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Il potenziale della modellazione 3D volumetrica: un caso di studio a Chlorakas-Palloures (Cipro).

La modellazione tridimensionale dei dati di scavo archeologico si sta rivelando negli ultimi anni uno strumento prezioso non solo per visualizzare la stratigrafia ma soprattutto per eseguire analisi spaziali quantitative corredate da dati volumetrici.

Poniamo all’attenzione dei nostri lettori una ricerca esemplare a tale riguardo che è in corso di pubblicazione (Giugno 2021) sul volume 21 del Digital Applications in Archaeology and Cultural Heritage da Marina Gavryushkina dell’Università di Leiden.

Lo studio esamina l'articolazione spaziale delle unità stratigrafiche in tre scavi adiacenti per trincea di un insediamento calcolitico cipriota. Il GIS 3D, nonostante i suoi recenti sviluppi e la sua utilità per una documentazione archeologica rapida, economica e accurata, è tuttavia ancora raramente utilizzato per la ricostruzione tridimensionale della stratigrafia archeologica e l’analisi spaziale post-scavo. Campi di indagine su cui si è misurata con successo invece la ricerca di Marina Gavryushkina.

Il sito di Chlorakas-Palloures, su una collina che domina la costa, risalente al periodo tra il Calcolitico Medio e Tardo 3500-2400 a. C. circa  fa parte di una serie di siti calcolitici vicino Lemba, nel sud-ovest di Cipro. L’insediamento negli ultimi decenni è stato gravemente sconvolto da attività agricole e di costruzione. Tra il 2015 e il 2017 l'Università di Leida ha effettuato scavi di emergenza su uno dei terreni. Gli scavi hanno portato alla luce case rotonde, strutture monumentali e manufatti in rame.

 

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   FIG. 2 - Siti calcolitici a nord di Paphos nel sud-ovest di Cipro (M. Gavryushkina).

I risultati di questo studio mostrano come la modellazione volumetrica può migliorare il potenziale analitico dei dati spaziali con la visualizzazione e identificazione di modelli nei depositi scavati e con  la successiva diffusione d’informazioni sul processo di scavo grazie a un'interfaccia intuitiva e user-friendly.

Tuttavia un'accurata modellazione volumetrica richiede, per rendere questo approccio più accessibile ed efficace, una rivalutazione delle procedure di documentazione convenzionali e lo sviluppo di flussi di lavoro più efficienti con l’utilizzo di software economici e open source. Ecco in dettaglio, rimandando per l’approfondimento all’articolo integrale al seguente link, come è stato sviluppato il caso studio di Palloures.

3D modellazione per documentazione e analisi di scavo

Come è noto i progressi nella scansione laser e nella Structure from motion (SfM) hanno permesso agli archeologi di realizzare sul campo in modo rapido e accurato modelli digitali di superfici di scavo. I modelli digitali in ambito archeologico sono utilizzati prevalentemente per visualizzare determinate sepolture e caratteristiche architettoniche da cui vengono ricavate ortofoto di trincee che servono a creare disegni di piani e sezioni. Sebbene i disegni risultanti siano notevolmente più accurati e meno laboriosi di quelli disegnati a mano finiscono inevitabilmente per replicare le strutture di dati 2D esistenti, non sfruttando le capacità insite derivanti dall’acquisizioni di dati 3D complessi.

Recenti studi hanno incorporato modelli 3D basati su immagini di superfici archeologiche all'interno di flussi di lavoro, completi di documentazione di scavo utilizzando il 3D GIS. Come sistema di database spaziale dinamico piattaforme di questo tipo facilitano il consolidamento di molteplici forme di set di dati spaziali e non spaziali in una singola interfaccia 3D, inclusi modelli 3D delle superfici di scavo, posizioni dei reperti e dati provenienti dalla stazione totale (TS).

L’analisi volumetrica nella ricerca archeologica

Numerosi gli esempi applicativi. In particolare la modellazione 3D per l’analisi volumetrica è stata utilizzata sinora, e continua ad esserlo, per definire la funzione dei contenitori ceramici, per realizzare analisi dei costi dell'architettura monumentale, per indagare sulla costruzione dei tumuli funerari, per quantificare la composizione dei cumuli di scorie.

Le superfici scavate spesso mostrano una topografia irregolare che si manifesta con ondulazioni nella superficie del suolo, presenza di elementi architettonici sporgenti e confini incerti. Inoltre, non esiste un benchmark definitivo che valuti l'accuratezza di una strategia di modellazione volumetrica.

Le difficoltà nella definizione delle relazioni topologiche tra gli oggetti e la mancanza di strumenti analitici con capacità 3D hanno anche portato i ricercatori a proporre o sviluppare propri strumenti per superare i limiti di software.

