DOI: https://doi.org/10.21660/2025.126.4768
تاريخ النشر: 2025-02-17
المؤلف: I GD Yudha Partama
الموضوع الرئيسي: المسح ثلاثي الأبعاد والتراث الثقافي
نظرة عامة
تقييم هذه الدراسة دقة التصوير الفوتوغرافي باستخدام الطائرات بدون طيار (UAV)، باستخدام خوارزمية الهيكل من الحركة والتصوير متعدد المناظر (SfM-MVS)، لتوثيق ستوبا في معبد بيغولينغان. أنشأت الدراسة نموذجًا ثلاثي الأبعاد من الصور الجوية التي تم التقاطها بواسطة طائرة مسيرة، وقامت بتقييم دقتها من خلال خطأ الجذر التربيعي المتوسط (RMSE) لإحداثيات النموذج مقارنة بتلك التي تم الحصول عليها من نظام الملاحة عبر الأقمار الصناعية العالمي الديناميكي في الوقت الحقيقي (RTK-GNSS) والمسح بالليزر الأرضي (TLS). أظهرت النتائج وجود RMSE قدره 11.3 مم في الاتجاه الأفقي و14.1 مم في الاتجاه العمودي، مما يدل على دقة عالية على مقياس المليمتر. بالإضافة إلى ذلك، كانت المسافة المتوسطة بين سحب النقاط من UAV وTLS صغيرة بشكل ملحوظ عند 0.03 مم، مما يشير إلى دقة قابلة للمقارنة بين التقنيتين.
تسلط النتائج الضوء على فعالية التصوير الفوتوغرافي باستخدام UAV في التوثيق الرقمي للمباني التراثية الثقافية، لا سيما من حيث التكلفة، والعمالة، واكتساب البيانات، ووقت المعالجة، على الرغم من قيودها في الدقة العمودية مقارنة بـ TLS. استخدمت الدراسة أيضًا طريقة مثلثية تلقائية جوية، والتي تقلل من تدخل الإنسان وتسريع المعالجة، مما يجعلها ميزة مقارنة بالطرق التقليدية. النتائج مهمة لأصحاب المصلحة في صيانة المباني، والحفاظ على التراث، والهندسة المعمارية، وعلم الآثار، والبناء. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف اتساق دقة التصوير الفوتوغرافي باستخدام UAV عبر ظروف بيئية متنوعة وتطوير استراتيجيات لتعزيز جمع البيانات والمعالجة.
مقدمة
تؤكد المقدمة على الحاجة الملحة لحماية وصيانة المباني التراثية الثقافية، مع تسليط الضوء على أهميتها في الترميم التاريخي، والتعليم، والسياحة، والهوية الوطنية. يعد التوثيق الفعال لهذه الهياكل أمرًا ضروريًا، خاصة في مواجهة الأضرار المحتملة الناتجة عن العمر، أو المناخ، أو الكوارث الطبيعية. تعتبر طرق التوثيق التقليدية، التي تعتمد بشكل أساسي على الرسومات التصميمية التناظرية، غير كافية لإدارة التغييرات الهيكلية أو الأضرار، مما يستلزم التحول نحو التنسيقات الرقمية، وخاصة النمذجة ثلاثية الأبعاد (3D).
يناقش النص تقنيات التوثيق المختلفة، مشيرًا إلى قيود المسح الأرضي التقليدي وطرق التصوير المعتمدة على الصور، والتي يمكن أن تكون مستهلكة للوقت وتتطلب مشغلين مهرة. بالمقابل، تقدم المسح بالليزر الأرضي الحديث (TLS) ومحطات القياس الكلية الروبوتية جمع بيانات عالي الجودة ولكنها تتطلب خبرة وميزانية كبيرة. لقد ظهر التقدم السريع في الطائرات بدون طيار (UAV) كبديل واعد، مما يتيح نمذجة ثلاثية الأبعاد فعالة لمواقع التراث الثقافي، بما في ذلك تلك التي يصعب الوصول إليها. تسهل الطائرات بدون طيار جمع البيانات في الوقت الحقيقي ويمكن أن تستخدم مستشعرات متنوعة لإنتاج صور عالية الجودة، مما يحقق مستوى من التفاصيل يصل إلى المستوى 3 (LOD3). يعتبر هذا المستوى من التفاصيل حاسمًا للتوثيق الدقيق ويدعم جهود الحفظ، والبحث بين التخصصات، والمشاركة العامة من خلال تقنيات حديثة مثل الواقع المعزز والواقع الافتراضي. تهدف الدراسة إلى الاستفادة من تكنولوجيا UAV والتصوير الفوتوغرافي لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد مفصلة للمباني التراثية الثقافية، تحديدًا في موقع معبد بيغولينغان، لتعزيز التوثيق لصيانة وجهود إعادة البناء المستقبلية.
