Archeologia in Penisola. La villa romana di Capo di Sorrento rinasce nel digitale: la rivoluzione 3D dell’equipe Humboldt

SORRENTO – Un viaggio nel tempo che parte dai rilievi subacquei e arriva fino alla ricostruzione virtuale degli ambienti più esclusivi. La villa di lusso romana di Capo di Sorrento, gioiello affacciato sul Golfo, sta vivendo una seconda giovinezza grazie a un ambizioso progetto di documentazione digitale che sta riscrivendo le metodologie dell’archeologia moderna.

A guidare questa trasformazione è un team internazionale di ricercatori – che vede in prima linea l’Università Humboldt di Berlino, affiancata dall’Istituto Archeologico Germanico, dall’Università di Copenaghen, da Trident Archäologie, dall’Università Friedrich Schiller di Jena e dalla University of Notre Dame. Dal 2015, il gruppo di lavoro ha trasformato il sito in un vero e proprio laboratorio a cielo aperto, dove la tecnologia Structure-from-Motion (SfM) funge da chiave di volta per leggere un paesaggio complesso e stratificato.

Oltre la fotografia: il modello 3D come strumento scientifico

Non si tratta di semplici rendering scenografici, ma di una solida base scientifica. Il team ha creato un modello digitale dell’intera superficie del sito, integrando in un unico sistema dati provenienti da fotografie terrestri, aeree e persino subacquee.

«Il progetto è andato oltre i classici risultati 3D limitati a immagini bidimensionali», spiegano gli studiosi. L’obiettivo è stato espandere i dati raccolti sul campo per migliorare la documentazione dello scavo e l’analisi delle strutture, integrando le moderne tecniche digitali con le tradizionali metodologie di rilevamento manuale e tacheometrico.

Il ritorno al “Triclinio a grotta”

Uno dei risultati più affascinanti riguarda la ricostruzione del triclinio a grotta. Grazie alla fusione di dati digitali e rilievi analogici, è stato possibile ottenere nuove e profonde intuizioni sull’architettura, sugli arredi e sull’orientamento delle stanze che componevano la pars maritima della villa. Attraverso i rendering 3D, gli archeologi sono oggi in grado di simulare le visuali prospettiche dell’epoca, permettendo di comprendere come gli antichi abitanti vivessero e percepissero lo spazio architettonico.

Una sfida contro la natura

Il lavoro degli archeologi è stato dettato dalle difficili condizioni paesaggistiche del promontorio. Il cuore della ricerca è stato lo studio del sottosuolo roccioso: un altopiano calcareo pesantemente manipolato in epoca romana, che si estende sia sopra che sotto il livello del mare. La capacità di mappare questa conformazione, spesso sommersa o erosa, rappresenta uno degli aspetti più innovativi del progetto.

Nel corso degli anni, le campagne di scavo hanno dato vita a un vasto corpus di prodotti 3D, che oggi costituiscono una risorsa inestimabile per la conservazione e la comprensione della villa. La ricerca a Capo di Sorrento dimostra come, nel XXI secolo, l’archeologia possa e debba fondere il rigore della ricerca storica con le infinite possibilità offerte dalla tecnologia, restituendo al pubblico e alla scienza una testimonianza integra e dettagliata del nostro passato.

Mixing Methods – The Use of 3D Techniques at the

Ancient Villa of Capo di Sorrento

STEVEN GÖTZ, Humboldt-Universität zu Berlin, Germany

BERNHARD FRITSCH, German Archaeological Institute, Berlin, Germany

WOLFGANG FILSER, University of Copenhagen, Denmark

MICHAELA REINFELD, Trident Archäologie, Germany

CHRISTOPH KLOSE, Friedrich Schiller University Jena, Germany

PAOLO VITTI, University of Notre Dame, Notre Dame USA/Rome, Italy

Ecco la traduzione del testo in italiano:

