SISTEMI E MEZZI INFORMATICI PER IL RILIEVO, LA CATALOGAZIONE E LA GESTIONE DEL PATRIMONIO EDILIZIO

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1 SISTEMI E MEZZI INFORMATICI PER IL RILIEVO, LA CATALOGAZIONE E LA GESTIONE DEL PATRIMONIO EDILIZIO Alessandro Merlo (*) con Duccio Troiano (**) e Massimo Zucconi (***) (*) Facoltà di Architettura di Firenze, Dipartimento di Progettazione dell Architettura, Sezione Architettura e Disegno, tel , fax , alessandro.merlo@unifi.it Abstract (*) Nel campo del rilievo mediante scansione laser si è assistito negli ultimi anni ad un enorme progresso dal punto di vista operativo (strumentazioni sempre più veloci e precise) e di gestione dei dati acquisiti (ottimizzazione dei software). Tale miglioramento ha allargato la sfera di utilizzo degli scanner laser rendendo possibile il rilevamento di intere porzioni di città in tempi contenuti e con risultati di estrema precisione. Si assiste dunque ad un fenomeno di realtà virtuale per il quale interi quartieri cittadini possono essere misurati in ogni dettaglio attraverso il semplice utilizzo di un personal computer. L estrema precisione di detti rilievi dà però scarse informazioni sulla qualità degli oggetti rilevati - intendendo per qualità il loro valore storico, architettonico e urbano - il cui riconoscimento passa ancora attraverso l uomo che deve discernere, interpretare, e infine sintetizzare la realtà attraverso delle operazioni sistematiche di lettura e schedatura. L esperienza svolta sull abitato di Aramo (Pescia, Pistoia) si propone di analizzare, tramite lo studio di un caso concreto, le possibilità di dialogo tra queste due sfere del rilievo informatizzato: la prima quantitativa in senso stretto (modellazione tridimensionale misurabile), la seconda qualitativa in senso lato (creazione di database). Tale tema appare di estrema attualità in quanto rappresenta la base di un corretto approccio alla conoscenza e alla tutela del patrimonio architettonico storico, nonché fondamento per un restauro e una nuova progettazione che possano definirsi consapevoli. The experience on the castle of Aramo (Pescia, Pistoia) is included in the wider research on the survey of minor settlements in the svizzera pesciatina. By means of the peculiar tools of draw and computerised representation, it has the purpose of pointing out the urban and environmental qualities of this small settlement. These qualities absolutely have to be evaluated and preserved. Due to its limited extension, the built up area of Aramo has been chosen as a pilot example to test the actual scanner laser technologies. Then, the application and the efficacy of these technologies have been verified on the whole walled centre. The interest for this kind of study and the final results has brought the confirmation of the authorities which manage and protect the architectural and environmental heritage. During the campaign, the whole pattern of the castle has been surveyed by means of a panoramic laser scanner (FARO, model 8080), and the formal, typological and material qualities of the building have been filed in proper forms. More, the two churches and the bell tower (a real tower?) on the top of the village have been surveyed in detail. The obtained data have allowed to integrate the 3D model of the built up (which was reconstructed by means of a proper software through the elaboration of the laser scan data) with a data base containing information on its architectures. An innovative data processing tool allows the direct interrogation of the point clouds, in order to obtain quantitative (especially metric) and qualitative data. This helps the administrative necessities for the knowledge and conscious evaluation of this marginal reality with undoubted historical and environmental value. Oggetto e finalità del rilievo (*) Il lavoro svolto sul castello di Aramo (Pescia, Pistoia) 1 - che rientra nella più ampia ricerca che ha per oggetto il rilievo dei nuclei insediativi minori della Svizzera Pesciatina - ha il fine di evidenziare, tramite gli strumenti peculiari del disegno e della rappresentazione informatizzata, le qualità urbano-ambientali di questo piccolo nucleo insediativo, che devono essere in assoluto avvalorate e preservate. L abitato di Aramo, per la sua limitata estensione, è stato infatti scelto come esempio pilota sul quale testare la possibilità di una reale integrazione tra le odierne tecnologie scanner laser - verificandone l applicabilità e l efficacia su di un intero centro murato - e i tradizionali strumenti di analisi dello