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Cultural Heritage: restituzione reale di prospetti e

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15a Conferenza Utenti Esri
Roma, 9 e 10 Aprile 2014
Cultural Heritage: restituzione reale di prospetti e piante in ArcScene
Sara Bertozzi. Università degli Studi di Urbino “Carlo Bo”. [email protected]
Laura Baratin. Università degli Studi di Urbino “Carlo Bo”. [email protected]
Elvio Moretti. Università degli Studi di Urbino “Carlo Bo”. [email protected]
Parole chiave: Rilievi, Cultural Heritage, 3D, ArcScene
ABSTRACT
L’approccio innovativo proposto è un metodo di gestione integrata dei rilievi, sia in pianta che in prospetto, di alcuni
elementi del patrimonio architettonico e archeologico, utilizzando ArcGIS 10.2. Non si vuole effettuare una
modellazione tridimensionale, che sicuramente ha software dedicati che ne ottimizzano il processo, ma, partendo
dal rilievo e dalla successiva fase di rappresentazione, arrivare a una restituzione reale degli elementi che
compongono un manufatto in ArcMap in una struttura Geodatabase in tutte le loro componenti geometriche,
topologiche e identificative, associate a database relazionali e correttamente georeferenziati in un sistema
internazionalmente riconosciuto, gestibile, visualizzabile e interrogabile contemporaneamente in ArcScene. Vengono
proposti i casi del Portico della Chiesa di San Francesco a Urbino e dell’Arco Romano, nel sito archeologico di Tiro
in Libano. Le piante vengono gestite nella loro conformazione morfologica, anche tramite TIN come Base Height,
associate ai prospetti, rilevati tramite laser scanner, con relativi database, per cui è stato creato un apposito tool di
elaborazione per la creazione di feature 3D, arrivando a sfruttare le diverse potenzialità del GIS come strumento di
gestione dati applicato alla conservazione e restauro.
1.
1.1
Introduzione
Cultural Heritage e Information Technology
Le azioni di tutela, conservazione e valorizzazione dei beni architettonici ed archeologici stanno diventando sempre
più connesse all'integrazione di differenti tecnologie che consentano, non solo il rilievo e l’analisi dei manufatti, ma
anche un’attenta gestione, pianificazione ed esecuzione di eventuali interventi di restauro e/o di manutenzione
programmata. Lo sviluppo tecnologico ha rivoluzionato profondamente l’approccio stesso ai beni culturali e alle
problematiche legate alla loro tutela e conservazione. I sistemi di posizionamento satellitare, di scansione laser e gli
sviluppi della fotogrammetria digitale forniscono un'ampia gamma di supporti metrici che necessitano di una
opportuna integrazione nei sistemi di gestione. La tecnologia CAD (Computer-Aided Drafting) sfrutta principi della
computer grafica consentendo di giungere a disegni tecnici e progettazioni di modelli dei diversi manufatti o reperti,
sia come rilevati nella realtà che come ricostruzioni virtuali, anche nella loro tridimensionalità. Si tratta però
principalmente di realizzazioni geometrico-morfologiche, corredate da informazioni consultabili solo in fase di layout
dei risultati prodotti sotto forma di mappe, carte e/o modelli 3D. La gestione di questi risultati, in termini di
programmazione di azioni che vanno al di là della fotografia dello stato di fatto presente o passato, è fornita dal GIS,
che tra i diversi strumenti informatici interessati al Cultural Heritage, risulta sicuramente quello con le maggiori
potenzialità, anche se ancora in fase di ricerca sotto molti aspetti applicativi e di sviluppo di tools adeguati. Grazie a
software evoluti come quelli della piattaforma Arcgis, si arriva infatti alla gestione integrata della struttura fisica e
logica dei dati, coniugando funzioni di indicizzazione, analisi e ricerca dei DBMS (Database Management System),
all'universo delle proprietà geometriche, costituite da rapporti metrici e topologici, per giungere a cartografie
dinamiche per la catalogazione, gestione e interrogazione di grandi quantità di dati. I Sistemi Informativi, nati come
strumento di gestione territoriale, stanno trovando continue e molteplici possibilità d’impiego in una pluralità di
discipline, fornendo nuovi e inattesi scenari e trasformando il concetto stesso di “strumento”, che li ha sempre
caratterizzati, fino a diventare una vera e propria “scienza”. Quelli che fino a pochi anni fa erano considerati semplici
strumenti cartografici di analisi territoriale, hanno oggi trovato ampia applicazione per elaborate analisi spaziali e
