DOI: https://doi.org/10.1186/s40494-024-01141-4
تاريخ النشر: 2024-02-01
المؤلف: Francesca Giuliani وآخرون
الموضوع الرئيسي: المسح ثلاثي الأبعاد والتراث الثقافي
نظرة عامة
في مجال التراث المعماري، تعتبر المعرفة الشاملة بالأصول ضرورية لاستراتيجيات الترميم والحفاظ الفعالة. تسلط الدراسة الضوء على الأهمية المتزايدة لنمذجة معلومات المباني التاريخية (HBIM) في تعزيز مراحل التشخيص والإدارة للأنشطة الحفظية. تقدم إجراءً جديدًا يدمج نموذج جرد مناسب مع نهج المسح إلى BIM، يهدف إلى إدارة الأصول التراثية الكبيرة بكفاءة. يسرع هذا الأسلوب من اكتساب البيانات من خلال تقنيات مسح متعددة ويعزز التوافق بين الأدوات المعروفة، مما يسمح في النهاية بالتحكم المركزي من خلال منصة برمجيات واحدة. يوضح تطبيق هذه العملية المبتكرة على أسوار مدينة بيزا فعاليتها في دعم اتخاذ القرار لجهود الحفظ.
تتناسب خط الأنابيب الإجرائي المقترح بشكل خاص مع توثيق والحفاظ على التراث المعماري الكبير، مثل الأسوار القديمة للمدن، التي تتميز بتطورها الخطي والهندسة الواسعة. يسهل إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد دقيقة تلتقط الميزات الأساسية، بما في ذلك الأبعاد، والتشوهات، وظروف المواد. يلعب نموذج الجرد دورًا حاسمًا في جمع المعلومات وتنظيمها بشكل منهجي، وتقييم القيمة التاريخية، وتحديد المناطق التي تتطلب مزيدًا من الفحص أو التدخل. من خلال استخدام تقنية المسح إلى BIM، يقلل سير العمل من العمليات التي تتطلب جهدًا كبيرًا ويعزز تبادل البيانات بين المحترفين. تختتم الدراسة بأن هذا الخط الأنبوبي القابل للتكيف يمكن توسيعه ليشمل هياكل خطية كبيرة متنوعة، مما يتماشى مع مبادئ إدارة الأصول التراثية ويعزز اتخاذ القرار التعاوني بناءً على بيانات شاملة ومحدثة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية أهمية الحفظ الوقائي المخطط في حماية التراث الثقافي، وخاصة الأسوار القديمة للمدن. تؤكد هذه الاستراتيجية الإدارية الاستباقية على أهمية المراقبة النظامية، والصيانة، وتقييم الحالة لمنع التدهور والأضرار، مما يتناقض مع الأساليب التفاعلية التي غالبًا ما تفشل في معالجة القضايا الأساسية. تسلط الورقة الضوء على التحديات التي تواجه تنفيذ مثل هذه الاستراتيجيات الحفظية للأصول المعمارية الكبيرة، مشيرة إلى أن العديد من الأسوار القديمة للمدن تعتبر حيوية للهوية المحلية والتراث الثقافي ولكنها غالبًا ما تفتقر إلى التوثيق الشامل والإدارة الفعالة بسبب الموارد المحدودة والمعلومات المجزأة بين السلطات المختلفة.
تسعى هذه الدراسة، التي بدأت من قبل الحكومة الإقليمية في توسكانا، إلى تطوير منهجية للحفاظ على وإدارة المخاطر لأكثر من 140 نظامًا محصنًا قديمًا في المنطقة. تؤكد على الحاجة إلى أدوات مبتكرة وأطر تعاونية، مثل إدارة الأصول التراثية (HAM) ونمذجة معلومات المباني التراثية (HBIM)، لتعزيز اتخاذ القرار وتبادل المعلومات بين المحترفين المشاركين في عملية الحفظ. تركز الدراسة على استخدام تقنيات HBIM لتحليل أسوار مدينة بيزا، مستفيدة من نهج المسح إلى BIM لإنشاء نظام دعم القرار الذي يسهل استراتيجيات الحفظ المستندة إلى بيانات شاملة ومحدثة.
طرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. تفصل المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. يتم وصف المنهجية بشكل منهجي، تغطي الخطوات المتخذة لجمع البيانات، والضوابط المنفذة، والتحليلات الإحصائية التي تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتضمن القسم معلومات عن الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي بروتوكولات محددة تم اتباعها. يسمح هذا النهج الشامل بفهم واضح لكيفية إجراء البحث، مما يمكّن الباحثين الآخرين من تكرار الدراسة أو البناء على نتائجها. بشكل عام، تعتبر الطرق المستخدمة ضرورية للتحقق من النتائج والاستنتاجات المستخلصة في البحث.