Nello studio di Marina Gavryushkina vengono esaminate tre strategie per la modellazione volumetrica vettoriale utilizzando strumenti esistenti all'interno di un comune software GIS. Si tratta di un approccio che può essere, per l’appunto, utilizzato anche per analizzare la sequenza di depositi archeologici e per rappresentare la stratigrafia archeologica in 3D.

Dati e metodi - Acquisizione dati

Per la documentazione degli scavi presso Palloures sono stati utilizzati strumenti digitali. Aspetti rilevanti in questo approccio sono rappresentati dalla creazione, prima dello scavo, di un modello 3D dell'area del progetto e dall’utilizzazione, per l’apertura delle trincee, di una griglia predefinita di 5x10 m basata sul sistema di coordinate WGS84. Tutti i contesti archeologici (strati depositati, strutture costruite, ammassi di reperti, pozzi e tagli) sono stati documentati come singole unità e scavati utilizzando una metodologia a contesto singolo. I reperti e i campioni raccolti all'interno delle singole unità sono stati registrati come lotti, l'estensione spaziale di unità e lotti è stata registrata utilizzando una Stazione Totale Robotica (RTS) nel 2015 e una normale stazione totale (TS) nel 2016 - 2017. Oltre alle misurazioni TS ci si è avvalsi di un drone quadricottero DJI  Phantom Vision.

Successivamente tutti i modelli 3D sono stati georeferenziati con l’utilizzo di  dieci punti di controllo a terra (GCP). Le ortofoto del fondo di ogni trincea e di ogni profilo della parete sono stati generati dai modelli fotogrammetrici e arricchiti di annotazioni per produrre disegni di sezioni e piani.

Il database di controllo è stato realizzato in Microsoft Access e le informazioni relative alle relazioni stratigrafiche e alle proprietà sono state inserite direttamente nella banca dati da ciascun gruppo di scavo con tablet portatili.

Elaborazioni informatiche

Per visualizzare l'estensione spaziale e l'elevazione di tutte le unità scavate all'interno di un GIS 3D tutte le misurazioni TS sono state convertite in un formato di file 2.5D (shapefile poligonale 3D in ArcGIS). Le differenze nella TS utilizzata hanno portato a diversificazioni nell'output di dati grezzi, che a loro volta hanno influenzato le procedure per l'elaborazione dei dati. Nel 2015, l'RTS ha esportato automaticamente i dati raccolti come shapefile poligonali 3D. Tuttavia, i dati registrati sul campo nel 2016 e nel 2017 hanno richiesto una conversione aggiuntiva. Per l'elaborazione dei dati GIS lo studio ha utilizzato il software proprietario ESRI ArcMap e i dati elaborati sono stati quindi visualizzati in ArcScene.

Il toolkit 3D Analyst di ArcScene offre solide funzionalità 3D consentendo agli utenti di combinare e manipolare vari formati di dati 3D all'interno di un unico ambiente spaziale. Alla fine dello scavo sono stati prodotti modelli fotogrammetrici di ciascuna delle tre trincee per fornire un contesto spaziale e assistere alla modellazione volumetrica. Ogni trincea di 5.10 m è stata generata utilizzando AgiSoft Photoscan Professional e decimata a 100.000 vertici. Infine questi modelli sono stati esportati in Digital Asset Exchange File (DAE) formato di file di interscambio 3D basato sullo schema XML  Collaborative Design Activity (Collada) compatibile con il pacchetto software GIS prescelto.

È importante notare che questo processo riduce la qualità della trama e la morfologia complessiva della ricostruzione mesh e di conseguenza influisce sull'accuratezza dei modelli volumetrici risultanti. Tuttavia, decimare la mesh e ridurre le dimensioni del file è stato un passo necessario per raggiungere una maggiore velocità di elaborazione all'interno del software 3D GIS.

Metodi di modellazione volumetrica

La modellazione volumetrica è stata quindi scelta per visualizzare le relazioni topologiche tra gli strati scavati. Il caso studio di Marina Gavryushkina testa tre approcci differebtu alla modellazione volumetrica vettoriale all'interno di ESRI ArcScene utilizzando il formato di file multipatch di ESRI e un tipo di geometria digitale utilizzato per rappresentare il confine esterno degli oggetti 3D all'interno di ArcGIS software.

Metodo 1: estrusione tra triangulated irregular network (TIN)

Il primo metodo interpola il volume tra le interfacce superiore e inferiore di ogni deposito stratigrafico e segue i principi della registrazione a contesto singolo. Il volume di ogni contesto viene ricostruito seguendo la sequenza stratigrafica identificata nel campo. Questo metodo è relativamente semplice da realizzare utilizzando gli strumenti esistenti in ESRI ArcScene utilizzando i dati TS e i modelli di fotogrammetria georeferenziati.

