Remote sensing, Spatial data Science

RES-DATA Lab | Remote Sensing and Spatial Data Science Lab

Il laboratorio RES-DATA Lab integra metodologie di Remote Sensing (RS) e Spatial Data Science (SDS) al fine di fornire nuovi strumenti di analisi e di estrazione (anche automatica) di informazioni nel contesto di nuove traiettorie di approfondimento tematico interdisciplinare nel dominio del patrimonio culturale: dalla ricerca archeologica all’analisi dei rischi, dal monitoraggio all’intervento conservativo.

Gli approcci metodologici impiegati sono finalizzati ad aumentare l’efficienza nell’estrazione di informazioni dall’integrazione di RS con SDS, facilitare l’interpretazione dei risultati, sviluppare tool e procedure ripetibili per lo studio del passato umano e la gestione del patrimonio culturale.

Methodologies

Il Remote Sensing (RS), attraverso l’elaborazione e l’integrazione di dati telerilevati acquisiti con sensori attivi e passivi, a diversa scala (dal satellite al drone), metodi di image fusion e feature extraction, l’analisi di dati (dall’analisi statistica allo studio delle fonti storiche) e di Big data, fornisce una base informativa evoluta da cui estrarre informazioni, costruire modelli, sviluppare algoritmi per la ricerca archeologica, lo studio dei paesaggi antichi, applicazioni nel campo della conservazione e analisi dei rischi (naturali ed antropici) del patrimonio culturale. Il laboratorio include anche un’unità dedita allo sviluppo e all’applicazioni di tecniche di remote sensing marino per lo studio dell’ interrelazione tra risorse naturali e culturali in ambiente subacqueo.

La Spatial Data Science (SDS) persegue la ricerca dei modelli e dei metodi più efficaci per la collezione, lo scrubbing e l’analisi di dati da remote sensing, e più in generale di dati spaziali, finalizzati alla knowledge discovery di pattern noti e non. Questo attraverso tre principali macrosettori:

  1. quello dei Geographic Information Systems,
  2. quello della creazione e gestione di spatial DBMS e Big Data Systems,
  3. quello delle spatial data analytics, includendo in questo una vasta varietà di metodi che vanno da quelli di Geovisualization alle più generiche metodologie di data science (statistica, machine learning, metodi ensemble, ecc) declinati in chiave spaziale per un approfondimento dell’efficacia dei metodi stessi.

Research lines

Remote sensing, Big data analysis e intelligenza artificiale per lo studio del passato umano, l’archeologia del paesaggio e l’analisi dei rischi del patrimonio culturale

  1. Analisi delle proprietà spettrali da dati telerilevati per l’individuazione di proxy indicators archeologici con particolare riferimento ai crop-marks.
  2. Sviluppo di procedure di fusione di dati telerilevati attivi e passivi (satellitari, aerei, geofisici) per la creazione di modelli predittivi di supporto all’archeologia preventiva.
  3. Sviluppo di metodologie di processing e post processing di dati telerilevati attivi (LiDAR e SAR) per l’analisi di variazioni microtopografiche finalizzata all’individuazioni di feature archeologici e lo studio dei paesaggi antichi.
  4. Sviluppo di metodi di machine learning da dati telerilevati multispettrali (da satellite e da drone) per l’estrazione automatica di features e patterns di interesse archeologico e per l’analisi dei fattori di rischio naturale ed antropico.
  5. Imaging iperspettrale da aereo e da satellite per applicazioni in campo geoarcheologico e di archeologia ambientale.
  6. Analisi multitemporali di Big data satellitari a media ed alta risoluzione per l’individuazioni di cambi, l’individuazione di pattern spazio-temporali per l’individuazione e valutazione di fattori di rischio del patrimonio culturale e naturale.
Approccio integrato, multiscala e multi sensore per l’individuazione di proxy indicator archeologico | © Nicola Masini, CNR ISPC
Approccio integrato, multiscala e multi sensore per l’individuazione di proxy indicator archeologico | © Nicola Masini, CNR ISPC

Metodologie multiscala di integrazione e fusione di tecniche di close-range remote sensing, sensoristica e imaging in sito per la conservazione e monitoraggio del patrimonio storico costruito e artistico

