2014/2015

La fotogrammetria subaquea e la ricostruzione 3D di relitti (ICAR 06)

responsabile scientifico: Francesco Guerra

L’indagine svolta durante l’assegno di ricerca ha avuto lo scopo di testare e approfondire la tecnica fotogrammetrica digitale per il rilievo di siti archeologici subacquei e la sperimentazione di tecniche di rilievo topografico. Nel campo del rilievo archeologico e architettonico, l’avvento della fotografia digitale e del rilievo tramite acquisizione e trattamento delle nuvole di punti, ha rivoluzionato le tecniche di documentazione, conciliando velocità di acquisizione e precisione metrica. L’impossibilità di utilizzare in ambiente marino strumenti quali il laser scanner per la creazione delle nuvole di punti, rende necessario il ricorso alla fotogrammetria digitale multi-immagine.

I contesti su cui è stato possibile effettuare la ricerca, grazie alla collaborazione con il Dipartimento di Studi Umanistici dell’Università Ca’ Foscari di Venezia, sono rappresentati da alcuni relitti di epoca romana nella costa meridionale siciliana.

I relitti di Marzamemi I, Isola delle Correnti e Capo Granitola, sono rappresentati da un carico di grossi blocchi di marmo semi-lavorati; sono tipologicamente e cronologicamente simili, ma la differenza di profondità e la diversa disposizione dei blocchi di marmo del carico, hanno comportato approcci metodologici diversi, soprattutto per il rilievo topografico.

La profondità dei siti dai 3 ai 7 metri circa, permettendo immersioni della durata di circa 2 ore, ha consentito di poter effettuare le strisciate fotogrammetriche seguendo le modalità ben collaudate nel rilievo terrestre. La caratteristica delle strisciate subacquee consiste nel fotografare l’oggetto nadiralmente, in maniera ortogonale al fondale marino, così come avviene nella fotogrammetria aerea, mantenendo una completa ricopertura del soggetto, con una sovrapposizione delle immagini del 60%. Per un rilievo completo dell’oggetto, si è reso necessario l’impiego anche del metodo fotogrammetrico per immagini radiali a 45° e 90° gradi rispetto al fondale, poiché alcuni particolari, come i lati verticali dei blocchi, non venivano raffigurati in maniera ottimale nelle sole strisciate nadirali.

Il rilievo fotogrammetrico viene supportato dal rilievo topografico, al fine di ottenere accuratezza del modello e creare un sistema di riferimento su cui roto-traslare l’oggetto rilevato. Sul sito archeologico vengono collocati sopra i blocchi di marmo alcuni caposaldi contrassegnati da un target numerato, i quali vengono rilevati con la tecnica della trilaterazione in modo da ottenere delle coordinate xyz dei target. Queste, inserite sul modello virtuale, servono sia per la roto-traslazione che per il controllo metrico delle coordinate del modello virtuale. Per il relitto di Granitola, la profondità di 2-3 m ha permesso la sperimentazione di una tecnica di rilevamento ben attestata per il rilievo terrestre ma mai impiegata sott’acqua. Il rilievo tramite GPS RTK dei target è avvenuto posizionando la stazione master su un punto noto IGM e l’antenna su una palina di 4 m, di cui l’ultimo metro spuntava dalla superficie dell’acqua.

Ogni marker è stato misurato cercando di mantenere perfettamente in bolla la palina, il che si è dimostrato estremamente difficile a causa del peso dello strumento stesso e della corrente presente. La soluzione migliore per rilevare correttamente un punto senza la possibilità di tenere la palina verticale è stata la realizzazione di una serie di 30 misure e tra queste ritenere corretta quella corrispondente al baricentro delle misure effettuate.

L’esperienza scaturita da queste ricerche mette in luce l’importanza di questo approccio verso la documentazione anche in ambito subacqueo, confermando le potenzialità del rilievo fotogrammetrico. L’impiego di questa tecnica risulta essere semplice e veloce nella fase di acquisizione delle immagini per la documentazione. In ambito subacqueo è estremamente rivoluzionario poiché sostituisce il rilievo tramite laser scanner che non potrebbe essere impiegato a causa della rifrazione dell’acqua, senza però perderne l’accuratezza metrica.

