Rilievo 3D avanzato del Duomo di Napoli con tecniche di geomatica non ortodossa e sensori visuali di nuova generazione. Leggi l’articolo completo disponibile in italiano e in inglese.
Una nuova generazione di sensori visuali: gli ultimi progressi della Geomatica Non Ortodossa (G.N.O).
Il caso di studio del Duomo di Napoli
di Nicola Santoro
Il 26 Aprile 2022 pubblicai un articolo dal titolo: “Metodi avanzati di indagine chimica su ponti e viadotti: analisi del degrado del ponte sul Basento a Potenza”. L’analisi iperspettrale tridimensionale fu compiuta con tecnologia commerciale che presentava importanti limiti nelle applicazioni geomatiche: l’esperienza di tre anni fa è stata la base per sviluppare in proprio una nuova generazione di macchine, in grado di raggiungere livelli di iperdefinizione attraverso una reinterpretazione e potenziamento dei sensori e delle tecniche di cattura della luce ad ampio spettro elettromagnetico, supportate da codici neurali addestrati in locale per il controllo sul singolo pixel, necessario per restituire misure coerenti.
Recentemente, durante alcuni confronti con colleghi sul tema del rilievo topografico, su quello della geodesia e della geomatica in generale, sono emerse alcune tematiche tecniche che affronteremo nella premessa di questo contributo editoriale. La geomatica non ortodossa diventa patrimonio della geomatica classica nel momento che quest’ultima recepisce facendoli propri le dirompenti innovazioni nel campo del rilievo? Questo, ad esempio, anche alla luce della cosiddetta “GeoAi”, che si riferisce all’uso della intelligenza artificiale nell’analisi del dato geospaziale?.
A mio avviso parliamo di due discipline che non sono metodologicamente sovrapponibili, anche se condividono la struttura matematica e molte tecniche di base. Nel prosieguo illustrero’ alcuni concetti della GNO ( abbreviazione di Geomatica Non Ortodossa) che differenziano questa disciplina scientifica dalla scienza della misura geospaziale tradizionale:
1. Visual Remote Sensing: ovvero misura iper-accurata attraverso le immagini ottenute ad elevatissima distanza, fino ai limiti della possibilità dell’osservazione terrestre, che a determinate condizioni al contorno, nel momento in cui scrivo questo contributo, puo’ raggiungere i 100 chilometri, superando sfide enormi attraversando un mezzo denso e spesso caotico come l’aria. La tecnica fotogrammetrica terrestre a lunghissima distanza è stata prima sperimentata in Italia per un decennio e poi proposta e applicata con successo nel settore del monitoraggio geotecnico a partire dal 2023 nelle cave di marmo di Carrara e nell’osservazione tecnica e scientifica degli ammassi rocciosi sui monti della catena del Partenio, in Irpinia.
2. Monitoraggio 4D: scansione della superficie terrestre nello spazio e nel tempo. In tanti propongono la fotogrammetria 4D, anche in riferimento alla rinascita in chiave AI delle tecniche di render gaussiane e nerfiane. La GNO ha sviluppato una tecnica inedita di registrazione degli istanti successivi che garantisce livelli di accuratezza della registrazione fino alla scala del millesimo di millimetro. Questa tecnica ci permette finalmente di descrivere i punti nello spazio e nel tempo ad un livello di dettaglio ed accuratezza in grado di affrontare il problema dei cinematismi geotecnici e geomeccanici attraverso un approccio fotogrammetrico di nuova generazione.
3. Produzione di misura accurata utilizzando la luce multispettrale ibrida: le recentissime esperienze e le nuove applicazioni nello studio della luce e della ricostruzione spaziale dell’ambiente inteso come spazio sia naturale che antropizzato hanno permesso di superare limiti nella definizione e permeabilità dei materiali densi ritenuti finora difficili o impossibili da realizzare.
I punti 1,2 e 3 sopra descritti trovano piena applicazione nella Geomatica Non Ortodossa, dove cio’ che si approssima in topografia e nella geomatica classica diventa un elemento imprescindibile: la contemporaneità dell’osservazione e della misura da piu’ punti di vista, ovvero rilievo massivo istantaneo.