Dopo tentativi di esplorazione sporadici e frammentari, la villa di lusso romana di Capo di Sorrento è oggetto di indagini archeologiche e architettoniche dal 2014 [Filser et al. 2017, 71-73]. Oggi rimangono accessibili solo poche delle ville marittime irregolarmente conservate della Penisola Sorrentina, poiché la maggior parte è stata sovraedificata in epoca moderna o è stata vittima delle forze della natura al punto da risultare talmente degradata da non essere più riconoscibile. La villa di Capo di Sorrento (Fig. 1), relativamente ben conservata, è considerata esemplare tra questi complessi, costruiti e mantenuti dal I secolo a.C. fino all’eruzione del Vesuvio nel 79 d.C. [Mingazzini e Pfister 1946, pp. 121-132; Bergmann 1991, pp. 49, 51-52; Lafon 2001, p. 424; Filser et al. 2021, p. 131].

L’aspetto di questi edifici terrazzati era calcolato nei minimi dettagli, così come una varietà di prospettive individuali che collegavano diverse stanze della villa con punti di riferimento nel Golfo di Napoli. Per questo motivo, sono stati preferibilmente scelti come siti pendii e promontori sporgenti. Elaborate sottostrutture, terrazzamenti artificiali e lo sviluppo di baie idonee in piccole strutture portuali facevano parte del programma costruttivo. Oltre a un’ampia sistemazione paesaggistica, le ville incorporavano anche opulente e personalissime caratteristiche architettonico-artistiche ed economico-infrastrutturali, come vasche per l’allevamento ittico o reti idriche ampiamente ramificate.

La pars maritima della villa di Capo di Sorrento si trova su un altopiano calcareo direttamente sull’acqua, mentre gli edifici principali e la parte del complesso presumibilmente utilizzata anche per scopi agricoli erano distribuiti su diverse terrazze sovrastanti (Fig. 1-2). Le due aree sono separate da un bacino approssimativamente circolare che, insieme alla baia rettangolare a ovest della pars maritima, fungeva da porto.

Il proprietario dell’esteso complesso rimane sconosciuto. L’edificio ha subito molteplici distruzioni causate da terremoti e ristrutturazioni dopo la sua costruzione iniziale durante la tarda epoca repubblicana, prima di essere definitivamente distrutto e abbandonato (almeno per quanto riguarda il suo uso come villa marittima) nella seconda metà del I secolo d.C. – probabilmente poco prima o durante l’eruzione del Vesuvio nel 79 d.C. [sulla cronologia Klose 2016, pp. 66-68; Filser et al. 2017, pp. 90-94; Filser et al. 2021, pp. 143-144].

L’eterogeneità della topografia e delle caratteristiche archeologiche costituisce esattamente le condizioni che consentono di effettuare la documentazione e l’analisi in modo efficace utilizzando tecniche 3D. In questo contesto, il quadro generale si forma utilizzando diverse tecniche di acquisizione, nonché l’uso e la combinazione di dati 3D basati su nuvole di punti (SfM, scansione laser) e dati non basati su nuvole di punti (ma basati su NURBS), ovvero dati ricostruttivi 3D e prodotti di dati da essi dipendenti. Nel complesso, l’utilizzo di diverse tecniche 3D digitali in questo progetto costituisce un punto di partenza adatto [Attenni et al. 2020, p. 266] per un’analisi approfondita delle caratteristiche archeologiche e architettoniche della villa romana.

METODI

Oltre alla documentazione di scavo convenzionale, fin dall’inizio del progetto sono stati raccolti dati 3D dell’area di indagine. Tuttavia, i problemi legati al trasporto in loco e alla fornitura di una fonte di energia stabile hanno reso impraticabile l’uso di uno scanner laser. Oltre alle difficoltà logistiche, le scansioni laser non sarebbero state in grado di rilevare in modo ottimale molte aree del sito.