La ricostruzione tridimensionale scaturita da questa nuova tecnologia risulta essere molto soddisfacente per la precisione e le potenzialità del rilievo, poiché permette di apprezzare maggiormente la posizione nello spazio del carico di un’imbarcazione o di uno scafo rispetto a quanto si potrebbe fare con un rilievo bidimensionale; nello stesso tempo permette di offrire un’immagine di grande appeal per il pubblico che, grazie a questo tipo di prospettiva, può apprezzare meglio il contesto archeologico, avendo la visione completa del sito in maniera quasi realistica. Nonostante ciò, il render 3D non deve essere considerato esclusivamente come una documentazione fine a se stessa destinata al grande pubblico, sebbene tale caratteristica sia innegabile, ma si devono valutarne le potenzialità scientifiche e metriche del rilievo. Da questo possono essere generate orto fotografie e sezioni diverse a seconda degli studi e delle ricerche necessari, senza l’esigenza di ulteriori sopralluoghi sul sito, convertendo il patrimonio archeologico in un modello virtuale perfettamente corrispondente al vero.

Underwater photogrammetry and 3D reconstrucion of shipwreck (ICAR 06)

The survey carried out during the research grant was aimed to test and increase the digital photogrammetric technique for the detection of underwater archaeological sites and to experiment the underwater surveying techniques. In the field of archaeological and architectural survey, the advent of digital photography and the acquisition and processing of point clouds has revolutionized the techniques of documentation, according fast acquisition of data and metric accuracy.

Thanks to the collaboration with Dipartimento di Studi Umanistici of Università Ca 'Foscari di Venezia, the archaeological sites in which it was possible to carry out this research are represented by three Roman shipwrecks in the Sicilian southern coast.

The Marzamemi I, Isola delle Correnti and Capo Granitola shipwrecks consist of a cargo semi-finished of marble blocks; they are typologically and chronologically similar, but the difference in depth and the different arrangement of the cargo marble blocks have entailed different methodological approaches, especially for the topographic survey.

The depth of the sites from 3 to 7 meters, allowing a dive time of two hours, have allowed to perform the typical photogrammetric survey well-known in the terrestrial survey. The characteristic of the survey consists in photogrammetric nadiral strips, orthogonal to the object and the seabed, maintaining a complete covering of the subject, with an overlap of 60% of the images. For a complete survey of the object, it has been necessary the use also of the photogrammetric method for radial images at 45° and 90° degrees respect to the seabed, because some parts, such as the vertical sides of the blocks, were not represented in an optimal manner in nadiral images.

The photogrammetry has to be supported by the topographic survey, in order to obtain accuracy of the model and create a reference system on which roto-translate the subject. The archaeological site are placed, over the marble blocks, some control points with a numbered targets, which are measured with the trilateration technique to obtain the xyz coordinates of the targets. These, inserted on the virtual model, are employed both for the roto-translation both to verify the metric accuracy of the virtual model coordinates. On Capo Granitola shipwreck, the depth of 2-3 m has allowed to test a survey technique well attested for the terrestrial survey but never used underwater. We have tested the survey with RTK GPS, placing the master station on an IGM point and the antenna on a 4 meters pole, of which the last meter protruded from the water surface.

Each marker was measured maintaining the pole on vertical position and the inability to stay absolutely still in the water caused movements of the pole; consequently, the best solution to correctly detect a point has been the realization of a series of 30 measures and consider the barycentre as the correct measure.

The experience resulted from this research highlights the importance of this approach to documentation in underwater environment, confirming the potential of the photogrammetric survey. The use of this technique appears to be simple and fast at the stage of acquisition of the images without decreasing the metric accuracy and in underwater environment it is extremely revolutionary because it replaces the laser scanning survey that could not be used because of the water refraction.

The three-dimensional reconstruction resulted from this new technology is very satisfying for the accuracy and the potentiality, because it allows to better appreciate the position of the cargo of a shipwreck that it cannot done with a two-dimensional survey. At the same time, it allows us to offer an image of great appeal to the wide public that, thanks to this kind of perspective, can better appreciate the archaeological context and can have a complete vision of the site in a realistic way. Nevertheless, the render 3D should not be evaluated as just a documentation for the wide public, but the scientific resource and the metrics significance have to be underlined and appreciated. From the virtual model a researcher can produce several outcomes for different studies and investigation, without the necessity of additional inspections on site, mutuating the archaeological heritage in a virtual model perfectly equivalent to the original subject.