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 FIG. 3 - Metodo 1: estrusione tra TIN. (M.Gavryushkina)

 

Metodo 2: Volume limite minimo

Il secondo metodo utilizza la funzionalità dello strumento 'Minimum Bounding Volume' all'interno del toolkit di ArcScene. Questo strumento crea una funzione multipatch per rappresentare il volume di spazio occupato da un insieme di coordinate 3D. Questo concetto è stato applicato all'analisi spaziale 3D in archeologia paleolitica, ambito in cui cluster di fossili e artefatti vengono abitualmente identificati all'interno di una nuvola di punti 3D di funzionalità registrate per comprenderne meglio la distribuzione spaziale.

 

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 FIG.4 -  Metodo 2: Volume limite minimo. (M.Gavryushkina)

 

Metodo 3: Digitalizzazione della stratigrafia della sezione

Il terzo metodo interpola lo spazio tra disegni di profili opposti, un approccio già utilizzato dai ricercatori in studi passati sia per la modellazione basata su voxel che su vettori della stratigrafia di trincea. In questo modo, invece di dati TS il metodo di digitalizzazione “Sezione Stratigrafia” utilizza disegni di sezione creati dal team di scavo per ricreare la stratigrafia della trincea. Questa operazione viene eseguita utilizzando lo strumento "Crea funzionalità" all'interno del 3D Editor in ArcScene, che consente la digitalizzazione di shapefile 3D disegnando direttamente su modelli fotogrammetrici importati.

 

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 FIG. 5 - Metodo 3: Digitalizzazione della stratigrafia della sezione.  (M.Gavryushkina)

Analisi stratigrafica

La ricostruzione risultante è stata utilizzata per indagare la discrepanza in elevazione tra due strutture trovate nelle trincee adiacenti denominate BU13 e BV13. Entrambe le case rotonde sono state datate al tardo periodo calcolitico sulla base di ceramiche e altre prove materiali, ma sono collocate a circa 1 m di profondità l'una dall'altra. La modellazione volumetrica ha fornito una chiara visualizzazione della sequenza di strati di terreno nella trincea BU13 che contribuiscono a questa differenza di elevazione.

Il modello 3D creato con il Metodo 2 è stato scelto per l'analisi. Il modello del Metodo 3 è stato invece utilizzato per supportare l'interpretazione, mettendo in relazione le caratteristiche presenti all'interno della trincea con la stratigrafia interpolata degli strati di terreno più grandi e dei depositi di detriti (midden) presenti nei profili della trincea. Il passaggio tra questi due modelli ha permesso un confronto visivo della stratigrafia 3D con i dati registrati nei rapporti di trincea e nel database di scavo. La ricostruzione digitale ha permesso un'analisi visiva più ravvicinata degli strati di terreno messi in relazione tra loro e dei profili di trincea visibili nei modelli fotogrammetrici mediante panning e zoom delle aree di interesse e modifica delle trasparenze degli strati.

 Analisi dei depositi

Dopo che tutti i modelli volumetrici sono stati generati utilizzando questi metodi i dati relativi alle proprietà di ciascuna unità e ai risultati preliminari dell'analisi della cultura materiale memorizzata in database relazionali sono stati uniti ai modelli 3D di ciascuna unità. Il join consente di manipolare la simbologia del modello per indagare quelli spaziali all'interno delle trincee di scavo. Questa funzionalità GIS 3D può essere sfruttata inoltre per eseguire uno studio comparativo della concentrazione di diversi tipi di artefatti, come frammenti di ceramica diagnostici e migliorare l'analisi del contesto e dei depositi per ottenere una comprensione più approfondita dei processi di localizzazione del sito.

Risultati della ricerca

E’ presente una variazione sorprendente tra ogni risultato sia visivamente che quantitativamente, che mette in evidenza anche le difficoltà poste nella modellazione 3D della stratigrafia archeologica.

Metodo 1: L’estrusione tra TIN ha avuto particolare successo quando i dati spaziali sovrapposti erano disponibili per le interfacce superiore e inferiore di uno strato rilevato. Le unità estruse fino alla superficie del modello fotogrammetrico della trincea hanno prodotto una rappresentazione fedele della geometria dell'unità e hanno funzionato molto bene per le fosse scavate nella roccia sottostante. D'altra parte, quando ci sono più unità sottostanti o se le unità siano originariamente documentate in più parti, devono essere modellate in modo frammentario perché l'algoritmo modella solo l'area che si sovrappone a entrambe le TIN di input. Questo vincolo tecnico può portare a duplicare o intersecare la geometria, comportare lacune all'interno della stratigrafia e difficoltà nel calcolo dei volumi unitari.