Al contrario, l’uso della Structure-from-Motion (SfM) si è rivelato vantaggioso per diversi aspetti. In primo luogo, grandi aree potevano essere coperte con foto da un drone (DJI Phantom 4 e DJI Mini 2) e, in secondo luogo, aree più piccole e difficili da raggiungere, così come le sezioni di scavo, potevano essere documentate con una fotocamera reflex (Nikon D 800) in 3D di alta qualità da terra. Le immagini sono state elaborate utilizzando le ultime versioni di Agisoft Photoscan/Metashape. In questo progetto, la SfM viene utilizzata per migliorare la documentazione manuale dei piccoli reperti e per modellare l’intero paesaggio del promontorio, rendendolo così adatto a questioni geologico-geomorfologiche (ad esempio, riguardanti i cambiamenti artificiali e naturali che hanno interessato il sito edilizio sin dall’epoca romana). Inoltre, i due porti della villa sono stati inclusi nell’indagine e le foto e i filmati risultanti hanno potuto essere elaborati in un modello 3D. Pertanto, un modello digitale di superficie dei resti e del piano di posa dell’antica villa è stato prodotto sulla base di dati raccolti a terra, sott’acqua e dall’aria (Fig. 3).

Andando oltre le ampie discussioni sull’uso dei dati 3D e specificamente della SfM come metodo di documentazione primaria (si veda ad esempio [Anderson 2021; Sapirstein 2021]), questo articolo presenta i prodotti digitali e gli strumenti che possono essere creati sulla base della SfM e mira quindi a dimostrare come questi possano essere un’importante aggiunta ai metodi di documentazione standard attualmente in uso. Questi prodotti rappresentano il cruciale valore aggiunto della registrazione delle strutture archeologiche in 3D e possono essere molto diversificati (si veda anche Di Giuseppantonio Di Franco et al. 2018).

Oltre alla chiara visualizzazione delle strutture della villa, analisi e rilievi del sito possono essere effettuati utilizzando esclusivamente i dati 3D e quindi senza essere fisicamente presenti sul promontorio. In una fase successiva, è stato possibile ricostruire intere stanze o persino gruppi di stanze sulla base dei modelli SfM, il che ha fornito ulteriori spunti sull’architettura e sugli arredi, nonché su questioni riguardanti gli assi visivi e gli allineamenti delle componenti della villa.

I modelli SfM dell’area di indagine, che sono già stati creati da una miscela di diverse tecniche fotografiche, formano quindi un nucleo di dati da cui è possibile creare una serie di ulteriori prodotti. La risultante ricostruzione virtuale della basis villae (la sua facciata, la fila di stanze circostanti e il suo piano superiore) mostra quanto possa essere preziosa una documentazione di accompagnamento in 3D fin dall’inizio, in alcuni casi con l’ausilio di confronti con altri siti (per un approccio simile si veda Micoli et al. 2017). L’interazione di diverse tecniche 3D e i nuovi prodotti risultanti (in 2D o 3D) sono descritti di seguito.

SFIDE

Nel corso di diverse campagne, è stato possibile espandere ripetutamente i dati 3D sull’area di studio, utilizzando diversi metodi e approcci e infine, tra le altre cose, combinandoli in un modello base completo.

Nella prima campagna, che intendeva creare dati 3D, è stato utilizzato uno scanner laser (Leica Scan Station 2). Tuttavia, si sono potuti ottenere buoni risultati solo per la parte anteriore della pars maritima nell’area centrale del sito. Più tardi, tuttavia, questa nuvola di punti è stata utilizzata esclusivamente come base affidabile riguardo alle dimensioni e alla scala dei futuri modelli SfM (per un approccio simile si veda Micoli et al. 2013, p. 4). Tuttavia, questo metodo non era adatto per un rilievo complessivo dell’area di scavo. Non solo il trasporto e l’alimentazione elettrica dello scanner laser erano fuori budget a lungo termine, ma era anche impossibile scansionare le condizioni paesaggistiche e le strutture superficiali della rovina richieste entro i tempi prestabiliti.

