DOI: https://doi.org/10.3390/drones8060249
تاريخ النشر: 2024-06-06
المؤلف: Lidia Fiorini وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الحفظ والدراسات
نظرة عامة
تتناول الأبحاث الحاجة الملحة لتقنيات المراقبة الآلية لتقييم تدهور المباني التراثية، خاصة في ضوء زيادة الأحداث المناخية المتطرفة. تقدم طريقة آلية بالكامل لتقسيم وتصنيف العناصر المعمارية لواجهة قصر بيتي، مع التركيز على خطر انفصال مكونات حجر البيترابورت. باستخدام التعلم الآلي، وبالتحديد تجميع K-means، تحلل الدراسة البيانات من نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) الذي تم إنشاؤه بواسطة مسح طائرة مسيرة فوتوغرامترية. تم التحقق من نتائج التقسيم والتصنيف مقابل الطرق اليدوية وتقييمات الخبراء، مما يوضح فعالية تكنولوجيا الطائرات المسيرة في مراقبة الحفاظ على التراث.
تشير النتائج إلى أنه بينما تبسط الطريقة تعقيدات التحليل متعدد المعايير، فإنها تنجح في أتمتة عملية مراقبة كل من سطح الواجهة وعناصرها الفردية. تبرز الأبحاث أن العوامل الهندسية، وخاصة بروز كتل الحجر، حاسمة في تقييم خطر الانفصال. في النهاية، تسهم هذه الدراسة في إدارة المباني التاريخية من خلال تمكين جهود الحفظ المستهدفة بناءً على تحديد العناصر الحجرية الضعيفة، مما يعزز استراتيجيات الحفظ بعد المراقبة المنتظمة لواجهات قصر بيتي.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الاتجاهات المزدوجة في الاعتراف وحماية التراث الثقافي، مع التأكيد على أهميته المتزايدة في المجتمع الحديث إلى جانب التهديدات المتزايدة التي تفرضها الأنشطة البشرية وتغير المناخ. حيث يشمل التراث الثقافي مجموعة أوسع من الأصول الملموسة وغير الملموسة، أصبحت الحاجة إلى عمليات التوثيق والحماية الفعالة أمرًا بالغ الأهمية. تشير الورقة إلى أنه بينما يمكن أن يؤدي الاعتراف بالقيمة الثقافية في بعض الأحيان إلى تدميرها – كما يتضح من السياحة المفرطة والأضرار المتعلقة بالنزاعات – فإن تدهور المواقع التراثية يتفاقم أيضًا بسبب التغيرات البيئية، بما في ذلك التلوث والأحداث المناخية المتطرفة.
تركز الدراسة على قصر بيتي في فلورنسا، إيطاليا، بهدف تطوير تقنيات تقسيم البيانات المكانية الآلية لتحديد المناطق الضعيفة في واجهاته. هذه المبادرة هي جزء من مشروع أكبر يعالج خطر انفصال العناصر الحجرية، والذي يشكل مخاطر كبيرة في السياقات ذات الكثافة السياحية العالية. تستند الأبحاث إلى مسح شامل تم إجراؤه في عام 2020 باستخدام تقنيات جيوماتية متقدمة، مما أسفر عن بيانات مكانية عالية الجودة تدعم إنشاء قاعدة بيانات لنظام المعلومات الجغرافية (GIS) لتحسين إدارة وحفظ الواجهات. توضح الورقة المنهجيات المستخدمة وتضع الأساس لاستكشاف العلاقة بين عناصر الواجهة وعوامل الخطر المرتبطة بها، مما يسهم في تعزيز استراتيجيات المراقبة والحفاظ على مواقع التراث الثقافي.
النتائج
تُعرض نتائج إجراء التقسيم المطبق على نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) للواجهة الجنوبية للفناء، مع التحقق من صحة النتائج مقابل العناصر الحجرية المحددة يدويًا. ركز التحليل على إنشاء خريطة ضعف هندسية للكتل البارزة، كما هو موضح في الأشكال المشار إليها. يتم تفصيل مقاييس الأداء للتقسيم التلقائي، بما في ذلك الدقة، ودرجة F1، ومؤشر التقسيم الزائد (OverSeg)، والمتوسط التقاطع على الاتحاد (IoU) في الجدول 2. بينما اعتُبرت الدقة ودرجة F1 مرضية، كانت قيمة IoU المتوسطة أقل، مما يُعزى إلى عدد كبير من العناصر المفرطة التقسيم وبعض العناصر الناقصة التقسيم. أشارت توزيع IoU إلى أن عددًا قليلاً من العناصر الحجرية حققت أكثر من 90% IoU، على الأرجح بسبب التباينات في حدود الكائنات.