tematiche, anche in contesti urbani e archeologici, con un’attenzione sempre crescente alle potenzialità 3D e alla
possibilità di gestione dei rilievi metrici. Un'importante caratteristica dei GIS infatti, resa evidente dall'esigenza di
documentare i sempre più diffusi interventi di trasformazione urbana, è proprio quella di integrare le funzioni di
rappresentazione e analisi tridimensionale del dato metrico ad un elevato livello di dettaglio compatibile con le
esigenze di documentazione dei beni culturali. Questo livello di dettaglio implica la capacità dei DBMS di svolgere
operazioni di analisi spaziale sulle coordinate < x; y; z >, oltre che di integrare le funzioni di rappresentazione dei
sistemi CAD. Ogni caratteristica visualizzabile e valutabile in un sito archeologico o in un complesso architettonico,
dai lacerti, a pietre sparse, dalle superfici decorate, dalle macchie di umidità, dalle lacune, dai fenomeni di degrado,
possono essere rilevati e trattati come elementi vettoriali, quindi nelle loro dimensioni reali, superando il concetto di
scala e mantenendo solo quello di accuratezza del rilievo (Baratin et al., 2013).
L’applicabilità degli strumenti GIS al rilevamento e all’analisi dei beni culturali è stata già validata negli ultimi anni
nella sua potenzialità di gestione e implementazione, in particolare, per le planimetrie dei rilievi archeologici e urbani
passando quindi dai dati geometrici vettoriali in CAD a forme organizzate di informazione geografica. Un fattore da
cui non si può, però, prescindere nell’analisi di un bene culturale è la sua lettura tridimensionale. La tridimensionalità
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nel GIS viene normalmente gestita riferendosi al terreno, quindi si parla di ambiente in cui un sito o un manufatto
architettonico possa essere inserito, attraverso l’utilizzo di DEM, DTM o TIN che consentono una restituzione
accurata della morfologia. Ciò di cui si è invece ampiamente dibattuto negli ultimi decenni è l’aspetto 3D di
complessi architettonici e/o archeologici che sta portando a una ricerca in continua e rapida evoluzione (Köninger e
Bartel, 1998; Caprioli et al., 2007; Brusaporci et al., 2012). In particolare lo sforzo comune di tutta la Information
Technology è volto a cercare di sviluppare una modellizzazione che risulti realisticamente interpretativa dei fenomeni
ad essa associati. ArcGIS ha sviluppato a questo scopo CityEngine, software che consente una modellizzazione
dettagliata delle singole caratteristiche di ogni elemento urbano, corredato di texture, in grado di ricreare un
ambiente virtuale estremamente realistico composto di elementi vettoriali interrogabili, ma sempre a livello di
ricostruzione virtuale, non a partire da un dato rilevato. I modelli vengono, ancora, principalmente prodotti e gestiti da
software appositi, creando elementi in vari formati (*.3ds, *.wrl,*.skp,*.flt) che possono poi essere importati in
ambiente GIS trasformandoli in Multipatch e visualizzandoli attraverso ArcScene, visualizzatore 3D. L’integrazione di
diversi strumenti informatici, dal dato laser scanner per l’acquisizione, ai programmi di elaborazione del dato 3D, dai
programmi CAD a quelli GIS per la gestione, si rende necessaria per un’analisi completa di un sito o di un
complesso architettonico. Ciò che però non è stato, ancora, adeguatamente sviluppato è un modello che riesca a
gestire in termini più performanti tutti questi dati senza passare attraverso una fase di interpretazione
bidimensionale. Il modello 3D può essere rilevato, nel suo aspetto generale o nei minimi dettagli, oppure può essere
ricostruito, ma rimane, quasi sempre, separato l’aspetto geometrico-formale da quello qualitativo-materico
soprattutto in termini di stato conservativo e di programmi di intervento. Questo lavoro di ricerca mira proprio a
proporre un approccio innovativo volto alla gestione integrata dei rilievi planimetrici ed altimetrici di strutture
architettoniche ed archeologiche, realizzati secondo standard bidimensionali, in ambiente GIS 3D, attraverso una
serie di elaborazioni gestite da alcuni tools di ArcGIS che consentono una loro corretta georeferenziazione nello
spazio. L’approccio metodologico seguito potrà essere eventualmente integrato da modelli, viste in pianta e in
alzato, per una gestione integrale di tutte le caratteristiche del bene analizzato sia nelle sue componenti compositive,
nei fenomeni di degrado, nelle proposte di intervento e così via, con una particolare attenzione alla sua
conformazione geometrica e areale.
