通过图纸和数字建筑表现来叙述古罗马遗产

近年来，关于建筑遗产数字化的有趣研究表明，HBIM（历史建筑信息模型）、BIM扫描流程以及虚拟和增强现实（VR-AR）等交互式形式如何使专业人士和游客拥有更详细和内容丰富的数字数据。本研究分享了古罗马遗产数字化领域的经验，展示了建筑表现的最新进展：（i）允许无人机在不同研究规模下收集的图像进行三维（3D）重建;（ii） 为工程师提供必要的背景来评估结构缺陷;（iii） 支持修复者进行腐烂分析;（iv） 支持三个罗马案例研究的数字解释和表示阶段：亚壁古道、圣尼古拉教堂以及凯西莉亚梅特拉陵墓和卡斯特鲁姆卡埃塔尼陵墓（图 1）。

图1 研究案例研究：亚壁之路及其陵墓（顶部）和卡埃塔尼城堡：圣尼古拉教堂（卡西莉亚梅泰拉陵墓和卡埃塔尼宫（底部）。

几个世纪以来，亚壁古道的建设按部门进行，并进行了许多维护工作。第一英里的路面今天仍然部分可见，是用镁铁质熔岩的多边形块实现的（图2）。亚壁古道两侧的许多土地成为教会的财产。在9世纪和11世纪末，其中一些被教会卖给了罗马贵族家庭，例如Caetani。

图2 阿皮安方式：陵墓和用镁铁质熔岩的多边形块实现的人行道（顶部）。乔瓦尼·巴蒂斯塔·皮拉内西（Giovanni Battista Piranesi），在阿尔巴诺市之后不久，通往罗马的亚壁古道的人行道和克雷皮丁（划定道路的块），雕刻。右侧雕刻着亚壁古道人行道

关于阿壁古道的建造技术有两幅雕刻。第一个代表用多边形块实现的道路鸟瞰图（图3）。道路由巨大的矩形石头（crepidines）划定，因为它们与走在路中间的人的高度相同，这是唯一可以帮助理解图纸中元素尺寸的数字。

图3.左边是乔瓦尼·巴蒂斯塔·皮拉内西（Giovanni Battista Piranesi）对亚壁古道的透视图：一座古墓的废墟（阿尔巴诺郊外）。右边：塞巴斯蒂亚诺门外的古迹遗址

铭牌上的纪念碑特别关注它们的保护状态，植被和废墟。然而，它们仍然是建筑师进行修复的结果。纪念碑确实是放置建筑元素和大理石铭文的建筑墙。在他的重建中，有人指出卡尼纳没有区分古代遗址的证据和为修复而实现的建筑元素。然而，这些图纸的目的是研究纪念碑的设计，而不是寻找证据（图4）。

图4.左边：路易吉·卡尼纳，《四英里后的纪念碑》，图版二十一，《阿皮亚达拉门卡佩纳博维尔之路》，1853年。右边：四英里后的纪念碑和提贝里奥·克劳迪奥·第二托墓的细节

除了亚壁古道的非凡考古和建筑价值外，另一个相关方面是景观（图5）。亚壁古道和罗马“坎帕尼亚”的景观在17-18世纪的精美素描和绘画以及19世纪的照片中得到了体现。许多艺术家，如卡洛·拉布鲁齐（Carlo Labruzzi），用各种各样的树木描绘了罗马的“坎帕尼亚”景观。

图5.亚壁古道的景观：从考古和建筑规模到空中基础设施视图

在亚壁之路的第三英里处，矗立着塞西莉亚·梅泰拉陵墓和卡斯特鲁姆·卡埃塔尼的巨大建筑群。该建筑矗立在方形底座上，呈圆柱形。如果考虑到东北侧的梅隆，周长直径约为28m，高度约为28 m，而距离亚壁古道的水平为24m。梅隆证明了中世纪陵墓用途的变化，成为卡埃塔尼城堡的中央防御塔（图6）。

图6路易吉·卡尼纳（Luigi Canina）的图纸描绘了该计划，凯西莉亚·梅泰拉陵墓的废墟和陵墓的重建。右下角：由塞西莉亚·梅泰拉陵墓组成的卡埃塔尼城堡的航拍图像（a）;（b） 卡埃塔尼宫;及（c）圣尼古拉教堂

圣尼古拉教堂的调查是用不同的传感器进行的，以覆盖所有教堂的几何形状和形状，并将它们与陵墓的调查联系起来。因此，使用了被动（地面摄影测量、航空摄影测量）和主动传感器（SLAM）。调查行动从激光采集开始，从陵墓旁边的已知点开始。这种权宜之计有助于SLAM算法使用类似于测量实践中使用的遍历技术的方法将原始扫描数据处理到点云中，因为使用先前已知的位置来确定其当前位置（图7）。