نتائج
تفصل قسم النتائج التوثيق الشامل والتحليل لأسوار المدينة، باستخدام نظام ترميز لتصنيف الميزات الأساسية من خلال نموذج الجرد. واجهت الدراسة تحديات بسبب مشاركة مؤسسات متعددة، بما في ذلك البلدية ومكتب حماية التراث. ساعدت مجموعة من تقنيات المسح، وخاصة استخدام الأجهزة المحمولة مثل iPhone 11، في التقاط البيانات بكفاءة، مما أسفر عن سحابة نقطية كثيفة مستمدة من 486 صورة على مدى حوالي 400 متر. حققت إعادة البناء خطأ إجماليًا أقصى قدره 44 مم، مما أسفر عن نموذج ثلاثي الأبعاد عالي الجودة يمثل بدقة عدم انتظام الجدران الهندسية وتشطيبات السطح.
عمل النموذج ثلاثي الأبعاد كأساس لإنشاء ثمانية أورثوموزايك عالية الجودة، والتي وثقت خصائص المواد وأنماط التدهور، مثل التزهير والشقوق الرأسية. تم تعزيز توضيح هذه الميزات من خلال أدوات الذكاء الاصطناعي والتجزئة اليدوية في برنامج Rhinoceros. تم تحقيق دمج النموذج ثلاثي الأبعاد في إطار نمذجة معلومات المباني (BIM) من خلال Grasshopper وArchicad، مما سمح بتعيين الخصائص التاريخية والهيكلية للنموذج. مكنت هذه التوافقية بين Metashape وRhinoceros-Grasshopper وArchicad من إدارة البيانات بكفاءة والتعاون بين أصحاب المصلحة، مما أدى إلى HBIM نهائي يمكن الوصول إليه وإدارته ضمن بيئة Archicad. يبرز المشروع أهمية سير العمل المرن والفعال في توثيق والحفاظ على التراث المعماري.
نقاش
تسلط المناقشة الضوء على تطور أبحاث البيانات الرقمية في توثيق التراث الثقافي بدقة من خلال تقنيات النمذجة المتقدمة. بينما تظل الوسائط ثنائية الأبعاد سائدة، توفر النماذج ثلاثية الأبعاد رؤى شاملة حول الهندسة وحالة الحفظ للأصول التراثية، مستفيدة من طرق مثل المسح بالليزر الأرضي (TLS)، والتصوير الفوتوغرافي الرقمي، ودمج تكنولوجيا الطائرات بدون طيار. لقد ديمقراطت الابتكارات الحديثة، بما في ذلك تطبيقات الهواتف الذكية المزودة بأجهزة استشعار Lidar، الوصول إلى نمذجة ثلاثية الأبعاد عالية الجودة. يعتمد اختيار المنهجيات المناسبة على السياق، وغالبًا ما يتطلب الجمع بين التقنيات لتحقيق توازن بين الدقة الهندسية، والأتمتة، والجدوى الاقتصادية، خاصة لمواقع التراث الكبيرة.
تؤكد الورقة على أهمية دمج مصادر البيانات المختلفة في نماذج ثلاثية الأبعاد الغنية، والتي يمكن أن تسهل إنشاء مكتبات رقمية وتدعم جهود الترميم. لقد اكتسب تنفيذ نمذجة معلومات المباني (BIM) وتمديدها إلى نمذجة معلومات المباني للبنية التحتية (I-BIM) زخمًا في إدارة المشاريع المعقدة للبنية التحتية، مما يظهر الحاجة إلى توحيد الممارسات لتعزيز التوافق والتعاون. على الرغم من التقدم، لا تزال هناك تحديات في تنسيق مصادر المعلومات المتنوعة ومعالجة الاحتياجات المحددة لأصحاب المصلحة في إدارة المباني التاريخية. يهدف خط الأنابيب المقترح للمسح إلى BIM إلى تبسيط عملية التوثيق والنمذجة، مما يضمن جمع بيانات شاملة وإدارة فعالة للأصول التاريخية، مما يعزز في النهاية ممارسات الحفظ.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40494-024-01141-4
Publication Date: 2024-02-01
Author(s): Francesca Giuliani et al.
Primary Topic: 3D Surveying and Cultural Heritage
Overview
In the realm of architectural heritage, comprehensive knowledge of assets is crucial for effective restoration and conservation strategies. The study highlights the growing significance of Historical Building Information Modelling (HBIM) in enhancing the diagnostic and management phases of conservation activities. It introduces a novel procedure that integrates a fit-for-purpose Inventory form with a scan-to-BIM approach, aimed at efficiently managing large-scale heritage assets. This method accelerates data acquisition through multiple surveying techniques and promotes interoperability among familiar tools, ultimately allowing for centralized control via a single software platform. The application of this innovative process to the city walls of Pisa demonstrates its efficacy in supporting decision-making for conservation efforts.
