DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38200-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41651977
تاريخ النشر: 2026-02-06
المؤلف: Rnin Salah وآخرون
الموضوع الرئيسي: المسح ثلاثي الأبعاد والتراث الثقافي
نظرة عامة
يقدم هذا القسم من ورقة البحث سير عمل هجين من المسح إلى نموذج معلومات المباني (Scan-to-BIM) يهدف إلى تحسين دقة واكتمال نماذج معلومات المباني (BIM) في البيئات الصعبة، وخاصة للهياكل ذات الوصول المحدود والهندسة المعقدة. تستخدم الدراسة استراتيجية من مرحلتين تم التحقق منها من خلال دراسة حالة لكابينة سوبرونهورباكس. في المرحلة الأولى، أدى الجمع بين المسح بالليزر الأرضي (TLS) والتصوير الفوتوغرافي القائم على الأرض إلى تغطية بنسبة 54% فقط بسبب العوائق ومحدودية وضع الماسح. وقد أدى ذلك إلى تطوير نموذج تقدير جدوى المسح التنبؤي (PSFEM)، الذي يعمم المعلمات الخاصة بالموقع لتعزيز تخطيط المسح المستقبلي. تضمنت المرحلة الثانية التصوير الفوتوغرافي بالطائرات بدون طيار (UAV) جنبًا إلى جنب مع TLS الإضافي، مما حقق زيادة كبيرة في التغطية إلى 96% وأظهر تحسينًا في الاكتمال الهندسي والدقة.
تؤكد النتائج على فعالية نهج اكتساب البيانات الهجينة المرحلية، الذي ينتقل من نموذج “تنبؤ ثم التقاط” التفاعلي إلى التنبؤ. على الرغم من أن PSFEM تم تطويره بأثر رجعي، إلا أنه يوضح إمكانيته في توجيه جهود التوثيق المستقبلية من خلال تحديد الحاجة إلى بيانات الطائرات بدون طيار أو بيانات TLS إضافية. تشمل النتائج الرئيسية من دراسة الحالة توثيقًا ناجحًا للميزات المرتفعة والم occluded مع تقليل العمل الميداني المكرر من خلال التقييمات التكرارية. يوفر الإطار المقترح دليلًا عمليًا للمهنيين في مجال التراث، مما يسهل اتخاذ القرارات المستندة إلى الأدلة في سيناريوهات التوثيق المعقدة. ستركز الأبحاث المستقبلية على التحقق من صحة PSFEM عبر سياقات مختلفة ودمج تقنيات متقدمة مثل الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة لتعزيز كفاءة ومرونة سير عمل HBIM للحفاظ على التراث الثقافي.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التقدم في نمذجة معلومات المباني التاريخية (HBIM) وتأثيرها على توثيق وإدارة الهياكل التراثية. تسهل HBIM إنشاء توائم رقمية بارامترية من البيانات الهندسية والبصرية، مما يعزز تقييمات الحالة، والتحليلات الهيكلية، وجهود الحفظ. تم تسليط الضوء على دمج HBIM مع أنظمة مثل نظم المعلومات الجغرافية (GIS) والتصوير الفوتوغرافي، على الرغم من أن موثوقية مخرجات HBIM تعتمد على الدقة والتغطية. يمكن أن تؤدي البيانات غير المكتملة إلى أخطاء كبيرة في قرارات الحفظ، مما يبرز الحاجة إلى تقنيات توثيق شاملة.
تؤكد الورقة على أهمية المسح بالليزر الأرضي (TLS) والتصوير الفوتوغرافي عن قرب كأدوات أساسية لتوثيق التراث. بينما يوفر TLS دقة عالية وكثافة نقاط متسقة، يقدم التصوير الفوتوغرافي نسيجًا بالألوان الحقيقية وحلولًا فعالة من حيث التكلفة للسيناريوهات البصرية المعقدة. لقد أظهر دمج هذه الأساليب وعدًا في التغلب على قيودها الفردية، ومع ذلك تبقى التحديات بسبب القيود الخاصة بالموقع التي يمكن أن تعيق التقاط البيانات. ظهرت التطورات الأخيرة في التصوير الفوتوغرافي بالطائرات بدون طيار كحل للوصول إلى المناطق الصعبة، على الرغم من أن الممارسات الحالية غالبًا ما تؤدي إلى عدم الكفاءة في تخطيط المسح. يقدم إدخال نمذجة التنبؤ واستراتيجيات المحاكاة من المجالات ذات الصلة طريقًا محتملاً لتحسين تخطيط مسح HBIM، مع استمرار الأبحاث في استكشاف دمج أدوات النمذجة الهندسية والمحاكاة لتعزيز تغطية البيانات وجودتها.
الطرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك مصادرها وطرق إعدادها، بالإضافة إلى المعدات والتقنيات المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها. يصف القسم أيضًا البروتوكولات التجريبية، بما في ذلك أي ضوابط، ومتغيرات، وطرق إحصائية تم تطبيقها لضمان صلاحية وموثوقية النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، تؤكد المنهجية على المنطق وراء التقنيات المختارة، مما يوفر نظرة ثاقبة حول كيفية توافقها مع أهداف الدراسة. يضمن هذا النهج الشامل أن تكون النتائج قوية وقابلة للتكرار، مما يسمح بفهم واضح للإطار التجريبي وآثاره على نتائج البحث.
النتائج
في هذا القسم، يتم تقديم نتائج سير العمل الهجين المرحلي، مع تسليط الضوء على تحليل مقارن بين المرحلة الأولى، التي تضمنت مسحًا قائمًا على الأرض، والمرحلة الثانية، التي استخدمت مسحًا معززًا بالطائرات بدون طيار. تشير مقاييس التقييم إلى تحسينات كبيرة عبر عدة معلمات رئيسية: الدقة، والكثافة، والاكتفاء، وجودة السطح.
تشير النتائج إلى أن دمج تكنولوجيا الطائرات بدون طيار في المرحلة الثانية يعزز بشكل ملحوظ الأداء العام لعملية المسح، مما يوفر بيانات أكثر دقة وشمولية. يبرز هذا التحليل المقارن مزايا استخدام تقنيات المسح المتقدمة لتحقيق نتائج متفوقة في جمع البيانات وتحليلها.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على التقدم الكبير في منهجيات اكتساب البيانات الهجينة لنمذجة معلومات المباني التراثية (HBIM)، وخاصة في المواقع المعقدة مثل كابينة سوبرونهورباكس. يؤكد على تطوير نموذج تقدير جدوى المسح التنبؤي (PSFEM) الذي يقيم بشكل كمي جدوى المسح القائم على الأرض قبل جمع البيانات. نشأ هذا النموذج من القيود التي لوحظت خلال مرحلة المسح الأولية، حيث تم تحقيق تغطية بنسبة 53.6% فقط بسبب قيود الموقع مثل الكثافة النباتية والممرات الضيقة. يعمل PSFEM كأداة دعم للقرارات، مما يمكّن فرق التراث من تحديد الحاجة إلى اكتساب بيانات جوية، وبالتالي تحسين استخدام الموارد وتوحيد جهود جمع البيانات.
تظهر دراسة الحالة فعالية استراتيجية الاكتساب الهجينة ذات المرحلتين، التي جمعت بين المسح بالليزر الأرضي (TLS) والتصوير الفوتوغرافي الجوي. حسنت المرحلة الثانية التغطية بشكل كبير إلى 96.3% وكثافة النقاط من 49 مليون إلى 89 مليون نقطة، مع الحفاظ على الدقة الهندسية. تؤكد الورقة على أهمية نهج منظم لتخطيط المسح، الذي يدمج التحليلات التنبؤية لتعزيز جودة وكفاءة التوثيق في ممارسات الحفاظ على التراث. تدعو النتائج إلى اعتماد PSFEM في سير عمل HBIM المستقبلية، مما يعزز التحول نحو اتخاذ القرارات المستندة إلى البيانات في توثيق التراث.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38200-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41651977
Publication Date: 2026-02-06
Author(s): Rnin Salah et al.
Primary Topic: 3D Surveying and Cultural Heritage
Overview
This research paper section presents a hybrid Scan-to-BIM workflow aimed at improving the accuracy and completeness of Building Information Models (BIM) in challenging environments, particularly for structures with restricted access and complex geometries. The study employs a two-phase strategy validated through a case study of the Sopronhorpács Chapel. In Phase 1, a combination of terrestrial laser scanning (TLS) and ground-based photogrammetry resulted in only 54% coverage due to occlusions and limited scanner placement. This prompted the development of a Predictive Scan Feasibility Estimation Model (PSFEM), which generalizes site-specific parameters to enhance future survey planning. Phase 2 incorporated UAV photogrammetry alongside supplemental TLS, achieving a significant increase in coverage to 96% and demonstrating improved geometric completeness and accuracy.
