DOI: https://doi.org/10.3390/drones8060250
تاريخ النشر: 2024-06-06
المؤلف: Guiye Lin وآخرون
الموضوع الرئيسي: المسح ثلاثي الأبعاد والتراث الثقافي
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث تكامل الرقمنة ثلاثية الأبعاد وتكنولوجيا الطائرات بدون طيار في الحفاظ على التراث المعماري وترميمه، مع التركيز على تطبيقها في حالة كنيسة سانتو ستيفانو في فولتيرا، إيطاليا. باستخدام الطائرات بدون طيار لجمع البيانات بدون اتصال، تستخدم الدراسة تقنيات مثل التصوير المائل “قريب + محيط”، ومطابقة الصور، ورؤية الكمبيوتر لإنشاء نماذج سحاب نقطية ثلاثية الأبعاد مفصلة. يتم تعزيز هذه النماذج من خلال نمذجة معلومات المباني التراثية (HBIM) والواقع الافتراضي (VR)، مما يسمح بترميم أصيل للمظهر الأصلي للكنيسة وتوفير بيانات أساسية لجهود الحماية والتحول المستمرة.
تسلط النتائج الضوء على كفاءة التصوير الفوتوغرافي القريب القائم على الطائرات بدون طيار في توثيق الأطلال المعمارية التي لا يمكن إصلاحها، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف العمل والوقت المرتبطة بأساليب المسح التقليدية. تظهر الأبحاث أن هذا النهج الرقمي لا يسهل فقط الحفاظ على التراث الثقافي، بل يعزز أيضًا السياحة والتعليم الثقافي. مع استمرار تقدم علوم الكمبيوتر، تتوقع الورقة أن التقنيات الناشئة مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد، والبيانات الضخمة، والواقع المعزز (AR)، والذكاء الاصطناعي، والروبوتات ستعزز بشكل أكبر الحماية المنهجية للتراث المعماري، مما يمهد الطريق لأساليب مبتكرة في الحفاظ على التراث.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة أهمية التراث المعماري، الذي يتم تصنيفه إلى التراث الحضري، والتراث الطبيعي، والتراث المعماري، حيث يحمل كل منها أهمية ثقافية ومادية واجتماعية. لا يعكس التراث المعماري الهوية الثقافية الفريدة لمكان ما فحسب، بل يعمل أيضًا كوسيلة حاسمة للحفاظ على المعتقدات والعادات الاجتماعية. ومع ذلك، فإنه يواجه العديد من التحديات، بما في ذلك التدهور الناتج عن التحضر، والكوارث الطبيعية، والتعديلات غير المناسبة. تؤكد أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة وأجندة المدن الجديدة 2030 على الحاجة إلى حماية التراث الثقافي وتشجع على دمج التقنيات الرقمية في جهود الحفظ.
تسلط الورقة الضوء على دور الأدوات الرقمية، مثل المسح ثلاثي الأبعاد والنمذجة، في الحفاظ على التراث الثقافي وتوثيقه، مما يسمح بإعادة إنشاء المواقع التاريخية افتراضيًا دون المساس بسلامتها المادية. يتم تقديم نمذجة معلومات المباني التراثية (HBIM) كنموذج جديد لإدارة بيانات التراث، مما يسهل توثيقًا أكثر كفاءة ودقة مقارنة بالطرق التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، تناقش الورقة مزايا استخدام الطائرات بدون طيار (UAVs) في مسح التراث المعماري، والتي يمكن أن تتغلب على قيود الأساليب اليدوية من خلال توفير بيانات مفصلة ومتعددة الزوايا مع ضمان سلامة الأفراد. تُعتبر الطائرات بدون طيار حلاً فعالاً من حيث التكلفة لالتقاط التفاصيل المعقدة للمباني التاريخية، مما يعزز الفهم والعرض لقيمها الثقافية.
الطرق
تطورت منهجية نمذجة الممتلكات التراثية بشكل كبير مع دمج الرسوميات الحاسوبية ثلاثية الأبعاد ونمذجة معلومات المباني (BIM)، مما أدى إلى تطوير نمذجة معلومات المباني التراثية (HBIM). قدم وانغ وآخرون نهجًا جديدًا لـ HBIM يستخدم بيانات قياس الليزر والصور لإعادة البناء الافتراضي، مما يمكن من إنشاء نسخ رقمية من الكائنات التراثية بناءً على مصادر بيانات متنوعة، بما في ذلك الوثائق التاريخية والصور الفوتوغرافية. لا يهدف هذا العملية فقط إلى إعادة إنشاء الماضي، بل أيضًا إلى تصور الحاضر وتوقع الظروف المستقبلية لمواقع التراث.
