Laser Scanner and UAV for the 2D and 3D Reconstructions of Cultural Heritage

The paper presents a research experience in which acquisitions with laser scanners and UAVs are aimed at the integrated survey, documentation and reconstruction of 3D models of the Cultural Heritage. Currently, digital technologies allow the creation of 3D virtual models of the Cultural Heritage (CH) through appropriate phases of 3D data acquisition, 3D data processing and 3D modeling. Sometimes the reconstruction of 3D models is made difficult because the heritage is partially destroyed, or damaged, or not completely accessible. In this context, 2D and 3D reconstructions of the CH assume a high value for the documentation, knowledge and valorization of the heritage, but also to promote all those processes of reuse and restoration of the CH. The Ex Mercato di Torre Spaccata was designed by the Passarelli studio in 1960 within the INA Casa di Torre Spaccata Plan. It has undergone modifications that have altered its original spatial, perceptive and fruition characteristics. These aspects, namely: i) the specific request of the client to have a current and complete survey; ii) the purposes of the survey aimed at the recovery of the Cultural Asset within a public competition; iii) the historical-urban context in which it was born; iiii) the state of compromise and improper use, conditioned the choices and methodologies of acquisition and reconstruction of the Cultural Asset. The objectives of the research concern the definition of an investigation methodology capable of integrating heterogeneous data (historical-documentary, two-dimensional graphics, 3D models), being constrained by conditions of inaccessibility and compromise of the Cultural Asset. In fact, to make the virtual reconstruction operation scientifically correct it is necessary to integrate and cross-reference the greatest possible number of data, especially where the data is partial. The methodology undertaken concerns: 1) the historical-documentary research for the discovery of the original design documents which was essential for the understanding of the original overall project and to ascertain the internal composition. The project drawings and period photos allow us to understand the design concept, the spatial qualities, the volumetric characteristics and the perceptive aspects. 2) Data acquisition with a FARO Focus3D X 330 laser scanner allowed us to acquire the exteriors through 43 scans and, partially, the interiors. 3) Data acquisition with a DJI Spark Custom 300 g UAV drone allowed us to acquire the coverage formed by the repetition of inverted pyramid modules, through 223 photographic images, taken at an altitude of less than 25 meters and markers on the ground. 4) Data processing to obtain the complete point cloud with data from laser scanners and UAVs. 5) The processing of the numerical model of points, integrated with the data obtained from the instrumental method and the aerophotogrammetric method, was preparatory for the subsequent phase of 1:50 graphic restitution and construction of the three-dimensional mathematical model. The comparison between the orthophotoplans obtained from the point cloud, the current graphic restitution and the survey drawings of the 80s allows to understand the current architectural configuration, the transformations that have occurred and the relationship between the actual state of the architecture and its original state. Furthermore, the orthophotoplans clarify the dimensional relationships between the architectural parts and the urban context. The research is strictly placed in the architectural field of the CH, based on the integrated survey aimed at the documentation, knowledge and rediscovery of the original project of the Ex Mercato di Torre Spaccata.

Il contributo espone un'esperienza di ricerca in cui le acquisizioni con laser scanner e UAV sono finalizzate al rilievo integrato, alla documentazione e alla ricostruzione di modelli 3D del Bene Culturale. Attualmente le tecnologie digitali consentono di realizzare modelli virtuali 3D del Cultural Heritage (CH) tramite opportune fasi di 3D data acquisition, 3D data processing e 3D modeling. A volte la ricostruzione di modelli 3D è resa difficoltosa poiché il patrimonio è parzialmente distrutto, oppure danneggiato, oppure non completamente accessibile. In questo contesto, le ricostruzioni 2D e 3D del CH assumono un elevato valore per la documentazione, la conoscenza e la valorizzazione del patrimonio, ma anche per favorire tutti quei processi di riuso e di ripristino del CH. L'Ex Mercato di Torre Spaccata è stato progettato dallo studio Passarelli nel 1960 all'interno del Piano INA Casa di Torre Spaccata. Ha subito modifiche che ne hanno alterato le originarie caratteristiche spaziali, percettive e di fruizione. Questi aspetti, ossia: i) la specifica richiesta della committenza di avere un rilievo attuale e completo; ii) le finalità del rilievo rivolto al recupero del Bene Culturale all’interno di un concorso pubblico; iii) il contesto storico-urbano in cui esso è nato; iiii) lo stato di fatto di compromissione e di uso improprio, condizionarono le scelte e le metodologie di acquisizione e di ricostruzione del Bene Culturale. Gli obiettivi della ricerca riguardano la definizione di una metodologia di indagine in grado di integrare dati eterogenei (storico-documentali, grafici bidimensionali, modelli 3D), essendo vincolati da condizioni di inaccessibilità e di compromissione del Bene Culturale. Infatti, per rendere l’operazione di ricostruzione virtuale scientificamente corretta è necessario integrare e incrociare il maggior numero di dati possibili, soprattutto laddove i dati sono parziali. La metodologia intrapresa riguarda: 1) la ricerca storico-documentaria per il rinvenimento degli elaborati progettuali originali che è stata indispensabile per la comprensione del progetto complessivo originario e per appurare la composizione interna. I disegni di progetto e le foto d’epoca consentono di comprendere il concept progettuale, le qualità spaziali, le caratteristiche volumetriche e gli aspetti percettivi. 2) L'acquisizione dati con laser scanner FARO Focus3D X 330 ha consentito di acquisire gli esterni tramite 43 scansioni e, parzialmente, gli ambienti interni. 3) L'acquisizione dati con UAV drone DJI Spark Custom 300 g ha permesso di acquisire la copertura formata dalla ripetizione di moduli a piramide rovesciata, tramite 223 immagini fotografiche, ripresa a quota inferiore di 25 metri e markers a terra. 4) L'elaborazione dati per ottenere la nuvola di punti completa con dati da laser scanner e UAV. 5) L’elaborazione del modello numerico di punti, integrato con i dati ottenuti da metodo strumentale e da metodo aerofotogrammetrico, è stata propedeutica per la successiva fase di restituzione grafica 1:50 e di costruzione del modello matematico tridimensionale. Il confronto tra gli ortofotopiani ottenuti dalla nuvola di punti, la restituzione grafica attuale e i disegni di rilievo degli anni ‘80 consente di comprendere la configurazione architettonica odierna, le trasformazioni avvenute e il rapporto tra lo stato di fatto dell’architettura e il suo stato originario. Inoltre, gli ortofotopiani chiariscono i rapporti dimensionali tra le parti architettoniche e il contesto urbano. La ricerca si colloca prettamente nell’ambito architettonico del CH, basandosi sul rilievo integrato finalizzato alla documentazione, alla conoscenza e alla riscoperta del progetto originario dell’Ex Mercato di Torre Spaccata.