spazio antropico. Due sono stati i momenti operativi: una prima fase di campagna e una successiva di lavoro a tavolino riservata alla elaborazione dei dati. Durante la fase di campagna è stato rilevato mediante un laserscan panoramico l intero tessuto edilizio del castello e sono state compilate delle apposite schede inerenti le qualità formali, tipologiche e materiche dell ambiente urbano e degli edifici che ne fanno parte. Con procedure e strumentazioni tradizionali sono state, inoltre, rilevate in dettaglio le due chiese presenti nel borgo e il campanile (torre?) posto alla sommità del paese. I dati desunti hanno consentito di integrare il modello tridimensionale dell abitato, ottenuto elaborando le prese laserscan, con un database contenente informazioni sulle sue architetture, dando così vita ad un innovativo strumento

2 informatico capace di interrogare direttamente le nuvole di punti desumendone dati sia di tipo quantitativo (in specie metrico) che qualitativo. L interesse per questo tipo di studio e, soprattutto, per gli esiti finali che il progetto si era prefisso, ha avuto ampio riscontro presso gli organi preposti alla gestione e salvaguardia del patrimonio architettonico e ambientale, in primo luogo l Amministrazione comunale pesciatina interessata alla conoscenza e valorizzazione consapevole di questa realtà marginale di indubbio valore storico-ambientale. Figura 1 - Il versante occidentale del castello di Aramo Figura 2 - Le 29 postazioni scanner laser all interno dell abitato Due le problematiche che in questa sede è opportuno far emergere: una squisitamente concettuale relativa alla vexata questio del modello per il rilievo e l altra più tecnica inerente ai metodi e alle procedure per ottemperare agli scopi del progetto pilota. Il modello per il rilievo (*) La raffigurazione digitale tridimensionale per punti di Aramo può a tutti gli effetti essere considerata una versione portatile dell ambiente urbano rilevato, un suo modello preciso nella misura in cui lo sono stati il rilievo stesso e la messa a registro dei dati. La misurabilità degli enti che ne fanno parte è ciò che lo qualifica rispetto a tutti gli altri modelli che oggi vengono realizzati, tanto da renderne pertinente l appellativo di modello per il rilievo. E possibile infatti comprovare che il modello che meglio adempie alle esigenze del rilevatore è proprio quello fornito dall insieme delle nuvole di punti generate direttamente dagli scanner laser2; una qualunque sua successiva elaborazione, sia essa finalizzata alla redazione di elaborarti grafici bidimensionali di tipo tradizionale, oppure alla creazione di un ulteriore modello 3D per superfici (mesh o NURBS)3, richiede una discretizzazione dei dati con conseguente perdita di attendibilità nelle misurazioni. La sperimentazione condotta sull abitato di Aramo consiste proprio nell aver utilizzato il suo modello digitale tridimensionale a nuvola di punti come rilievo di base su cui operare per la gestione, in primo luogo, dell ambiente urbano (di tutti quegli elementi cioè che concorrono a definire lo spazio pubblico) e, secondariamente, del suo patrimonio edilizio ed architettonico. Così come i rilievi tradizionali bidimensionali, infatti, anche la nuvola di punti opportunamente trattata - può offrire innumerevoli possibilità applicative, comunque dipendenti dal fine per cui il rilievo è stato condotto. Fino ad oggi, gli esempi a cui è stato possibile riferirsi per questo genere di operazioni mostrano il limite di aver utilizzato in maniera impropria i dati forniti dalle prese laserscan. Il più delle volte, infatti, la mancanza sul mercato di un software in grado di interrogare efficacemente il modello a nuvola di punti ha fatto propendere per una restituzione dell oggetto indagato attraverso disegni bidimensionali che lo descrivono per mezzo di piante, prospetti e sezioni. Le successive analisi sul manufatto stesso in genere vengono realizzate su questi ultimi elaborati - ricavati con procedimenti manuali di ribattitura di punti da screenshot oppure, restando in ambiente vettoriale, con soluzioni semiautomatiche a partire da sezioni della stessa nuvola di punti - prescindendo dai dati sorgente4. Si è cercato, pertanto, di utilizzare il modello per il rilievo del paese come strumento digitale interattivo5 che oltre a rispondere alle esigenze di misurabilità degli organismi architettonici, fosse anche in grado di fornire informazioni (implementate all interno di un database) sul loro stato di conservazione, sulle qualità formali, materiche, coloristiche, etc.

