INFSO-RI Enabling Grids for E-sciencE Attività grid di Archeologia Computazionale in Italia ed in Europa Giuliano Pelfer CSDC, Università di Firenze

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Cosa non fa ArchaeoGRID Non sostituisce le normali attività degli archeologi sul campo, in laboratorio, in biblioteca, ecc. anche se può potenziarle notevolmente Non sostituisce l’interpretazione tradizionale dei dati mediante i metodi euristico ed ermeneutico nè a maggior ragione la costruzione di modelli e di teorie Non sostituisce l'attività dei ricercatori nei campi delle scienze naturali e delle scienze umane connessi con le discipline archeologiche, mutuandone anzi dati e metodi di analisi

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Cosa fa ArchaeoGRID ArchaeoGRID vuole essere un approccio altamente tecnologico e multisciplinare alla scoperta del passato e si basa sul dato di fatto che l'archeologia moderna è molto di più di una attività di scavo di basso contenuto tecnologico Le sfide che ArchaeoGRID intende lanciare riguardano: –l'acquisizione e l'archiviazione dei dati archeologici –l'indagine archeologica –l'organizzazione della ricerca archeologica –la telearcheologia

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Natura dei dati archeologici La produzione, l’archiviazione e l’uso dell’informazione e della conoscenza archeologica sono in continua crescita. Le immagini digitali di oggetti in 3D e dello scavo, del telerilevamento, i dati da laboratori e da simulazioni producono petabytes di dati I dati archeologici stanno crescendo non solo in quantità e in qualità, ma anche in complessità ed etereogeneità, così che l’estrazione da essi di conoscenza archeologica significativa richiede una grande quantità di risorse computazionali I dati archeologici provengono da un sempre maggiore ed etereogeneo numero di scienze naturali e umane - fisica, chimica, scienze della terra, biologia, geografia, antropologia, scienze sociali -, così come dalle tecniche sviluppate in accordo con le teorie e i metodi di indagine archeologici

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Il record archeologico L’archeologia moderna studia la varietà dell’esperienza umana nelle società antiche attraverso i cambiamenti nello spazio e nel tempo I resti materiali, manufatti ed ecofatti, macro e microscopici, ubicati sul terreno e relativi alla cultura materiale delle società del passato, sono importanti per la documentazione archeologica, indipendentemente dal valore estetico o economico Stratigrafia n3D Poseidon 3D Frammento ceramico 3D Esistono seri problemi di conservazione di una tale quantità di informazione, che rischia di perdersi con facilità IL RECORD ARCHEOLOGICO

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Scala spaziale dei dati archeologici I dati archeologici sono dati geospaziali e temporali: fuori dal contesto geospaziale e temporale il loro contenuto informativo è molto ridotto. L’archeologia è una disciplina spaziale IL GIS ARCHEOLOGICO Foto aeree o satellitari DEM Uso del Suolo Infrastrutture Siti archeologici Risoluzione X,Y < 1 m Z < 0.1 m (SAR ) Layers Il numero di layers è in stretto rapporto con la complessità del problema archeologico Risoluzione con GPS X,Y,Z ˜ cm

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Scala temporale dei dati archeologici I dati archeologici vanno inquadrati in un contesto temporale GIS ARCHEOLOGICO + TEMPO 1000 B.C. 500 B.C. 500 A.D. La migliore risoluzione temporale è di ~20 anni

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Archivi dei dati archeologici La ricerca archeologica tradizionale, sul campo e in laboratorio, è in genere fortemente individualizzata Difficoltà nell’accesso simultaneo a una grande quantità di informazione Tre diverse tipologie di Archivi Archeologici: –Databases ed archivi dei musei, enti pubblici, agenzie governative, imprese private e ricercatori individuali, presenti su differenti piattaforme computazionali: es. Databases geografici dei GIS archeologici, basati su anni di ricerche e archiviati su mappe digitali e non, spesso con criteri di classificazione e terminologie variabili, legate al paese e al periodo di appartenenza degli archeologi, spesso applicate in modo inconsistente –Grandi volumi di letteratura non pubblicata, consistente di relazioni, quaderni di scavo, descrizioni di reperti, ecc. con distribuzione limitata –Immagini, cartografia e documentazione fotografica incorporati nei cataloghi museali e nei reports archeologici, editi o inediti Parte di questi dati non è in formato digitale: ArchaeoGRID promuove il Digital Content in Archeologia

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Produzione, Condivisione e Diffusione dell' Informazione e della Conoscenza Archeologica Topografia Antica Ricognizione e Scavo Archeometria Simulazione Telearcheologia Visualizzazione e Narrazione ottenute con i metodi della ArchaeoGRID per la Ricerca Archeologica