طرق
تحدد قسم المنهجية تصميم البحث والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم المؤلفون نهجًا كميًا، مع دمج الأساليب الإحصائية لتحليل البيانات المجمعة. على وجه التحديد، استخدموا تحليل الانحدار لفحص العلاقات بين المتغيرات المستقلة والتابعة، مع التأكد من تلبية افتراضات الطبيعية والتجانس.
تم جمع البيانات من خلال استبيانات تم توزيعها على عينة تمثيلية من المشاركين، مع التركيز على تقليل التحيز وتعزيز موثوقية النتائج. تم تحديد حجم العينة باستخدام تحليل القوة لضمان قوة إحصائية كافية لاكتشاف التأثيرات المهمة. بالإضافة إلى ذلك، نفذ الباحثون مجموعة متنوعة من الفحوصات للتحقق من الصلاحية والموثوقية، بما في ذلك ألفا كرونباخ للتناسق الداخلي لأدوات الاستبيان.
بشكل عام، تم تصميم المنهجية لاختبار الفرضيات المطروحة في الدراسة بدقة، مما يوفر إطارًا قويًا لتفسير النتائج واستخلاص استنتاجات ذات مغزى.
نتائج
تشير نتائج الدراسة التي تقيم طريقة الهيكل من الحركة-التصوير متعدد المناظر (SfM-MVS) لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد لمواقع التراث الثقافي إلى دقة إجمالية قدرها 11.3 مم في القياسات الأفقية و14.1 مم في القياسات العمودية، كما هو مفصل في الجدول 1. تتأثر الأخطاء المتبقية بعوامل مثل ظروف الإضاءة، وتداخل الصور، وإعدادات الكاميرا، مما يمكن أن يعقد عملية إعادة البناء الفوتوغرافي. من الجدير بالذكر أن RMSE العمودي أكبر من RMSE الأفقي، على الأرجح بسبب المسافة العالية للتصوير الجوي التي تؤدي إلى زيادة التشويه الشعاعي، مما يؤثر على الهندسة المدركة للصور. على الرغم من هذه التحديات، حقق النموذج ثلاثي الأبعاد لمعبد بيغولينغان تصنيف مستوى التفاصيل 3 (LOD3)، مع هامش خطأ أقل من 0.5 متر، مما يوضح فعالية الطريقة في توثيق التراث الثقافي.
بالإضافة إلى ذلك، تقارن الدراسة بين سحب النقاط الكثيفة (DPC) التي تم إنشاؤها بواسطة المسح بالليزر الأرضي (TLS) والتصوير الفوتوغرافي باستخدام UAV، كاشفة أن TLS أنتجت عددًا أكبر بكثير من DPCs (حتى 3.99 مليون) مقارنةً بالتقاط الصور باستخدام UAV (حتى 439.96 ألف). الكثافة الموصى بها للنقاط من أجل إعادة البناء الفعالة هي بين 10 إلى 20 نقطة لكل سنتيمتر مربع، وهو ما حققته التصوير الفوتوغرافي باستخدام UAV، على الرغم من توزيع أقل انتظامًا مقارنةً بـ TLS. تؤكد النتائج على أهمية تحسين إعدادات التصوير الفوتوغرافي لتعزيز كثافة النقاط ودقة النموذج، بالإضافة إلى الدور الحاسم لجودة الصورة وتداخلها في إعادة البناء ثلاثي الأبعاد الناجحة.
