An open-source framework for geospatial data management in the built and natural environment

In the current era of digital transformation, the fields of Geomatics and Geospatial Information Science are facing a significant paradigm shift. While the increasing availability of high-resolution 3D data ranging from technologies like Terrestrial Laser Scanning to Unmanned Aerial Vehicle photogrammetry allows for documentation of the physical world with unprecedented accuracy, it has simultaneously created a "data silo" problem. The management, integration, and dissemination of this information remain largely fragmented, often trapped in proprietary software or accessible only to specialized technicians. This challenge is particularly acute in three critical domains: cultural heritage, where the focus is on public engagement and accessibility; the natural environment, where climate change necessitates long-term monitoring and multi-disciplinary data sharing; and civil infrastructure, where recent structural failures have highlighted the urgent need for optimised, interoperable asset management systems. To address these challenges, this research proposes the development of a modular, web-based, open-source framework designed to act as a "common ground" for multidimensional geospatial data. The core of the project is the creation of a unified environment that integrates heterogeneous data sources, including massive point clouds, BIM/IFC models, GIS layers, and oriented drone imagery, into a single, accessible web interface. By leveraging standards and open-source engines such as CesiumJS and Potree, the framework enables users with varying levels of technical expertise to interact with, annotate, and analyse spatial data without the requirements of high-end hardware or expensive software licenses. The framework design’s efficacy was validated through multidisciplinary case studies across the three target domains. In the context of cultural heritage, it provided a platform for immersive storytelling and high-resolution documentation of the Farnese Castle in Piacenza, making it accessible to the larger public. In the natural environment, the framework supported the monitoring of dynamic alpine environments, such as glaciers and landslides, by facilitating the dissemination of 4D time-series data of the Belveder Glacier monitoring project. For civil infrastructure, it was applied to customisation of the P.O.N.T.I. platform for the management of 2D/3D inspection geodata in the context of the documentation of bridges in the Province of Piacenza in Italy. These applications demonstrate the framework’s versatility in handling diverse scales, from specific structural elements to entire landscape-level datasets. The primary potential of this work lies in its scalability and its role as a precursor to full-scale Digital Twins, with an architecture designed to eventually incorporate IoT sensor data and VR/AR interfaces. In addition, the research also acknowledges the technical trade-offs inherent in web-based streaming, specifically the balance between performance and centimetric precision for massive datasets. Furthermore, while the open-source nature of the framework promotes transparency and collaboration, its broader adoption requires a cultural shift within public administrations and private firms to move away from proprietary ecosystems. Ultimately, this thesis provides a roadmap for more democratic and integrated geospatial data management across the built and natural environment.

Nell'attuale era di trasformazione digitale, i campi della Geomatica e delle Scienze dell'Informazione Geospaziale stanno affrontando un significativo cambio di paradigma. Sebbene la crescente disponibilità di dati 3D ad alta risoluzione, derivanti da tecnologie che vanno dal Laser Scanner Terrestre alla fotogrammetria con droni, consenta di documentare il mondo fisico con una precisione senza precedenti, essa ha contemporaneamente creato un problema di "silos di dati". La gestione, l'integrazione e la diffusione di queste informazioni rimangono in gran parte frammentate, spesso intrappolate in software proprietari o accessibili solo a tecnici specializzati. Questa sfida è particolarmente acuta in tre domini critici: il patrimonio culturale, dove l'attenzione è rivolta al coinvolgimento del pubblico e all'accessibilità; l'ambiente naturale, dove i cambiamenti climatici rendono necessari il monitoraggio a lungo termine e la condivisione multidisciplinare dei dati; e le infrastrutture civili, dove i recenti cedimenti strutturali hanno evidenziato l'urgente necessità di sistemi di gestione patrimoniale ottimizzati e interoperabili. Per affrontare queste sfide, questa ricerca propone lo sviluppo di un framework open-source, modulare e basato su web, progettato per fungere da "terreno comune" per i dati geospaziali multidimensionali. Il nucleo del progetto è la creazione di un ambiente unificato che integra fonti di dati eterogenee, tra cui nuvole di punti massive, modelli BIM/IFC, layer GIS e immagini orientate da drone, in un'unica interfaccia web accessibile. Sfruttando standard e motori open-source come CesiumJS e Potree, il framework consente a utenti con diversi livelli di competenza tecnica di interagire con i dati spaziali, annotarli e analizzarli senza la necessità di hardware di fascia alta o costose licenze software. L'efficacia della progettazione del framework è stata validata attraverso casi studio multidisciplinari nei tre domini di riferimento. Nel contesto del patrimonio culturale, ha fornito una piattaforma per lo storytelling immersivo e la documentazione ad alta risoluzione di Castello Farnese a Piacenza, rendendolo accessibile al grande pubblico. Nell'ambiente naturale, il framework ha supportato il monitoraggio di ambienti alpini dinamici, come ghiacciai e frane, facilitando la diffusione di serie temporali di dati 4D del progetto di monitoraggio del Ghiacciaio del Belvedere. Per le infrastrutture civili, è stato applicato alla personalizzazione della piattaforma P.O.N.T.I. per la gestione dei geodati di ispezione 2D/3D nel contesto della documentazione dei ponti nella Provincia di Piacenza in Italia. Queste applicazioni dimostrano la versatilità del framework nel gestire scale diverse, da specifici elementi strutturali a interi set di dati a livello paesaggistico. Il potenziale principale di questo lavoro risiede nella sua scalabilità e nel suo ruolo di precursore dei Digital Twin su larga scala, con un'architettura progettata per incorporare in futuro i dati dei sensori IoT e le interfacce VR/AR. Inoltre, la ricerca riconosce anche i compromessi tecnici inerenti allo streaming basato su web, in particolare l'equilibrio tra prestazioni e precisione centimetrica per i set di dati massivi. Inoltre, sebbene la natura open-source del framework promuova la trasparenza e la collaborazione, la sua più ampia adozione richiede un cambiamento culturale all'interno delle pubbliche amministrazioni e delle aziende private per allontanarsi dagli ecosistemi proprietari. In definitiva, questa tesi fornisce una tabella di marcia per una gestione più democratica e integrata dei dati geospaziali in tutto l'ambiente costruito e naturale.