  1. Sviluppo e applicazione di procedure di rilievo e imaging veicolati da droni per la documentazione, la caratterizzazione e la diagnosi dello stato di conservazioni di contesti archeologici e monumentali.
  2. Metodi di fusione e feature extraction da data set ottenuti con diverse tecniche di imaging (infrarosso termico, georadar ad alta frequenza, modelli digitali) per la diagnosi delle patologie di degrado di superfici architettoniche e dipinti murali.
  3. Approcci multiscala indoor e outdoor per il monitoraggio ambientale e microclimatico di opere d’arte.
  4. Integrazione e fusione di tecnologie di osservazione della terra, multi scala e multi piattaforma (satellite, drone, sensoristica e imaging in sito) per lo studio, il monitoraggio e la gestione del patrimonio arboreo in siti archeologici e parchi urbani di interesse storico.
  5. Sviluppo di protocolli operativi per l’analisi del rischio sismico di strutture storico-architettoniche snelle con l’ausilio tecniche passive a stazione singola.
Progetto Space-to-Tree: approccio multiscale e multisensore per lo studio, il monitoraggio e la gestione del patrimonio arboreo in siti archeologici e parchi urbani di interesse storico | © Nicola Masini, CNR ISPC
Progetto Space-to-Tree: approccio multiscale e multisensore per lo studio, il monitoraggio e la gestione del patrimonio arboreo in siti archeologici e parchi urbani di interesse storico | © Nicola Masini, CNR ISPC

Telerilevamento acustico subacqueo per ricerche in situ sul patrimonio culturale sommerso

  1. Analisi integrata di misure batimetriche multifascio, dati di backscatter e dati sismici per lo studio, il monitoraggio e la gestione di risorse culturali e naturali in ambiente subacqueo.
  2. Sviluppo di procedure di integrazione di dati batimetrici ad elevata risoluzione e fotogrammetria digitale subacquea per la produzione di modelli 3D di feature storico-archeologiche sommerse.
  3. Sviluppo di procedure di integrazione di dati batimetrici multifascio con dati Lidar in ambiente marino-costiero per il rilevamento di target storico-archeologici all’interfaccia terra-mare.
  4. Analisi integrata di dati sismici e di tomografia elettrica per il riconoscimento e la mappatura di elementi archeologici e topografici sepolti nel primo sottofondo.
Approccio integrato multiscala per la caratterizzazione e la mappatura del patrimonio culturale sommerso e del suo ambiente | © Crescenzo Violante, CNR ISPC
Approccio integrato multiscala per la caratterizzazione e la mappatura del patrimonio culturale sommerso e del suo ambiente | © Crescenzo Violante, CNR ISPC

Spatial Data Science

  1. ESDA (exploratory spatial data analysis) per l’estrazione di pattern significativi e l’individuazione di nuove relazioni spaziali esplicative negli eterogenei casi di studio del settore.
  2. Metodi di spatial visualization.
  3. Geocomputation e Support Decision System Construction per lo sviluppo di modelli predittivi nel settore archeologico.
  4. Spatial DBMS e Big Data Systems a support dei dati archeologici e sul patrimonio culturale e in integrazione con I dati derivanti da remote sensing.
Exploratory spatial data analysis per l’estrazione di pattern di degrado di dipinti murali. caso di studio: affreschi del Gymnasium a Pompei | © Nicola Masini, CNR ISPC
Exploratory spatial data analysis per l’estrazione di pattern di degrado di dipinti murali. caso di studio: affreschi del Gymnasium a Pompei | © Nicola Masini, CNR ISPC

Strumentazione e Infrastrutture di ricerca

Le competenze e le strumentazioni del laboratorio RES-DATA sono parte integrante della  piattaforma MOLAB dell’infrastruttura ERIHS (European Research Infrastructure of Heritage Science). MOLAB offre accesso libero, su base competitiva, ad un sistema integrato di strumentazioni portatili non invasive per ricerche nell’ambito dell’Heritage Science a ricercatori italiani tramite il nodo ERIHS.it (con il supporto del MUR) e a ricercatori europei tramite il progetto IPERION HS (con il supporto della Commissione Europea). Il laboratorio inoltre beneficia del finanziamento SHINE (PON-IR) per il potenziamento dei nodi ERIHS.it che ha permesso l’implementazione di una facility mobile su drone (AIRLAB) per l’acquisizione di dati telerivelati mediante sensori attivi e passivi.

