Il rilievo con laser scanner.

Il rilievo 3D completo del sito di Sant’Imbenia è stato effettuato nella campagna di indagine archeologica del 2015 utilizzando il laser scanner a differenza di fase, capace di acquisire 1.016.027 punti al secondo con accuratezza sub-millimetrica.

In continuità con le attività di documentazione in corso dal 2008, con l’introduzione del laser scanner è stato possibile intervenire sull’intero sito con un rilievo generale di maggiore dettaglio.

Le acquisizioni pianificate e realizzate per poter ricoprire adeguatamente l’intera superficie sono state in tutto 52, durante le quali è stato possibile ricoprire circa il 90 % dell’intera superficie dello scavo.

Sono stati posizionati complessivamente 40 target a riconoscimento semi automatico da parte del sistema, che, grazie anche al rilievo realizzato con la stazione totale, hanno permesso il corretto allineamento e registrazione delle nuvole di punti.

Sebbene il numero minimo di mire necessarie per effettuare la registrazione delle scansioni debba essere almeno di tre, nel sito di Sant’Imbenia sono stati posizionati in modo da averne sempre almeno cinque visibili. I target sono stati collocati sulla tettoria che sovrasta lo scavo in modo da coprire uniformemente l’area di scansione, evitando di interferire con le strutture e favorendo il posizionamento su piani diversi.

242 _{RENDELI 2014, p. 538.}

Le nuvole di punti sono state allineate utilizzando il software proprietario distribuito con lo strumento, lo Z+F LaserControl versione 8.4.6, utilizzando la procedura standard che prevede, in fase di settaggio l’inserimento del rilievo effettuato con la stazione totale243 che permette la roto-traslazione nel sistema di riferimento della rete topografica di inquadramento. La procedura di allineamento delle scansioni è avvenuta mediante riconoscimento semiautomatico dei marker; in questo modo si riducono gli errori causati da uno scorretto posizionamento del centro del marker. In alternativa si potrebbe utilizzare qualsiasi segno riconoscibile sulle superfici acquisite, ma tale sistema è risultato spesso fallace a causa di una non sempre facile comprensione della porzione di monumento che si sta prendendo come punto di riferimento.

Durante la prima registrazione effettuata dopo la scansione, il software restituiva dei parametri di errore troppo alti per un rilievo (entro i 10 cm), questo a causa di una scansione, la 32°, che utilizzava dei marker posizionati a una distanza di circa 30 metri dallo strumento, acquisendoli con una qualità non ottimale.

L’eliminazione di questa stazione ha permesso il giusto riallineamento delle acquisizioni migliorando sensibilmente il livello di precisione e generando un rilievo 3D finale per nuvola di punti con errore medio di 1 mm. Il report generato dal software e qua di seguito allegato244_{, riporta per ogni scansione dei valori di misurazione compresi tra 0,19 e 2,09} mm restituendo pertanto un modello che conserva un livello di precisione sub centimetrico.

Il risultato ottenuto è frutto di tre giorni di acquisizione e riversamento dati su memoria di massa e circa due settimane di tentativi effettuati col fine di ottenere il risultato migliore con l’allineamento, valutando di volta in volta il giusto rapporto tra il numero di marker e la qualità di lettura degli stessi da parte del software.

La nuvola di punti ottenuta è stata utilizzata per due differenti obiettivi: il primo è quello di avere un supporto tridimensionale estremamente preciso, da cui ottenere qualsiasi

243 _{Il software permette di caricare file con estensione TXT o IDX.}

informazione metrica, il secondo è quello di realizzare la piattaforma su cui impostare la ricostruzione virtuale dell’intero sito.

La media scala rappresenta la piattaforma su cui strutturare qualsiasi futura attività di documentazione grafica, certamente poco gestibile con i suoi 7,83 Gigabyte di dati grezzi, è però in grado di supportare qualsiasi applicazione fotogrammetrica o restituire sezioni dell’intero scavo con pochi, anche se non semplici, passi.

L’approfondimento che nella micro scala ha permesso di costruire un supporto informativo della sequenza dell’ambiente 47 è stato possibile grazie alla precisione dei rilievi laser scanner unitamente alle applicazioni fotogrammetriche che, rendendo più agile il sistema, non trascurano il dato metrico.

Fig. 36. Il rilievo effettuato mediante laser scanner dopo la fase di allineamento.

La nuvola di punti creata con i parametri sopra descritti è stata successivamente esportata per la creazione della piattaforma su cui è stata implementata l’applicazione di Virtual

Archaeology su Sant’Imbenia.

