3D Surveying, Digital Representation and Numerical Analysis for the documentation and monitoring of built heritage and civil engineering

This doctoral research investigates innovative approaches for the 3D surveying, numerical analysis, and digital representation of built heritage and civil engineering structures. The study is structured around a series of case studies that exemplify different scales, complexities, and conservation needs, ranging from historical buildings to infrastructural elements. The central aim is to integrate advanced 3D surveying techniques—terrestrial laser scanning, UAV-based and terrestrial photogrammetry—into a coherent methodological framework for the documentation and monitoring of architectural and engineering assets. The thesis explores the potential of multi-sensor data acquisition, combining active and passive technologies, to generate accurate and dense point clouds. Among these, photogrammetry supported by reference networks is considered as a practical step to improve the reliability of metric surveys, complementing terrestrial laser scanning and UAV-based methods. The acquired point clouds are then subjected to numerical analyses, enabling dimensional assessment, deformation monitoring, and the extraction of meaningful geometric features. Beyond the technical aspects of data acquisition and processing, the work addresses the critical issue of digital representation. 3D models are not conceived as mere visual outputs, but as comprehensive information systems that support heritage conservation, structural evaluation, and interdisciplinary communication. The research also investigates semi-automated workflows, aiming to reduce time-consuming manual steps in survey planning, point cloud registration, and model generation. The outcomes demonstrate that integrated 3D surveying and numerical analysis can significantly improve the accuracy, reliability, and interpretability of documentation for both cultural heritage and civil engineering applications. The proposed methodology supports not only the preservation and valorization of built heritage but also the monitoring and maintenance of engineering infrastructures. Ultimately, this thesis provides additional tools to enhance the application of digital surveying technologies in heritage science and engineering practice.

La presente ricerca di dottorato indaga approcci innovativi per il rilievo 3D, l’analisi numerica e la rappresentazione digitale del patrimonio costruito e delle strutture di ingegneria civile. Lo studio è articolato attraverso una serie di casi studio che esemplificano differenti scale, complessità ed esigenze di conservazione, spaziando dagli edifici storici agli elementi infrastrutturali. L’obiettivo principale è integrare tecniche avanzate di rilievo 3D—laser scanning terrestre, fotogrammetria terrestre e da UAV—all’interno di un quadro metodologico coerente per la documentazione e il monitoraggio dei beni architettonici e ingegneristici. La tesi esplora il potenziale dell’acquisizione multi-sensore, combinando tecnologie attive e passive per generare nuvole di punti accurate e dense. Tra queste, la fotogrammetria supportata da reti di riferimento è considerata come un passaggio essenziale per rilievi metrici affidabili, in complemento al laser scanning terrestre e ai metodi fotogrammetrici basati su UAV. Le nuvole di punti ottenute sono successivamente sottoposte ad analisi numeriche, che consentono la valutazione dimensionale, il monitoraggio delle deformazioni e l’estrazione di caratteristiche geometriche significative. Oltre agli aspetti tecnici di acquisizione e di elaborazione dei dati, il lavoro affronta la questione cruciale della rappresentazione digitale. I modelli tridimensionali non sono concepiti come meri prodotti visivi, ma come sistemi informativi complessi a supporto della conservazione del patrimonio, della valutazione strutturale e della comunicazione interdisciplinare. La ricerca indaga inoltre flussi di lavoro semi-automatizzati, con l’obiettivo di ridurre le fasi manuali più dispendiose nella pianificazione del rilievo, nella registrazione delle nuvole di punti e nella generazione dei modelli. I risultati dimostrano che l’integrazione tra rilievo 3D e analisi numerica può migliorare in modo significativo l’accuratezza, l’affidabilità e l’interpretabilità della documentazione, sia in ambito di beni culturali sia nel settore dell’ingegneria civile. La metodologia proposta sostiene non solo la conservazione e la valorizzazione del patrimonio costruito, ma anche le attività di monitoraggio e manutenzione delle infrastrutture ingegneristiche. In ultima analisi, la tesi fornisce strumenti aggiuntivi per potenziare l’applicazione delle tecnologie di rilievo digitale nella ricerca sul patrimonio e nella pratica ingegneristica.