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：DOI:10.5194/isprs-annals-VIII-M-1-2021-41-2021
推荐理由：本文提出了一种能够处理多源、多尺度、多时间信息的集成历史BIM-GIS原型。它结合了从地图比例尺到更详细的建筑细节层次的元素。它可以定义为一个3D虚拟环境，带有一个关联（geo）数据库，能够封装异构数据，不限于从几何测量中获得的数据，尽管数字记录及其交付起着基础作用。该系统提供了良好的互操作性平台，以便BIM和GIS软件可以交换信息，避免实现其他软件包中已有的功能和工具。本文中提出的示例与Sondrio市周围的加固结构有关。在这里，开发了一个单一的3D环境，将超过135 km2的区域内的制图级别的信息封装到特定建筑元素的1:1比例。
内容介绍：
1、背景与意义
目前，基于BIM 和GIS综合应用的项目越来越受欢迎，尤其是在基础设施规模上。在地理参考空间中直接使用的参数化建模工具的组合，以及不同信息的集成，在道路、铁路、桥梁、港口、机场、大坝和隧道等多个基础设施相关的项目中具有重要的作用。许多的研究人员现都面临着与HBIM相关的问题，一些科学论文介绍了在复杂建筑中产生HBIM的不同方法，当应用于激光扫描或摄影测量捕捉到的不规则几何图形时，常常面临商业软件中可用的建模能力的“刚性”。本文旨在证明BIM和GIS的综合应用可以扩展到历史建筑和遗址。在这里，集成的历史BIM-GIS (H-BIM-GIS)被定义为一个三维地理参考数字环境，能够(i)封装制图和建筑水平的元素,(ii)提供参数化建模能力，(iii)连接数据库和地理数据库，(iv)与BIM、GIS或CAD等其他软件交换数据。
本文中提出的例子与Sondrio市及其邻近城市(意大利)周围的防御结构有关。这个例子试图展示如何将异构数据源集成到历史BIM-GIS中。这个想法不仅是创建一个可交付成果的数字存储库，而且还使用3D环境作为一个生产工具，在那里可以创建新的信息。例如，可以导入地理引用点云，并将其用作引用来生成其他产品。
2理论背景和方法：
2.1多尺度方法:地图层面
本文描述了基于集成H-BIM-GIS的开发原型，用于Sondrio市及其邻近城市(意大利)的加固建筑。所考虑的面积约为135平方公里，尽管这种方法可以很容易地扩大到更大的范围。Sondrio位于阿尔卑斯山，模型中的高差约为2000米。三维模型的视图如图1所示：
图1：考虑的区域和初步的H-BI MGIS模型表明了要塞结构:城堡格鲁梅洛，托雷德尔卡斯特尔莱托，马斯格拉城堡，曼卡帕内城堡，托雷迪瓜尔蒂耶里，托雷帕利。
本文中所考虑的不同防御建筑的位置用红色图标表示，分别对应于城堡格鲁梅洛、城堡托雷德尔卡斯特尔莱托、城堡马瑟格拉、城堡迪曼卡帕内、城堡迪瓜尔蒂里、卡里布利。在ArcGIS中生成一个点形状文件，通过与建筑名称相关的附加字段来标识地理位置。图1显示了在InfraWorks中导入并自定义的shapefile。在本工作中，模型生成器的输出被认为是一个初步的研究。Sondrio市的地图数据集可以在国家、地区、省以及不同城市级别的web存储库中获得，从而创建了如图2所示的精细模型。
图2：在区域和省一级提供地图图层的改进模型。
2.2多尺度方法：整合现场采集的数据
1）通过全球导航卫星系统进行可靠的地理参考
2）利用激光扫描、全站仪和摄影测量集成H-BIM-GIS
3）正射影像和DEM
4）地理参考网格、CAD、3D模型和BIM
3、附加信息的整合
3.1综述
历史建筑和遗址的数字记录不仅仅局限于几何测量。信息可以以不同的格式提供，有时没有“直接”连接到地理空间数据库的机会。例如，现有的文本和报告可以数字化并以H-BIM-GIS能够访问其内容的方式存储，尽管它们并不覆盖特定的地理区域。这个问题可以通过创建带有到数据源链接的兴趣点对象层来避免。本节仅展示了集成到Sondrio周围加固结构的H-BIM-GIS模型中的异构信息的选择。其目的是表明可以根据所考虑的信息使用特定的特别解决方案。
3.2基于球形图像的虚拟漫游
360°图像，也被称为球形图像或全景图像，可以通过360°相机获得，通常配备多个镜头，能够看到不同的方向。图像然后合并到一个单一的等矩形投影，提供了一个360°可视化的场景周围的相机。从不同位置拍摄的多个360°图像形成了一个虚拟的站点之旅。图3显示了在Castel Grumello获取的360°图像的不同位置。用户可以通过与3D地图交互来访问相应的图像。
图3：上图:在GIS中生成的一个点形状文件，该文件链接到属性table中包含的不同360°图像。该shapefile可以导入到H-BIM-GIS中，以便直接访问全景图。下图:一幅全景图。