Il terrazzamento e la disposizione della villa, aperta verso l’acqua su tre lati, potevano essere catturati molto meglio con la Structure-from-Motion ottenuta tramite fotografia aerea e terrestre. Con l’aiuto di un drone (DJI Phantom 4), è stato creato un modello dell’area inferiore (pars maritima), a partire dal 2016. Nelle aree in cui il drone non poteva fornire filmati sufficienti (ad esempio, negli interni, nei sentieri stretti o negli elementi che si protendevano sull’acqua), sono state scattate foto con una fotocamera reflex da terra o dall’acqua utilizzando una canoa. Allo stesso modo, aree di particolare interesse e le trincee di scavo sono state registrate in piccola scala e nel dettaglio tramite SfM. Tutti i singoli modelli sono stati scalati utilizzando punti di riferimento che sono stati posizionati e misurati per distanza all’interno del campo visivo della fotocamera. Alla fine, i singoli modelli sono stati integrati nel modello complessivo utilizzando il software open-source Meshlab [Cignoni et al. 2008] per la pulizia e l’orientamento, e CloudCompare per l’allineamento dei modelli in una procedura a due fasi (allineamento manuale grezzo seguito da allineamento fine automatico).

Poiché la villa possedeva anche un porto costituito da due bacini separati, questo è stato inteso come un elemento essenziale del sito ed è stato oggetto di un’indagine intensiva. Entrambi i bacini portuali sono stati documentati in diverse campagne con materiale fotografico sufficiente ripreso da subacquei (utilizzando una Canon EOS 550 D con Dome Port DP180 A20 e una GoPro 5 con custodia subacquea standard), che ha permesso la creazione di modelli 3D del fondale marino in entrambe le aree.

In totale, sono stati estratti 24.500 fotogrammi singoli da circa sette ore di filmati di riprese subacquee utilizzando il software gratuito ImageMagick [ImageMagick], che a loro volta sono stati elaborati utilizzando il filtro SharpEdge [Weinhaus 2018]. A causa delle condizioni di luce e visibilità frequentemente mutevoli che influenzano le immagini subacquee, non è stato possibile calcolare tutte le immagini in un unico modello coerente. Per il porto esterno più grande, sono stati creati 30 sotto-modelli separati, che sono stati orientati e scalati approssimativamente utilizzando un’immagine raster chiara in Meshlab, e infine uniti in CloudCompare utilizzando le funzionalità ‘Align’ (Fig. 4a).

Rispetto all’uso della SfM a terra, la fotografia subacquea presenta ulteriori sfide nella generazione di foto utilizzabili: tempo tempestoso che agita l’acqua e ostacola la visibilità, condizioni di luce che cambiano rapidamente e anche grandi banchi di pesci che possono oscurare completamente gli oggetti desiderati per brevi periodi di tempo [Reinfeld et al. 2020]. Tuttavia, anche dopo aver generato con successo un modello 3D, rimane la difficoltà di collegare il modello subacqueo a quello terrestre. Anche le pareti laterali del bacino portuale sono state fotografate e successivamente generate in 3D. Tuttavia, poiché il livello del mare variava essendo state fotografate in giorni diversi o necessariamente durante immersioni diverse, una sovrapposizione con il modello terrestre non poteva essere sempre garantita.

Anche nella zona costiera, entrambi i tipi di riprese (a terra/sott’acqua) raggiungono i loro limiti naturali: mentre le immagini a terra possono facilmente catturare le strutture subacquee nella zona di acqua bassa, la mesh mappa comunque la superficie dell’acqua. Al contrario, in quelle aree costiere profonde solo pochi centimetri, non è più possibile scattare foto subacquee di qualità sufficiente. A questo punto, il modello rivela di conseguenza un gradino dalla superficie dell’acqua al fondale marino che non può essere chiuso con le capacità della SfM (Fig. 4b).