أظهر تحليل إضافي باستخدام خوارزمية K-means تصنيف الكائنات المقسمة إلى خمس فئات متميزة، كاشفًا عن اختلافات في أشكال وأحجام الكتل. ومن الجدير بالذكر أن بعض العناصر تم تصنيفها بشكل خاطئ بسبب أخطاء في التقسيم، ومع ذلك اعتُبر التصنيف العام معقولًا. كما قامت الدراسة بتقييم كتلة الحجم البارز لكل كائن مقسم، إلى جانب الكثافة الخطية المقابلة وتوزيع الكتلة عبر الكائنات المكتشفة. تشير هذه النتائج إلى أن مؤشر الكتلة البارزة يمكن أن يحدد بفعالية المناطق على الواجهة الأكثر عرضة للانفصال، مما يسهم في فهم الضعف الهندسي في هيكل الواجهة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على تقاطع الرقمنة في التراث الثقافي والصفقة الخضراء الأوروبية، مع التأكيد على مبادرات المجتمع الأوروبي لتعزيز التوثيق والحفاظ على التراث الثقافي وإمكانية الوصول إليه من خلال الوسائل الرقمية. وضعت استراتيجية لشبونة التي بدأت في عام 2000 الأساس لهذه الجهود، التي تم دعمها بشكل أكبر من خلال برنامج أوروبا الإبداعية والصفقة الخضراء، التي تهدف إلى تحقيق الحياد المناخي بحلول عام 2050. على الرغم من عدم ذكر التراث الثقافي بشكل صريح في الصفقة الخضراء، حددت الوثائق اللاحقة التهديدات التي تفرضها تغيرات المناخ على المواقع التراثية واقترحت إجراءات لتخفيف المخاطر، بما في ذلك البحث بين التخصصات حول سلوك المواد التراثية تحت ظروف المناخ المتغيرة.
في إيطاليا، يهدف خطة التعافي والقدرة على الصمود الوطنية (PNRR) إلى معالجة الآثار الاجتماعية والاقتصادية لجائحة COVID-19 مع تسهيل الانتقالات الرقمية والبيئية في التراث الثقافي. تحدد خطة الرقمنة الوطنية (PND) استراتيجية شاملة للتحول الرقمي للأصول الثقافية، وتعزيز إمكانية الوصول وتطوير خدمات مهنية جديدة. تتماشى PND مع أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة، لا سيما في تعزيز التعليم الجيد والمجتمعات المستدامة. يركز مشروع CHANGES الجاري، الذي هو جزء من PNRR، على حماية التراث الثقافي من تغير المناخ والمخاطر الأخرى، باستخدام نهج متعدد المقاييس لتقييم الضعف وتطوير استراتيجيات الحفظ الفعالة. تؤكد الأبحاث على الحاجة الملحة للمراقبة المستمرة والنهج المعتمدة على البيانات لحماية التراث الثقافي في مواجهة التحديات البيئية.
القيود
تقدم الأبحاث المقترحة نهجًا جديدًا للحفاظ على التراث المعماري من خلال دمج المعرفة في أنظمة الكمبيوتر، خاصة من خلال إعادة استخدام المسوحات ثلاثية الأبعاد وتقنيات الجيوماتية. تعزز هذه الطريقة الكفاءة من خلال تمكين المراقبة المنتظمة والتحليل الموضوعي للسلامة الهيكلية، مما يتناقض مع التقييمات التقليدية على المستوى المجهري. تشمل النقاط القوية الفعالية من حيث التكلفة، وتقليل الوقت الميداني، وتحسين قابلية مقارنة البيانات بسبب العمليات الموحدة. يسهل الانتقال الرقمي من التقارير الورقية التعاون بين التخصصات والاستشارات عن بُعد، مما يعالج القيود السابقة في الحفاظ على البيانات ومشاركتها.
ومع ذلك، تعترف الدراسة بعدة قيود. تركز بشكل أساسي على الجوانب الهندسية للأشياء التي تم فحصها، متجاهلة عوامل أخرى حاسمة تؤثر على تدهور المواد. بينما تم تطبيق التصنيف التلقائي على بعض العناصر المعمارية، تظل المعايير لتقييم الميزات الأكثر تعقيدًا، مثل بروز كتل السقف، غير محددة. بالإضافة إلى ذلك، يقتصر التحليل على منظور ثنائي الأبعاد، مما قد يغفل التعقيد ثلاثي الأبعاد لبعض العناصر الحجرية، مما يحد من شمولية نموذج تقييم المخاطر. يمكن أن تعمل الأعمال المستقبلية على تحسين النهج المقترح من خلال دمج تقنيات نمذجة أكثر تعقيدًا وأتمتة خطوات إضافية.
DOI: https://doi.org/10.3390/drones8060249
Publication Date: 2024-06-06
Author(s): Lidia Fiorini et al.
Primary Topic: Conservation Techniques and Studies
Overview
The research addresses the urgent need for automated monitoring techniques to assess the degradation of heritage buildings, particularly in light of increasing extreme weather events. It presents a fully automated method for segmenting and classifying architectural elements of the façade of Palazzo Pitti, focusing on the risk of detachment of pietraforte sandstone components. Utilizing machine learning, specifically K-means clustering, the study analyzes data from a digital elevation model (DEM) generated by a photogrammetric drone survey. The segmentation and classification results were validated against manual methods and expert evaluations, demonstrating the effectiveness of drone technology in heritage conservation monitoring.