Un efficiente flusso di lavoro GIS 3D

L'immissione di dati spaziali 3D è stata effettuata convertendo i dati di input TS 2.5 D in modelli volumetrici 3D visualizzati insieme a modelli di fotogrammetria 3D georeferenziati all'interno del pacchetto software. Le sezioni trasversali della stratigrafia possono essere create in qualsiasi angolo o linea arbitraria attraverso ogni trincea. Inoltre, queste rappresentazioni tridimensionali della stratigrafia del sito possono essere utilizzate come base per l'analisi spaziale 3D intra-sito combinando dati volumetrici con set di dati non spaziali come quelli relativi alla ceramica e dati litici. Le mappe tematiche quantitative sono facilmente generate utilizzando strumenti di visualizzazione standard direttamente in ArcScene per calcolare e visualizzare la densità di diversi tipi di artefatti o proprietà del deposito. Ciò fornisce una piattaforma per rilevare impronte spaziali all'interno della stratigrafia del sito che altrimenti risulterebbero di difficile identificazione. Viceversa, il valore della modellazione volumetrica sta nel fornire una panoramica olistica della sequenza stratigrafica di un'intera area scavata. Questa visualizzazione nel caso studio funziona in tandem con il matrix di Harris fornendo una rappresentazione visiva intuitiva e di facile comprensione delle caratteristiche sia all'interno della parete del profilo che all'interno della trincea. Incorporando set di dati di scavo non spaziali migliora ulteriormente la capacità di valutare la validità dell’interpretazione stratigrafica sulla base di tipi di artefatti trovati all’interno di depositi. Un approccio volumetrico richiede ulteriori risorse di tempo e di professionalità per raccogliere misure 3D sul campo e generare modelli 3D di strati scavati, ma l'investimento è utile per la fase post - scavo. La ricostruzione digitale funge da piattaforma per il contesto e l'analisi dei depositi all'interno di un GIS 3D e  incorpora set di dati specialistici con il loro contesto spaziale. Questo formato dinamico consente inoltre di generare sezioni trasversali in qualsiasi linea attraverso una trincea per indagare la sequenza di strati. In termini di pubblicazione, i dati spaziali sono tipicamente inclusi come disegni e figure separati che possono portare a set di dati inaccessibili o selettivi che richiedono un processo investigativo che necessita di tempo da parte degli studiosi che rivisitano il set di dati. Questo processo invece consente di risparmiare tempo, di avvicinare le scadenze di consegna per la pubblicazione e migliora l'analisi multidisciplinare post-scavo.

Un numero crescente di progetti di ricerca utilizza la modellazione basata su immagini per ricostruzioni volumetriche ad alta risoluzione di stratigrafia scavata creando modelli fotogrammetrici di ogni singolo contesto. Alcuni studiosi hnnoa sottolineato il valore dei dati volumetrici per l'analisi micro - morfologica e lo studio dei processi di formazione del sito. Tuttavia, a causa delle immense risorse e del tempo necessario per raggiungere questo obiettivo, tale approccio non è fattibile per la maggior parte dei progetti archeologici che operano con vincoli di tempo e di budget limitati.

Lo studio si è deliberatamente concentrato sulla valutazione della capacità di strumenti facilmente disponibili per la modellazione volumetrica a base vettoriale che non richieda un elevato grado di competenza tecnica. Nonostante questo obiettivo, il software GIS utilizzato non è necessariamente accessibile a ricercatori indipendenti o aziende CRM che si affidano sempre più ad alternative GIS convenienti. Di conseguenza, questi modelli 3D sono relegati a video e screenshot "fly-over" nelle pubblicazioni ai lettori senza accesso al software ESRI. Affinché il GIS 3D volumetrico sia una strategia sostenibile a lungo termine per la documentazione dei dati archeologici, sarebbe utile l'approfondimento in open source.

Lo studio del sito di Chlorakas-Palloures  lascia intravedere l'immenso potenziale della modellazione volumetrica basata su features vettoriali. Ulteriori ricerche dedicate allo sviluppo di flussi di lavoro efficienti ed efficaci renderebbe questo approccio accessibile a una più ampia comunità di ricercatori. Porre l’accento sull'accessibilità unita all'adesione a principi guida EQUI per la gestione dei dati scientifici migliorerebbe la longevità dei dati GIS 3D e aiuterebbe la modellazione 3D a diventare un pilastro nella pratica degli scavi archeologici.

La ricerca è stata sostenuta attraverso la Leiden University Excellence Scholarship (LEXS) e il LUFF International Study Fund (LISF).

Fonte: Science direct


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