Elaborazione del modello 3D

Acquisizione ed elaborazione delle immagini per un modello digitale tridimensionale delle Mura Veneziane di Bergamo

01Le caratteristiche del sito e l’estensione del perimetro delle mura, che supera i 5 km, hanno determinato la scelta di eseguire a un rilievo aerofotogrammetrico mediante ‘droni’, o più precisamente Aeromobili a Pilotaggio Remoto (APR). Grazie all’uso di software sempre più evoluti, infatti, le fotografie acquisite nel corso dei voli possono essere elaborate fino a ottenere modelli tridimensionali con textures, ovvero con la proiezione sulle superfici ottenute dalle immagini fotografiche, aumentando il dettaglio e la rappresentatività del modello.
Unire la precisione metrica ottenibile con rilievi diretti, possibilmente georeferenziati, con la rapidità di esecuzione e la ricchezza di dettaglio ottenibile con la fotografia è un obiettivo perseguibile con gli strumenti attualmente disponibili, peraltro in continua evoluzione: basti pensare che la realizzazione di una rete topografica di supporto ha richiesto poche giornate di lavoro grazie all’uso di stazioni GPS doppia frequenza, in modalità RTK (Real Time Kinetic), collegate alla rete di supporto regionale di Piemonte e Lombardia (SPINGNSS), usando la correzione differenziale VRS-Nearest-DGPS. Sono stati così rilevati 75 punti topografici, con un errore quadratico medio (SQM) inferiore ai 3 cm planimetrici e a 4 cm altimetrici, fissati al suolo con chiodi topografici e scelti sulla sommità e al piede delle mura in modo da coprire con almeno 5 punti, con le opportune sovrapposizioni, ognuna delle diverse porzioni del circuito che si prevedeva di rilevare con una singola sessione di volo.

02 Per le acquisizioni aeree la facilità d’uso e di pilotaggio hanno fatto optare per un drone quadricottero compatto (DJI Phantom IV), dotato di fotocamera per le riprese incorporata e montata su gimbal con campo di azione tra –90° e+30°, che permette riprese zenitali e inclinate sull’orizzontale ed è adatto a rilevare le superfici quasi verticali delle mura.
Sebbene fosse previsto che le operazioni di rilievo seguissero in ordine cronologico le fasi di pulizia delle mura dalla vegetazione, la presenza diffusa di vegetazione residua ma anche di vegetazione ad alto fusto addossata al manufatto ha richiesto una particolare perizia nell’aggirare questi ostacoli, cercando allo stesso tempo di eseguire riprese utili sulla maggior parte possibile del paramento murario.  

03 La fotocamera del Phantom IV ha un sensore CMOS 1/2,3” e 12 MPixel, con lente di apertura 94° (equivalente a una focale da 20 mm nel formato 35 mm). Per una precisione al suolo di 1cm/pixel, la massima distanza di acquisizione risulta essere di 22,85 m: con questa risoluzione è possibile ottenere una rappresentazione sufficientemente dettagliata per una scala 1:200, scendendo a 1:100 o 1:50 in casi particolari. Ciò ha permesso di ottenere una mappatura generale del complesso più facilmente gestibile, consentendo allo stesso tempo di individuare con accuratezza le porzioni del manufatto che richiedono un’analisi più dettagliata, per particolari condizioni di degrado o eventuali dissesti in atto.
La costruzione dei modelli è avvenuta settore per settore, utilizzando il software 3D Zephir Aerial©, grazie al quale è possibile realizzare il flusso di lavoro che dalle immagini originali conduce al modello tridimensionale con texture della superficie delle mura.
Il modello tridimensionale complessivo è il prodotto della composizione di tratti singoli di minore estensione. Ciò si è rivelato necessario alla luce dei tempi e delle risorse hardware richieste in fase di elaborazione: in tal modo, ciascun singolo tratto è risultato gestibile dal punto di vista computazionale, sebbene per ottenere il livello di dettaglio definito sia comunque necessario effettuare una notevole quantità di elaborazioni. I singoli tratti hanno uno sviluppo in lunghezza generalmente inferiore ai 250 m e vengono definiti dalla posizione di almeno cinque vertici topografici a coordinate spaziali note disposti al loro interno: questa caratteristica fornisce un’adeguata ridondanza utile per il corretto posizionamento spaziale del modello.
I dati EXIF delle immagini costituiscono il punto di partenza per un orientamento preliminare delle camere (structure from motion) che si basa sul riconoscimento automatico di caratteristiche significative presenti in ciascuna immagine, ottenendo così una ‘nuvola sparsa’ (sparse cloud) di punti. Nonostante la scelta di impostazioni che privilegiassero la qualità e la precisione a discapito del tempo di elaborazione, l’errore medio che caratterizza i punti di controllo del modello in questa fase raggiunge qualche decina di cm.
Tuttavia, tale procedura si rivela utile nella fase successiva: infatti, la definizione di una nuvola di punti sparsa velocizza l’individuazione manuale dei target (punti di controllo) nelle singole immagini. Dopo aver assegnato le coordinate spaziali dei vertici topografici, si allinea il modello con i vincoli 3D individuando i punti affidabili, ovvero esenti da errori accidentali. La procedura restituisce una nuova nuvola di punti sparsa caratterizzata da errori molto più contenuti, nell’ordine di alcuni millimetri. Tipicamente, la procedura continua con l’elaborazione e il raffinamento manuale della ‘nuvola densa’(dense cloud), con la creazione delle superfici a rete di triangoli (mesh) e con la proiezione sulle superfici dei fotogrammi più efficaci per ricostruire l’immagine dell’oggetto rilevato (textured mesh). Infine, le textured mesh sono esportate con un formato di scambio per essere importate nel modello complessivo dell’intero circuito della Mura.
Dai modelli relativi ai singoli tratti è possibile anche estrarre le proiezioni ortografiche su piani verticali, paralleli all’andamento planimetrico prevalente del tratto di mura, nella scala prefissata. Le ‘ortofoto’ così prodotte, insieme agli estratti prospettici del modello realizzato, servono come base per la mappatura dello stato di conservazione della cerchia delle ‘Mura Veneziane’, corredate da una schedatura dei casi di degrado riscontrati e dalla casistica degli interventi di manutenzione previsti.