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文献推荐 | 利用地理信息系统方法诊断圣伊西多罗遗址

遗产数字化与虚拟修复课题组

2021-12-27

导读：文章展示了应用不同的地理信息学方法对位于西班牙首都马德里的一个遗址进行诊断。即使用摄影测量进行三维数字化和正射影像生成以及使用地理信息系统(GIS)上传和管理信息。

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为较全面地展示文化遗产数字化保护的前沿技术，本课题组每周收集整理与文化遗产数字化保护相关主题参考文献，包括：虚拟修复、高光谱、风险评估、三维特征提取等进行精读，并通过公众号推送分享，欢迎老师与同学们提出宝贵的建议和推荐相关文献。

引用格式：Sedano Espejo E.,MacKinlay P.,Sanz Arauz D.,Sánchez Aparicio M.,Sánchez Aparicio L. J.. USE OF GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM APPROACHES FOR THE DIAGNOSIS OF SAN ISIDORO RUINS (MADRID, SPAIN)[J]. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences,2021,XLVI-M-1-2021.

推荐理由：文章展示了应用不同的地理信息学方法对位于西班牙首都马德里的一个遗址进行诊断。即使用摄影测量进行三维数字化和正射影像生成以及使用地理信息系统(GIS)上传和管理信息。这两种策略都使用了开源软件。对于GIS方法，选择了QGIS平台，并编写了一些附加功能来优化诊断，如创建标准化HTML文件以提高互操作性。预诊断阶段是通过Qfield应用程序进行的，该应用程序允许在现场捕获数据。此外，还进行了几项测试，如x射线衍射、显微镜和物理测试，目的是了解这座遗址遭受的自然损伤过程。这种多学科的方法使我们能够了解遗址的现状和退化机制，其中最突出的损伤是由材料引起的。这种破坏与场地的环境条件以及建筑过程中使用的石头的物理和化学性质有关。

内容介绍：

1. 背景与意义

在地理信息学领域，主要有两种方法来进行多学科融合的遗产保护工作:i)HBIM(历史信息建筑模型);ii)地理信息系统。它们使我们能够管理在诊断-干预-保护阶段汇编的多学科信息。

应用HBIM方法的研究，需要在定义3D模型上投入大量的时间成本。而GIS的主要优点之一是可以直接处理二维栅格数据，从而使其应用更容易和更快。因此，可以从城市尺度分析不同尺度的遗产，以评估自然灾害和人为灾害，融合多学科多源信息。这样的融合使得复杂查询的开发成为可能，这些查询可以帮助诊断、修复和保护建筑物。在此基础上，本文展示了开源平台QGIS的一个应用，通过使用摄影测量方法提供的栅格信息、之前几次测试的数据以及使用特定的形状文件和脚本来诊断历史建筑。

2. 研究目的

该遗址最初位于中世纪城市Ávila的郊区，由一个木制屋顶覆盖的单一中殿组成。建造时间可以追溯到1116年甚至更早，后来被古董收藏家买下并拆解带到马德里，由于这些遗迹的迁移，被称为“Caleño石（一种多孔乳白色的小型致密花岗岩）”的主要材料正在遭受明显的自然损伤过程。导致无法将遗址移送或归还到其他地点;由于其结构缺乏聚合力，任何拆除都可能摧毁整个遗址。

图1 迁移至马德里的遗迹:a) 遗迹正面;B)半圆壁龛

由于遗址建造之初并不位于当前所在的地区，当它被迁移到现在的位置后，进行过几次保护工作。第一次是在1998年，通过清理和研究对废墟进行修复，第二次是在2018年，通过纠正保护过程再次进行保护，采取了一系列的保护措施(消除老化的接缝，修复受损的部分，对整体进行全面的防水处理，周边的排水工作等)。然而，该地区的环境条件和花岗岩的物理特性以及之前的这些干预措施正在导致材料的退化，需要一个强有力的诊断，以最大限度地减少自然损伤。

3. 研究方法

3.1 三维点云的摄影测量

图2 a) 遗迹的稀疏点云;B) 密集点云的遗迹模型

图3 在QGIS项目中引入的Ortoimages

图3显示失差调整阶段和密集匹配的结果。最后，共获得4张正射影像，平均GSD为2mm。这些图像被引入QGIS项目，作为预诊断和诊断阶段的基础图像。

3.2 通过QGIS-QField进行预诊断

使用QGIS构建器工具创建不同的形状层。
使用QField同步插件(OPENGIS)将项目导出到Android应用程序QField中。
在这个阶段，可以绘制建筑材料、建筑系统以及不同的破坏情况。所有的数据都由移动设备捕捉的几张图像补充。
使用Qfield应用程序捕获损坏映射，并在QGIS桌面软件中进行管理。
在本例中，shapefile中只包含一个简短的描述，同时通过使用形状的annexed_pdf_file字段附加其余的信息。此外，使用Python脚本创建了不同的标准化文档(即损坏文档)。可以通过单击特定的shapefile来查询这些文档。

图3 捕获损伤映射并在QGIS软件中进行管理

默认情况下，QGIS不能满足诊断的所有要求，因此需要开发几个脚本。在这项工作中，开发出一个使用HTML和CSS语言生成标准化表单的脚本。此外，应用程序Qfield被证明是非常高效的，减少了在现场绘制建筑物破坏和建筑系统所需的时间。与HBIM模型(它可以被认为是另一种足以诊断历史建筑的方法)相比，GIS系统的使用不那么复杂，可以使用正射影图和地理空间数据库来管理诊断所需的所有信息，并在诊断阶段使用交集命令来获得一些结论。

4. 实验结果

通过分析从遗迹中提取出的样品，都观察到粘土基质材料的损失，这在白石中更为明显。这一结论与GIS预诊断阶段提取的数据是一致的。

图4 材料损失交叉分析的结果（选区用黄色突出显示）

最显著的恶化是花岗岩材料的黏聚力缺失和颗粒基质的损失，城市的大气条件和污染以及环境的湿度加剧了这种恶化。这就是为什么提出了一个主要针对固结和加强其粒度结构的建议。

建议并考虑实施预防性保护计划，以便对历史建筑群可能遭受的损害和风险进行适当和定期的维护，避免或至少试图减少这些自然损伤可能对遗迹造成的影响。

5. 结论

对于文章提到的两种地理信息学方法，一方面，获得具有厘米精度和高分辨率的遗址三维点云，以及GSD为2mm的ortophotos。这种方法被证明是有效的，包含了绘制建筑物损坏和施工系统所需的所有必要信息。

此外，利用GIS上传和管理诊断过程中产生的多源信息，如损伤图像、x射线分析等。这种方法也被证明是非常有效的，特别是当它与其他脚本或应用程序相结合时，可以提高数据的互操作性，以及字段内的数据捕获。更具体地说，使用了开源软件QGIS。默认情况下，该软件不能满足诊断的所有要求，因此需要开发几个脚本。在这项工作中，开发出一个脚本，通过使用HTML和CSS语言来生成标准化的表单。此外，应用程序Qfield优化了在领域内绘制损害和建筑系统所需的时间成本。与HBIM模型相比，GIS系统的使用不那么复杂，令使用正射影像和地理空间数据库成为可能，这些数据库允许管理诊断所需的所有信息，并在诊断阶段获得一些结论。

6. 相关思考