لقد عززت التطورات الأخيرة في تقنيات التقاط الواقع دقة وفعالية تكلفة الحصول على بيانات السحاب النقطي ثلاثي الأبعاد، وهو أمر ضروري لعملية المسح إلى BIM. يمكن الحصول على هذه البيانات، التي تتميز بالإحداثيات في الفضاء ثلاثي الأبعاد، من خلال طرق مثل المسح بالليزر والرسوميات ثلاثية الأبعاد. بينما تم تطوير تقنيات نمذجة شبه آلية لتحسين الدقة – غالبًا ما تتضمن أسطح ومنحنيات NURBS للأشكال المعقدة – لا تزال هذه الطرق تتطلب تدخلًا يدويًا، مما يجعلها كثيفة العمالة وذات طابع شخصي. وبالتالي، يركز الباحثون على إنشاء أنظمة آلية يمكنها توليد نماذج BIM مكتملة التوثيق من مدخلات السحاب النقطي. تشمل المساهمات البارزة سير العمل لإعادة بناء نماذج المدن ثلاثية الأبعاد ودمج بيانات السحاب النقطي في بيئات BIM، مع التركيز المتزايد على الاستفادة من الذكاء الاصطناعي والتعلم العميق لتعزيز دقة النمذجة والأتمتة في الأبحاث المستقبلية.
النتائج
تشير النتائج إلى أن نمذجة معلومات المباني التراثية (HBIM) تعمل كنهج تقني متقدم لإدارة معلومات المباني التراثية. تم تطوير مكتبة مكونات معيارية باستخدام برنامج متعدد المنصات يدمج بيانات السحاب النقطي والنمذجة الفوتوغرافية مع معلومات المباني التاريخية الموجودة. يسمح هذا التكامل لـ HBIM بتمثيل المظهر الأصلي للمباني بشكل أكثر بديهية ودقة مقارنة بالطرق التقليدية ثنائية الأبعاد، التي تعتمد على النصوص والصور والرسومات.
علاوة على ذلك، يعزز HBIM إدارة البيانات من خلال إنشاء سجلات ثلاثية الأبعاد للبيانات غير الهندسية، مما يوفر رؤى شاملة حول الأداء الحالي للتراث المعماري. لا تحسن هذه القدرة من الحفاظ على الهياكل التاريخية وفهمها فحسب، بل تسهل أيضًا اتخاذ قرارات أفضل في جهود الحفاظ على التراث.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التقدم والتطبيقات لنمذجة معلومات المباني التاريخية (HBIM) في الحفاظ على التراث المعماري، لا سيما من خلال دمج تكنولوجيا الطائرات بدون طيار. لقد ظهرت HBIM كأداة حاسمة في علم الآثار والتراث المعماري بسبب دقتها المحسنة في النمذجة وقدرتها على التكيف مع المتطلبات الوظيفية المحددة. لقد عزز دمج تقنيات الاستشعار عن بعد، مثل LiDAR والطائرات بدون طيار، دقة نماذج HBIM، مما يسمح بالتوثيق الشامل للميزات المعمارية والظروف. يتم تقسيم سير العمل لتنفيذ HBIM إلى سبع خطوات، تشمل جمع البيانات، وتوليد السحاب النقطي، وإنشاء نماذج مفصلة يمكن أن تفيد جهود الترميم.
تتركز دراسة الحالة على كنيسة سانتو ستيفانو في فولتيرا، إيطاليا، موضحة التحديات التي تواجه ترميم الهياكل التاريخية التي تفتقر إلى الوثائق الكافية. لقد أثبت استخدام الطائرات بدون طيار في التصوير الفوتوغرافي الجوي أنه مفيد، مما يتيح جمع البيانات غير الغازية وقياس المناطق الكبيرة بكفاءة. تسهل بيانات السحاب النقطي الناتجة عن صور الطائرات بدون طيار تقييم المشكلات الهيكلية وتساعد في تطوير مكتبة مكونات معيارية ضمن إطار عمل HBIM. لا تعمل هذه المكتبة على توحيد العناصر المعمارية التاريخية فحسب، بل تدعم أيضًا المحاكاة الافتراضية لتقييم استراتيجيات الترميم. تبرز الطريقة الدقيقة للترميم، المستندة إلى الوثائق التفصيلية المقدمة من HBIM، أهمية الحفاظ على التراث الثقافي مع ضمان أصالة وسلامة الهياكل التاريخية.
DOI: https://doi.org/10.3390/drones8060250
Publication Date: 2024-06-06
Author(s): Guiye Lin et al.
Primary Topic: 3D Surveying and Cultural Heritage
Overview
The research paper discusses the integration of 3D digitalization and drone technology in the preservation and restoration of architectural heritage, emphasizing its application in the case of the Santo Stefano Church in Volterra, Italy. Utilizing unmanned aerial vehicles (UAVs) for non-contact data collection, the study employs techniques such as “close + surround” oblique photography, image matching, and computer vision to create detailed 3D point cloud models. These models are further enhanced through heritage building information modeling (HBIM) and virtual reality (VR), allowing for an authentic restoration of the church’s original appearance and providing essential data for ongoing protection and transformation efforts.
