Surveying, modeling and management of Cultural Heritage. Definition of good practices through applications on monuments and artworks

The knowledge of Cultural Heritage (CH) needs to be as much as possible accurate and deep in order to assure the preservation and the transmission to future generation the historical values that they bring with them. One fundamental step of this process is represented by the geometric knowledge of the objects investigated and, nowadays, this is possible, with excellent results, thanks to the growing interest and development of Geomatics disciplines in this field. After the survey, it is mandatory to translate the results and findings into any kind of representation: one of the most effective and useful is doubtless a 3D model. Each step of the process is quite challenging: the survey campaign individuates the best technique, taking into account all the issues coming from the materials, the environmental conditions and the decay of the object. Then, in the restitution phase, the problem is to deal with the big data coming from survey and elaborate them to build high definition 3D models, considering the proper restitution scale. The result is a model, ready to contain a plenty of information inside it or open to other uses such as: organization of restoration activities, logistic and economic management, extrapolation of 2D drawings, art cataloging and also virtual reality or 3D printing. In order to test the limits and the potentialities both of survey and modeling approaches and to offer a complete overview of the issues, this thesis consider several case studies at different representation scale. The architectonical scale is represented by the Milan’s Cathedral project; the eight years research work evolved during time and became a very interesting example of integration of different surveying, modeling and visualizing techniques. In the first phase, the survey was carried out using laser-scanner, nevertheless, some problems linked to the penetration of the laser beam in the inner structure of Candoglia marble addressed the survey towards the use of photogrammetric technique. Simultaneously, the data acquired were processed in the modeling software comparing which was the best to perform the realization of the model. The different attempts both in surveying and in modeling, led to a workflow that have been fine-tuned during the years and now is the usual practice of the 3D Survey Group. From the architectonical scale, the thesis moves to a bigger one: statues and artifacts. The goal in this case was the definition of practices aimed to the production of 1:1 models. Some important examples were contemplated and surveyed by using the photogrammetric method and structured light 3D scanner, comparing the results obtained from both methods. The final step of the research shows some possible uses of the 3D models presenting some case studies investigated during the doctorate concerning applications in BIM, virtual reality and 3D printing fields. Once a final and satisfactory model is achieved, which can be both of a large monuments or small artifacts, it has not an end in itself but, with the development of IT tools, it is possible to insert it in a wider process that include management, valorization and fruition.

La conoscenza dei Beni Culturali (BB. CC.) deve essere il più possibile accurata e approfondita per assicurare la conservazione e il trasferimento alle future generazioni dei valori storici che essi rappresentano. Un passo fondamentale di questo processo è la conoscenza geometrica dei beni studiati e, ad oggi, questa è possibile, con risultati ottimali, grazie al crescente interesse e allo sviluppo delle discipline afferenti alla Geomatica. Dopo il momento conoscitivo del rilievo, è necessario tradurre i risultati e le scoperte in una qualsiasi forma di rappresentazione: una delle più efficaci e utili è senza dubbio la realizzazione di modelli tridimensionali. Ogni passo del processo è impegnativo: la campagna di rilievo seleziona le migliori tecniche, tenendo conto di tutte le problematiche derivanti dai materiali, le condizioni ambientali e lo stato di degrado dell’oggetto indagine di studio. Successivamente, nella fase di restituzione, il problema è rappresentato dall’interazione con la mole di dati provenienti dal rilievo e dall’elaborazione degli stessi per realizzare modelli tridimensionali considerando la scala di restituzione scelta. Il risultato di questo processo è un modello pronto per contenere una grande quantità di informazioni e per essere sfruttato con altre declinazioni come: l’organizzazione delle attività di restauro, la gestione logistica ed economica, l’estrazione automatica di disegni bidimensionali, la catalogazione, la virtualizzazione e la prototipazione. Per testare i limiti e le potenzialità sia della fase di rilievo che quella di modellazione e per mostrare una completa panoramica dei problemi, la tesi si tratta alcuni casi studio a diverse scale di rappresentazione. La scala architettonica è rappresentata dal progetto riguardante il Duomo di Milano; in otto anni di lavoro il progetto è evoluto ed è diventato un interessante esempio di integrazione di diverse tecniche di rilievo, modellazione e visualizzazione. In una prima fase, il rilievo è stato eseguito usando un laser scanner terrestre, ma alcuni problemi legati alla penetrazione del raggio laser all’interno della struttura cristallina del marmo di Candoglia, hanno indirizzato il lavoro verso l’uso della tecnica fotogrammetrica. Nello stesso tempo, i dati acquisiti sono stati elaborati nel software di modellazione ricercando il più adatto per la realizzazione del modello tridimensionale. I diversi tentativi sia nel campo del rilievo che in quello della modellazione, hanno condotto a un metodo di lavoro che è stato perfezionato negli anni e che oggi è la pratica operativa del gruppo di ricerca 3D Survey Group. Dalla scala architettonica, la tesi passa all’analisi di una scala maggiore: statue e reperti archeologici. In questo caso lo scopo è la definizione di pratiche operative finalizzate alla realizzazione di modelli in scala 1:1. Sono presentati alcuni importanti esempi, sia di rilievo fotogrammetrico, che scanner a luce strutturata, comparando i risultati ottenuti con entrambi i metodi. L’ultima fase della ricerca mostra alcuni possibili usi dei modelli tridimensionali attraverso casi studio affrontati durante gli anni di Dottorato, in relazione ad applicazioni BIM, realtà virtuale e stampa 3D. Raggiunti risultati finali soddisfacenti, sia nel caso di grandi complessi architettonici, che nel caso di piccoli reperti archeologici, questi non sono fini a loro stessi, ma con lo sviluppo del settore informatico, è possibile utilizzarli in un processo allargato che comprende la gestione, la valorizzazione e la fruizione.