Lineamenti per una Informatica Archeologica ovvero vivere e convivere con lArcheologia Digitale...

Lineamenti per una Informatica Archeologica

ovvero vivere e convivere con l’Archeologia Digitale

Andrea D’AndreaCentro Interdipartimentale di Servizi di Archeologia

Università degli Studi di Napoli “L’Orientale”

ROMA 1 Dicembre 2011

Curiosità...

[email protected] - 1 Dicembre 2011


Curiosità...

M.O.H. Carver, Digging for data: archaeological approaches to data definition, acquisition and analysis, in R. Francovich , D. Manacorda (a cura di), “Lo scavo archeologico: dalla diagnosi all'edizione”. III Ciclo di Lezioni sulla Ricerca applicata in Archeologia, Firenze, 1990, pp. 45-120.


Il Progetto Archeologico


Campi di Applicazione

Il rilievo digitale

TopografiaTopografiaStazione

Totale e GPSStazione

Totale e GPS

Rilievo di dettaglioRilievo di dettaglio

Stazione Totale, tecniche

laserscanning e fotogrammetria

Stazione Totale, tecniche

laserscanning e fotogrammetria

Ricostruzione 3D

Ricostruzione 3D

Modellazione e rendering

Modellazione e rendering

Il rilievo archeologico con la scheda e la fotografia è parte di un processo conoscitivo finalizzato alla rappresentazione e descrizione di un oggetto archeologico

Il rilievo rappresenta una forma di conoscenza che presuppone la capacità di “vedere”. Questa capacità si esercita attraverso un processo di misurazione basato sulla geometria descrittiva.

Il Rilievo digitale


Il rilievo archeologico si distingue da qualsiasi altro tipo di rilievo per due motivi:

1. Presuppone la conoscenza approfondita delle caratteristiche degli oggetti da rappresentare

2. E’ un documento scientifico e come tale rappresenta la realtà attraverso l’interpretazione grafica secondo regole e criteri codificati

L’applicazione di un metodo standardizzato di rilievo rende possibile la comparazione tra le evidenze.

Il Rilievo digitale


Il rilievo archeologico non è una semplice riproduzione/illustrazione della realtà e delle forme dell’oggetto archeologico, ma un metodo per:

Introduzione

DOCUMENTARE

CONOSCERE

COMPARARE


I metodi di rilievo

a. Rilievo diretto. Gli strumenti

Dall’alto, si vedono:1.perpendiculum (filo a piombo)2.circinus (compasso)3.libella (archipendolo o livella)4.norma o regula (squadra)5.pes (piede)


I metodi di rilievo

b. Rilievo indiretto.

Con la definizione di rilievo indiretto si intende che le misurazioni vengono effettuate con strumenti ottici. Le coordinate dei punti rilevati sono ottenuti mediante calcoli trigonometrici realizzati dagli strumenti. Per queste caratteristiche parliamo di rilievo strumentale


La computer grafica 3D è un ramo della grafica computerizzata che si basa sull'elaborazione di modelli virtuali in 3D da parte di un computer. Essa viene utilizzata insieme alla animazione nella realizzazione di immagini visuali per cinema o videogiochi, ingegneria, usi o scientifici.Ogni sistema 3D deve fornire due elementi:

1. un metodo di descrizione del sistema 3D stesso ("scena"), composto di rappresentazioni matematiche rappresentazioni matematiche di oggetti tridimensionali

2. un meccanismo di produzione di un'immagineimmagine dalla scena ("renderer“)

Computer Grafica 3D


La rappresentazione matematica dell’oggetto 3D può essere ottenuta in molteplici modi:

Sistemi Sistemi image-basedimage-based• Fotogrammetria• Coppie stereoscopiche• Fotomodellazione

Sistemi di acquisizione numericiSistemi di acquisizione numerici• Stazione totale• GPS• LaserscannerLaserscanner

Computer Grafica 3D


Il Laser Scanner

Il laser scanner 3D è uno strumento che fornisce le coordinate spaziali (x, y, z) di una nuvola di punti appartenenti all'oggetto rilevato.