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo ArchaeoGRID per altri Progetti Gestione del patrimonio archeologico dalla Conservazione all'Accesso in un periodo di “Crisi della Conservazione e Cura del Patrimonio Archeologico” Utilizzazione economica dell’informazione e della conoscenza archeologica Turismo, Divulgazione, Educazione e Didattica, Gestione del Rischio Archeologico, Gestione del Territorio …

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo L’indagine archeologica Sono ovviamente importanti le regole per analizzare e combinare le categorie di evidenza da un grande numero di discipline sia dalle scienze naturali che dalle scienze umane La storia ed evoluzione sociale, ambientale, economica di grandi regioni e territori deve essere investigata utilizzando dati archeologici, documentazione scritta, misure e dati dalle scienze della terra, ricostruzioni di paesaggi antichi, ecc. In tale ricerca è necessario creare una sinergia, in modo che i vantaggi della ricerca multidisciplinare – in cui gli specialisti lavorano individualmente con l’uso di tecniche appropriate alla loro disciplina– e di quella interdisciplinare – in cui gli specialisti cooperano scoprendo aspetti nuovi dei loro dati – possano essere combinati e resi possibili da ArchaeoGRID

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo La ricerca archeologica con ArchaeoGRID ArchaeoGRID consente a un grande numero di comunità scientifiche e di archeologi, distribuiti a livello europeo e mondiale, presenti in Università, Enti di Ricerca, Musei, di lavorare insieme su un medesimo progetto attraverso collaborazioni globali distribuite ArchaeoGRID fornisce accesso a archivi di dati e a risorse di calcolo di grandi dimensioni, a laboratori di visualizzazione di alte prestazioni e a reti a larga banda La ricerca archeologica, con ArchaeoGRID, potrà trasformarsi da una ricerca fatta da piccoli gruppi ad una ricerca fatta da Virtual Organizations (VOs) estese e multidisciplinari

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Utenti dell’informazione archeologica Misure di Laboratorio DB Bibliografia archeologica DB Oggetti Archeologici DB Immagini DB Archivi testuali DB GIS Archeologico GeoArcheologia DB Archeo Climatologia DB ArcheoZoologia/ Botanica DB Simulazioni/VR DB Media Turismo Archeologia Patrimonio Culturale Gestione del Territorio ArchaeoNet

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo ArchaeoGRID consente un nuovo modo di operare attraverso la Telearcheologia I dati da ricognizione e scavo sono sotto forma di immagini digitali e files dati con coordinate topografiche di manufatti e strutture presenti, oppure descrizioni e misure dei materiali scavati. Files di dati aggiuntivi contengono descrizioni e misure dei materiali scavati. Tali dati possono essere inviati ad ArchaeoGRID mediante canali di telecomunicazione (satellite, internet wireless, ecc.). Le immagini possono poi essere ortorettificate con l’aiuto delle coordinate topografiche, ed integrate in un GIS archeologico, insieme agli altri dati inviati dal gruppo di archeologi operanti sul campo. Allora, il gruppo sul campo può interrogare il sistema durante lo scavo e la ricognizione: un computer portatile potrà essere usato per comprendere ciò che gli archeologi stanno scavando al momento dello scavo ArchaeoGRID e la Telearcheologia

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo ArchaeoGRID consente la condivisione e la crescita della conoscenza archeologica mediante la Telearcheologia Lo scavo e la ricognizione archeologica sono totalmente trasformati grazie alla TeleArcheologia. Una più comprensibile produzione di nuovi dati può essere fatta usando una cornice coerente, costruita con la conoscenza precedente. Gli archeologi potranno comprendere ciò che stanno scavando – le aree di attività, le mura delle città, gli edifici religiosi, ecc. – integrando tutti i dati disponibili con i nuovi dati nello stesso momento in cui li trovano, senza dover attendere la fine dello scavo e della ricognizione. E molte persone potranno collaborare alla produzione di conoscenza archeologica senza trovarsi sul campo. Tutti partecipano: l’archeologo sul campo e all’università, il tecnico nel laboratorio, il pubblico al museo, lo studente nella sua classe, l’utente nel suo ufficio. L’idea della Telearcheologia è quella di generare, condividere e usare la conoscenza archeologica. Condivisione e crescita della conoscenza archeologica

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo e-Archaeology Esiste una comunità di e-Archeology che utilizza le tecnologie della comunicazione e dell’informazione per la produzione di conoscenza archeologica, per l’uso di metodi computazionali avanzati per analisi e gestione dei dati e per lo sviluppo di modelli e simulazioni