نقاش
تسلط الأبحاث الضوء على أهمية التصوير الفوتوغرافي باستخدام UAV في الحفاظ على التراث وتوثيقه، خاصة في التقاط المناطق التي يصعب الوصول إليها بكفاءة وبتكلفة منخفضة. تنتج هذه الطريقة نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الدقة ضرورية لجهود الحفظ، مما يعالج التحديات العالمية مثل التحضر والكوارث الطبيعية. من خلال دمج التكنولوجيا المتقدمة مع الممارسات التقليدية، تقدم الدراسة حلولًا قابلة للتوسع لتوثيق التراث الرقمي، مما يضمن حماية الأصول الثقافية للأجيال القادمة.
شملت المنهجية مجموعتين من مهام التصوير الجوي باستخدام طائرة DJI Mavic 2 Pro، تلتقط كل من المنظورات الأفقية والعمودية لمعبد بيغولينغان. استخدمت الدراسة نقاط التحكم الأرضية (GCPs) ونقاط التحكم المستقلة (ICPs) للتعريف الجغرافي وتقييم الدقة، مستخدمةً خوارزميات الهيكل من الحركة (SfM) والتصوير متعدد المناظر (MVS) لإنشاء نماذج سحب نقاط كثيفة. تم التحقق من دقة النماذج التي تم إنشاؤها بواسطة UAV مقابل بيانات المسح بالليزر الأرضي (TLS)، مما يكشف عن خطأ الجذر التربيعي المتوسط (RMSE) قدره 11.3 مم و14.1 مم في الاتجاهات الأفقية والعمودية، على التوالي. تشير النتائج إلى أنه بينما تظهر كل من طرق التصوير الفوتوغرافي باستخدام UAV وTLS دقة عالية، فإن التصوير الفوتوغرافي باستخدام UAV أكثر كفاءة من حيث التكلفة، والعمالة، ووقت المعالجة، مما يجعله أداة قيمة لإدارة التراث الثقافي. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على الحفاظ على الدقة تحت ظروف بيئية متنوعة واستكشاف الأساليب الهجينة التي تجمع بين بيانات UAV وTLS.
DOI: https://doi.org/10.21660/2025.126.4768
Publication Date: 2025-02-17
Author(s): I GD Yudha Partama
Primary Topic: 3D Surveying and Cultural Heritage
Overview
This research evaluates the accuracy of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) photogrammetry, specifically using the Structure from Motion and Multi-View Stereo (SfM-MVS) algorithm, for documenting the Stupa at Pegulingan Temple. The study generated a 3D model from aerial photographs captured by a drone, assessing its accuracy through the Root Mean Square Error (RMSE) of the model’s coordinates compared to those obtained from Real-Time Kinematic Global Navigation Satellite System (RTK-GNSS) and Terrestrial Laser Scanning (TLS). The results indicated an RMSE of 11.3 mm in the horizontal direction and 14.1 mm in the vertical direction, demonstrating high accuracy at the millimeter scale. Additionally, the mean cloud-to-cloud (C2C) distance between the UAV and TLS point clouds was remarkably small at 0.03 mm, suggesting comparable accuracy between the two techniques.
The findings highlight the effectiveness of UAV photogrammetry in the digital documentation of cultural heritage buildings, particularly in terms of cost, labor, data acquisition, and processing time, despite its limitations in vertical accuracy compared to TLS. The study also employed an automatic aerial triangulation method, which reduces human involvement and accelerates processing, making it advantageous over traditional methods. The results are significant for stakeholders in building maintenance, heritage conservation, architecture, archaeology, and construction. Future research is recommended to explore the consistency of UAV photogrammetry accuracy across varying environmental conditions and to develop strategies for enhancing data collection and processing.
Introduction
The introduction emphasizes the critical need for the protection and preservation of cultural heritage buildings, highlighting their significance for historical restoration, education, tourism, and national identity. Effective documentation of these structures is essential, particularly in the face of potential damage from age, climate, or natural disasters. Traditional documentation methods, primarily reliant on analog design drawings, are inadequate for managing structural changes or damage, necessitating a shift towards digital formats, particularly three-dimensional (3D) modeling.