AIRLAB, parte dell’infrastruttura REMOLAB, piattaforma su droni per l’acquisizione di dati telerivelati mediante sensori attivi e passivi.

IRPAC, Infrastruttura Tecnologica e di Ricerca per lo Studio del Passato Umano, la Conservazione e Gestione del Patrimonio Culturale (PO-FESR Regione Basilicata 2012-2020).

Piattaforma AIRLAB: strumentazioni e connessioni con le linee metodologiche di RES-DATA Lab | © Nicola Masini, CNR ISPC
Piattaforma AIRLAB: strumentazioni e connessioni con le linee metodologiche di RES-DATA Lab | © Nicola Masini, CNR ISPC

Projects and Research activities

Space-to-Tree: Earth Observation based monitoring of Natural and historical Park. European Space Agency – Avviso ARTES IAP-5G for L’ART Demonstration Projects [2020-2022].

H-WITHIN| HERITAGE WITHIN. Programma Cross Sectoral Strand Action INNOVLAB – Bridging culture and audiovisual content through digital. Grant agreement ID: 614719 [2020 – in corso].

SMACH| Sustainable Management of Cultural Heritage in the Balkans in response to Climate Change. Best practices for adaptation and intercultural cooperation. Central European Initiative (CEI). Know-how Exchange Programme (KEP) [2021-2022].

FOOPROMAG | The earliest food production in the Eastern Maghreb: How? When? Where?

Progetto bilaterale tra CNR ISPC e ISAM Kasserine, Université de Kairouan, Tunisia [2021-2022].

Missione internazionale ITACA. Progetti scientifici in Sudamerica per l’archeologica preventiva (Peru e Bolivia) e la protezione del paesaggio (Peru e Argentina) con tecnologie e metodologie di archeogeofisica, telerilevamento e GIS, diagnostica per la conservazione (Colombia). [2008-in corso].

MeSAP. Progetto archeologico multidisciplinare italo-libanese a Maasser El-Shouf /Qalaat el-Hosn (Libano) per la ricostruzione dell’ambiente naturale e antropico nell’antichità, con particolare attenzione allo sfruttamento delle risorse naturali con metodologie e tecnologie di telerilevamento e GIS [2018 – in corso].

Missione internazionale CNR (ISPC e IMAA) e CAS. Studio del passato umano nella regione dell’Henan ed altre regioni della Cina (Xinjiang) dalla dinastia Han a quella Ming.

Farafra Oasis Archaeological Project, Egypt (ISMEO e CNR ISPC). Indagine delle dinamiche socio-culturali e dei modelli di popolamento delle regioni del Deserto Occidentale Egiziano e dei rapporti tra queste e la Valle del Nilo durante l’Olocene.

Basilicata Heritage SmartLab. POR FESR Basilicata 2014-2020

Progetto di potenziamento della Infrastruttura di Ricerca IRPAC – Infrastruttura Tecnologica e di Ricerca per lo Studio del Passato Umano, la Conservazione e Gestione del Patrimonio Culturale [2021-2023].

Tecnologie geofisiche e geo-ambientali per il monitoraggio, la fruizione e la conservazione di beni archeologici sommersi. Progetti di ricerca in convenzione con il Parco Archeologico dei Campi Flegrei, resp. Crescenzo Violante [2020-2023].

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CNR ISPC Projects

Main collaborations

Istitutions
  • Agenzia Spaziale Tedesca
  • Associazione Internazionale di Studi sul Mediterraneo e l’Oriente (ISMEO)
  • Chinese Academy of Sciences, Pechino
  • CNR IMAA – Istituto di Metodologie per l’Analisi Ambientale
  • CSIC IGEO – Instituto de Geociencias, Spagna
  • European Space Agency (ESA)
  • Henan Academy of Science a Zheng Zhou, Cina – Center for Earth Observation and Digital Earth
  • Institut National du Patrimoine, Tunisie
  • Ministero Affari Esteri Italiano
  • Ministry of Tourism & Antiquities, Egypt
  • Parco Archeologico dei Campi Flegrei, Campania
  • Basilicata Region
Universities
  • Cyprus University of Technology (CUT)
  • Pontificia Università Cattolica del Perù, Lima
  • Università degli Studi della Basilicata
  • Università del Minho, Portogallo
  • Università di Cartagena, Colombia
  • Università Politecnica di Valencia, Spagna
  • Universitat de les Illes Balears, Palma di Maiorca

Main publications

C. Broodbank, G. Lucarini (2019). The Dynamics of Mediterranean Africa, ca. 9600-1000 bc: An Interpretative Synthesis of Knowns and Unknowns. “Journal of Mediterranean Archaeology” 32(2): 195-267.