Vengono proposti due casi di studio esemplificativi delle due tipologie di beni analizzati: l’Arco Romano nel sito di Al
Bass a Tiro, parte del GIS sviluppato per le due aree archeologiche di Balbeeck e Tiro in Libano e il Portico della
Chiesa di San Francesco a Urbino, come esempio di una parte di un complesso architettonico in una particolare
area urbana.
2.
2.1
Acquisizione e Gestione Dati
Gestione Dati Integrata
La gestione contemporanea di tutte le informazioni riguardanti un bene culturale comporta la realizzazione di moduli
separati, ma integrabili, in grado di elaborare, immagazzinare e visualizzare le diverse tipologie di attributi. Lo
schema funzionale del sistema deve permettere il passaggio da una rappresentazione geografica, informativa sullo
stato di fatto delle aree in questione, ad una rappresentazione degli oggetti con diversi rapporti di scala a cui
collegare tutte le informazioni necessarie alla descrizione degli elementi utili alle successive fasi di intervento
(Baratin et al., 2012).
L’inquadramento territoriale di un sito può essere affiancato ad una rappresentazione degli elementi di dettaglio ad
una scala architettonica adeguata, ad informazioni di rilievo topografiche e/o fotogrammetriche, ad analisi
diagnostiche sui diversi edifici, a dati di evoluzione tipologica, fino ad arrivare alla catalogazione degli oggetti in esso
contenuti.
Un progetto GIS che voglia considerare nella sua completezza tutte le caratteristiche di un sito archeologico o di
un’area urbana deve essere articolato in più fasi attraverso l’integrazione dei diversi software della piattaforma di
Arcgis di ESRI 10.2. Si propone in questo contesto un approccio metodologico innovativo applicato al rilievo,
principalmente in un’ottica gestionale e di fruizione. Sono stati volutamente presi in esame due siti completamente
diversi tra loro, uno italiano e uno estero, uno archeologico e uno architettonico e di dimensioni ben diverse tra loro,
come esemplificativi dell’applicabilità del metodo. Lo scopo è giungere a un progetto GIS che riesca a riunire tutte le
informazioni elaborate in fase di rilievo, sia in planimetria che in altimetria, la documentazione fotografica
iconografica, connessa a completi database relazionali che portino a interrogazioni e cartografie dinamiche,
correttamente georeferenziate, visualizzabili e gestibili in ambiente tridimensionale.
Inizialmente sono stati sviluppati due progetti diversi per l’elaborazione dati, uno per le informazioni planimetriche ed
uno per le parti altimetriche, tutto in ambiente Geodatabase. Il GeoDB consente di gestire tutta una serie regole e
relazioni identificabili nel mondo reale, sia per quanto riguarda la topologia delle feautures, ottenendo delle
validazioni topologiche in fase di editing, sia consentendo l’inserimento guidato degli attributi (domini e sottotipi) in
tabella, gestiti quindi con i classici “menu a tendina”. Attraverso la definizione di Personal Geodatabase si utilizzano
delle feature classes, attraverso le quali è possibile anche attribuire delle immagini ad ogni record direttamente in
tabella degli attributi, superando il concetto di hyperlink legato invece allo shapefile, che rimanda comunque a un
collegamento esterno, ma incorporando le stesse immagini e facendole gestire all’interno del GeoDB stesso.