Sono dispositivi che emettono e ricevono un impulso elettromagnetico (il laser).

Il raggio laser viene deflesso mediante un meccanismo di specchi rotanti ed oscillanti che con il variare dell'angolo azimutale e zenitale, illumina il terreno in punti contigui.


AXUM – Mausoleo - 2009

AXUMParco archeologico degli obelischi

MAUSOLEO


Il modello 3D


Foto-ortopiano texturizzato


Piante e Sezioni


YEHA - Il Grande Tempio


Wadi Gawasis dal 2008


Wadi Gawasis


Il rilievo archeologico digitaleImage-based modeling

L’ultima frontiera in campo di tecniche di rilievo indiretto è caratterizzata dall’uso di immagini contigue non calibrate. Diversamente dalla fotogrammetria (stereoscopica o monoscopica) queste tecniche di computer graphics consentono di restituire nuvole di punti da un set di immagini acquisite con normali camere fotografiche

Gli algoritmi shape/structure from motion si basano sul calcolo delle ombre degli oggetti da riprese in movimento, generalmente con brevi movimenti rotatori intorno all’oggetto. Il software genera una nuvola di punta priva di riferimenti spaziali. Con l’ausilio della stazione totale è possibile ri-scalare la nuvola e ottenere un modello geometrico


Il rilievo archeologico digitaleImage-based modeling


Il rilievo archeologico digitaleImage-based modeling. Possibile esplosione 3D

della stratigrafia


Il rilievo archeologico digitaleComparazione tra rilievi eseguiti con laserscanner e image based-modeling


Il rilievo archeologico digitale


Il modello 3D navigabile

C:\Program Files (x86)\Right Hemisphere\Deep View 6\Deep View.exe

Abu Gorab – Tempio solare


49 nuvole di punti 5 caposaldi topografici di una poligonale

chiusa122 punti topografici per l’allineamento delle

scansioni200 foto per le textures

3 Gb di dati4 gg di lavoro sul campoPost-processing in corso



Conclusioni

VANTAGGI e SVANTAGGI del rilievo digitale

Ogni tecnica fornisce uno specifico output e soprattutto è legata ad un preciso campo di applicazione.

La stazione totale può essere utilmente impiegata per il rilievo archeologico di dettaglio e risulta indispensabile per la correzione della fotogrammetria per l’allineamento delle scansioni del laserscanner e per la mosaicature delle immagini non calibrate

Il laserscanner è costoso, veloce in fase di acquisizione, ma richiede una elevata competenza nella fase di restituzione delle nuvole dei punti e nella vestizione (texture) del modello

La fotogrammetria è veloce, economica e spesso si applica per la restituzione di larghe porzione di territorio. La fase di restituzione è meno lunga di quella con laserscanner. Non è utilizzabile in ambienti con poca luce


L’impiego di tecnologie laserscanning e di fotomodellazione ha cambiato il modo di “acquisire” e “restituire” il dato grafico rendendo anche indipendente la creazione e restituzione di sezioni e piante.

Mentre il rilievo diretto e quello indiretto con la stazione totale e il GPS prevedono direttamente sul terreno l’esercizio una capacità di vedere e leggere/intepretare l’oggetto, le tecniche di laserscanner e fotogrammetria rimandano alla fase di laboratorio l’estrazione delle informazioni spaziali necessarie alla documentazione dell’oggetto.

Conclusioni



Campi di Applicazione

La registrazione dei dati

Banche dati multimedialiBanche dati multimediali

Gestione, Catalogazione

Gestione, Catalogazione

Sistemi per la gestione dello scavo

Sistemi per la gestione dello scavo

Statistica, Analisi Spaziale,

Ricostruzione Paesaggio

Statistica, Analisi Spaziale,

Ricostruzione Paesaggio

Il futuro è nell’integrazione

Nel futuro dovranno essere progettati sistemi in grado di integrare la mole di dati digitali che lo scavo e le ricerche sul campo producono: pensiamo all’archeologia preventiva e alla carte del potenziale archeologico

Come operare per l’integrazione?