L’esportazione è avvenuta in formato ASCII standard (.asc), si tratta di un formato dati aperto utilizzato spesso nei moderni applicativi GIS per la creazione di modelli digitali di elevazione del terreno.

Fig. 37. Il rilievo effettuato mediante laser scanner dopo la fase di allineamento. Visuale dall’ambiente 47.

Questa operazione, di per sé non lunghissima, ha prodotto però un notevole incremento della quantità di memoria necessaria per memorizzare il progetto, passando dai quasi 8 Gigabyte per le scansioni memorizzate con formato proprietario.zfs, ai quasi 52 Gigabyte con formato open data.

Il vantaggio nell’utilizzo di tali formati è da ricercare nella totale interoperabilità del rilievo 3D, tuttavia un incremento tale della nuvola di punti genera non pochi imprevisti nella gestione del lavoro se non si riesce ad operare con una workstation dotata di una discreta quantità di RAM e spazio di memorizzazione.

Per la post produzione del lavoro è stato utilizzato il pacchetto della Geomagic Studio versione 2014.3.0; dotato di un’interfaccia utente molto semplice, ha un ottimo sistema di gestione di nuvole di punti e mesh con numerose funzioni semi automatiche.

La pulizia del rilievo è avvenuta eliminando inizialmente le parti periferiche all’area di scavo, costituite da vegetazione e rumore di fondo del segnale e la tettoia, che raddoppiava il numero dei punti rilevati: si è passati quindi da poco più di 50.000.000 di punti a poco più di 20.000.000, precisamente 21.587.012 punti, riducendo il rilievo di quasi il 60 %.

Una volta eseguita la pulizia “manuale” è stato possibile effettuare le operazioni di eliminazione automatica del rumore, selezionare punti disconnessi e marginali, il tutto intervenendo su alcune impostazioni determinanti il limite di deviazione e le iterazioni tra elementi.

Oltre a questo è stato possibile eliminare i doppioni, ovvero misurazioni del medesimo punto avvenute in due o più scansioni e sovrapposte dopo il processo di allineamento mediante marker e unire le nuvole di punti in un unico file, più semplice da gestire per la creazione dell’oggetto 3D.

La fase successiva del lavoro ha riguardato la creazione del modello digitale attraverso la strutturazione di una mesh poligonale è un processo mediante il quale dall’unione dei punti precedentemente elaborati è possibile creare un insieme di vertici, spigoli e superfici che hanno definito la forma dell’abitato in 3D.

Anche in questo caso il supporto di Geomagic è stato indispensabile per una gestione semplificata del lavoro che, con un semplice comando e la gestione di alcume impostazioni, ha generato una mesh che successivamente ha analizzato per definirne errori e proporre, nei limiti di un software di gestione delle nuvole di punti e mesh, delle possibili soluzioni.

Lo strumento mesh doctor è in grado di eliminare punte generate da processi errati o da elementi non strutturati all’interno della nuvola di punti, eliminare porzioni non coerenti della mesh, riempire fori e rieditare il modello stesso per ottenere un risultato più omogeneo rispetto alle superfici.

Questa serie di attività gestite dal software hanno il vantaggio di semplificare il lavoro su un modello digitale, anche se tendono ad appiattire il lavoro precedentemente realizzato, quasi vanificando tutto il lavoro svolto, in realtà, viste le finalità per cui questa seconda copia del rilievo viene elaborata, tale lavoro si rende indispensabile per poter creare una piattaforma interattiva capace di girare su qualsiasi macchina.

Successivamente alla creazione del modello si è proceduto ad una decimazione ulteriore della mesh e un ricampionamento dell’intero oggetto digitale, che a questo punto inizia a perdere quel dettaglio estremo che si aveva con la nuvola di punti ma ne trae guadagno in termini di gestione.

A questo punto il modello tridimensionale dell’abitato era pronto per essere esportato in formato .obj e successivamente caricato all’interno della piattaforma videoludica Unity sulla quale è stata implementata l’applicazione di archeologia virtuale riguardante la ricostruzione del sito di Sant’Imbenia.

Le attività finora descritte sono frutto di numerosi tentativi, realizzati nel corso di tre anni di sperimentazioni col fine di produrre un sistema di gestione del rilievo tridimensionale a “misura di archeologo”, utilizzando le tecnologie disponibili e al contempo valutando il rapporto tra i costi, tempo e risorse e i benefici, in termini di precisione, accuratezza ma soprattutto obiettivi della ricerca.

Fig. 39. La trasformazione della nuvola di punti in mesh