The proposed procedural pipeline is particularly suited for documenting and conserving large-scale architectural heritage, such as ancient city walls, characterized by their linear development and extensive geometries. It facilitates the creation of accurate 3D models that capture essential features, including dimensions, deformations, and material conditions. The Inventory Form plays a critical role in systematically collecting and structuring information, assessing historical value, and identifying areas requiring further inspection or intervention. By employing a scan-to-BIM technique, the workflow minimizes labor-intensive processes and enhances data exchange among professionals. The study concludes that this adaptable pipeline can be extended to various large-scale linear structures, thereby aligning with Heritage Asset Management principles and fostering collaborative decision-making based on comprehensive, up-to-date data.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the significance of planned preventive conservation in safeguarding cultural heritage, particularly ancient city walls. This proactive management strategy emphasizes the importance of systematic monitoring, maintenance, and condition assessment to prevent deterioration and damage, contrasting with reactive approaches that often fail to address underlying issues. The paper highlights the challenges of implementing such conservation strategies for large-scale architectural assets, noting that many ancient city walls are crucial for local identity and cultural heritage but often lack comprehensive documentation and effective management due to limited resources and fragmented information among various authorities.
The research, initiated by the Regional Government of Tuscany, aims to develop a methodology for the conservation and risk governance of over 140 ancient walled systems in the region. It underscores the need for innovative tools and collaborative frameworks, such as Heritage Asset Management (HAM) and Heritage Building Information Modelling (HBIM), to enhance decision-making and information sharing among professionals involved in the conservation process. The study focuses on employing HBIM techniques to analyze the city walls of Pisa, utilizing a scan-to-BIM approach to create a decision support system that facilitates informed conservation strategies based on comprehensive and up-to-date data.
Methods
The section on “Materials and Methods” outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology is described systematically, covering the steps taken to collect data, the controls implemented, and the statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may include information on the experimental conditions, such as temperature, duration, and any specific protocols followed. This comprehensive approach allows for a clear understanding of how the research was conducted, enabling other researchers to replicate the study or build upon its findings. Overall, the methods employed are crucial for validating the results and conclusions drawn in the research.
Results
The results section details the comprehensive documentation and analysis of the city walls, utilizing a codification system to catalog essential features through an Inventory Form. The study faced challenges due to the involvement of multiple institutions, including the Municipality and the Office for Heritage Protection. A combination of surveying techniques, particularly the use of handheld devices like the iPhone 11, facilitated the efficient capture of data, resulting in a dense point cloud derived from 486 photographs over approximately 400 meters. The reconstruction achieved a maximum total error of 44 mm, yielding a high-quality 3D model that accurately represents the walls’ geometric irregularities and surface finishes.
The 3D model served as a foundation for generating eight high-quality orthomosaics, which documented material properties and deterioration patterns, such as efflorescence and vertical cracks. Annotation of these features was enhanced through AI tools and manual segmentation in Rhinoceros. The integration of the 3D model into a Building Information Modeling (BIM) framework was achieved through Grasshopper and Archicad, allowing for the assignment of historical and structural properties to the model. This interoperability among Metashape, Rhinoceros-Grasshopper, and Archicad enabled efficient data management and collaboration among stakeholders, culminating in a final HBIM that is accessible and manageable within the Archicad environment. The project emphasizes the importance of a flexible and efficient workflow in documenting and preserving architectural heritage.
Discussion
The discussion highlights the evolution of digital data research in accurately documenting cultural heritage through advanced modeling techniques. While 2D media remain prevalent, 3D models provide comprehensive insights into the geometry and conservation status of heritage assets, leveraging methods such as terrestrial laser scanning (TLS), digital photogrammetry, and the integration of drone technology. Recent innovations, including smartphone applications equipped with Lidar sensors, have further democratized access to high-quality 3D modeling. The selection of appropriate methodologies is context-dependent, often necessitating a combination of techniques to balance geometric precision, automation, and cost-effectiveness, particularly for large-scale heritage sites.
The paper emphasizes the importance of integrating various data sources into enriched 3D models, which can facilitate the creation of digital libraries and support restoration efforts. The implementation of Building Information Modeling (BIM) and its extension to Infrastructure Building Information Modeling (I-BIM) has gained traction in managing complex infrastructure projects, demonstrating the need for standardization in practices to enhance interoperability and collaboration. Despite advancements, challenges remain in harmonizing diverse information sources and addressing the specific needs of stakeholders in historical building management. The proposed scan-to-BIM pipeline aims to streamline the documentation and modeling process, ensuring comprehensive data collection and effective management of historical assets, ultimately enhancing conservation practices.