Innanzitutto verifica della qualità del dato. Ma a ben vedere c’è un problema/errore nella raccolta e nella sistemazione dei dati.


L’errore è sempre in agguato


C. Orton, Fit for purpose? Archaeological data in the 21st century. Archeologia e Calcolatori, 2010, 21, pp. 249-260.

Errori nella Classificazione


Errori di Misurazione


Conseguenti Errori di

conteggio

Conseguenti Errori di

conteggio






Ad una classe di studenti è stato chiesto di misurare un campione di 35 schegge di ascia. Agli studenti non sono state fornite spiegazioni formali sulla definizione di lunghezza e larghezza






3 metodi di classificazione:

1.Descrizioni in testo libero;2.Descrizione con caselle esplicative prestabilite;3.Come 2, ma con ausilio di immagini, esempi, fotografie

Lo studio venne elaborato da 23 organizzazioni museali inglesi su sei gruppi di oggetti composti da 5 frammenti.

Conclusioni


Gli archeologi non sono consapevoli del potenziale errore nei loro dati e nelle confusioni che tali errori possono generare

Dovremmo prestazione attenzione a:

1.prevenire gli errori 1. Lista di termini, dizionari regionali e riduzione del valore

quantitativo dei calcoli;2.scoprirli in seguito

1. Adoperare non solo tabelle, ma anche i grafici per scroprire evenutali errori nei dati;

3.convivere con gli errori1. Come ridurre gli effetti degli errori? Con tecniche di

analisi statistica non parametrica che sono indipendenti dai modelli.

Conclusioni


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Molto spesso nell’attività pratica degli archeologi queste incertezze o assunti dai contorni sfumati diventano inevitabilmente delle verità, ma in numerose circostanze esse si trasformano in punti interrogativi che, mentre possono essere facilmente gestiti in un tradizionale testo cartaceo che confida nella capacità umana del lettore di comprendere i differenti significati, non possono essere adeguatamente processate in modo informatico.


La qualità del dato impreciso

La crescente proliferazione di sistemi ed applicazioni informatiche per la gestione, il trattamento e l’analisi dei dati archeologici solleva alcuni problemi. In primo luogo quello della:

– Affidabilità e Accuratezza dei dati in funzione di un futuro riuso

In molti casi, infatti, gli archeologi non possono avere controllo sul livello di codifica dei dati



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Non c’è una chiara distinzione tra dati diretti e dati derivati;

Lavorando con i dati derivati in base all’uso della aritmetica ordinaria (somme, addizioni, percentuali) si può anche cadere in erronee valutazione che hanno l’apparenza di verità

L’utente deve quindi avere degli strumenti per conoscere la qualità dei dati (diretti ed indiretti) che sta adoperando



Concetti sfumati

Sito: Estensione

Ceramica: Classificazione/Tipologia basata su rapporti dimensionali

Datazione: Intervalli cronologici

Necropoli: Genere/Sesso/Età


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• Sito: aveva una estensione di all’incirca 50 Ha

• Ceramica: l’oggetto x si distingue da y che è di dimensioni ridotte

• Datazione: si data probabilmente dal.....al……

• Necropoli: quasi certamente un maschio adulto

Concetti sfumati


Concetti sfumati

• Sito: 50 Ha ≠ 55 o 45 Ha

• Ceramica: tipo 1 da 27mm : tipo 2 fino a 26 ≠ tipo 1 fino a 27mm (coppa/coppetta)

• La datazione: 250 a.C. ≠ 260 o 240 a.C.