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Le rappresentazioni in pianta e tutti i documenti grafici e cartografici, subiscono un lungo lavoro di processamento,
importandoli in Arcmap, georeferenziandoli in un sistema internazionalmente riconosciuto, UTM_WGS84, quindi con
ellissoide WGS84, convenzionalmente utilizzato e una proiezione in UTM che consente l’utilizzo dell’unità di misura
metrica per successive elaborazioni areali, scegliendo la relativa zona in cui posizionare l’elemento analizzato. Tutti i
file *.dwg vengono trasformati in shapefile, sistemando accuratamente innanzitutto la composizione geometrica con
le relative trasformazioni da polyline in polygon e correggendo le topologie discordanti, per passare poi
all’organizzazione del database relazionale con tutte le informazioni relative ad ogni elemento. Per arrivare, alla fine,
a creare una vera e propria cartografia dinamica, evitando ridondanze dovute alla ripetizione di elementi geometrici,
con tutte le diverse caratteristiche degli elementi unitari in un unico database, visualizzabili tramite apposite Query e
salvando le diverse scale di colore in formato lyr. Questo è un passaggio piuttosto delicato e laborioso, essendo i
dati in Autocad definiti spesso come “Annotation”, quindi non trasferibili direttamente agli elementi vettoriali dello
shapefile o feature class. Georeferenziazione e vettorializzazione interessano anche gli elementi in formato raster,
ortofoto, cartografie storiche, mappe tematiche, ecc.., procedendo infine alla creazione di modelli digitali del terreno,
DEM e TIN, utilizzati come Base Height per tutti file in pianta per una loro corretta restituzione morfologica.
I prospetti vengono invece gestiti inizialmente in un progetto a parte non georeferenziato, per arrivare poi, in ultima
fase, ad un’attribuzione della corretta georeferenziazione ed una visualizzazione in Arcscene; come per le piante
vengono rielaborati i file di rilievo, ad esempio nel caso dell’Arco Romano di Tiro e del Portico a Urbino, inserendo
tutte le informazioni a disposizione, rilievo metrico, materiali costitutivi, degrado, ecc. Una volta strutturata la tabella
degli attributi con le diverse caratteristiche dei singoli record sono stati individuati una serie di passaggi per le
trasformazioni della feature bidimensionali attraverso le caratteristiche altimetriche. L’idea è di trattare Arcmap in
questo caso come un foglio di lavoro e calcolo, non georeferenziato, ma con attribuzione di unità metriche per la
mappa e il display. La feature class viene traslata, tramite Spatial Adjustment, fino a posizionare il livello del suolo su
una base, precedentemente creata, corrispondente all’asse X.
Per effettuare i passaggi successivi è stato creato un apposito tool, costruito attraverso il Model Builder,
un’applicazione per creare, editare e gestire modelli, attraverso ArcCatalog, applicazione di organizzazione e
gestione dei dati geografici. I passaggi inclusi nel tool, denominato “Construct 3D Polygon”, prevedono uno split dei
vertici di ogni linea per avere una maggiore precisione, l’aggiunta di nuovi campi in tabella, il calcolo automatico
delle altezze, identificate come fossero distanze lungo l’asse Y, che costituiranno gli attributi altimetrici per la
costruzione della feature 3D in polyline, poi trasformata in feature poligonale. Si considerano in questo caso altezze
relative, non si parla quindi di coordinate verticali e altezze sul livello del mare, ma di altezze proprie di ogni
elemento rispetto al terreno, per poter posizionare ogni elemento correttamente secondo la propria posizione
verticale (Figura 1).