La contemporaneità della misura nella tecnica fotogrammetrica di ultima generazione
Un rilievo spazio temporale di valore scientifico e ingegneristico non puo’ essere privo della contemporaneità (differenza nell’intervallo compreso tra i microsecondi e zero tra un punto di vista ed un altro a seconda dello schema di lavoro e macchine utilizzate) della misura spaziale acquisita, soprattutto quando ci si spinge a descrivere dettagli alla scala del millesimo di millimetro di una struttura, sia essa un ammasso roccioso, un viadotto, una galleria, un macchinario industriale, partendo da vaste porzioni di territorio osservato e scansionato. La misura dello spazio e delle sue caratteristiche chimiche e fisiche (cosiddetti fenomeni) non puo’ quindi prescindere dalla convergenza all’istantaneità per poter eseguire una robusta correlazione dei processi monitorati. Facciamo un esempio. Il rilievo classico avviene sempre in periodi temporali ravvicinati ma differenti, considerati in prima approssimazione come lo stesso istante. Se scansioniamo un ponte, se battiamo alcuni suoi punti caratteristici, lo facciamo ordinariamente in un tempo differito. Tempo differito, tradotto in parole semplici, vuol dire misure che variano nel tempo, a volte in maniera drammaticamente significativo. Tuttavia si accetta (ed in effetti si dà atto che sia cosi’) di considerare questo prodotto come “rilievo all’istante t”, anche perché spesso le variazioni strutturali del contesto sono inferiori all’accuratezza del rilievo e non vi sarebbe modo di apprezzarle. Un ponte, ad esempio quelli in acciaio (ma non solo), una ferrovia ed il suo armamento, un corpo di frana, nell’arco temporale di una sessione di scansione piu’ o meno esaustiva, subirà rototraslazioni causate dalla dilatazione termica e/o da molteplici altre cause, anche di diversi centimetri o decimetri. La nuvola densa sarà dunque una registrazione grossolana anche se appare coerente in prima approssimazione, forse utile per una modellazione orientata al BIM, ma in nessun caso spendibile per analisi strutturali di monitoraggio.
La contemporaneità della misura nello sviluppo di un 4D con l’uso di strumentazione tradizionale sarebbe teoricamente possibile ma di ardua realizzazione per problemi di complessità, di costi e di limiti di descrizione dei dettagli, soprattutto ad elevatissime distanze di osservazione.
Ciò che in topografia e geomatica classica viene considerata una necessaria e ben accettata approssimazione, che rende possibile l’esecuzione pratica di un rilievo a livelli di accuratezza e definizione adeguata, diventa una criticità inaccettabile nella geomatica non ortodossa: la caratterizzazione spaziale e temporale dei fenomeni fisici e chimici è il pilastro fondante di questa disciplina nata in Italia nelle primavera del 2022, dopo 20 anni di gestazione e sperimentazione sul campo condotta sia nel nostro Paese che in diversi contesti affrontati in giro per il mondo.
La fotogrammetria di frontiera come strumento di innovazione
Automatismo, velocità di esecuzione in tutto lo spettro elettromagnetico. L’oggetto puo’ essere gestito da pochi centimetri a distanze chilometriche in osservazione diretta, ottenendo scansioni tridimensionali di valore ingegneristico. Parleremo approfonditamente dei metodi di scansione chilometrica 3D e 4D in un altro articolo, data l’importanza del tema per le implicazioni applicative in numerosi settori ingegneristici di monitoraggio.
L’iper-accuratezza della misura e la descrizione geospaziale iperdefinita
Gli ingredienti della GNO per ottenere misure ipeaccurate alla scala micrometrica, coperti attualmente da brevetto, sono i seguenti:
a) Metodi innovativi ed inediti nel tracciamento dei punti a terra. Qui occorre precisare. Un punto, in geomatica non ortodossa è sempre un volume di dimensione significativa. Il punto è solo una pratica astrazione che diventa di fatto un elemento di amplificazione dell’errore che non consente di scendere sotto la barriera centimetrica su vasta scala.
b) Sistema automatico di produzione e certificazione alla scala micrometrica del contesto, esteso a superfici volumetriche massive.
c) Sensori fotografici e macchine di cattura del dato di nuova concezione.
Intelligenza artificiale per il 4D predittivo. La misura spazio temporale rimane fondamentalmente un fatto statistico. Sappiamo che non esiste una misura esatta ma solo una sua rappresentazione sufficientemente contenuta nella gaussiana. Ma in cosa consiste la misura predittiva? È la misura del cinematismo spazio temporale dei fenomeni che fa affidamento meno alla statistica e pone in maggior rilievo ai dati misurati.
Come misurare il cinematismo prima che accada? L’approccio utilizzato anche in questo caso è diverso da quello classico. La geomatica è la scienza della verità attraverso la misura ed in quanto tale, occorre migliorare sensibilmente la probabilità dell’accadimento di un evento partendo da metodi e strategie nuove rispetto al passato se desideriamo un maggiore coinvolgimento della misura reale. Chiamiamo questo nuovo approccio il metodo 4D del moto incipiente sul quale sono in corso numerosi studi di validazione in Irpinia. L’AI in geomatica si utilizza da almeno 10 anni. Personalmente ho ottenuto i risultati piu’ significativi utilizzandola principalmente per migliorare la resa del processamento fotogrammetrico, anche se ormai da 5 anni i dirompenti sviluppi informatici hanno completamente rivoluzionato e ampliato l’uso dell’AI nella GNO secondo strategie differenti rispetto alla classica geoAI.
