguarda il censimen-to spaziale delle canalizzazioni presenti, sia rispettoalla determinazione del degrado della superficiearchitettonica attraverso la ricostruzione tridimensio-nale del monumento. Lo scopo finale del lavoro è larealizzazione di un modello numerico descrittivo ditutto il complesso monumentale che sarà impiegatoper la messa a punto di un progetto di recupero. A talfine è stata applicata la fotogrammetria manuale dapallone aerostatico frenato a bassa quota. Questo tipodi procedura, basata sul riconoscimento manuale dipunti omologhi su foto diverse che rappresentano lostesso oggetto preso da varie angolazioni, è stata inte-grata con l’uso di una stazione totale per la mosaica-tura e la georeferenziazione delle riprese. Ottenuto unprimo modello numerico, grazie allo sviluppo di unsoftware per l’implementazione dei punti e dellesuperfici 23 da parte del gruppo di ricerca francese(CNRS), sono stati ricavati modelli tridimensionalicompleti (fig. 7).

Il vantaggio di questo sistema fotogrammetrico èche, posto ad una distanza dall’oggetto di circa m 15,ha permesso di eseguire un campionamento precisodelle aree maggiormente deteriorate, di effettuareriprese in zone molto alte e di difficile visione dalbasso, di ottenere un modello tridimensionale conprecisione millimetrica 24 e, soprattutto, di triangolaremanualmente i punti del modello relativi alla superfi-cie della struttura, evitando la creazione di triangoliche non descrivano correttamente un angolo od unasuperficie. È necessario precisare, però, che il cam-pionamento manuale dei punti da inserire sui foto-grammi risente dell’errore dell’occhio umano, datoche non siamo in grado di riconoscere ogni singolopixel, ma un’area composta da più pixel che descriveuna forma associata ad un colore. Ne consegue chemaggiore è il numero di pixel di una camera reflex emaggiore sarà la possibilità di errore, poiché l’areadove giace il punto sarà composta da una più altaquantità di pixel 25. Il tempo di elaborazione per otte-nere un risultato soddisfacente può essere molto

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23 Ibidem.24 La precisione del dato dipende dalla corretta calibrazione

della camera digitale e dal posizionamento manuale dei puntisui fotogrammi.

25 Naturalmente l’errore di restituzione non è legato esclusi-

vamente al riconoscimento dei pixel da parte dell’operatore,ma anche a una serie di fattori quali, ad esempio, la correttacalibrazione della macchina e la corretta acquisizione dei foto-grammi. È importante precisare che una camera digitale conmolti pixel ha una definizione migliore dell’oggetto ripreso,

6. - Tomba Palazzo, Petra, Giordania. Lʼedificio doveva essere alto più di m 60 e largo m 45, è lʼunico che conserva nella zonasommitale una parte edificata oltre a quella scolpita nella roccia.

lungo, dato che un operatore esperto può inserirecirca 150 punti al giorno, senza considerare i processidi triangolazione e la creazione della mesh.

Nell’ambito del secondo progetto che viene espo-sto in questa sede è stato sperimentato l’utilizzo dellafotogrammetria automatica. Il progetto “PetraMedievale: studio dell’incastellamento crociato inCisgiordania. Il caso di studio del castello di Shaw-bak” 26 riguarda un castello-fortezza sito nella Gior-dania centro meridionale; esso si presenta con unaplanimetria ellittica e con tre cinte di mura di età cro-ciata, edificate a partire dal 1115 per volontà del reBaldovino I di Gerusalemme. Il castello di “Mon-treal” difendeva non solo un centro politico e religio-so, ma anche un cospicuo insediamento civile 27. L’o-biettivo del lavoro è stato quello di rappresentare tri-dimensionalmente le informazioni diacroniche e geo-metriche del monumento in tutta la sua complessitàedilizia per la conservazione, il restauro ed una cor-

retta interpretazione dei dati 28. Si deve precisare cheprima di scegliere di sperimentare il sistema foto-grammetrico tridimensionale di seguito descritto, gliinterventi sul sito sono stati molteplici e la fotogram-metria rappresenta solo l’ultimo dei risultati sinoraraggiunti. I primi rilievi del castello, infatti, sono statieseguiti con il GPS per determinare le curve di livelloed eseguire il DTM dell’area, in seguito è stato appli-cato il fotoraddrizzamento da pallone aereostatico.

Per acquisire informazioni tridimensionali misu-rabili relative alla struttura del castello è stata messaa punto una metodologia specifica attraverso la colla-borazione dell’ITABC con la Menci software, checonsiste nella realizzazione di nuvole di punti attra-verso scatti fotografici sincronizzati di tre macchinedigitali reflex.

Entrando nello specifico, viene descritto breve-mente il sistema a scansione fotografica Z-scan el’algoritmo di ricostruzione complesso che lo caratte-


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fattore che compensa parzialmente la possibilità di errore daparte dell’operatore.

