DOI: https://doi.org/10.3390/heritage8020055
تاريخ النشر: 2025-01-28
المؤلف: Francesca Turchetti وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة التراث الثقافي والحفاظ عليه
نظرة عامة
تناقش هذه القسم ضعف مواقع التراث الثقافي (CH) والمعالم تجاه التدهور، مشددة على ضرورة إجراء دراسات استقرار من خلال التحليلات العددية لحماية هذه الهياكل. يبرز أهمية التوثيق الهندسي الدقيق قبل النمذجة، حيث توفر تقنيات الجيوماتيك مثل LiDAR والتصوير الفوتوغرافي طرقًا فعالة وغير جراحية لجمع البيانات التي تولد سحب نقاط ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك، فإن دمج هذه السحب في تحليل النمذجة بالعناصر المحدودة (FEM) لا يزال محدودًا بسبب التحديات في التحويل المباشر. تستعرض الورقة منهجيات مختلفة لتوليد نماذج العناصر المحدودة (FE) من المسوحات الرقمية ثلاثية الأبعاد، موضحة مزاياها وعيوبها مع التأكيد على الدور الحاسم لتفاصيل سحب النقاط في دقة التحليل.
تؤكد الاستنتاجات على الفوائد المحتملة للتعاون بين التخصصات بين الجيوماتيك والهندسة المدنية، لا سيما في إطار مشروع ENGINEER، الذي يهدف إلى تعزيز الأنشطة البحثية في جامعة قبرص للتكنولوجيا. تم إجراء مراجعة شاملة لـ 84 وثيقة، تصنيف منهجيات توليد نماذج FE إلى خمس مجموعات بناءً على الدقة الهندسية. يساعد هذا التصنيف في فهم التوازن بين الدقة والعملية، مما يوفر إرشادات لاختيار الطرق المناسبة للحفاظ على وتقييم الهياكل التراثية الثقافية. تسهم هذه العمل في مشروع ENGINEER من خلال استكشاف طرق مختلفة لتطوير نماذج FE مفصلة لتقييم الهياكل.
مقدمة
تؤكد مقدمة ورقة البحث على الأهمية الحاسمة للحفاظ على المباني التراثية الثقافية (CH)، لا سيما في المناطق المعرضة للزلازل. تواجه هذه الهياكل مخاطر ليس فقط من الأضرار المادية أثناء الكوارث ولكن أيضًا من فقدان الأهمية التاريخية والفنية، مما يؤثر على هوية المجتمع. لقد سلطت التطورات الأخيرة في توثيق السلامة الهيكلية لمباني CH الضوء على ضرورة استخدام نماذج ثلاثية الأبعاد للتحليلات العددية، لا سيما لتقييم استجابتها لظروف الحمل المختلفة، مثل النشاط الزلزالي. ومع ذلك، فإن الهندسة المعقدة لهذه الهياكل، جنبًا إلى جنب مع المعلومات الأرشيفية المحدودة، تعقد التحليل الهيكلي، مما يتطلب طرقًا غير جراحية وافتراضات مستنيرة.
تناقش الورقة الاعتماد المتزايد على تقنية المسح بالليزر (LiDAR) وغيرها من تقنيات الجيوماتيك لالتقاط بيانات هندسية مفصلة لمباني CH. بينما تسهل هذه التقنيات إنشاء سحب نقاط تعمل كأخوات رقمية، لا يزال تطبيقها في الهندسة الهيكلية محدودًا. غالبًا ما تتضمن الممارسات الحالية تحويل يدوي لسحب النقاط إلى نماذج تصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD)، مما قد يقدم أخطاء ويبسط الهندسات المعقدة. على الرغم من أن التقدم في توليد الشبكات ثلاثية الأبعاد الآلية قد قلل من التدخل اليدوي، لا تزال هناك حاجة إلى حل برمجي شامل يدمج المسح الجيوماتيكي مع النمذجة بالعناصر المحدودة (FEM). تبرز المقدمة أهمية بيانات الجيوماتيك عالية الجودة في إنتاج نماذج ثلاثية الأبعاد دقيقة، والتي تعتبر ضرورية للتحليلات الهيكلية الموثوقة. توضح الورقة هيكلها، موضحة المنهجيات لتحويل سحب النقاط إلى FEM ومناقشة آثار الدقة الهندسية على الأداء الهيكلي.
الطرق
تحدد هذه القسم المنهجية المستخدمة في مراجعة متطورة تركز على توليد نماذج العناصر المحدودة (FE) من سحب النقاط، لا سيما للهياكل التراثية الثقافية (CH). تتكون سير العمل البحثي من عدة خطوات منهجية: أولاً، تحديد نطاق البحث؛ ثانياً، اختيار محركات البحث والكلمات الرئيسية المناسبة لتحديد المنشورات ذات الصلة؛ ثالثاً، تصفية الدراسات غير المتعلقة؛ وأخيراً، تحليل المقالات المختارة لاستخراج التقنيات الرئيسية. شملت المراجعة بشكل خاص الدراسات التي تفصل الانتقال من سحب النقاط إلى نماذج FE، مع التأكيد على التطبيقات في التقييم الهيكلي والحفاظ على مباني CH، بينما استبعدت الأعمال التي تتناول بشكل أساسي اكتساب البيانات أو تركز على الهياكل الحديثة.