Il caso di studio del Duomo di Napoli
Introduciamo a questo punto il nostro lavoro di ricerca eseguito a partire dal mese di Febbraio 2025 nel Duomo di Napoli. Concepito inizialmente come progetto di rilievo tridimensionale donato alla città di Napoli, dopo il primo giorno in cantiere le restituzioni preliminari hanno mostrato subito interessanti novità grazie all’uso di strumenti e tecniche descritte all’inizio di questo articolo.
Mentre il Team principale guidato dall’Ingegnere Orlando Pandolfi si è occupato del rilievo ibrido laser fotogrammetrico (di prossimità e aereo) un ristretto gruppo di ingegneri ha utilizzato una versione ottimizzata di Observer catturando set di dati fotogrammetrici con un GSD alla scala del centesimo di millimetro, focalizzato sul soffitto ligneo, da una distanza media di 30 metri. L’algoritmo di ricostruzione tridimensionale, che io ho chiamato Point Mesh Studio nel lontano 2017, ha restituito risultati inattesi, soprattutto nella permeabilità dei marmi a profondità fino a 15 centimetri, nelle tele e negli strati pittorici: un caso di applicazione inedita della tomografia fotogrammetrica, utilizzata nella scansione degli strati profondi delle cave di marmo a Carrara. Troverete un contributo sul tema sempre su Geosmartmagazine. Nel seguito presento alcune tavole significative delle restituzioni ottenute in 6 mesi di post elaborazione, seguite alla campagna di rilievo di febbraio 2025.
Read the article in english:
State-of-the-art visual sensors: latest advancements in Unorthodox Geomatics (U.G.)
The case-study of Naples Cathedral
by Nicola Santoro
On April 26th, 2022 I published an article called: “Advanced chemical analysis methods in bridges and viaducts: analysis of the deterioration of the bridge over the Basento river, in Potenza”. Such three-dimensional hyperspectral analysis relied on commercial technology that could be applied to geomatics only to a limited extent: my experience three years ago laid the foundations for developing my own state-of-the-art machines, capable of achieving hyper-definition levels, after rethinking and upgrading broad electromagnetic spectrum sensors and light capture techniques, supported by locally-trained neural codes for control of every single pixel, as needed to deliver consistent measurements.
Discussions with my colleagues on topographic surveys, geodetics and general geomatics brought into focus a few technical issues that we will address in the foreword to this article. Does unorthodox geomatics merge into classic geomatics as soon as the latter implements and embodies disruptive surveying breakthroughs? Does this also apply from the perspective of the so-called “Geo-AI”, which is about using Artificial Intelligence in the analysis of geospatial data?
I believe we are talking of two disciplines that do not methodologically overlap, even if the mathematical structure and many underlying techniques are the same. Hereinafter I will describe a few concepts of UG (which stands for Unorthodox Geomatics) which differentiate such scientific discipline from the science of traditional geospatial measurement:
1. Visual Remote Sensing: it involves hyper-accurate measurements through very-long range imaging up to the limits of earth observation, which, on some boundary conditions at the time of writing this article, can reach up to 100 km, overcoming huge challenges by crossing a dense, often chaotic medium such as air. Very long-range terrestrial photogrammetry was first tested in Italy for about a decade, then it was proposed and successfully applied in geotechnical monitoring in the marble quarries of Carrara in 2023 and in the technical and scientific observation of rocky masses on the mountains of the Partenio range, in the Irpinia region of Campania.
2. 4D Monitoring: scans of the earth’s surface in space and time. Many people advocate using 4D photogrammetry, not least because of the AI-led revival of Gaussian and NeRF rendering techniques. UG has developed an unprecedented technique for recording chronological sequences, where the level of accuracy of the records is on a scale of a thousandth of a millimeter. At last, such technique can describe points in space and time at a level of detail and accuracy that overcome the problem of geotechnical and geomechanics kinematics by taking a groundbreaking photogrammetric approach.
Accurate measurements through hybrid multispectral lighting: the most recent experiences and the new applications in the study of light and spatial rendering of environments as both natural and anthropic spaces has helped overcome many limitations in the definition and permeability of dense materials that had been so far regarded as difficult or impossible to produce.
The above points 1,2 and 3 find their perfect place in Unorthodox Geomatics, where what is approximated in topography and classic geomatics becomes a key point: concomitant observation and measurements from multiple viewpoints, i.e. instant massive survey.