The findings underscore the effectiveness of a phased hybrid data acquisition approach, which transitions from a reactive to a predictive “Predict Then Capture” paradigm. The PSFEM, although developed retrospectively, illustrates its potential in guiding future documentation efforts by determining the necessity for drone or additional TLS data. Key outcomes from the case study include successful documentation of elevated and occluded features while minimizing redundant fieldwork through iterative assessments. The proposed framework serves as a practical guide for heritage professionals, facilitating evidence-based decision-making in complex documentation scenarios. Future research will focus on validating the PSFEM across various contexts and integrating advanced technologies such as AI and machine learning to further enhance the efficiency and adaptability of HBIM workflows for cultural heritage preservation.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the advancements in Historic Building Information Modeling (HBIM) and its impact on the documentation and management of heritage structures. HBIM facilitates the creation of parametric digital twins from geometric and visual data, enhancing condition assessments, structural analyses, and conservation efforts. The integration of HBIM with systems like GIS and photogrammetry has been highlighted, although the reliability of HBIM outputs is contingent upon accuracy and coverage. Incomplete data can lead to significant errors in conservation decisions, underscoring the need for comprehensive documentation techniques.
The paper emphasizes the importance of terrestrial laser scanning (TLS) and close-range photogrammetry as foundational tools for heritage documentation. While TLS provides high precision and consistent point density, photogrammetry offers true-color textures and cost-effective solutions for complex visual scenarios. The integration of these methods has shown promise in overcoming their individual limitations, yet challenges remain due to site-specific constraints that can hinder data capture. Recent developments in drone-based photogrammetry have emerged as a solution for accessing difficult areas, although current practices often lead to inefficiencies in survey planning. The introduction of predictive modeling and simulation strategies from related fields presents a potential avenue for improving HBIM survey planning, with ongoing research exploring the integration of geometric modeling and simulation tools to enhance data coverage and quality.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including their sources and preparation methods, as well as the equipment and technologies utilized for data collection and analysis. The section also describes the experimental protocols, including any controls, variables, and statistical methods applied to ensure the validity and reliability of the results.
Additionally, the methodology emphasizes the rationale behind the chosen techniques, providing insight into how they align with the study’s objectives. This thorough approach ensures that the findings are robust and reproducible, allowing for a clear understanding of the experimental framework and its implications for the research outcomes.
Results
In this section, the results of the phased hybrid workflow are presented, highlighting a comparative analysis between Phase 1, which involved a ground-based survey, and Phase 2, which utilized a drone-enhanced survey. The evaluation metrics indicate significant improvements across several key parameters: accuracy, density, completeness, and surface quality.
The findings suggest that the integration of drone technology in Phase 2 markedly enhances the overall performance of the survey process, providing more precise and comprehensive data. This comparative analysis underscores the advantages of employing advanced surveying techniques to achieve superior outcomes in data collection and analysis.
Discussion
The discussion section of the paper highlights significant advancements in hybrid data acquisition methodologies for Heritage Building Information Modeling (HBIM), particularly in complex sites like the Sopronhorpács chapel. It emphasizes the development of a Predictive Scan Feasibility Estimation Model (PSFEM) that quantitatively assesses the feasibility of ground-based scanning prior to data collection. This model emerged from the limitations observed during an initial survey phase, where only 53.6% coverage was achieved due to site constraints such as dense vegetation and narrow pathways. The PSFEM serves as a decision-support tool, enabling heritage teams to determine the necessity of aerial data acquisition, thereby optimizing resource use and consolidating data collection efforts.
The case study demonstrates the effectiveness of a two-phase hybrid acquisition strategy, which combined terrestrial laser scanning (TLS) and aerial photogrammetry. The second phase significantly improved coverage to 96.3% and point density from 49 million to 89 million points, while maintaining geometric accuracy. The paper underscores the importance of a structured approach to survey planning, which integrates predictive analytics to enhance documentation quality and efficiency in heritage conservation practices. The findings advocate for the adoption of the PSFEM in future HBIM workflows, promoting a shift towards data-informed decision-making in heritage documentation.