• Necropoli: ♂ 40 anni ≠ ♂ 30 anni ≠ ♀ 40 anni


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Concetti sfumati

Survey: Indice di visibilità: valore compreso in una scala predeterminata

Paleoantropologia: analisi osteologiche

Archeozoologia: analisi sui resti faunistici

Istogrammi: il materiale non id.


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Nel passaggio dall’incertezza narrativa alla tabella/applicazione non rimane alcuna traccia del procedimento logico/deduttivo/ipotetico che l’archeologo (giustamente) ha utilizzato per assegnare un valore ad una specifica classe.

Un nuovo approccio metodologico – basato sulla esplicita definizione della soggettività - è necessario per non falsare ipotesi ricostruttive e consentire ad altri ricercatori di valutare pienamente e correttamente la modalità di costruzione/elaborazione dei grafici/tabelle/DB/ GIS etc…


Concetti sfumati

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Ma come può essere gestita a livello di elaborazione informatica questa incertezza senza dover necessariamente perdere il punto di vista problematico e incerto del ricercatore?

In altri termini, come può trasformarsi una visione riflessiva della metodologia in un valore positivo, piuttosto che in una presa di coscienza inadeguata circa l’impossibilità di ricostruire il processo logico?


Concetti sfumati

Un nuovo approccio

La logica Fuzzy


Concetti sfumati

Il metodo fuzzy nasce da alcuni paradossi- Da quante monete è composto un mucchio?

Se ne togliamo una, resta un mucchio? E quando, continuando a toglierne, cessa di essere

tale? - Dove finisce la pianura e inizia la montagna?

Per trattare questi e altri casi simili, negli anni ’60 è stata creata la logica fuzzy (Zadeh 1965, ecc.) che sostituisce alla tradizionale logica binaria aristotelica Vero-Falso una logica basata su un continuum di stati di verità minore (valore 0) o maggiore (valore 1).

-

La logica fuzzy: principi di base


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Approccio soggettivo non arbitrario.

Il Fuzzy set costituisce un approccio matematico che incorpora nella descrizione dell’informazione l’incertezza.

Non si tratta una diversa teoria della probabilità, ma delle definizione di un grado di appartenenza (affidabilità) ad un insieme basato su regole empiriche determinate dall’osservatore.

La logica fuzzy: principi di base


Fonte Serritella 1995

Sono evidenziati I dati più problematici. Si notino inoltre le discordanze fra le due determinazioni dell’età


Necropoli di Pontecagnano

Variabile Nominale fuzzy

• Variabile di tipo nominale: variabile che può assumere una serie di valori (tipi) alternativi, non numerici, ad esempio: – Maschio, Femmina

– Tipologie ceramiche

• Logica aristotelica: può appartenere a uno solo dei tipi, oppure a un tipo “incerto”

• Logica fuzzy: può appartenere a più tipi. Per ognuno si assegna un valore numerico che indica il grado di appartenenza fra 0 e 1

• Esempio:Tipo M F

Grado 0,8 0,2


Quantità fuzzyEsempio: età di un defunto, basata su dati antropologici

1

Intervallo in cui si ritiene compresa l’età

12 15 20 22

Intervalli in cui potrebbe essere compresa l’età

Si può stabilire che l’età è compresa fra 15 e 20 anni; tuttavia non si esclude che possa essere anche fra 12 e 15, oppure fra 20 e 23, sia pure con un minore grado di affidabilità.


Applicazioni archeologiche del formalismo fuzzy

Fin dal 1989 applicazioni in campo archeologico Tecniche di statistica multivariata e classificazione

Cronologia di siti

Intelligenza artificiale

GIS: modelli predittivi e analisi di intervisibilità

Tipologia

Archeometria - Archeozoologia


Necropoli di Pontecagnano

• Circa 100 aree cimiteriali, con più di 8000 tombe databili tra la prima Età del Ferro (IX sec a.C.) e il periodo Ellenizzante (inizio III sec a.C.)