Figura 1. Costruzione del tool per l’elaborazione di prospetti tridimensionali con attribuzione delle caratteristiche
altimetriche e la trasformazione in feature 3D attraverso Model Builder.
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Occorre effettuare a questo punto un lavoro di controllo dell’attribuzione degli attributi nel passaggio tra Polyline e
Polygon, applicando eventualmente uno Spatial Join tra le due feature. Si avranno, quindi, in tabella degli attributi
tutte una serie di caratteristiche compositive degli elementi, ma anche geometriche, quali area e perimetro, con cui
sarà possibile procedere ad elaborazioni geostatistiche riguardanti il numero, le dimensioni e la struttura dei vari
elementi caratterizzati da ogni attributo, sia in pianta sia in prospetto, appurando come i valori degli attributi siano
distribuiti e se ci sai una presenza di eventuali tendenze o modelli spaziali dei dati. E’ possibile creare dei report
spaziali, come ad esempio il calcolo della media della dimensione delle pietre o il numero delle patch che
costituiscono una certa area di indagine, utili per giungere a una migliore comprensione delle condizioni di degrado
di un bene e per valutarne i tempi e i costi di un eventuale intervento di restauro (Figura 2).
Figura 2. Analisi statistiche tramite elaborazione di grafici basati su caratteristiche compositive e geometriche degli
elementi dei prospetti.
Il passaggio decisivo avviene infine con la georeferenziazione della feature class, a cui vengono assegnate le
coordinate come rilevate in pianta. Se consideriamo una parete, vista in pianta, sarà poco più di una retta. Su questa
base sono state individuate, direttamente sugli stessi elementi in pianta già correttamente georeferenziati,
coordinate molto vicine tra loro a due a due, assegnandole tramite Spatial Adjustment, ai quattro vertici di ogni
prospetto. La loro composizione verticale, quindi le caratteristiche tridimensionali collegate alle altezze attribuite con
cui sono state create le feature 3D, non saranno però visualizzabili in Arcmap ma dovranno, da questo momento in
poi, essere gestite attraverso ArcScene.
Per completare il progetto prima di passare alla visualizzazione tridimensionale, un ultimo passaggio importante è la
definizione dei Metadati attraverso ArcCatalog. ArcGIS prevede già degli standard di default per l’attribuzione di
meta-informazioni collegate ad ogni layer di riferimento secondo le principali direttive esistenti, tra cui viene
prevalentemente utilizzata INSPIRE (acronimo di INfrastructure for SPatial InfoRmation in Europe), una Direttiva
Europea che istituisce un’infrastruttura per l’informazione territoriale nella Comunità europea. Nell’Item Description di
ogni feature class sono quindi già presenti una serie di campi informativi da compilare e validare per attribuire al
layer tutta una serie di informazioni di base riguardanti la provenienza dei dati, la loro creazione, le eventuali
elaborazioni, le descrizioni e le parole chiave, informazioni di georeferenziazione ecc.., tutto ciò che può avere
importanza nella creazione di un’infrastruttura di dati territoriali nell’ottica di un interscambio di dati a livello europeo.
A questo punto le feature classes possono ritenersi complete e verranno gestite nella fase finale attraverso
ArcScene, il visualizzatore 3D di ArcGIS. ArcScene consente di visualizzare anche le caratteristiche tridimensionali
dei prospetti, che saranno quindi correttamente posizionati secondo la georeferenziazione attribuita nella loro reale
conformazione verticale, potendo così coesistere in uno stesso progetto con gli elementi in pianta, posizionati sul
TIN. Gli elementi vettoriali mantengono in questo modo tutte le loro caratteristiche sia di forma che di attributi,
permettendo di sfruttare le potenzialità di interrogazione tipiche del GIS senza perdere nessun tipo di informazione
sul posizionamento e le caratteristiche areali proprie di ogni elemento, ma con una corretta visualizzazione
prospettica della loro componente verticale (Figure 3 e 4).