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Il sistema ArchaeoGRID

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Archeologia delle Grandi Regioni I manufatti sono sempre stati riferiti all’immediato contesto – sito –(insediamenti, necropoli, aree di attività, ecc.) - ove erano stati rinvenuti. Negli ultimi 50 anni, il contesto interpretativo si è ampliato, dal territorio intorno ai siti, alla struttura dell’insediamento, ai sistemi di insediamenti e idrografici fino ai paesaggi – landscapes -, territori e regioni, a una scala spaziale e temporale multipla dell’informazione archeologica

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Origine della Città nell’area Mediterranea L’area Mediterranea alla fine della Rivoluzione Urbana Mediterraneo fu, fra i secoli X-VIII a.C., un’area globale di scambi e traffici. I Fenici all’inizio, poi Etruschi e Greci promossero tali trasformazioni. Apparvero e crebbero rapidamente i centri urbani, e scomparvero in pochi decenni i primitivi villaggi sparsi

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo L’origine della città con ArchaeoGRID Origine della Città nell’area Mediterranea fra X-VIII sec. a.C. Ricostruzione del quadro naturale e sociale: dalle strutture ai processi Paleoclima Paesaggi di Paleoambiente e Paleoproduzione Simulazione dei processi sociali connessi con il processo di urbanizzazione nelle aree della Rivoluzione Urbana, lungo le coste del Mediterraneo, nei secoli X-VIII a.C.

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Ricostruzione dei paesaggi archeologici I dati noti e simulati su paleoclima, geomorfologia, idrografia, suoli ecc., sono usati per ricostruire gli antichi paesaggi globali e locali di paleoproduzione: –la distribuzione delle risorse (suoli per le attività agricole, miniere per la metallurgia, foreste per legname,paleobotanica, paleofauna, ecc.) –le aree di attività (tecnologia e produzione di manufatti, attività agricole e pastorali, pesca, altre attività) –le vie di comunicazione terrestri, fluviali, marittime, i porti, ecc. Le trasformazioni sociali ed economiche sono simulate mediante modelli ad agenti (MAB) di sistemi sociali complessi, per cogliere le traiettorie dinamiche dai villaggi alle città

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Modello di paesaggio: dal GIS alla simulazione dinamica F Dall’approccio statico (GIS) a quello dinamico (Sequenza diacronica del paesaggio) Layers e tematismi sincronici del GIS devono essere uniti in modo dinamico

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Modelli per l’origine della città Modelli: –Modelli sui processi di superficie, che integrano copertura vegetale, uso del suolo e paesaggi antichi, distinguendo i fattori naturali da quelli antropogenici –Modelli di Paleoclima –Simulazioni con Agent Based Model di Sistemi Socio-Ecologici  Uso antropico del suolo e relazioni socio-politiche: dai villaggi alle città Strumenti: –Integrazione fra GIS e Sistemi Agent-Based  I cambiamenti in un modulo possono influire sulle variabili che servono come input nell’altro –Test e perfezionamento dei modelli utilizzando i ricchi records archeologici e paleoecologici della regione Mediterranea

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Modello socioecologico dell’attività agro-pastorale

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo ArchaeoGRID e la Digital Library Il documento archeologico Il documento archeologico è composto da mappe, immagini, grafici, tabelle, ecc. Il tutto unito dal testo, che in quanto “narrazione”, connette tutti gli elementi del documento in una visione coerente basata sui modelli “teorici” o intuitivi dell’archeologo. Il testo è una sorta di collante che unisce tutto quanto. Il documento archeologico è un documento aperto. Gli archeologi, mediante il middleware della Digital Library, possono creare un documento dinamico digitale, revisionabile e modificabile con l’acquisizione di nuovi dati o con l’apporto di modifiche al modello, che può essere anche connesso con i dati digitali, ovunque essi siano localizzati. I documenti digitali vengono prodotti per ogni singola fase del lavoro di ricerca, come resoconto dell’attività svolta e base per quella futura La narrazione archeologica può trovare e sperimentare nuove opportunità con ArchaeoGRID.

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Archeoclimatologia L’analisi del paleoclima è importante per : –le attività agricole e pastorali –l’estensione e distribuzione delle foreste (il legname è stata una risorsa necessaria per fabbricare attrezzi da lavoro, abitazioni e navi, per la produzione ceramica, per la metallurgia, ecc.) –gli scambi e i traffici (vie di comunicazione terrestri, fluviali, marittime, porti, ecc.) –la ricostruzione del paleoambiente (geomorfologia, idrografia, livello del mare e temperature, ecc.) –le abitazioni e gli abiti –le malattie e le epidemie –ecc.