M. Danese, M. Sileo, N. Masini (2018). Geophysical Methods and Spatial Information for the Analysis of Decaying Frescoes. “Survey in Geophysics”. Vol.39(6), pp. 1149-1166.

M. Danese, N. Masini , M. Biscione, R. Lasaponara (2014). Predictive modeling for preventive Archaeology: overview and case study. “Central European Journal of Geosciences”. 6(1) 42-55,

S. Festuccia, S. Di Tonto, M. Como, A. Ferraro (2013). The Contribution of GIS Technology to Archaeological Research: the case of the Protopalatial site of Monastiraki (Crete), in SOMA 2012 Identity and Connectivity: Proceedings of the 16th Symposium on Mediterranean Archaeology, Firenze, L. Bombardieri et alii (Eds.), BAR 2013 (1), 389-396.

S. Festuccia 2012, Urbanization in Syria between the Late Bronze Age and Early Iron Age: an Overview, Università degli Studi Suor Orsola Benincasa, Napoli, ISBN 978-88-96055-37-3.

F.T. Gizzi, J. Kam, D. Porrini, Time windows of opportunities to fight earthquake under-insurance: evidence from Google Trends. “Humanities & Social Sciences Communites” 7, 61 (2020).

Lasaponara R., Masini N. (2018). Space-Based Identification of Archaeological Illegal Excavations and a New Automatic Method for Looting Feature Extraction in Desert Areas. Surv Geophys (2018).

R. Lasaponara, N. Masini (Eds) 2012, Satellite Remote Sensing: a new tool for Archaeology, Springer, Verlag Berlin Heidelberg, Series: “Remote Sensing and Digital Image Processing”, Vol. 16, 364 p. 150 illus., 88 in color, ISBN 978-90-481-8800-0

L. I. Manfredi, S. Festuccia , P. Merola  et alii (2020). Integrated multi scale archaeological analysis in Béni Mellal-Khenifra District (Morocco): the case of the Fortress of Ighram Aousser. “Archeologia e Calcolatori” 31 (1) 97-120,

L. I. Manfredi, S. Festuccia (Eds) 2016, AOUAM I. Rapport préliminaire de la première campagne de prospection et de fouille dans la zone minière du Jebel Aouam, Bradypus, Bologna, ISBN 978-88-98392.

Masini, N., Lasaponara, R. (2020) On the Reuse of Multiscale LiDAR Data to Investigate the Resilience in the Late Medieval Time: the Case Study of Basilicata in South of Italy. “Journal of Archaeological Method and Theory”, Springer.

N. Masini, R. Lasaponara (2020). Satellite and close range analysis for the surveillance and knowledge improvement of the Nasca geoglyphs. “Remote sensing of environment”. Volume 236, January 2020, 111447

M. Sileo, F. T. Gizzi, A. Donvito, R. Lasaponara, F. Fiore, N. Masini (2020) Multi-Scale Monitoring of Rupestrian Heritage: Methodological Approach and Application to a Case Study, “International Journal of Architectural Heritage”.

C. Violante (2020), Acoustic remote sensing for seabed archaeology. “Proceedings of the International Conference on Metrology for Archaeology and Cultural Heritage”. Trento, Italy, October 22-24, 2020, 21-26. ISBN: 978-92-990084-9-2.

C. Violante, (2018) A geophysical approach to the fruition and protection of underwater cultural landscapes. Examples from the Bay of Napoli, southern Italy. In: Aveta, A., Marino, B.G., Amore R. (eds.), La Baia di Napoli. Strategie per la conservazione e la fruizione del paesaggio culturale. V. 1, 66-70. Artstudiopaparo, ISBN: 978-88-99130.