DOI: https://doi.org/10.5194/isprs-archives-xlviii-2-w12-2026-97-2026
تاريخ النشر: 2026-02-12
المؤلف: Paolo Clini وآخرون
الموضوع الرئيسي: المسح ثلاثي الأبعاد والتراث الثقافي
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة عملًا يتضمن سير عمل Scan-to-HBIM-to-XR مصممًا لتعزيز الحفظ الوقائي والمخطط للتراث المعماري المعقد. تجمع المنهجية بين تقنيات المسح ثلاثي الأبعاد متعددة المصادر، بما في ذلك المسح بالليزر الأرضي (TLS) والفوتوغرامتري المعتمد على الطائرات بدون طيار، لإنشاء نسخة رقمية دقيقة وجغرافية مرجعية. تعمل هذه النموذج الرقمي كأساس لإطار عمل نموذج معلومات المباني التراثية (HBIM) الغني دلاليًا، والذي يدمج البيانات الهندسية والتاريخية والتشخيصية، بما في ذلك مؤشر جودة البناء (IQM) لتقييم ظروف البناء. يتم ربط مجموعة بيانات HBIM أيضًا بتطبيق الواقع المعزز (AR)، مما يسهل الاستشارة في الموقع وتحديث بيانات BIM، مما يمكّن المستخدمين من توثيق ظواهر التدهور ونقل التحديثات في الوقت الحقيقي إلى نظام سحابي.
تظهر النتائج أن سير العمل المقترح يحول نماذج HBIM بشكل فعال إلى أدوات دعم قرار ديناميكية لإدارة الحفظ المستدام. من خلال دمج التوثيق ثلاثي الأبعاد، والهيكلة الدلالية، وتصوير الواقع المعزز، تؤسس المنهجية نهجًا قابلًا للتوسع يربط بين التمثيل الرقمي والممارسات التراثية القائمة على الميدان. يسمح دمج الواقع المعزز للخبراء بالتفاعل مباشرة مع النموذج الرقمي في الموقع، مما يعزز إدارة البيانات التاريخية والتشخيصية. يغير هذا النهج الاستباقي للحفظ التركيز من الترميم التفاعلي إلى الإدارة المعتمدة على المعرفة، مع تطبيقات محتملة في مواقع تاريخية متنوعة. ستستكشف التحسينات المستقبلية تحليل البيانات الآلي وشبكات أجهزة الاستشعار IoT، بهدف تطوير نماذج HBIM إلى توائم رقمية تشغيلية بالكامل لحفظ التراث، مما يدعم الإدارة المستدامة للبيئات المبنية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التكامل المتزايد لتقنيات المسح ثلاثي الأبعاد المتقدمة، ونمذجة المعلومات، وتقنيات الواقع الممتد (XR) في توثيق وحفظ التراث المعماري (AH). تشير هذه التقارب إلى تحول في ممارسات التراث الرقمي، حيث يتماشى إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد دقيقة بشكل متزايد مع الحاجة إلى إدارة وتفسير معلومات متنوعة على مر الزمن. تؤكد الورقة أن التمثيل الرقمي ليس مجرد وصف ولكنه عنصر حاسم في الأنظمة المعتمدة على المعرفة التي تسهل اتخاذ قرارات الحفظ. تعتبر العمليات المزدوجة للتمثيل الرقمي للهندسة المعمارية وتنظيم المعلومات الهرمية ضرورية لتطوير بيئات رقمية تدعم استراتيجيات الحفظ الوقائي والمخطط.
تناقش الورقة ظهور نمذجة معلومات المباني التراثية (HBIM) كمنهجية رئيسية لحفظ وإدارة AH، على الرغم من التحديات المتعلقة بتكيف برامج BIM المصممة أصلاً للبناء الجديد. تشير إلى أن سير العمل النموذجي لـ HBIM يعتمد بشكل كبير على المسح بالليزر الأرضي (TLS) والفوتوغرامتري، ومع ذلك يظل كثيف العمالة ويستغرق وقتًا طويلاً، خاصة بالنسبة للأنظمة المعمارية المعقدة. تهدف التطورات الأخيرة إلى تعزيز كفاءة النمذجة من خلال استخدام نماذج الشبكة المعتمدة على الواقع وتقنيات الذكاء الاصطناعي للتعرف على الميزات. تقترح البحث سير عمل مبتكر Scan-to-HBIM-to-XR مصمم للأنظمة المعمارية التاريخية، تم اختباره على أسوار مدينة فانو، إيطاليا. تدمج هذه المنهجية بيانات المسح ثلاثي الأبعاد متعددة المقاييس مع نموذج HBIM الغني دلاليًا وتدمج أداة واقع معزز للتفاعل مع الخبراء في الموقع، مما يعزز نهجًا مستدامًا ومعتمدًا على المعرفة لحفظ AH.