26 In collaborazione con il responsabile del progetto Prof.

Guido Vannini dell’Università di Firenze e con il dott. PierreDrap del CNRS.

27 Vannini 1997, 103-106; Vannini 2003, 181-200.28 Drap et al. 2005, 538-544

7. - Ricostruzione tridimensionale di una parte della Tomba Palazzo. Nellʼimmagine a sinistra è presente la prima ricostruzio-ne manuale successivamente (immagine a destra) implementata con un software di gestione del CNRS.

rizza. Z-scan basa il proprio funzionamento su unsofisticato algoritmo di rettifica multifocale mediantele quali le immagini vengono ricampionate epipolar-mente secondo piani variabili in funzione dellamorfologia dell’oggetto da ricostruire. La rettifica èseguita da un processo di image matching multiocu-lare che consente di ottenere un’elevata qualità rico-struttiva sia della forma che del colore della nuvola dipunti 29.

Il sistema Z-scan è stato modificato e implemen-tato per poter essere montato su pallone aerostaticofrenato. Il dispostivo sperimentale (Flyscan) consen-te di ottenere modelli tridimensionali aerei, utilizzan-do gli scatti simultanei di tre camere digitali sincro-nizzate. Una struttura in metallo leggero mantiene le

camere in posizione e solidamente allineate. Essaviene appesa ad un pallone contenente elio che vienesollevato sull’area di interesse. Un controllo radioconsente all’operatore da terra di scattare le triplettedi fotografie dalle quali saranno generate le nuvole dipunti.

Sul complesso archeologico del castello di Shaw-bak sono state eseguite riprese dall’alto con il dispo-sitivo Flyscan in modo da realizzare un modello tri-dimensionale nell’ottica di una fruizione virtuale sulweb. Le riprese sono state scattate da un’altezza di m50 coprendo un’area a terra di ca. m2 2000. Ogni sin-gola nuvola di punti generata da un software dedicatoè composta da ca. 300.000 punti con una risoluzionea terra di 1 pixel ogni cm 5 (fig. 8). Questo livello di

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29 Le informazioni sopra citate e le seguenti sono state messea disposizione dall’Ing. Luca Menci della Menci software. Lefasi del processo di elaborazione sono suddivisibili in due grandicategorie: la preparazione della “tripletta” e la ricostruzione dellasuperficie. La preparazione inizia con la contro-distorsione delleimmagini per l’eliminazione delle aberrazioni ottiche. Le imma-gini vengono analizzate mediante un operatore d’interesse per laricerca di un numero di features dipendente dalle loro dimensio-ni, ma che di solito non è inferiore alle 1500. La disposizionedelle features influenza le fasi successive del calcolo. È necessa-rio che esse siano distribuite su tutto il fotogramma e che quindiquest’ultimo sia omogeneamente texturizzato. Un algoritmo diricerca delle features omologhe e del loro filtraggio mediantegeometria epipolare, conduce alla ricostruzione degli orienta-menti dei tre fotogrammi. I valori angolari ottenuti per l’assettodi presa sono prossimi a zero e la loro entità dipende dalle tolle-

ranze costruttive della slitta, dal posizionamento della camera sulcarrello, dall’oscillazione della barra ed eventualmente del sup-porto che la sostiene. La correttezza dell’orientamento è il pre-supposto indispensabile per la buona riuscita del processo diricostruzione. Noto l’orientamento, si procede alla fase di rettifi-ca trinoculare al fine di annullare simultaneamente la parallasseverticale sui tre fotogrammi. La rettifica è particolarmente com-plessa in quanto le condizioni di presa sono prossime a quelle diperfetto allineamento che costituisce una condizione degenereper il tensore trifocale. A tale scopo è stato messo a punto unalgoritmo di rettifica trinoculare senza l’uso del tensore trifocale.La ricostruzione della superficie avviene per image matchingmediante metodi di programmazione dinamica. Il calcolo dellacross-correlazione è simultaneo sulle tre immagini e sfrutta lecomponenti cromatiche RGB.

8. - Nuvola di punti di una parte del castello crociato di Shawbak (Petra, Giordania). La nuvola di punti ha una risoluzione dipp 1 ogni cm 3 e copre unʼarea di m2 2000 registrando anche le variazioni cromatiche (RGB). In alto a sinistra lʼimmagine diriferimento mentre a destra il dispositivo in azione sullʼarea.

risoluzione è stato frutto di un compromesso tra laprecisione del dato e la sua dimensione massima chene permettesse la gestione. In via sperimentale è statoeseguito un test su un edificio del castello alla mede-sima altezza abbassando notevolmente la sensibilitàed ottenendo una nuvola di punti contenente più di2.000.000 punti e con una risoluzione a terra di 1punto ogni cm. Inoltre è in via di definizione una stri-sciata di m 100 per i quali è stata calcolata una risolu-zione massima a terra di cm 2.