3 Operazione preliminare a tutto questo è stata comunque quel trattamento critico della nuvola di punti a cui si è fatto cenno in precedenza; per poter collegare un database ai singoli oggetti o enti geometrici definiti da porzioni di nuvole, non è possibile infatti prescindere dal loro riconoscimento sulla nuvola stessa, intervento che consiste nel raggruppare tali punti e associare loro un identificativo ID. Questa è la strada intrapresa di recente grazie ad una convenzione in atto tra il Dipartimento di Progettazione dell Architettura di Firenze e la società Topotek di Brescia, che utilizza Aramo come banco di prova per apportare ad un software esistente quelle modifiche necessarie a gestire in modo complementare nuvole di punti e informazioni contenute in un database. Figura 3 - Operazione di messa a registro di una nuvola di punti sul rilievo topografico Figura 4 - Porzione del tessuto di Aramo composta da nove nuvole di punti Il trattamento delle nuvole di punti (**) Per il rilievo del castello di Aramo è stato utilizzato uno scanner laser Faro HE 8080 a variazione di fase col quale è stato possibile rilevare la quasi totalità del patrimonio costruito (fronti edilizi, cortine murarie e piani stradali) in una campagna di soli due giorni. La logica con la quale sono state distribuite le 29 stazioni all interno del paese (Fig. 2) è stata quella di ottenere, per ogni oggetto, un densità omogenea di punti. A questo proposito alcune difficoltà si sono presentate al momento di rilevare strade dalle ridotte dimensioni; in questi casi lo scanner ha dovuto infatti operare in ambienti con un asse trasversale molto contenuto (larghezza della strada) e uno longitudinale molto allungato (sviluppo della medesima), nei quali il veloce incremento dell angolo tra la normale alla superficie da rilevare (ad esempio la muratura di un edificio prospiciente ad una strada) e il raggio laser, abbinato al passo angolare costante del laser medesimo, hanno fatto si che la densità dei punti raccolti degradasse molto velocemente allontanandosi dalla stazione di presa. Per ovviare a questo inconveniente è stato deciso di aumentare, laddove ritenuto necessario, il numero delle stazioni. Figura 5 - Virtual scan di uno dei fronti di piazza San Frediano Altro inconveniente legato a questa tipologia di spazi è prodotto alle estese zone d ombra generate da corpi aggettanti dalle pareti (come balconi, fioriere, o lampioni) che si trovano molto vicini alla sorgente del laser. Anche in questo caso si è ritenuto opportuno, per ovviare al problema, aumentare il numero delle stazioni di rilevo.