طرق
تقدم البحث إطارًا منهجيًا مصممًا لتعزيز توثيق وفحص وحفظ وإدارة أنظمة التراث المعماري المعقد (AH)، كما يتضح من أسوار مدينة فانو. يدمج هذا الإطار تقنيات المسح ثلاثي الأبعاد عالية الدقة، ونمذجة المعلومات الدلالية، وأدوات التفاعل الافتراضية ضمن بيئة رقمية متماسكة. يتمحور هذا النهج حول تطوير نسخة رقمية تنتقل من تمثيل هندسي دقيق إلى نظام معلومات غني دلاليًا، مما يسهل استراتيجيات الحفظ الوقائي والمخطط. تؤكد المنهجية على علاقة مستمرة وثنائية الاتجاه بين جمع البيانات، والتفسير التحليلي، والاستخدام التشغيلي، مما يضع النموذج الرقمي ككيان ديناميكي يمكن تحديثه والتحقق منه بمرور الوقت.
تنقسم العملية المنهجية إلى ثلاث مراحل رئيسية: (1) **جمع البيانات** يتضمن استخدام المسح بالليزر الأرضي (TLS) والفوتوغرامتري المعتمد على الطائرات بدون طيار لجمع بيانات هندسية دقيقة للنظام المعماري؛ (2) **معالجة البيانات** تركز على تحويل بيانات المسح إلى نموذج ثلاثي الأبعاد، مع دمج المعلومات الدلالية مثل تقنيات البناء وظروف الحفظ، مع استخدام مؤشر جودة البناء (IQM) للتقييم التشخيصي؛ و(3) **التنفيذ** يقدم أداة قائمة على الواقع الممتد (XR) تعمل كواجهة تشغيلية للتفاعل في الموقع مع النموذج الغني، مما يسمح بالاستشارة، والتعليق، والتحديثات مباشرة في الميدان. يهدف هذا الإطار المتكامل إلى ربط التوثيق الرقمي بممارسات الحفظ، مما يدعم التفسير التحليلي واتخاذ القرارات المستنيرة في إدارة التراث المعماري.
نتائج
توضح قسم النتائج فعالية الأداة المقترحة للواقع المعزز (AR) في تسهيل الوصول إلى المعلومات الدلالية المتعلقة بالعناصر المعمارية وتصورها. يمكن للمستخدمين التفاعل مع تطبيق AR عبر جهاز محمول لاسترجاع البيانات السياقية من خلال اختيار مكونات معينة، مما يحفز طلبًا إلى نظام سحابي. يعيد هذا النظام المعلومات ذات الصلة، مثل الأوصاف النصية، والبيانات الرقمية، والمراجع الوثائقية، دون تخزين مجموعة البيانات محليًا. من الجدير بالذكر أن أداة AR تسمح بتوثيق ظواهر التدهور خلال الفحوصات في الموقع، باستخدام المحاذاة المكانية من خلال أهداف المنطقة لتحديد وتسجيل المناطق المتأثرة مباشرة على العمارة.
تُرسل البيانات المجمعة، التي تشمل تحديد المواقع المكانية، والسمات الوصفية، والأدلة الفوتوغرافية، إلى السحابة للتكامل في إطار نمذجة معلومات المباني التاريخية (HBIM). تدير هذه الطريقة التدهور ككيان معلوماتي متميز، مع الحفاظ على سلامة الهندسة المعمارية الأساسية مع تمكين التحليل الزمني لظروف الحفظ. يستوعب النظام ظواهر تدهور متعددة لنفس العنصر، مما يسمح بتمثيل حالات الحفظ المتنوعة وتتبع التحديثات بمرور الوقت. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمستخدمين إنشاء تعليقات توضيحية جغرافية مرجعية تتكامل في نموذج HBIM، مما يعزز الملاحظات السياقية. يدعم الهيكل السحابي المرن استعلامات فعالة وتحديث بيانات التدهور والتعليقات التوضيحية، مما يسهل المراقبة المستمرة والتخطيط للحفظ. يتم أيضًا مزامنة التعديلات في الوقت الحقيقي التي تتم في الموقع مع نظام السحابة، مما يضمن بقاء نموذج المعلومات محدثًا.