Le riprese dall’alto di complessi archeologici conil sistema Flyscan hanno lo scopo principale di con-testualizzare le strutture all’interno dell’ambientalenel quale sorgono. Con questa finalità si possonoottenere DTM del territorio ben definiti e a colori 30,che godono del vantaggio di coprire dall’alto areemolto vaste. E’ noto come una visualizzazione dal-l’alto possa fornire informazioni interpretative diver-sificate rispetto alla vista dal basso. Inoltre, tramite lafotogrammetria automatica, si acquisisce la dimen-sione spaziale di ogni singolo punto a terra, ottenen-do modelli 3D integrabili con altre informazioni rela-tive alla presenza e all’intervento dell’uomo sul terri-torio. Si ricorda che anche questa tecnica di ripresadall’alto necessità di una presa a terra di punti fidu-ciali ai quali agganciare i fotogrammi, in modo che ladistorsione ottica non deformi la realtà degli oggettipresenti.

5. Considerazioni finali

“Troppa informazione può uccidere l’informazio-ne stessa”. Questo breve incipit può essere adottatoper muovere una piccola critica costruttiva verso lemoderne metodologie di acquisizione di dati geome-trici, con particolare riferimento alla “moda” dellenuvole di punti. Talvolta, infatti, l’uso eccessivo eindiscriminato dei nuovi strumenti topografici e foto-grammetrici e, conseguentemente, l’eccessiva pesan-tezza dei dati raccolti, invece di facilitare il lavororischiano di contribuire a rallentare l’interpretazionedell’informazione. A volte l’uso dei sistemi a scan-sione per la generazione di nuvole di punti non corri-

sponde ad una reale esigenza della ricerca, ma èdeterminato dal desiderio di innovazione tecnologicache viene costantemente proposta nell’ambito dellaricerca sui beni culturali. L’aspetto importante è quel-lo di fare uso degli strumenti innovativi cercando ilgiusto equilibrio tra le potenzialità del dispositivo elo scopo che si vuole raggiungere. Di una enormemole di informazione spesso solo una piccola percen-tuale viene utilizzata, mentre il dato rimanente è utilesolo se integrato in modo razionale con altri metodidi gestione. Sulla base delle esperienze sopra esposte,si è raggiunta la convinzione che il processo metodo-logico normalmente seguito è quello dell’acquisizio-ne di milioni di punti sul campo che inevitabilmentedevono venire ridotti per essere resi fruibili.

È chiaro che questo discorso vale soprattutto nelcaso di rilievi semplici, ad esempio per la restituzionedi cortine murarie, mentre in contesti pluristratificatie molto complessi, l’ausilio dei sistemi a scansionelaser risultano essere molto utili sotto ogni aspetto, daquello di semplice documentazione a quello del dise-gno CAD fino all’interpretazione. I rilievi classici 31,infatti, nel caso di strutture articolate richiedono deitempi di acquisizione enormemente dilatati rispetto aquelli delle scansioni. Una critica che viene frequen-temente posta alle nuove metodologie è che provoca-no la perdita della conoscenza diretta del monumentoche si ha con il rilievo classico, ma questa obiezionepuò facilmente essere confutata. Infatti, è possibilenon cedere all’automatismo delle strumentazionimoderne mantenendo il contatto interpretativo direttocon l’oggetto rilevato, contatto necessario per orga-nizzare la ripresa nel modo più appropriato ed effi-ciente in base agli elementi che interessa rappresenta-re. Ad esempio eseguire una serie di scatti fotograficinon è un procedimento puramente meccanico, maimplica un intervento soggettivo dell’operatore nel-l’organizzazione del lavoro di ripresa.

Gli esempi illustrati in questa sede aprono unapanoramica sul tipo di attività di ricerca svolta inquesti anni, con la speranza che i progressi metodolo-gici ottenuti possano fornire un contributo sostanzia-le al lavoro degli archeologi sul campo e che le infor-mazioni acquisite possano risultare utili per l’inter-


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30 Il sistema è in grado di associare il grado RGB alle coor-dinate del punto.

31 In questa sede si intende con rilievi classici quelli cheusano la fettuccia per le triangolazioni dei punti.

pretazione storica. Per concludere, si vuole sottolineare che la parte-

cipazione al Workshop di Foggia è stata molto inte-ressante e positiva, perché ha favorito il confronto tradiversi gruppi di ricerca nazionale che da anni lavo-rano nel settore del rilievo applicato all’archeologia eche hanno, quindi, accumulato una grande esperienza

riguardo alle problematiche e ai temi trattati. L’orga-nizzazione stessa delle due giornate, informale e inte-rattiva, ha facilitato lo scambio di opinioni e per que-sto motivo gli autori della presente nota ringrazianovivamente gli organizzatori del convegno, nella con-vinzione che le idee e suggerimenti illustrati sarannodi prezioso aiuto per il prosieguo della ricerca.


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Velocità in acquisizione, complessità nellʼelaborazione: dal gps alle nuvole di punti

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