图7主要的3D测量仪器（从左到右：徕卡TPS1200，ZEB Horizon和DJI Mavic Mini 3）以及来自圣尼古拉教堂和卡埃塔尼城堡激光扫描的点云

无人机对阿壁古道、陵墓和考古遗址的调查旨在记录地面研究无法到达的建筑物部分。关于圣尼古拉教堂的飞越，也是在该地区，允许操作直到最大高度为25m。在意大利，要获取有关限制的信息，必须检查D-Flight门户（图8）。

图8.D-Flight Map，图像以圣尼古拉教堂为中心，包括亚壁古道，并突出显示了限制区域。每种颜色都是指高度限制

得益于大疆Mavic mini 3 Pro的使用，无人机调查受益于三向障碍物检测：DJI Mini 3 Pro具有前、后、底双传感器。由于障碍物识别，可以增加检测范围，提高各种垂直元素（如树木和街道设施）之间的飞行安全性，从而防止传统的经典飞行（图9）。

图9 研究案例研究的特点是使获取变得困难的因素。DJI Mavic Mini 3对于三向检测障碍物以及从多个角度获取建筑和结构元素具有决定性意义

摄影测量过程是使用Agisoft Metashape开发的，根据所使用的传感器将图像组织成两组。然后将它们合并为一个块，并继续进行密集匹配、生成3D网格，最后构建高分辨率纹理模型（图10）。

图10 地面和空中采集：在圣尼古拉教堂，凯西莉亚梅泰拉陵墓和卡埃塔尼宫的蓝色中枢和倾斜图像中，浓密的云，网格和纹理模型

最终的3D模型和现有图纸从几何和定性的角度描述了整个建筑。5万目精度为1毫米，纹理提供有关建筑物健康状况的信息，突出显示衰减（图11和图12）。

图11卡埃塔尼宫的最终测量图纸和剖面纹理3D模型

图12圣尼古拉教堂的最终测量图纸和高分辨率纹理3D模型

绘图作为一种图形、信息图表和多媒体语言在2D和3D维度上已经衰落，成为能够控制案例研究的形态学和类型复杂性范式、分析现有值和增强不同标量维度的视觉传达的重要工具（图 13）。通过应用NURBS算法和特定的导出方案，可以在Autodesk Revit 中对几何模型进行建模和导入，并继续进行下一阶段的BIM和建筑考古参数化。

图13 亚壁之路的多级表示：3D模型，平面图（左）和剖面图（右）：（a）带拱顶的砖骨灰龛，（b）提贝里奥·克劳迪奥·第二托墓，（c）带龛的葬礼寺庙

一旦获得BIM对象，就可以启用信息映射和计算功能。后者被认为是将BIM项目与网格和NURBS模型区分开来的主要功能，允许连接物理，机械和历史性质的信息，并起草能够告诉检测到的每个人工制品的当前状态的算盘。图14显示了将每个区域从NURBS表面转换为HBIM对象以进行材料分析和面积量化的过程。

图14砖砌骨灰龛的HBIM项目：（a）NURBS模型（b）材料表面分析（c）HBIM对象（d）与每个已查明区域相对应的HBIM物体（e）自动面积量化;（f）阿富汗政府;（g）测量图纸

AR和VR之间的主要区别在于使用方法和所使用的设备。AR通过使用设备的相机构图感兴趣的对象来增加场景的信息价值。与此同时，VR创建了一个虚拟环境，能够通过Oculus Rift和Quest等设备扩展交互性和沉浸感的范式。这两种方法都经过实施和研究，以提供所需各种细节级别的多标量体验（图15）。

图15 亚壁之路（IV英里）的AR项目：Tiberio Claudio Secondo之墓

航空摄影测量允许拦截圣尼古拉教堂上部的所有建筑元素。由于HBIM模型的实施，通过对历史档案，图纸和Leporini（1958）历史重建的可能假设的深入分析而获得。图16显示了内部和外部的恢复假设。

图16 内部和外部的恢复假说，Leporini（1958）

最近修复的这座建筑群由罗马考古监督局文化遗产和活动部管辖，并向公众开放。HBIM模型包括建筑物的状态及其材料分析。另一方面，VVS叙述了遗产建筑的历史，并展示了其历史重建（图17和图18）。

图17圣尼古拉教堂的三维恢复假说：（a）三维图纸和NURBS模型;（b）楼层;（c）拱门;（d）外墙;（e）木框架系统;（f）屋顶覆盖物;以及 （g）剖面3D模型

图18圣尼古拉教堂的VR项目

数字测量和表示方法的定义和应用，为创建新的数字世界奠定了基础。整合航空摄影测量也使得从考古和建筑到环境的不同尺度上的代表性成为可能。

源自：Drones 2023, 7, 51. https://doi.org/10.3390/drones7010051