Difficoltà simili sorgono anche con la SfM a terra. Questo è particolarmente il caso degli scavi stratigrafici di strutture più grandi ma frammentate che si verificano nell’arco di diversi anni ma che possono essere documentate solo in momenti specifici. Sebbene la vegetazione possa essere rimossa in piccole aree durante la campagna di scavo per consentire una visione chiara e ideale delle caratteristiche per la registrazione SfM, la vegetazione cambia costantemente, rendendo difficile incorporare singoli modelli 3D o aggiornare i modelli 3D nell’anno successivo. Oltre agli ostacoli di base posti dalla vegetazione, che sorgono anche con altri metodi di fascia alta come le scansioni LiDAR [Doneus et al. 2022], una caratteristica speciale del promontorio di Sorrento è che le due terrazze antiche inferiori della villa sono ora utilizzate come frutteto comune e uliveto, mentre la terrazza superiore è di proprietà privata e attualmente relativamente priva di vegetazione. Una riduzione su larga scala della vegetazione durante la campagna di scavo non è quindi semplicemente possibile. Pertanto, in alcune aree, la modellazione 3D del terreno o del livello del suolo moderno deve essere omessa. Tuttavia, questo è trascurabile se si considera l’intero sito, poiché punti di misura decisivi potrebbero essere registrati nelle singole sezioni di scavo tra gli alberi.

Un’eccezione all’uso della SfM è stata fatta nella registrazione della grande cisterna nel piano di posa della terza terrazza. Questa cisterna è costituita da dieci camere identiche (con l’eccezione degli angoli rinforzati nella prima e nella decima camera), la maggior parte delle quali è ora riempita di fango. Inoltre, poiché non ci sono strutture speciali, contrasti o decorazioni e le condizioni di illuminazione sono molto scarse, è molto dispendioso in termini di tempo scattare foto di qualità sufficiente (comprese luci artificiali) e l’elaborazione comporta un rischio maggiore di disallineamento. In questo caso, è stato utilizzato uno scanner laser fortunatamente disponibile (BLK 360) (Fig. 5), poiché le circostanze esterne rappresentano uno dei casi molto rari in cui questo dispositivo offre maggiori vantaggi rispetto alla SfM.

Il modello di superficie è quindi soggetto a costante cambiamento ed è composto da diverse forme di dati. Questa necessaria diversità offre costantemente nuove opportunità per creare prodotti di dati nuovi e diversificati ed espandere le nostre conoscenze.

PRODOTTI DATI

I risultati che possono essere determinati con l’aiuto dei dati 3D sono estremamente diversificati e, simili alla flessibilità della SfM, offrono una vasta gamma di intuizioni piccole e grandi.

Ad esempio, la documentazione dei bacini portuali e la successiva elaborazione delle loro pareti laterali hanno permesso di dimostrare che i bacini erano artificialmente alterati e sontuosamente decorati in modo rappresentativo. Sul fondale marino di fronte ai tre isolotti, durante le indagini del 2015-2021 sono stati identificati elementi architettonici caduti e resti di colonne (di marmo) di piccole e medie dimensioni (Fig. 6a) [Reinfeld et al. 2020, Filser et al. 2021, pp. 139-140]. Determinando le loro posizioni, è possibile stabilire nel modello 3D i luoghi in cui i detriti più pesanti sono caduti dalla villa in mare. Utilizzando questo metodo, frammenti architettonici e i resti di un presunto molo hanno potuto essere rilevati nel bacino portuale esterno (Fig. 6b) [Reinfeld et al. 2020; Filser et al. 2021, pp. 140-141]. Del molo, si può vedere solo la roccia calcarea lavorata, sulla quale è stata eretta una costruzione in caementitium come fondazione. Tali costruzioni sono note da siti comparabili in Italia [Felici 1993; Felici 2006]. Nella fase successiva, una ricostruzione completa dell’installazione può essere derivata dal modello complessivo e ben rappresentata nel suo contesto originale.

Following only sporadic and disjointed exploration attempts, the Roman luxury villa of Capo di

Sorrento has been under archaeological and architectural investigation since 2014 [Filser et al. 2017,

1. 71-73].