استخدم البحث Web of Science (WoS) وScience Direct، مستخدمًا عوامل بوليانية لدمج كلمات رئيسية مثل “سحب النقاط”، “fem”، “نموذج هيكلي”، و”التراث الثقافي”. أسفرت عمليات البحث الأولية عن 393 وثيقة من WoS، والتي تم تضييقها إلى 57 منشورًا ذا صلة بعد تصفية اللغة والملاءمة. أسفرت طريقة مشابهة على Science Direct عن 1,964 وثيقة، مما أدى في النهاية إلى 18 دراسة ذات صلة. تم تعزيز المراجعة بشكل أكبر من خلال فحص المراجع المستشهد بها وإجراء عمليات بحث إضافية، مما أسفر عن قائمة شاملة من 84 وثيقة ذات صلة، متاحة في المواد التكميلية.
النتائج
كشفت تحليل 84 وثيقة باستخدام برنامج VOSviewer© عن اتجاهات كبيرة في البحث المتعلقة بكلمات رئيسية مثل “FEM”، “التراث الثقافي”، “HBIM”، “سحب النقاط”، و”TLS”. توضح خريطة تكرار الكلمات الرئيسية هذه العلاقات، مشددة على أن “HBIM”، وهو مفهوم جديد نسبيًا، يظهر ارتباطات قوية مع كلمات رئيسية أخرى راسخة. كما استعرضت مراجعة الأدبيات تواريخ النشر والأصول الجغرافية، مشيرة إلى زيادة مطردة في الدراسات التي تركز على توليد نماذج العناصر المحدودة (FE) من سحب النقاط منذ عام 2007، مع زيادة ملحوظة في عام 2023، حيث شهدت 18 منشورًا جديدًا.
جغرافيًا، برزت المنطقة الوسطى من أوروبا، لا سيما إيطاليا، كأكبر مساهم مع 35 منشورًا. جاءت مساهمات بارزة أخرى من الصين (6 وثائق) والولايات المتحدة (3 وثائق)، مما يشير إلى اهتمام عالمي في هذا المجال البحثي. تؤكد هذه النتائج على الأهمية المتزايدة لتقاطع تقنيات النمذجة الرقمية والحفاظ على التراث الثقافي.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على تطور توثيق التراث من خلال التقنيات الرقمية المتقدمة، لا سيما المسح بالليزر الأرضي (TLS) والتصوير الفوتوغرافي، التي تنتج سحب نقاط ثلاثية الأبعاد مفصلة مناسبة للنمذجة. لقد اكتسبت هذه التقنيات زخمًا بسبب طبيعتها غير الجراحية، ودقتها الهندسية العالية، وقدرتها على تسهيل القياسات المتكررة، مما يجعلها لا تقدر بثمن لتوثيق مواقع التراث الثقافي. على الرغم من مزاياها، فإن عدم وجود بروتوكولات موحدة لرقمنة البيانات المسجلة يطرح تحديات للتطبيقات المستقبلية، مثل تحليل طريقة العناصر المحدودة (FEM).
تؤكد الورقة على أهمية سحب النقاط في تمثيل الأسطح والبيئات المعقدة بدقة، والتي يمكن استخدامها في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك التقييمات الهيكلية وتجارب الواقع الافتراضي. كما تناقش المنهجيات لتحويل سحب النقاط إلى نماذج FEM، مصنفة إياها إلى عدة طرق، بما في ذلك النمذجة اليدوية، وعمليات المسح إلى BIM إلى FEM، والتقنيات المعتمدة على الفوكسل. لكل طريقة مزاياها وعيوبها، لا سيما فيما يتعلق بالدقة الهندسية وتعقيد الهياكل التاريخية. يتم التأكيد على دمج طرق المسح التقليدية مع التقنيات المتقدمة كأمر أساسي لتحقيق توثيق شامل ودقيق لمواقع التراث، بينما من المتوقع أن تعزز التقدم المستمر في التوافقية والأتمتة كفاءة هذه العمليات في المستقبل.
DOI: https://doi.org/10.3390/heritage8020055
Publication Date: 2025-01-28
Author(s): Francesca Turchetti et al.
Primary Topic: Cultural Heritage Management and Preservation
Overview
The section discusses the vulnerability of cultural heritage (CH) sites and monuments to deterioration, emphasizing the necessity for stability studies through numerical analyses to protect these structures. It highlights the importance of accurate geometric documentation prior to modeling, with geomatics technologies such as LiDAR and photogrammetry providing effective, non-invasive methods for data collection that generate 3D point clouds. However, the integration of these point clouds into finite element modeling (FEM) analysis remains limited due to challenges in direct conversion. The paper reviews various methodologies for generating finite element (FE) models from 3D digital surveys, detailing their advantages and disadvantages while underscoring the critical role of point cloud detail in analysis accuracy.