• Il campione:164 tombe (3 multiple) ellenistiche appartenti a diverse aree funerarie

• Campione edito da Serritella [1995]

Dati antropologici pubblicati

Analisi fuzzy da ultimo in (D’Andrea 2006)


Coefficienti fuzzy

• In questo caso pochi coefficienti di A&N sono minori di -1 e +1• Quando il coefficiente di A&N per M è massimo, quello per F

deve essere minimo, e viceversa• Fra -1 e +1 il coefficiente fuzzy varia linearmente

Coeff. A&N k M F

(–2, –1) 0 1

(–1, +1) 0.5k + 0.5 –0.5k + 0.5

(+1, +2) 1 0

Indefinito 0.5 0.5

Ad esempio, se k=0,6 risulta: M = 0.8, F = 0.2

M F


Età x Coefficiente Fuzzy

< 15 0

15 x < 20 0.2x – 3

20 x < 40 1

40 x < 45 –0.2x + 9

45 x 0

Il coefficiente dell’età è stato calcolato con una coda corrispondente al 25% dell’intervallo stimato; ai dati ottenuti con le analisi osteologiche è stato assegnato 1, mentre alle code sono stati attribuiti valori compresi tra 0 ed 1.

Coefficienti fuzzy


• Attribute Type Description• GENDER_OST TEXT Gender assignment (osteological

analysis)• GENDER_ARCH TEXT Gender assignment (archaeological

analysis)• F_GENDER F_LABEL Fuzzy gender• AGE TEXT Age (archaeological analysis)• YEARS_OST TEXT Age (osteological analysis)• F_AGE F_VALUE Fuzzy age• CHRONOLOGY TEXT Chronological interval• F_CHRONOLOGY F_VALUE Fuzzy chronology• GOODS BOOL Grave-goods, true = present• BODY_POSITION TEXT Body position, pre-defined set of

options• RITE TEXT Inhumation or cremation

Attributi per la tabella tomba


QBE: (F_AGE ~ “40 years old”) > 0

1

35 38 40 42


Risultato della Query


Visualizzazione geografica

La mappa rappresenta tombe con una grado di similarità + 0.5 (in rosso) o - 0.5 e > 0 (grigio).


Risultati

Proprietà Maschi Femmine Indeterminati Ratio M/F

Maisto-Boccia 47.4% 42.1% 10.5% 1.13

Rossomando 75.0% 25.0% 0.0% 3.00

Tascone-Di Dato 63.1% 31.6% 5.3% 2.00

Totale 58.7% 34.8% 6.5% 1.69

Percentuali relative al Genere (ricavate da Serritella 1995)

Proprietà Maschi Femmine Ratio M/F

Maisto-Boccia 53.1% 46.9% 1.13

Rossomando 70.4% 29.6% 2.38

Tascone-Di Dato 57.6% 42.4% 1.36

Totale 57.2% 42.8% 1.34

Percentuali relative al genere ottenute con l’approccio fuzzy.


Tipologia

• Campione di 50 strumenti proveniente dal sito del Bronzo Medio di Beer Resimim (Israele)

• Confronto fra tipologia tradizionale e fuzzy mediante assegnazione di un coefficiente fuzzy di appartenenza a ciascuno dei tipi e conteggio ponderato con tale coefficiente

Tipo Grattatoio Grattatoio tabulare

Perforatore Bulino Troncatura Scheggia ritoccata

Intaccatura Denticolato Lama ritoccata

Lama a falce

Lametta ritoccata

Bifacciale

Non fuzzy

21% 0% 14% 2% 10% 14% 19% 4% 10% 2% 2% 2%

Fuzzy

14% 0% 12% 1% 8% 12% 18% 14% 9% 6% 1% 3%

Hermon, Niccolucci, Alhaique, Iovino, Leonini, Archaeological Typologies – an Archaeological Fuzzy Reality, in CAA2003, BAR2004, pp. 30-34


Tracce d’uso

• Strumenti litici dalla caverna di Corruggi (SR)• Interpretazione tradizionale: attività generica “raschiare”

prevalente, materiale lavorato “pianta (arbusti/canna)”• Interpretazione fuzzy: anche altre attività esistenti in

modo significativo, materiale prevalente “osso”