مناقشة
ت outlines قسم المناقشة في الورقة البحثية منهجية شاملة لتوثيق وحفظ أسوار مدينة فانو، باستخدام استراتيجية مسح متعددة المقاييس متكاملة. استخدمت مرحلة جمع البيانات المسح بالليزر الأرضي (TLS) والفوتوغرامتري المعتمد على الطائرات بدون طيار (UAV) لالتقاط تمثيلات هندسية مفصلة وشاملة للجدران. أنتج مسح TLS، الذي تم إجراؤه باستخدام Leica ScanStation P40 وRTC360، سحابة نقاط موحدة من خلال محاذاة سحابة إلى سحابة لـ 119 مسحًا، مما يضمن موثوقية هندسية عالية. بشكل تكميلي، أنتج مسح UAV أكثر من 4200 صورة عالية الدقة تمت معالجتها عبر سير عمل الهيكل من الحركة، مما يلتقط ميزات عادة ما تكون غير قابلة للوصول من مستوى الأرض. سهل دمج هذه المجموعات البيانية ضمن نظام مرجعي مكاني مشترك تمثيلًا هندسيًا شاملاً، وهو أمر ضروري لنمذجة ثلاثية الأبعاد وتحليل الحفظ اللاحق.
حولت مرحلة النمذجة ثلاثية الأبعاد سحابة النقاط المدمجة إلى نموذج معلومات دلالي، مع التركيز على منطقة الطيار من Porta della Mandria. سمح نهج قائم على المكونات بتقسيم الجدران بناءً على تقنيات البناء وخصائص المواد، مع ربط كل عنصر بسمات منظمة تدعم تقييمات الحفظ. تم تقديم مؤشر جودة البناء (IQM) كقياس كمي للموثوقية الهيكلية، مما يتيح التحليل المقارن عبر أقسام الجدران المختلفة. يعمل هذا النموذج كمستودع مركزي للمعلومات الهندسية والوصفية، مما يعزز فهم حالة الحفظ للنظام المعماري. تضمنت المرحلة النهائية تطوير تطبيق واقع معزز (AR)، يوفر واجهة تشغيلية للوصول إلى البيانات في الموقع وتحديثاتها. تسمح هذه الأداة AR، المدعومة ببنية تحتية سحابية، بالتفاعل في الوقت الحقيقي مع نموذج HBIM، مما يسهل حلقة تغذية راجعة ديناميكية بين العمليات الميدانية ونظام المعلومات المركزي. بشكل عام، يمثل سير العمل المقترح نهجًا استباقيًا ومعتمدًا على المعرفة لحفظ التراث، مع إمكانية تطبيقه على مواقع تاريخية أخرى. تهدف التحسينات المستقبلية إلى دمج تحليل البيانات الآلي وشبكات أجهزة الاستشعار IoT، مما يعزز المزيد من دمج نماذج HBIM في توائم رقمية تشغيلية لإدارة التراث.
DOI: https://doi.org/10.5194/isprs-archives-xlviii-2-w12-2026-97-2026
Publication Date: 2026-02-12
Author(s): Paolo Clini et al.
Primary Topic: 3D Surveying and Cultural Heritage
Overview
This paper introduces a Scan-to-HBIM-to-XR workflow designed to enhance preventive and planned conservation of complex architectural heritage. The methodology combines multi-source 3D surveying techniques, including Terrestrial Laser Scanning (TLS) and UAV-based photogrammetry, to create an accurate, georeferenced digital replica. This digital model serves as the foundation for a semantically enriched Heritage Building Information Modeling (HBIM) framework, which integrates geometric, historical, and diagnostic data, including a Masonry Quality Index (IQM) for assessing masonry conditions. The HBIM dataset is further linked to an Augmented Reality (AR) application, facilitating on-site consultation and updates of BIM data, thereby enabling users to document degradation phenomena and transmit real-time updates to a cloud system.
The findings demonstrate that the proposed workflow effectively transforms HBIM models into dynamic decision-support tools for sustainable conservation management. By merging 3D documentation, semantic structuring, and AR visualization, the methodology establishes a scalable approach that bridges digital representation with field-based heritage practices. The integration of AR allows experts to interact directly with the digital model on-site, enhancing the management of historical and diagnostic data. This proactive approach to conservation shifts the focus from reactive restoration to knowledge-driven management, with potential applications in various historic sites. Future enhancements will explore automated data analysis and IoT sensor networks, aiming to evolve HBIM models into fully operational digital twins for heritage conservation, thereby supporting sustainable management of built environments.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing integration of advanced 3D surveying techniques, information modeling, and eXtended Reality (XR) technologies in the documentation and conservation of Architectural Heritage (AH). This convergence signifies a shift in digital heritage practices, where the creation of accurate 3D models is increasingly aligned with the need to manage and interpret diverse information over time. The paper emphasizes that digital representation is not merely descriptive but serves as a crucial element in knowledge-based systems that facilitate conservation decision-making. The dual processes of digital representation of architectural geometry and hierarchical information organization are essential for developing digital environments that support preventive and planned conservation strategies.