Concomitant measurements in state-of-the-art photogrammetry
There can be no spatiotemporal survey of any scientific or engineering value without concomitance (a difference in the interval between microseconds and zero from one viewpoint to the next, depending on the working pattern and machines used) of the acquired spatial measurements, especially if we go so far as to describe details of a structure on a scale of a thousandth of a millimeter, whether it is a rocky mass, a viaduct, a tunnel, an industrial machine, starting with large portions of the observed and scanned territory. The measurements of space and of its chemical and physical properties (the so-called phenomena) cannot therefore do without a convergence on instantaneity to make robust correlations between the monitored processes. Let’s make an example. Classic surveys always happen in close but different time spans, approximately taken to be one and the same instant. It we scan a bridge, if we measure its most characteristic points, we usually do it in time-deferred mode. Time deferred, to put it simply, means measurements that change over time, sometimes quite remarkably. Nevertheless, we agree (as we admittedly do) to regard such product as “recorded at time t”, partly because the structural changes in the context are often lesser than the accuracy of the measurement and there would be no way to appreciate them. A bridge, for instance a steel bridge (and bridges in other materials as well), a railway and its infrastructure, the body of a landslide, within the timespan of a more or less exhaustive scanning session, will undergo roto-translations as a result of thermal expansion and/or many other causes, even by several centimeters or decimeters. So, the dense cloud will be a rough record, even if it may look somewhat consistent, which may be useful for BIM-oriented modelling but completely valueless for structural monitoring analyses.
Concomitant measurements in the development of a 4D using traditional instruments would be theoretically feasible but difficult to achieve due to the complexity, cost and limits in the description of the details, especially from extremely distant lookouts.
What in topography and classic geomatics is regarded as a necessary and welcome approximation, so that surveys can be actually carried out at adequate levels of accuracy and definition, becomes an unacceptable criticality in Unorthodox Geomatics: the space-time characterization of physical and chemical phenomena is the pillar of such discipline, born in Italy in the spring of 2022, after 20 years’ development and in situ experimentation in our country as well as in different contexts around the world.
Pioneering photogrammetry as an innovation tool
Automatism, speedy execution all over the electromagnetic spectrum. Objects can be handled from a few centimeters to kilometers away in a direct observation, building three-dimensional scans of engineering value. We will linger on 3D and 4D kilometric scanning methods in a different article, given the importance of such topic for its applicative implications in many engineering monitoring areas.
Hyper-accurate measurements and hyper-defined geospatial descriptions
The currently-patented ingredients of UG to take hyper-accurate measurements on a micrometric scale are:
a) Innovative, unprecedented methods for tracing points on the ground. I wish to clarify though, that in Unorthodox Geomatics a point is always a remarkably-sized volume. A point is just a practical abstraction that actually turns into an error amplifier, preventing us overcoming the centimetric barrier on a broad scale.
b) An automatic system for the production and certification of contexts on a micrometric scale, extended to massive volumetric surfaces.
c) A new concept of image sensors and data capture machines.
Artificial Intelligence for predictive 4D. Spatiotemporal measurement remains an essentially statistical fact. We know that there is no exact measurement but just its representation, adequately contained in a Gaussian. But what does predictive measurement consist in? It is the measurement of the spatiotemporal kinematics of phenomena, relying less on statistics and placing more emphasis on the measured data.
How to measure kinematics before it happens? Once again, this approach differs from the classic one. Geomatics is the science of truth through measurement and, as such, the likelihood of an event happening needs to be remarkably improved through new methods and strategies if we want real measurements to be more involved. We call this new approach the 4D method of incipient motion, which is presently being validated by many studies in the Irpinia region of Campania. In geomatics, AI has been used for more than 10 years. I have personally obtained the most valuable results when I mainly used it to improve the output of photogrammetric processing, even if in the last 5 years disruptive computing advancements have completely revolutionized and expanded the use of AI in UG, based on strategies that differ from classic Geo-AI.
The case-study of Naples Cathedral
At this point, let’s introduce our research work, started in Naples Cathedral in February 2025. First conceived of as a three-dimensional survey project donated to the city of Naples, after the first day on the site the preliminary survey instantly unearthed a few interesting findings, using the instruments and techniques described above.
While the main team, headed by Dr. Orlando Pandolfi, took care of the hybrid photogrammetric laser survey (ground and aerial), a small group of engineers used an optimized version of the Observer to capture photogrammetric datasets with a GSD on a scale of a hundredth of a millimeter, focused on the wooden ceiling, from an average distance of 30 meters. The three-dimensional reconstruction algorithm, which I named Point Mesh Studio in the distant 2017, delivered unexpected results, especially about the permeability of marble up to a depth of 15 centimeters, in the canvases and layers of paint: a case of an unprecedented application of photogrammetric tomography that had been used to scan the deeper layers of the marble quarries in Carrara. To read another article about this topic, also in GeosmartMagazine.
Hereinafter, I am going to show a few remarkable plates of the renderings I produced in 6 months of post-processing, after February 2025’s survey campaign.