Attività Perforare Tagliare Incidere Lav. manico Pulire pesce Lav. pietra Lav. Pianta Raschiare Non fuzzy 4% 10% 12% 1% 4% 1% 10% 58% Fuzzy 6% 13% 7% 0% 3% 17% 20% 34%

Materiale lavorato

Pelle Osso Pianta Canna Legno Pietra Conchiglia Pesce Carne Radice Minerali

Non fuzzy

4% 23% 34% 7% 22% 1% 3% 4% 1% 1% 0%

Fuzzy

1% 30% 18% 7% 17% 20% 0% 3% 1% 0% 3%



Ceramica• Sito protostorico di Sant’Ilario d’Enza (RE)• Tipologia ceramica tradizionale su un campione di

420 frammenti basata su parametri geometrici

Tipologia ceramica

Brocca Boccale Coppa Piatto Indet.

Non fuzzy 44% 32% 14% 2% 8% Fuzzy 57% 34% 8% 1% 0% Solo frammenti “significativi”

31% 49% 17% 3% 0%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

Brocca Boccale Coppa Piatto Indeterminato

Non fuzzy

Fuzzy

Solo frammenti “significativi”



Resti di animali• Sito di Brega (VC)• Analisi resti ovini/caprini; determinazione età (usura denti)

Gruppo di età dell’animale

Molto giovane 0-6 mesi

Giovane 6-24 mesi

Giov. Adulto 2-4 anni

Adulto 4-8 anni

Anziano >8 anni

Non fuzzy 8% 30% 0% 54% 8% Fuzzy 5% 39% 20% 30% 6%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

Molto giovane Giovane Giovane adulto Adulto Anziano

Non fuzzy

Fuzzy

Interpretazione tradizionale: animali utilizzati prevalentemente come fonte di lana e latteIntepretazione fuzzy: animali usati anche come fonte di carne (maggiore presenza di giovani)


Prospettive di sviluppo• Sono oggi affidabili i database?

Non sempre. La fuzzy logic potrebbe apportare un significativo miglioramento alla gestione dei dati

• Può l’utente verificare la qualità dei dati?

Attualmente, no. Con la fuzzy logic c’è una maggiore trasparenza dei dati.

• Come possiamo gestire i concetti archeologici che hanno poca compatibilità con l’algebra tradizionale?

La fuzzy logic potrebbe essere uno strumento valido


Prospettive di sviluppoLa logica fuzzy ci ricorda che nel nostro processo di interpretazione dei fatti archeologici, compiamo costantemente e continuamente delle scelte, ma di queste decisioni e valutazioni non rimane spesso alcuna traccia nei procedimenti tradizionali di indagine.

Con il tempo si perdono la memoria e i segni della proiezione delle nostre ipotesi sui dati. Il computer può condizionare negativamente questo processo interpretativo perché costituisce un mezzo freddo che non conserva traccia della incertezza.


Prospettive di sviluppo

Non deve preoccupare la soggettività dell’approccio scelto e se la strutturazione delle informazioni è theory-laden; l’importante è che di tale scelta non-neutrale resti traccia nei discorsi.

Ecco perché l’approccio fuzzy può aiutare a rendere manifesti tali percorsi, perché chiarisce che le conoscenze acquisite influenzano i risultati finali.


Alcuni paradossi

L’informatica è stata adoperata per “aumentare” precisione, attendibilità e scientificità del dato archeologico a discapito di una riflessione sulla reale natura del dato come fonte non neutrale.

L’Archeologia accumula dati e assistiamo ad una crescita esponenziale di informazioni e quindi di sistemi informativi destinati a gestire questa immensa e incontrollabile mole di dati.

E’ particolarmente sentito il problema della scheda, dei dati digital-born e delle risorse non convenzionali (grey-literature).


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