The conclusions emphasize the potential benefits of interdisciplinary collaboration between geomatics and civil engineering, particularly within the framework of the ENGINEER project, which aims to enhance research activities at the Cyprus University of Technology. A comprehensive review of 84 documents was conducted, classifying methodologies for generating FE models into five groups based on geometric accuracy. This classification aids in understanding the trade-offs between accuracy and practicality, offering guidance for selecting appropriate methods for the conservation and structural assessment of cultural heritage structures. The work contributes to the ENGINEER project by exploring various approaches to develop detailed FE models for structural assessment.
Introduction
The introduction of the research paper emphasizes the critical importance of preserving cultural heritage (CH) buildings, particularly in seismically vulnerable regions. These structures face risks not only from physical damage during disasters but also from the loss of historical and artistic significance, which impacts community identity. Recent advancements in documenting the structural integrity of CH buildings have highlighted the necessity of employing three-dimensional models for numerical analyses, particularly to assess their response to various load conditions, such as seismic activity. However, the complex geometries of these structures, coupled with limited archival information, complicate structural analysis, necessitating non-invasive methods and educated assumptions.
The paper discusses the growing reliance on laser scanning technology (LiDAR) and other geomatics techniques for capturing detailed geometric data of CH buildings. While these technologies facilitate the creation of point clouds that serve as digital twins, their application in structural engineering remains limited. Current practices often involve manual conversion of point clouds into computer-aided design (CAD) models, which can introduce errors and simplify complex geometries. Although advancements in automated 3D mesh generation have reduced manual intervention, a comprehensive software solution that integrates geomatics surveying with finite element modeling (FEM) remains absent. The introduction highlights the significance of high-quality geomatics data in producing accurate 3D models, which are essential for reliable structural analyses. The paper outlines its structure, detailing the methodologies for transforming point clouds into FEM and discussing the implications of geometric accuracy on structural performance.
Methods
The section outlines the methodology employed in a state-of-the-art review focused on generating finite element (FE) models from point clouds, particularly for cultural heritage (CH) structures. The research workflow consisted of several systematic steps: first, defining the research scope; second, selecting appropriate search engines and keywords to identify relevant publications; third, filtering out unrelated studies; and finally, analyzing the selected articles to extract key techniques. The review specifically included studies that detail the transition from point clouds to FE models, emphasizing applications in structural assessment and conservation of CH buildings, while excluding works that primarily address data acquisition or focus on modern structures.
The search utilized Web of Science (WoS) and Science Direct, employing Boolean operators to combine keywords such as “point cloud,” “fem,” “structural model,” and “cultural heritage.” Initial searches yielded 393 documents from WoS, which were narrowed down to 57 relevant publications after filtering for language and relevance. A similar approach on Science Direct produced 1,964 documents, ultimately resulting in 18 pertinent studies. The review was further enhanced by examining cited references and conducting additional searches, culminating in a comprehensive list of 84 relevant documents, available in the Supplementary Materials.
Results
The analysis of 84 documents using VOSviewer© software revealed significant trends in research related to keywords such as “FEM,” “Cultural heritage,” “HBIM,” “Point cloud,” and “TLS.” A keyword co-occurrence map illustrated these relationships, highlighting that “HBIM,” a relatively new concept, shows strong correlations with other established keywords. The literature review also examined publication dates and geographical origins, indicating a steady increase in studies focused on generating finite element (FE) models from point clouds since 2007, with a notable surge in 2023, which saw 18 new publications.
Geographically, the central European region, particularly Italy, emerged as the leading contributor with 35 publications. Other notable contributions came from China (6 documents) and the United States (3 documents), suggesting a global interest in this research area. These findings underscore the growing relevance of the intersection between digital modeling techniques and cultural heritage preservation.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the evolution of heritage documentation through advanced digital technologies, particularly terrestrial laser scanning (TLS) and photogrammetry, which produce detailed 3D point clouds suitable for modeling. These technologies have gained traction due to their non-invasive nature, high geometric accuracy, and ability to facilitate repetitive measurements, making them invaluable for documenting cultural heritage sites. Despite their advantages, the lack of standardized protocols for the digitalization of recorded data poses challenges for further applications, such as finite element method (FEM) analysis.
The paper emphasizes the importance of point clouds in accurately representing complex surfaces and environments, which can be utilized for various applications, including structural assessments and virtual reality experiences. It also discusses the methodologies for converting point clouds into FEM models, categorizing them into several approaches, including manual modeling, scan-to-BIM-to-FEM processes, and voxel-based techniques. Each method has its strengths and limitations, particularly regarding geometric accuracy and the complexity of historical structures. The integration of traditional surveying methods with advanced technologies is underscored as essential for achieving comprehensive and precise documentation of heritage sites, while ongoing advancements in interoperability and automation are anticipated to enhance the efficiency of these processes in the future.