The findings highlight the efficiency of drone-based close-range photogrammetry in documenting architectural ruins that are beyond repair, significantly reducing labor and time costs associated with traditional surveying methods. The research demonstrates that this digital approach not only facilitates the preservation of cultural heritage but also serves to promote tourism and cultural education. As advancements in computer science continue, the paper anticipates that emerging technologies such as 3D printing, big data, augmented reality (AR), artificial intelligence, and robotics will further enhance the systematic protection of architectural heritage, paving the way for innovative methodologies in heritage conservation.
Introduction
The introduction of the paper discusses the significance of architectural heritage, which is categorized into urban, landscape, and architectural heritage, each holding cultural, material, and social importance. Architectural heritage not only reflects the unique cultural identity of a locality but also serves as a crucial medium for preserving societal beliefs and customs. However, it faces numerous challenges, including degradation from urbanization, natural disasters, and inappropriate alterations. The UN’s Sustainable Development Goals and the New Urban Agenda 2030 emphasize the need for protecting cultural heritage and encourage the integration of digital technologies in conservation efforts.
The paper highlights the role of digital tools, such as 3D scanning and modeling, in the preservation and documentation of cultural heritage, allowing for the virtual recreation of historical sites without compromising their physical integrity. The introduction of Heritage Building Information Modeling (HBIM) is presented as a new paradigm for managing heritage data, facilitating more efficient and accurate documentation compared to traditional methods. Additionally, the paper discusses the advantages of using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) for architectural heritage surveying, which can overcome the limitations of manual methods by providing detailed, multi-perspective data while ensuring the safety of personnel. UAVs are positioned as a cost-effective solution for capturing the intricate details of historical buildings, thereby enhancing the understanding and presentation of their cultural values.
Methods
The methodology for modeling heritage properties has evolved significantly with the integration of three-dimensional computer graphics and Building Information Modeling (BIM), leading to the development of Heritage BIM (HBIM). Wang et al. introduced a novel approach to HBIM that utilizes laser and image measurement data for virtual reconstruction, which can create digital replicas of heritage objects based on various data sources, including historical documents and photographs. This process not only aims to recreate the past but also to visualize the present and forecast future conditions of heritage sites.
Recent advancements in reality capture technologies have enhanced the accuracy and cost-effectiveness of acquiring 3D point cloud data, which is essential for the scan-to-BIM process. This data, characterized by coordinates in three-dimensional space, can be obtained through methods such as laser scanning and 3D graphics. While semi-automated modeling techniques have been developed to improve accuracy—often incorporating NURBS surfaces and curves for complex shapes—these methods still require manual intervention, making them labor-intensive and subjective. Consequently, researchers are focusing on creating automated systems that can generate fully annotated as-built BIMs from point cloud inputs. Notable contributions include workflows for reconstructing 3D city models and integrating point cloud data into BIM environments, with a growing emphasis on leveraging artificial intelligence and deep learning to enhance modeling precision and automation in future research.
Results
The results indicate that Heritage Building Information Modeling (HBIM) serves as an advanced technical approach for managing heritage building information. A standard parametric component library is developed using a cross-platform program that integrates point cloud and photographic modeling data with existing historical building information. This integration allows HBIM to represent the original appearance of buildings more intuitively and accurately compared to traditional two-dimensional methods, which rely on text, images, and drawings.
Furthermore, HBIM enhances data management by creating three-dimensional records of non-geometric data, thereby offering comprehensive insights into the current performance of architectural heritage. This capability not only improves the preservation and understanding of historical structures but also facilitates better decision-making in heritage conservation efforts.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the advancements and applications of Historical Building Information Modeling (HBIM) in the preservation of architectural heritage, particularly through the integration of drone technology. HBIM has emerged as a crucial tool in archaeology and architectural heritage due to its enhanced modeling accuracy and adaptability to specific functional requirements. The integration of remote sensing technologies, such as LiDAR and UAVs, has further refined the precision of HBIM models, allowing for comprehensive documentation of architectural features and conditions. The workflow for HBIM implementation is delineated into seven steps, encompassing data collection, point cloud generation, and the creation of detailed models that can inform restoration efforts.
The case study focuses on the Santo Stefano Church in Volterra, Italy, illustrating the challenges of restoring historical structures lacking adequate documentation. The use of drones for aerial photogrammetry has proven advantageous, enabling non-invasive data collection and efficient measurement of large areas. The point cloud data generated from drone imagery facilitates the assessment of structural issues and aids in the development of a parametric component library within the HBIM framework. This library not only standardizes historical architectural elements but also supports virtual simulations for evaluating restoration strategies. The meticulous approach to restoration, grounded in the detailed documentation provided by HBIM, underscores the importance of preserving cultural heritage while ensuring the authenticity and integrity of historic structures.