The findings indicate that while the approach simplifies the complexities of a multicriteria analysis, it successfully automates the process of monitoring both the façade’s surface and its individual elements. The research highlights that geometric factors, particularly the overhang of stone blocks, are critical in assessing the risk of detachment. Ultimately, this study contributes to the management of historic buildings by enabling targeted conservation efforts based on the identification of vulnerable stone elements, thereby enhancing preservation strategies following regular monitoring of the Palazzo Pitti façades.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the dual trends in the recognition and protection of cultural heritage, emphasizing its increasing importance in modern society alongside the growing threats posed by human activities and climate change. As cultural heritage encompasses a broader range of tangible and intangible assets, the need for effective documentation and protection processes has become paramount. The paper notes that while the acknowledgment of cultural value can sometimes lead to its destruction—exemplified by overtourism and conflict-related damage—the degradation of heritage sites is also exacerbated by environmental changes, including pollution and extreme weather events.
The study focuses on the Palazzo Pitti in Florence, Italy, aiming to develop automated spatial data segmentation techniques to identify vulnerable areas of its façades. This initiative is part of a larger project addressing the potential detachment of stone elements, which poses significant risks in tourist-heavy contexts. The research builds on a comprehensive survey conducted in 2020 using advanced geomatic techniques, resulting in high-quality spatial data that supports the creation of a Geographic Information System (GIS) database for better management and conservation of the façades. The paper outlines the methodologies employed and sets the stage for further exploration of the relationship between façade elements and associated risk factors, ultimately contributing to enhanced monitoring and preservation strategies for cultural heritage sites.
Results
The results of the segmentation procedure applied to the Digital Elevation Model (DEM) of the south façade of the courtyard are presented, with validation against manually identified stone elements. The analysis focused on creating a geometrical vulnerability map for protruding ashlars, as illustrated in the figures referenced. Performance metrics for the automatic segmentation, including accuracy, F1-score, over-segmentation index (OverSeg), and median intersection over union (IoU), are detailed in Table 2. While the accuracy and F1-score were deemed satisfactory, the median IoU was lower, attributed to a significant number of over-segmented and some under-segmented elements. The IoU distribution indicated that few stone elements achieved over 90% IoU, likely due to discrepancies in object borders.
Further analysis using the K-means algorithm classified the segmented objects into five distinct categories, revealing variations in shapes and sizes of the ashlars. Notably, some elements were misclassified due to segmentation errors, yet the overall classification was considered reasonable. The study also assessed the mass of the protruding volume for each segmented object, alongside corresponding linear density and mass distribution across the detected objects. These findings suggest that the overhanging mass index could effectively identify areas on the façade that are more susceptible to detachment, thereby contributing to the understanding of geometrical vulnerabilities in the façade’s structure.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the intersection of digitalisation in cultural heritage and the European Green Deal, emphasizing the European Community’s initiatives to enhance the documentation, preservation, and accessibility of cultural heritage through digital means. The Lisbon Strategy initiated in 2000 laid the groundwork for these efforts, which were further supported by the Creative Europe program and the Green Deal, aimed at achieving climate neutrality by 2050. Although cultural heritage was not explicitly mentioned in the Green Deal, subsequent documents identified the threats posed by climate change to heritage sites and proposed actions for risk mitigation, including interdisciplinary research on the behavior of heritage materials under changing climatic conditions.
In Italy, the National Recovery and Resilience Plan (PNRR) aims to address the socio-economic impacts of the COVID-19 pandemic while facilitating digital and ecological transitions in cultural heritage. The National Digitalisation Plan (PND) outlines a comprehensive strategy for the digital transformation of cultural assets, promoting accessibility and the development of new professional services. The PND aligns with the United Nations Sustainable Development Goals, particularly in fostering quality education and sustainable communities. The ongoing CHANGES project, part of the PNRR, focuses on the protection of cultural heritage from climate change and other risks, employing a multi-scalar approach to assess vulnerabilities and develop effective conservation strategies. The research underscores the critical need for continuous monitoring and data-driven approaches to safeguard cultural heritage in the face of environmental challenges.
Limitations
The proposed research presents a novel approach to the conservation and preservation of built heritage by integrating knowledge into computer systems, particularly through the reuse of 3D surveys and geomatic techniques. This method enhances efficiency by enabling regular monitoring and objective analysis of structural integrity, contrasting with traditional macroscopic assessments. Key strengths include cost-effectiveness, reduced field time, and improved data comparability due to standardized processes. The digital transition from paper-based reports facilitates multidisciplinary collaboration and remote consultations, addressing previous limitations in data preservation and sharing.
However, the study acknowledges several limitations. It primarily focuses on the geometric aspects of the examined objects, neglecting other critical factors influencing material deterioration. While automatic classification has been applied to certain architectural elements, criteria for evaluating more complex features, such as the overhang of cornice blocks, remain undefined. Additionally, the analysis is constrained to a 2.5-dimensional perspective, which may overlook the intricate three-dimensionality of certain stone elements, thereby limiting the comprehensiveness of the risk assessment model. Future work could optimize the proposed approach by incorporating more complex modeling techniques and automating additional steps.