Only a few of the irregularly preserved seaside villas on the Sorrento Peninsula remain accessible

today, as most were overbuilt in modern times or have fallen victim to the forces of nature to such

an extent that they are weathered beyond recognition. The comparatively well-preserved villa at the

Cape of Sorrento (Fig. 1) is considered exemplary among these complexes, which were built and

maintained from the 1st century B.C. until the eruption of Mount Vesuvius in 79 A.D. [Mingazzini and

Pfister 1946, pp. 121-132; Bergmann 1991, pp. 49, 51-52; Lafon 2001, p. 424; Filser et al. 2021, p.131].

The appearance of these terraced buildings was calculated to the smallest detail, as well as a variety

of individual perspectives that connected different rooms of the villa with landmarks in the Gulf of

Naples. For this reason, slopes and projecting capes were preferably chosen as sites. Elaborate

substructures and artificial terracing as well as the development of suitable bays into small harbor

facilities were part of the building program. In addition to extensive landscaping, the villas also

incorporated opulent and highly individual architectural-artistic and economic-infrastructural

features such as fish breeding ponds or widely ramified water networks.

The pars maritima of the villa of the Cape of Sorrento is located on a limestone plateau directly by

the water, while the main buildings and the part of the complex that was presumably also used for

agricultural purposes were spread across several terraces above it (Fig. 1-2). The two areas are

separated by an approximately circular basin which, together with the rectangular bay to the west of

the pars maritima, functioned as a harbor.

The owner of the extensive complex remains unknown. The building suffered multiple destructions

caused by earthquakes and remodeling after its initial construction during Late Republican times

before it was finally destroyed and abandoned (at least with regard to its use as a marine villa) in the

second half of the 1st century A.D. – probably shortly before or during the eruption of Vesuvius in 79

A.D. [on chronology Klose 2016, pp.66-68; Filser et al. 2017, pp. 90-94; Filser et al. 2021, pp. 143-144].

The heterogeneity of the topography and the archaeological features form precisely the conditions

that allow documentation and analysis to be carried out effectively using 3D techniques. In this

context, the overall picture is formed by using different acquisition techniques as well as by the use

and combination of point-cloud based 3D data (SfM, laser scan) and also not-point-cloud based (but

NURBS-based) 3D modelling reconstructive data and data products dependent on them.

Overall, the use of several digital 3D techniques in this project forms a suitable starting-point [Attenni

et al. 2020, p. 266] for an in-depth analysis of the archaeological and architectural features of the

Roman villa.

1. METHODS

In addition to conventional excavation documentation, 3D data of the investigation area has been

collected since the beginning of the project. However, problems with on-site transportation and the

provision of a stable power source proved the handling of a laser scanner to be impractical. Apart

from logistical difficulties, laser scans would not have been able to optimally survey many areas of

the site.

In contrast, the use of Structure-from-Motion (SfM) proved advantageous in several ways. First, large

areas could be covered with photos from an UAV (DJI Phantom 4 and DJI Mini 2) and second, smaller

more difficult-to-access areas as well as excavation sections could be documented with an SLR

camera (Nikon D 800) in high quality 3D from the ground. The images were processed using the latest

versions of Agisoft Photoscan/Metashape. In this project, SfM is used to enhance the manual

documentation of small finds and to model the complete landscape of the cape, thus making it

conducive for geological-geomorphological questions (e.g., concerning artificial and natural changes

that have affected the building site since Roman times). Furthermore, the two harbors of the villa 3D Techniques at the Ancient Villa of Capo di Sorrento

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Studies in Digital Heritage, Vol. 6, No. 2, Publication date: December 2022

could be included in the investigation and the resulting photos and films could also be calculated

into a 3D model. Thus, a digital surface model of the remains and the building ground of the ancient

villa has been produced on the basis of data collected on land, under water and from the air (Fig. 3).

Going beyond extensive discussions on the use of 3D data and specifically SfM as a primary

documentation method (see e.g., [Anderson 2021; Sapirstein 2021]), this paper presents the digital

products and tools that can be created based on SfM and thus aims to demonstrate how these can be

an important addition to the standard documentation methods currently in use. These products

depict the crucial added value of recording archaeological structures in 3D and can be very diverse

(see also Di Giuseppantonio Di Franco et al. 2018).