3.3诊断信息，材料和条件地图
参与保护项目的不同专家制作的数字文件可以添加到H-BI MGIS中。图4显示了热成像图像、双平面插孔test（以及相关的数值数据）和条件评估sment文件的示例。它们可以使用兴趣点链接到模型，以便用户只需在三维视图中选择图标即可访问它们。
图4：显示拱顶隐藏裂缝的热成像图像、双平面测试、具有已识别退化的状态图。
3.4历史地图
历史地图是一个有价值的信息来源，通常在GIS软件中处理。扫描地图可以使用控制点进行地理参考，也就是说，在历史地图和最近的地图上都可以看到的点可以提供一组地图坐标作为参考。经过地理参考后，历史地图可以导入HBIM-GIS环境，覆盖在DEM上。图5显示了显示Sondrio市中心的1844年地图的结果。
图5：左图:历史地图的地理参考和导入到虚拟的H-BIM-GIS环境。右图：延续与地理空间数据库中现代建筑和街道相同的图像。
3.5卫星图像
现在，人们可以获得大量卫星拍摄的图像。这些图像具有不同的空间、时间和辐射分辨率，已经被不同的学者用于保护项目，打开了新的机会，并将参数化BIM-GIS建模领域与遥感联系起来。由于遥感光学图像通常需要校正，因此可以导入H-BIM-GIS。通常需要在GIS或遥感软件中进行初步处理，以生成被认为是较传统正射影像的3波段图像。图6显示了在2020-08-09采集的Sentinel-2图像作为传统的假色分类图和NDVI导入infracworks后的一些结果。
图6：H-BIM-GIS项目可以添加遥感产品(假色Sentinel-2影像和分类图)。
4、BIM、GIS和BIM-GIS：互操作性和新信息的产生
GIS引擎拥有先进的地理空间工具，可对异构数据进行操作。使用ArcGIS Pro（桌面软件）允许高级操作产生额外的结果，然后可以通过两种基本方式将这些结果导入InfraWorks：（i）创建新文件（导入/导出）或（ii）使用ArcGIS Online建立直接和可互操作的连接。由于交互是双向的，因此InfraWorks工作已在ArcGIS Online上发布，用户可以在其中直接探索和修改。
一个例子是重建连接主要道路和Castel Mancapane的山路。路径长约600米，由运动学GNSS测量，获得ArcGIS Online上共享的形状文件，并使用连接器导入InfraWorks（图7）。该线作为街道对象参数化，并覆盖在5 m DEM上。转换为组件道路可实现高级编辑操作。该图还显示了具有相关坡度的垂直纵断面。
图7：主干道和Castel Mancapane之间的山路。路径通过全球导航卫星系统测量，添加到ArcGIS Online中，使用连接器检索，并在InfraWorks中作为街道对象进行参数化。
ArcGIS Pro和Revit之间的互操作性也是可用的。ArcGIS Pro可以直接读取Revit BIM，为进一步细化地理参考提供工具。所使用的程序是在Revit中使用已知的地图坐标点(东，北，正交高程)和方位角(北的角度)进行直接地理参考。一个与Revit文件同名的附加投影文件(.prj)存储在同一个文件夹中。这允许直接导入到ArcGIS Pro。BIM的元素被识别为一个特征层，可以像3D GIS信息一样使用，实现查询或更高级的操作(图8)。此外，GIS数据可以支持BIM中的建模活动。例如，在GIS中生成的矢量等高线提供了地形的形状，以便在BIM中开始建模。
图8：通过GNSS进行地理参考后，将HBIM导入ArcGIS Pro中正确位置。存储在BIM中的信息可以作为特征层使用。
5、总结：
1、本文提出并讨论了创建一个集成的H-BIM-GIS系统，在该系统中，多个异构数据源被封装，从地图比例尺到不同的建筑及其构造元素。3D功能和地理参考数字信息的可能性提供了一个独特的多尺度环境，将BIM和GIS连接起来。这项工作的结果之一是需要可互操作的工具，以促进多个软件之间的数字信息交换。
2、集成的H-BIM-GIS在预防性保护方面具有显著的潜力，因为它扩展了当前BIM和GIS技术的优势，满足了两个基本要求:(i)更好的调查和记录，以及(ii)长期存储、获取和生产数字信息。另一方面，也发现了不同的局限性。遗址的固有特征(如复杂的几何形状)必须面对非专门为遗产对象开发的软件的刚性结构。
文章来源：2021CIPA会议
DOI：10.5194/isprs-annals-VIII-M-1-2021-41-2021
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文献整理：郝务宸
排版：徐元豪、孙宇桐
审核：王诗涵、林敬凯