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Figura 3. Visualizzazione in ArcScene di piante e prospetti dell’Arco Romano a Tiro (Libano), correttamente
georeferenziati, gestibili e interrogabili in un unico progetto.
Figura 4. Visualizzazione tridimensionale di piante e prospetti del Portico di San Francesco a Urbino.
3.
Conclusioni
I sistemi GIS in questo contesto rappresentano lo strumento ideale per la gestione dell’intero ciclo di trattamento del
dato, dalla fase di registrazione a quella di restituzione, passando attraverso quelle di organizzazione ed
elaborazione. Si tratta di uno strumento molto versatile che si adatta perfettamente in ambiti multidisciplinari e che
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trova un’applicazione ottimale nel campo dei beni culturali. Già ampiamente impiegato in ambito archeologicoarchitettonico per il rilievo e la catalogazione dei dati viene ulteriormente sviluppato in una sua potenzialità
innovativa, la gestione dei prospetti. Quando si parla di elementi tridimensionali si fa sempre riferimento a
ricostruzioni e modelli virtuali, in questo caso l’approccio è diverso. Si vogliono certo utilizzare i prospetti nella loro
versione 3D, ma semplicemente per poterli gestire, analizzare e interrogare nelle loro la corretta posizione
geografica e in associazione ai corrispettivi rilievi in pianta. Non si punta in questo caso a modellizzazioni, che
sicuramente possono essere sviluppate con una resa migliore attraverso appositi strumenti per le ricostruzione
virtuale 3D, ma si vuole riuscire a organizzare in maniera ottimale i dati acquisiti ed elaborati anche in modo
tridimensionale mantenendo tutto il loro contenuto informativo. La piattaforma ArcGIS ha dimostrato di offrire gli
strumenti e le potenzialità idonee a questo scopo e la definizione di una serie di passaggi standard da applicare
consente una ripetibilità del metodo.
Riferimenti
Baratin, L., Bertozzi, S. and Moretti, E. (2013). Gis-based archaeological recording in Lebanon. In: 6th International
Congress "Science and Technology for the Safeguard of Cultural Heritage in the Mediterranean Basin", Athens,
Greece, October 22 – 25, 2013, Proceedings.
Baratin, L., Bertozzi, S., Moretti, E. and Spinella M. (2012). Gis and 3D models as support to documentation and
planning of the Baku Historical Centre (Republic of Azerbaijan). International Journal of Heritage in the Digital Era,
Vol.1, pp 71 - 76. EUROMED 2012, Lemessos, Cyprus, October 29 -- November 3, 2012, Proceedings.
Baratin L., Moretti E. and Bertozzi S. (2012). Tyregis: un gis per il restauro e la valorizzazione del sito archeologico
di tiro in Libano. In: Atti della 13 Conferenza Italiana Utenti ESRI. Roma, Auditorium del Massimo, 18-19 Aprile 2012.
- Bertozzi, S., Moretti, E., 2012. Informatics Elements Applied on GIS. In L. Baratin, M. Acierno, O. Muratore (a cura
di), Instruments and Methodologies for Cultural Heritage Conservation and Valorization. Ancona, IL GABBIANO Srl,
pp. 137-145.
Brusaporci, S., Centofanti, M., Continenza, R. and Trizio, I. (2012). Sistemi Informativi Architettonici per la gestione,
tutela e fruizione dell'edilizia storica. In: Atti 16a Conferenza Nazionale ASITA, Fiera di Vicenza, 6-9 novembre 2012.
Caprioli, M., Figorito, B., Scognamiglio, A. and Tarantino, E. (2007). Historical documentation of the rock churches in
the Sassi of Matera with terrestrial laser data in a 3D GIS. In: The International Archives of the Photogrammetry,
Remote Sensing and Spatial Information Sciences, ETH Zurich, Switzerland, Vol. XXXVI-5/W47.
Köninger A. and Bartel S. (1998). 3D-GIS for Urban Purposes, Geoinformatica, 2(1): 79-103.
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