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Paleoclima ed Archeologia Durante l’Olocene, gli ultimi anni della storia terrestre, l’impatto delle attività umane sull’ambiente si è sempre accresciuto, a partire dall’origine dell’agricoltura nel Neolitico Gli studi sul paleoambiente, incluso il paleoclima, devono tenere conto con chiarezza dell’influenza esercitata dai fattori antropici e non antropici L’archeologia contribuisce alla conoscenza della situazione ambientale grazie a: –Dati su uso dei suoli (landuse, landcover), domesticazione di piante ed animali (carboni, semi, pollini, resti di legno, ossa.....), paleosuoli, paleopaesaggi,..... –Validazione dei modelli paleoclimatici

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo CCSM e MM5 in Archeologia CCSM, Global Circulation Model, e il modello di Mesoscala MM5, sono stati già usati per simulazioni di paleoclima in archeologia –Periodo Umido Africano (AHP) tra 8000 e 6000 anni fa –Last Glacial Maximum (LGM) ~21000 anni fa –Sistema insediativo della Mesopotamia durante ~4500 anni fa

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo CCSM Community Climate System Model – CCSM – è un modello climatico accoppiato per simulare il sistema climatico terrestre. È composto di quattro modelli separati che simulano simultaneamente: –Atmosfera –Oceano –Land surface –Sea-Ice e da un programma che accoppia i quattro modelli –Central Coupler Component

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo CCSM Paleo Runs I dati meteorologici ottenuti con CCSM possono essere trovati nei siti NCAR e usati come input data di MM5 Altrimenti si possono installare i pacchetti CCSM e farli girare con i corretti valori dei parametri paleoclimatici : –I parametri dell’orbita terrestre –I rapporti in volume tra i gas serra: CO 2, CH 4, N 2 O, CFC 12 (tali valori debbono essere assegnati in un modo ragionevole per il periodo studiato) –La costante solare –

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Struttura del modello MM5 Diagramma del modello MM5

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Domini in MM5 DOMAIN n.1 DOMAIN n.2 DOMAIN n.3 DOMAIN n.4 DOMAIN n.5 DOMINION n.6 L’origine della Città durante i secoli X-VIII a.C. nel bacino Mediterraneo e i DOMINI di MM5 per le simulazioni paleoclimatiche

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo MM5 Paleo Runs Input per campi statici: –Topografia; Distribuzione delle acque e delle terre; Copertura Vegetazionale (Package MM5 contiene files di dati digitali relativi alla situazione attuale, che devono essere modificati con dati geologici, paleobotanici e paleozoologici, archeologici ecc. per ricostruire l’antica topografia, uso del suolo e copertura vegetale) Input per campi non-statici: –Temperatura superficiale del mare; condizioni iniziali e al contorno per i campi 3D dei parametri meteorologici di base come la temperatura, il vento e l’umidità (I dati sono disponibili dalla simulazione paleoclimatica con CCSM )

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Conclusioni ArchaeoGRID crea la possibilità di utilizzare metodi computazionali e di archiviazione avanzati in Archeologia per generare, conservare e analizzare grandi quantità di dati da ricognizioni sul terreno, scavi, laboratori, bibliografia, e per sviluppare ed esplorare modelli e simulazioni partendo da dati che hanno un grande numero di variabili, necessarie per affrontare l’analisi dell’archeologia emergente, estesa a grandi regioni e contesti territoriali La conoscenza archeologica è frutto di un lavoro collettivo. Il procedimento di spiegazione necessita della conoscenza precedente come di un materiale di base, e questa conoscenza non esiste nella mente di un singolo scienziato, ma è distribuita nella comunità dei ricercatori, su una scala globale. Per essere capace di interpretare i dati ogni ricercatore ha necessità di una precedente conoscenza a cui fare specifico riferimento.

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Conclusioni Nella visione del “Knowledge Grid” - ArchaeoGRID agisce come un agente unificante fra applicazioni e dati non omogenei Accesso, gestione di dati e software sono un vantaggio per un modo completamente nuovo di produrre conoscenza rilevante sul piano archeologico ArchaeoGRID diviene il nuovo mezzo per il processo cognitivo in Archeologia e per l’avanzamento nell’unificazione e integrazione della conoscenza archeologica mediante l’uso delle avanzate piattaforme grid

Enabling Grids for E-sciencE INFSO-RI Grid Open Day, Universita' di Catania, 13 Marzo Ringraziamenti L’autore ringrazia il Team GILDA per le utili discussioni nel corso della preparazione del progetto e per l’installazione dei pacchetti MM5 sulla t- Infrastructure GILDA. L’autore ringrazia anche il Progetto EUMEDGRID per l’implementazione della applicazione paleoclimatica di ArchaeoGrid sulla sua Pilot Infrastructure. L’autore ringrazia anche il gruppo DILIGENT per le utili discussioni relative alla struttura del sistema ArchaeoGRID. Grazie per l’attenzione…