In addition to the clear visualization of the villa’s structures, analyses and surveys of the site can be

carried out using the 3D data only and thus without being physically present on the cape. In a further

step, it was possible to reconstruct entire rooms or even groups of rooms based on SfM models, which

provided further insights into the architecture and furnishings as well as into questions of visual

axes and alignments of the components of the villa.

The SfM models of the investigation area, which have already been created from a mixture of

different photographic techniques, thus form a core of data from which an array of further data

products can be created. The resulting virtual reconstruction of the basis villae (its facade, the

surrounding flight of rooms, and its upper floor) shows how valuable an accompanying

documentation in 3D can be from the beginning, in some cases with the aid of comparisons to other

sites (for a similar approach see Micoli et al. 2017). The interaction of different 3D techniques and the

resulting new products (in 2D or 3D) are described below.

1. CHALLENGES

Over the course of several campaigns, it was possible to repeatedly expand the 3D data on the study

area, using several methods and approaches and finally, among other things, combining them into a

complete base model.

In the first campaign, which intended to create 3D data, a laser scanner (Leica Scan Station 2) was

used. However, good results could only be obtained for the front of the pars maritima in the central

area of the site. Later, however, this point cloud was used exclusively as a reliable basis regarding

size and scaling of future SfM models (for a similar approach see Micoli et al. 2013, p. 4). Yet this

method was not suitable for an overall survey of the excavation area. Not only were transportation

and power supply of the laser scanner out of the available budget in the long-term, but also it was

impossible to scan the required landscape conditions and surface structures of the ruin within the

given time frame.

The terracing and the layout of the villa, open to water on three sides, could be much better captured

with Structure-from-Motion gained by aerial and terrestrial photography. With the help of an UAV

(DJI Phantom 4), a model of the lower area (pars maritima) was created, starting in 2016. In the areas

where the UAV could not provide sufficient footage (e.g., in the interiors, narrow paths, or elements

reaching over the water), photos were taken with an SLR camera from land or from the water using

a canoe. Likewise, areas of particular interest as well as the excavation trenches were recorded in

small scale and detail in SfM. All individual models were scaled by using target points that were laid

out and measured by distance within the field of the field of view of the camera. Eventually the single

models were integrated into the overall model using the open-source software Meshlab [Cignoni et

1. 2008] for cleaning and orientation and CloudCompare for aligning the models in a two-step

procedure (raw manual alignment following automatic fine alignment).

Since the villa also had a harbor consisting of two separate basins, this was understood as an

essential element of the site and was investigated in the form of an intensive survey. Both harbor

basins were documented in several campaigns with sufficient image material taken by divers (using

a Canon EOS 550 D with Dome Port DP180 A20 and a GoPro 5 with a standard underwater case), which

allowed the creation of 3D models of the seabed in both areas.

In total, 24,500 individual frames were extracted from approximately seven hours of video footage of

underwater recordings using the free software ImageMagick [ImageMagick], which in turn were

processed using the SharpEdge filter [Weinhaus 2018]. Due to the frequently changing light and

visibility conditions that influence underwater images, it was not possible to compute all images in

a single, coherent model. For the larger outer harbor, 30 separate sub-models were created, which

were roughly oriented and scaled using a clear raster image in Meshlab, and finally merged in

CloudCompare using the ‘Align’ functionalities (Fig. 4a).3D Techniques at the Ancient Villa of Capo di Sorrento

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Studies in Digital Heritage, Vol. 6, No. 2, Publication date: December 2022

a

b

Figure 4. Underwater SfM recording: a) Outer harbor [B. Fritsch]; b) Intersection between the underwater model

in front and the terrestrial model in a flat-water area [B. Fritsch].

