Point cloud classification : the case of Milan Cathedral

This work is part of a ten-year collaboration between the Veneranda Fabbrica del Duomo di Milano and the Politecnico di Milano, 3D SurveyGroup, DABC. The basis of this work dates back to several years ago, specifically when the 3D SurveyGroup of the Politecnico started to use the TLS and the photogrammetry, besides other techniques, as the two primary sources from which point clouds are obtained. Therefore, this work represents an additional contribution to the ongoing project. (et al. Achille, C., Fassi, F., Mandelli, A., Perfetti, L., Rechichi, F., Teruggi, 2020) The importance of surveying processes in the field of heritage conservation and restoration is well established and widely used worldwide. It is evident that nowadays, surveying techniques are able to solve almost any problematic situation in terms of data acquisition and data elaboration. The major gap still concerns the use of data at a professional level in daily practice. In these terms, an example would be the fact that point clouds are often used as a transitional tool between the surveys and the manual realization of 3D models, rather than exploiting its other potential and unique features. Consequently, this investigation may be considered as part of the contemporary national and international research effort, so that the raw products of 3D acquisitions (point clouds) can be easily used professionally. In particular, the thesis utilizes the artificial intelligence (AI) system and examines the techniques for the classification of 3D point clouds to be used as real 3D models structured for different purposes of the professional practice in the Cultural heritage’s world. (et. al. Grilli, E. and Remondino, F.: ‘Classification of 3D Digital ‘Heritage’, Remote Sens., 11, 847, 2019. https://doi.org/10.3390/rs11070847 In addition to the more obvious preservation benefits, a lesser-known potential of 3D digital data is that it permits a comprehensive interpretation of architecture, beginning with an understanding of the elements’ semantics and proceeding through an examination of their structural and compositional roles, to a consideration of the building’s forms and its relationship to space, both real and imagined. The Milan Cathedral constitutes a unique opportunity for this study mainly because it is both a complex and extensive case study that has proven to be one of the most difficult in the field of surveying and because it necessitates the classification of 3D point clouds of all the architectural elements, which are all of remarkable peculiarity and complexity.

Questo lavoro fa parte di una collaborazione decennale tra la Veneranda Fabbrica del Duomo di Milano e il Politecnico di Milano, 3D SurveyGroup, DABC. Le basi di questo lavoro, infatti, risalgono a molti anni fa, quando il laboratorio 3Dsurvey group del Politecnico ha iniziato a utilizzare il TLS e la fotogrammetria (oltre a varie altre tecniche): le due fonti primarie da cui si ottengono le nuvole di punti su cui si concentra questo lavoro. Pertanto, questo lavoro rappresenterà un piccolo mattone in un progetto in continuo sviluppo. (et al. Achille, C., Fassi, F., Mandelli, A., Perfetti, L., Rechichi, F., Teruggi, 2020) L’importanza dei processi di rilievo nel campo della conservazione e del restauro del patrimonio è ben consolidata e ampiamente utilizzata in tutto il mondo. È anche chiaro che oggi le tecniche di rilievo possono risolvere quasi tutte le situazioni in termini di acquisizione ed elaborazione dei dati. La grande lacuna rimane oggi l’utilizzo dei dati a livello professionale nella pratica quotidiana, è esemplare in questi termini fatto che le nuvole di punti sono spesso utilizzate come strumento di passaggio tra il rilievo e la realizzazione manuale di modelli 3D. La ricerca presentata in questo lavoro si inserisce negli sforzi di ricerca nazionali e internazionali affinché i prodotti grezzi delle acquisizioni 3D (nuvole di punti) possano essere facilmente utilizzati a livello professionale. In particolare, la tesi indaga, attraverso l’uso di sistemi di intelligenza artificiale (AI), le tecniche per classificare le nuvole di punti 3D da utilizzare come veri e propri modelli 3D strutturati per diversi scopi durante la pratica professionale nel mondo dei beni culturali. (et. al. Grilli, E. e Remondino, F.: “Classificazione del patrimonio digitale 3D”, Remote Sens., 11, 847, 2019. https://doi.org/10.3390/rs11070847 Oltre ai più ovvi benefici per la conservazione, una potenzialità meno nota dei dati digitali 3D è quella di consentire un’interpretazione completa dell’architettura, a partire dalla comprensione della semantica degli elementi, procedendo attraverso il loro ruolo strutturale e compositivo, fino alla considerazione delle forme dell’edificio e del suo rapporto con lo spazio, sia reale che ideale. Il Duomo di Milano rappresenta un’opportunità unica per questo studio, sia perché è un caso di studio complesso ed esteso che si è rivelato uno dei più difficili nel campo del rilievo, sia perché richiede la classificazione delle nuvole di punti 3D di tutti gli elementi architettonici, tutti di notevole peculiarità e complessità.