4 Per quanto riguarda le fasi di elaborazione del dato acquisito, i software utilizzati sono stati essenzialmente due: Faro Scene e Reconstructor 2; ognuno dei quali ha dato risposta a problematiche di ordine diverso come meglio illustrato in figura 6. Software Descrizione della funzionalità Utilizzo per il rilievo integrato di Aramo Faro Scene Gestione del laser durante la campagna 1. Gestione della scansione in fase di campagna. di rilievo, visualizzazione e primo trattamento delle nuvole di punti 2. Controllo della qualità dei dati acquisiti in fase di campagna. 3. Primo trattamento di filtratura automatica in fase di rielaborazione delle nuvole per eliminare il rumore : sono stati applicati due filtri, uno di distanza e l altro cromatico. 4. Eliminazione manuale di punti non desiderati rilevati G.R.C. Reconstructor 2 Elaborazione avanzata di nuvole di punti al di sopra dell edificato. 5. Importazione e preprocessing delle nuvole. 6. Messa a registro del rilievo (Figg. 3 e 4) 7. Calibrazione della camera. 8. Elaborazioni di virtual scan 6 (Fig. 5). 9. Associazione alle scansioni virtuali di chiavi Access. Figura 6 - Descrizione dell utilizzo dei programmi per la gestione del laserscan e delle nuvole di punti La schedatura delle qualità: il database Access (***) Il rilievo delle qualità relative al contesto costruito di Aramo è stato organizzato analizzando il castello nelle sue componenti edilizie e urbane. Alla prima componente fanno capo tutti gli edifici, sia speciali (chiese, oratori) che di base (case in linea, a schiera, etc.) e le emergenze (rocca, torri); alla seconda fa invece riferimento il sistema dei percorsi (di impianto, di collegamento, matrice, etc.) e dei luoghi nodali/polari (quali le piazze). Per ognuna di queste categorie è stata poi riconosciuta l unità minima che le costituisce: unità minime urbane (U.M.U.) e unità minime edilizie (U.M.E.). La struttura della schedatura è stata progettata secondo questa stessa logica duale; le schede tipo, compilate prima su carta e successivamente digitalizzate, sono state poi inserite in due database di Access fisicamente separati ma relazionati tra loro. Molto si è discusso sul criterio identificativo delle unità minime e, dopo aver formulato varie ipotesi, è stato stabilito che questo dovesse discendere di volta in volta dall analisi dei caratteri propri dell oggetto. L individuazione delle unità minime, che pertanto non coincide necessariamente con le particelle catastali, ha richiesto un analisi preventiva del contesto e mira in definitiva ad alleggerire le operazioni di schedatura da un lato e ad ottimizzare il database dall altro. Figura 7 - Relazioni tra tabelle Access nel database delle U.M.U. Per quanto riguarda le informazioni schedate, esse fanno nella maggior parte riferimento alla qualità dei manufatti e al loro stato di conservazione così come sono percepibili dallo spazio pubblico: si hanno, quindi, campi legati ad esempio al tipo di paramento murario, agli infissi o ai sistemi di oscuramento per il database edilizio, e agli elementi di arredo o alla qualità delle pavimentazioni per quello urbano; tutti questi aspetti vanno a formare, considerati nel loro insieme, l immagine complessiva del paese, rappresentando un dato di sicuro interesse per l Amministrazione comunale e per tutti i soggetti preposti alla salvaguardia e alla tutela del medesimo 7. La digitalizzazione dei dati schedati prevede, inoltre, che questi siano filtrati, interrogati e suddivisi in categorie omogenee; attraverso queste operazioni è infatti possibile rintracciare con facilità i motivi ricorrenti e caratteristici che connotano l ambiente urbano, i quali potranno diventare in futuro spunto normativo per eventuali piani di recupero.