Compared to the use of SfM on land, underwater photography presents additional challenges when

generating usable photos: stormy weather that churns up the water and obstructs visibility, rapidly

changing light conditions, and also large schools of fish that can completely obscure the desired

objects for short periods of time [Reinfeld et al. 2020]. However, even after successfully generating a

3D model, the difficulty of connecting the underwater model to the terrestrial model remains. The

side walls of the harbor basin were photographed and subsequently generated in 3D as well. Still, as

the sea level varied due to being photographed on different days or necessarily different dives an

overlap with the land model could not always be guaranteed.

Also, in the shore zone, both types of recordings (on land/under water) reach their natural limits:

While the onshore imagery can easily capture the underwater structures in the shallow water zone,

the mesh still maps the water surface. Conversely, in those shore areas which are only a few

centimeters deep, it is no longer possible to take underwater pictures of sufficient quality. At this

point, the model consequently reveals a step from the water surface to the seafloor that cannot be

closed with the capabilities of SfM (Fig. 4b).

Similar difficulties also arise with land-based SfM. This is especially the case for stratigraphic

excavations of larger but disjointed structures that occur over several years but can only be

documented at specific times. Although vegetation can be removed in small areas during the

excavation campaign to allow a clear, ideal view of the features for SfM recording, the vegetation is

constantly changing, making it difficult to incorporate individual 3D models or update 3D models in

the following year. Apart from the basic obstacles posed by vegetation, which also arise with other

high-end methods such as LiDAR scans [Doneus et al. 2022], a special feature of the Sorrento cape is

that the two lower ancient terraces of the villa are now used as a communal orchard and an olive

grove, while the top terrace is privately owned and currently relatively unvegetated. A large-scale

reduction of vegetation during the excavation campaign is therefore simply not possible. Thus, in

some areas, 3D modeling of the soil or the modern ground level must be omitted. However, this is

negligible when considering the entire site, since decisive measurement points could be recorded in

the individual excavation sections between the trees.2:32

1. Götz, et al.

Studies in Digital Heritage, Vol. 6, No. 2, Publication date: December 2022

An exception to the use of SfM was made in the recording of the large cistern in the building ground

of the third terrace. This cistern consists of ten identical chambers (with the exception of the

reinforced corners in the first and tenth chambers), most of which are now filled with mud. In

addition, since there are no special structures, contrasts or decorations and very poor lighting

conditions, it is very time-consuming to take photos of sufficient quality (including artificial lights)

and the processing is bearing a higher risk of misalignment. In this case, a fortunately available laser

scanner (BLK 360) was used (Fig. 5), since the external circumstances represent one of the very rare

cases in which this device offers more advantages than SfM.

Figure 5. Scan of the great cistern: a) Point cloud of the laser sca

The surface model is thus subject to constant change and is composed of different forms of data.

This necessary diversity constantly provides fresh opportunities to create new and diverse data

products and expand our knowledge.

1. DATA PRODUCTS

The results that can be determined with the help of 3D data are extremely diverse, and similar to the

flexibility of SfM, offer a wide range of small and large insights.

For instance, the documentation of the harbor basins and subsequent processing of their side walls

made it possible to prove that the basins were artificially altered and lavishly decorated in a

representative manner. On the seabed in front of the three islets, fallen architectural parts and

remains of small and medium-sized (marble) columns (Fig. 6a) could be identified during the 2015-

2021 surveys [Reinfeld et al. 2020, Filser et al. 2021, pp.139-140]. By determining their positions, the

locations where the heavier debris fell from the villa into the sea can be established in the 3D model.

Using this method, architectural fragments as well as the remains of a presumed jetty could be

detected in the outer harbor basin (Fig. 6b) [Reinfeld et al. 2020; Filser et al. 2021, pp. 140-141]. From

the jetty, only the worked limestone rock can be seen, on which a caementitium construction was

erected as a foundation. Such constructions are known from comparable sites in Italy [Felici 1993;

Felici 2006]. In the next step, a complete reconstruction of the installation can be derived from the

overall model and well represented in its original context.