The text discusses various documentation techniques, noting the limitations of traditional terrestrial surveying and image-based methods, which can be time-consuming and require skilled operators. In contrast, modern terrestrial laser scanning (TLS) and robotic total stations offer high-quality data collection but demand significant expertise and budget. The rapid advancement of unmanned aerial vehicles (UAVs) has emerged as a promising alternative, enabling efficient 3D modeling of cultural heritage sites, including those that are difficult to access. UAVs facilitate real-time data acquisition and can utilize various sensors to produce high-quality imagery, achieving a Level of Detail up to Level 3 (LOD3). This level of detail is crucial for accurate documentation and supports conservation efforts, interdisciplinary research, and public engagement through modern technologies like augmented and virtual reality. The study aims to leverage UAV and photogrammetry technology to create detailed 3D models of cultural heritage buildings, specifically at the Pegulingan Temple site, to enhance documentation for maintenance and future reconstruction efforts.
Methods
The methodology section outlines the research design and analytical techniques employed in the study. The authors utilized a quantitative approach, incorporating statistical methods to analyze the collected data. Specifically, they employed regression analysis to examine the relationships between the independent and dependent variables, ensuring that the assumptions of normality and homoscedasticity were met.
Data were gathered through surveys distributed to a representative sample of participants, with a focus on minimizing bias and enhancing the reliability of the findings. The sample size was determined using power analysis to ensure adequate statistical power for detecting significant effects. Additionally, the researchers implemented various checks for validity and reliability, including Cronbach’s alpha for internal consistency of the survey instruments.
Overall, the methodology was designed to rigorously test the hypotheses posed in the study, providing a robust framework for interpreting the results and drawing meaningful conclusions.
Results
The results of the study evaluating the Structure from Motion-Multi-View Stereo (SfM-MVS) method for generating 3D models of cultural heritage sites indicate an overall accuracy of 11.3 mm in horizontal measurements and 14.1 mm in vertical measurements, as detailed in Table 1. The residual errors are influenced by factors such as lighting conditions, image overlap, and camera settings, which can complicate the photogrammetric reconstruction process. Notably, the vertical RMSE is greater than the horizontal RMSE, likely due to the high aerial photography distance leading to increased radial distortion, which affects the perceived geometry of the images. Despite these challenges, the 3D model of Pegulingan Temple achieved a Level of Detail 3 (LOD3) classification, with an error margin of less than 0.5 meters, demonstrating the method’s efficacy in cultural heritage documentation.
Additionally, the study compares the Dense Point Cloud (DPC) generated by Terrestrial Laser Scanning (TLS) and UAV-photogrammetry, revealing that TLS produced significantly more DPCs (up to 3.99 million) compared to UAV-photogrammetry (up to 439.96 thousand). The recommended point density for effective reconstruction is between 10 to 20 points per square centimeter, which the UAV-photogrammetry achieved, albeit with a less uniform distribution compared to TLS. The findings emphasize the importance of optimizing photogrammetric settings to enhance point density and model accuracy, as well as the critical role of image quality and overlap in successful 3D reconstruction.
Discussion
The research highlights the significance of UAV-photogrammetry in the preservation and documentation of cultural heritage, particularly in capturing inaccessible areas efficiently and cost-effectively. This method generates high-resolution 3D models essential for conservation efforts, addressing global challenges such as urbanization and natural disasters. By integrating advanced technology with traditional practices, the study presents scalable solutions for digital heritage documentation, ensuring the safeguarding of cultural assets for future generations.
The methodology involved two sets of aerial photography missions using a DJI Mavic 2 Pro Drone, capturing both horizontal and vertical perspectives of the Pegulingan Temple. The study utilized Ground Control Points (GCPs) and Independent Control Points (ICPs) for georeferencing and accuracy assessment, employing the Structure from Motion (SfM) and Multi-View Stereo (MVS) algorithms to create dense point cloud models. The accuracy of the UAV-generated models was validated against terrestrial laser scanning (TLS) data, revealing a root-mean-square error (RMSE) of 11.3 mm and 14.1 mm in horizontal and vertical directions, respectively. The findings indicate that while both UAV-photogrammetry and TLS methods exhibit high accuracy, UAV-photogrammetry is more efficient in terms of cost, labor, and processing time, making it a valuable tool for cultural heritage management. Future research should focus on maintaining accuracy under varying environmental conditions and exploring hybrid approaches that combine UAV and TLS data.