The paper discusses the emergence of Heritage Building Information Modelling (HBIM) as a key methodology for the conservation and management of AH, despite challenges related to the adaptation of BIM software originally designed for new constructions. It notes that typical HBIM workflows rely heavily on terrestrial laser scanning (TLS) and photogrammetry, yet remain labor-intensive and time-consuming, particularly for complex masonry systems. Recent advancements aim to enhance modeling efficiency through the use of reality-based mesh models and AI techniques for feature recognition. The research proposes a novel Scan-to-HBIM-to-XR workflow tailored for historic masonry systems, tested on the city walls of Fano, Italy. This methodology integrates multi-scale 3D survey data with a semantically enriched HBIM model and incorporates an augmented reality tool for onsite expert interaction, promoting a sustainable and knowledge-driven approach to AH conservation.
Methods
The research presents a methodological framework designed to enhance the documentation, inspection, conservation, and management of complex architectural heritage (AH) systems, exemplified by the city walls of Fano. This framework integrates high-resolution 3D survey techniques, semantic information modeling, and virtual interaction tools within a cohesive digital environment. Central to this approach is the development of a digital replica that transitions from a geometrically precise representation to a semantically enriched information system, facilitating preventive and planned conservation strategies. The methodology emphasizes a continuous, bidirectional relationship between data acquisition, analytical interpretation, and operational use, positioning the digital model as a dynamic entity that can be updated and validated over time.
The methodological process is divided into three key phases: (1) **Data Acquisition** involves the use of Terrestrial Laser Scanning (TLS) and UAV-based photogrammetry to gather accurate geometric data of the architectural system; (2) **Data Processing** focuses on transforming the survey data into a 3D model, incorporating semantic information such as construction techniques and conservation conditions, while employing the Masonry Quality Index (IQM) for diagnostic assessment; and (3) **Implementation** introduces an extended reality (XR)-based tool that serves as an operational interface for in situ interaction with the enriched model, allowing for data consultation, annotation, and updates directly in the field. This integrated framework aims to connect digital documentation with conservation practices, thereby supporting analytical interpretation and informed decision-making in the management of architectural heritage.
Results
The results section details the effectiveness of the proposed augmented reality (AR) tool in facilitating access to and visualization of semantic information related to architectural elements. Users can interact with the AR application via a mobile device to retrieve contextual data by selecting specific components, which prompts a request to a cloud-based system. This system returns relevant information, such as textual descriptions, numerical data, and documentation references, without storing the dataset locally. Notably, the AR tool allows for the documentation of degradation phenomena during on-site inspections, utilizing spatial alignment through Area Targets to identify and record affected areas directly on the architecture.
The collected data, which includes spatial localization, descriptive attributes, and photographic evidence, is transmitted to the cloud for integration into the Historical Building Information Modeling (HBIM) framework. This method effectively manages degradation as a distinct information entity, maintaining the integrity of the primary architectural geometry while enabling diachronic analysis of conservation conditions. The system accommodates multiple degradation phenomena for the same element, allowing for the representation of diverse conservation states and the tracking of updates over time. Additionally, users can create georeferenced AR annotations that integrate into the HBIM model, enhancing contextual observations. The flexible cloud-based structure supports efficient querying and updating of degradation data and annotations, facilitating ongoing monitoring and conservation planning. Real-time modifications made on-site are also synchronized with the cloud system, ensuring that the information model remains current.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines a comprehensive methodology for the documentation and conservation of the city walls of Fano, utilizing an integrated multi-scale survey strategy. The data acquisition phase employed Terrestrial Laser Scanning (TLS) and Unmanned Aerial Vehicle (UAV)-based photogrammetry to capture both detailed and overarching geometric representations of the walls. The TLS survey, conducted with a Leica ScanStation P40 and RTC360, produced a unified point cloud through a cloud-to-cloud alignment of 119 scans, ensuring high geometric reliability. Complementarily, a UAV survey generated over 4200 high-resolution images processed via a Structure-from-Motion workflow, capturing features typically inaccessible from ground level. The integration of these datasets within a common spatial reference system facilitated a comprehensive geometric representation, essential for subsequent 3D modeling and conservation analysis.
The 3D modeling phase transformed the integrated point cloud into a semantic information model, focusing on the pilot area of Porta della Mandria. A component-based approach allowed for the segmentation of the walls based on construction techniques and material characteristics, with each element linked to structured attributes supporting conservation assessments. The Masonry Quality Index (IQM) was introduced as a quantitative measure of structural reliability, enabling comparative analysis across different wall sections. This model serves as a centralized repository for geometric and descriptive information, enhancing understanding of the architectural system’s conservation state. The final phase involved the development of an Augmented Reality (AR) application, providing an operational interface for on-site data access and updates. This AR tool, supported by a cloud-based infrastructure, allows for real-time interaction with the HBIM model, facilitating a dynamic feedback loop between field operations and the central information system. Overall, the proposed workflow exemplifies a proactive, knowledge-driven approach to heritage conservation, with potential applicability to other historic sites. Future enhancements aim to incorporate automated data analysis and IoT sensor networks, further advancing the integration of HBIM models into operational digital twins for heritage management.