5 Per la definizione dettagliata di tutti i campi archiviati (sia per le U.M.E che per le U.M.U.) e la loro organizzazione logica si faccia riferimento alla struttura del database Access riportato nelle figure 7 e 8. Figura 8 - Relazioni tra tabelle Access nel database delle U.M.E. Note 1_Responsabile della ricerca: A. Merlo; coordinamento scientifico: A. Merlo, G. Verdiani; rilievo scanner laser a cura di: G. Verdiani, F. Gallo, in collaborazione con Faro Europe; rilievo topografico a cura di: F. Tioli, C. Battini; restituzione ed elaborazione dei dati a cura di: M. Zucconi, D. Troiano, in collaborazione con Topotek Brescia. 2_La nuvola di punti ammette infatti la possibilità di eseguire misurazioni direttamente all interno dello spazio digitale definito dalla nuvola stessa con strumenti riconducibili a una sorta di rotella metrica che possiede però il vantaggio di essere infinitamente allungabile e di non ammettere errori dovuti, ad esempio, alla deformabilità del materiale con cui è stato realizzato lo strumento. 3_Nel primo caso questa è dovuta essenzialmente alla necessità di estrarre dalla nuvola di punti quei segmenti in grado di definire la geometria degli elementi che compongono l oggetto indagato, in base, tra le altre cose, alla scala di rappresentazione che si intende adottare. Nel secondo è richiesta dall impossibilità degli odierni software di gestire la quantità di informazioni contenute in una nuvola di punti; nel campo del rilievo architettonico non esistono infatti programmi in grado di generare in modo automatico - procedimento questo che, a differenza di quello manuale fondato sulla generazione di oggetti tridimensionali a partire da quelle primitive che definiscono le caratteristiche geometriche dei manufatti, meglio si confà con le prerogative della strumentazione impiegata - modelli per superfici che rispettino a pieno i caratteri morfologici dei manufatti, in particolare di quelli storici, e che al tempo stesso ne permettano la misurabilità. Anche i software che si basano sul reverse modeling, pur fornendo modelli accurati perfettamente conformi alla nuvola di punti, presentano una serie di difetti che ne compromettono l utilizzo e ne minimizzano i vantaggi, quali la pesantezza dei dati da gestire che ne pregiudica la velocità in fase di elaborazione degli stessi e, soprattutto, la resa delle superfici degli oggetti modellati che poco si adatta, ad esempio, a paramenti murari in pietra. 4_ Ovviamente la procedura per redigere tali disegni a partire dalla nuvola di punti è molto diversa rispetto a quella che in genere viene adottata per un rilievo di tipo tradizionale. In questo ultimo caso, infatti, la restituzione consiste nel ricostruire su di un supporto bidimensionale l oggetto indagato grazie a quelle misurazioni effettuate direttamente sull architettura che hanno permesso di localizzare nello spazio quei punti che il rilevatore ha ritenuto necessari e sufficienti per descrivere compiutamente la sua geometria (riconosciuta dallo stesso operatore ancor prima di effettuare le misurazioni). Partendo dalla nuvola di punti, invece, l operazione è inversa: il riconoscimento della geometria dei manufatti avviene sul modello informatizzato ed è realizzata, pertanto, in fase di restituzione dei dati. L eventuale identificazione di quei punti in grado di ricostruire la struttura dell oggetto ha in questo caso solo uno scopo descrittivo e non ricostruttivo della sua geometria. 5_ Cfr. Baculo et al., _ Le operazioni associate ai virtual scan consentono di ricavare con semplici comandi prospetti, piante, sezioni, viste assonometriche e prospettiche, da un centro (scanner virtuale) posto nello spazio a discrezione dell utente. Rispetto a tale centro il software rielabora le nuvole di punti - operando proprio come un laserscan - conferendo loro delle nuove coordinate. 7_ Analizzando la scheda relativa alle U.M.E si possono trovare, ad esempio, anche informazioni relative alla proprietà, ai dati catastali o agli aspetti legislativi legati al Piano Regolatore pesciatino.

6 Bibliografia Baculo A. (2000), Napoli al 2000, Electa, Napoli. Baculo A. (2002), Modelli interpretativi della città di Napoli, Università degli Studi di Napoli Federico II, Napoli. Bini M. (2005), Il castello di Gisors. Resoconto della campagna di rilievo per una ricerca tipologica e funzionale, Alinea, Città di Castello. Cardini F. (1990), Incastellamento dei paesi nel primo Medioevo, in Aa.Vv., I castelli in Valdinievole, Comune di Buggiano, Buggiano, Gaiani M. (2006), La rappresentazione riconfigurata: un viaggio lungo il processo di produzione del progetto di disegno industriale, PoliDesign, Milano. Verdiani G. (2003), Il Battistero di Pisa. Rilievo e rappresentazione digitale tra ricerca e innovazione, tesi di dottorato di ricerca - XV ciclo, stampato in proprio, Università degli Studi di Firenze - Facoltà di Architettura.