面向纳巴泰建筑遗产可持续数字化建档与管理的集成化HBIM框架研究

《Sustainability》：An Integrated HBIM Framework for the Sustainable Digital Documentation and Management of Nabataean Architectural Heritage

　　

摘要专业翻译 纳巴泰王国（Nabataean Kingdom）繁盛于公元前四世纪至公元二世纪，在阿拉伯西北部及约旦的干旱景观中留下了卓越的建筑遗产。纳巴泰建筑遗产以复杂的岩凿纪念物、精细的装饰雕刻以及持续进行的退化过程为特征，这为精确的数字化建档、信息管理与保护带来了重大挑战。尽管这些遗址日益受到学界关注，但现有文献与数据集仍分散于不同机构、学科领域及数字格式之间，限制了其可访问性与长期管理。历史建筑信息模型（Historic Building Information Modeling，HBIM）虽已成为历史建筑建模的有效系统，但现有方法往往侧重于纪念物的几何重建，对精细装饰元素及多学科遗产信息的整合十分有限。本研究提出一个集成的HBIM框架，通过整合地面激光扫描（terrestrial laser scanning，TLS）、近景摄影测量与参数化HBIM，用于纳巴泰建筑遗产的建档与管理。所提出的工作流程在基于工作集（workset）的统一HBIM环境中，将精确的几何采集与语义信息管理相结合。本研究的一项主要贡献是开发了一个专门的纳巴泰装饰母题数字库，包含高分辨率带纹理网格模型，保留了重复出现的雕塑元素的精细几何与视觉特征。这些网格利用激光扫描数据进行精确缩放与地理配准，并集成到HBIM环境中，以支持系统分类、复用与遗产信息管理。此外，本研究引入了一种混合网格–HBIM方法，将真实网格模型与纪念物的参数化HBIM表示相集成，从而实现对精细雕刻及退化表面的详细建档与分析，而这些是传统参数化建模无法充分表征的。最后，建筑、历史、保护、地质及状况评估数据集被整合到一个集中的HBIM平台中，通过所提出的工作集结构进行组织，以促进高效的数据管理与跨学科协作。所提出的框架通过集成真实的装饰资产库、混合网格–参数化建模及集中式遗产信息管理，推进了现有HBIM方法，为纳巴泰及其他复杂考古遗产遗址的数字化建档与信息管理提供了可迁移的方法论。该框架为未来在状况监测、保护规划、知识保存及可持续遗产管理方面的应用奠定了结构化基础。

论文解读

一、研究背景与问题

纳巴泰文明是古代阿拉伯半岛的重要文明，其建筑遗产以赫格拉（Hegra，位于沙特阿拉伯）和佩特拉（Petra，位于约旦）两处联合国教科文组织世界遗产地为代表。这些遗址保存了大量岩凿墓葬、神庙和纪念性建筑，展现了纳巴泰人在干旱环境中卓越的建筑智慧与艺术成就。然而，这些遗产正面临多重威胁：环境退化、盐结晶风化、游客压力增加以及遗产管理困难。更为关键的是，关于这些遗产的文档与数据分散于不同机构、学科领域和数字格式之间，缺乏统一的集中式数字档案，严重制约了数据的可访问性、长期可用性以及跨学科协作的有效开展。

历史建筑信息模型（HBIM）为历史建筑的数字建档与管理提供了有效途径，能够将历史文档、几何勘测数据、风化分析和保护记录整合到统一的参数化数字环境中。然而，现有HBIM方法存在明显局限：其一，现有BIM建模库主要面向当代建筑实践，对历史建筑的复杂性和独特性支持不足；其二，既有研究往往侧重于单体建筑的几何重建，对精细装饰元素和多学科遗产信息的整合十分有限；其三，历史建筑的不规则和独特特征使HBIM建模比常规BIM更具挑战性。因此，本研究旨在回答三个核心问题：如何将TLS、近景摄影测量和HBIM集成到统一工作流程中用于纳巴泰复杂建筑遗产的建档；如何将重复出现的不规则装饰元素表示为可复用的基于网格的HBIM构件，同时保留其几何与视觉特征；以及如何在集中式HBIM环境中组织异构的几何、历史、保护、地质和状况相关信息，以支持结构化的遗产信息管理。

二、研究内容与主要结论

研究人员提出了一个集成的HBIM框架，将地面激光扫描（TLS）、近景摄影测量和参数化HBIM整合到统一的工作集（workset）环境中。该框架以TLS数据重建纪念物的主要建筑几何作为参数化HBIM元素，以摄影测量捕获复杂装饰元素并处理为高分辨率带纹理网格模型，通过地理配准确保空间一致性与几何保真度。研究开发了专门的纳巴泰装饰母题数字库，将重复出现的雕塑元素（如鹰、狮身人面像、蛇、玫瑰花饰、美杜莎浮雕等）转化为可复用的基于网格的HBIM族（family）。此外，研究提出了混合网格–HBIM集成方法，将真实摄影测量网格与参数化HBIM模型相结合，以保留传统参数化建模无法充分表征的复杂雕刻和退化表面的细节。最后，研究通过基于工作集的集中式HBIM平台，整合了建筑、历史、保护、地质和状况评估等多源数据集，支持跨学科协作与遗产信息的结构化管理。

该研究的重要意义在于：首次为纳巴泰建筑遗产建立了集中式HBIM框架，将HBIM的角色从单体建筑层面的信息管理拓展到精细建筑遗产构件的保存与管理；开发了可复用的纳巴泰装饰母题数字库，为遗产建档、比较分析和保护应用提供了可持续的数字资源；所提出的混合网格–参数化建模方法为复杂和退化建筑特征的精确表征提供了新的技术路径；整体框架具有可迁移性，可推广至其他复杂考古遗产遗址的数字化建档与信息管理。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：其一，地面激光扫描（TLS），使用Leica RTC360扫描仪对赫格拉的Liyhan之子墓葬（IGN 110，29站扫描，超4.03亿点，平均地面采样距离6毫米）和Jabal al-Khuraymat墓地的IGN 22墓葬（7站扫描，超7710万点）进行数据采集，并使用Mensi GS100扫描仪对佩特拉的Al-Deir纪念物进行扫描（5站，近600万点，平均地面采样距离约3厘米）；其二，近景摄影测量，使用Canon EOS 5D Mark IV（赫格拉，分辨率6720×4480像素）和Nikon D2X（佩特拉，分辨率4288×2848像素）相机，采用35毫米定焦镜头采集图像，通过Agisoft Metashape生成三维模型；其三，数据配准与融合，使用CloudCompare软件通过对应点进行初步对齐，再采用迭代最近点（ICP）算法进行精细配准，以TLS数据为参考框架对摄影测量模型进行缩放和定向；其四，HBIM建模，在Autodesk Revit中通过系统族（system families）和就地族（in-place families）构建参数化模型，并将网格族集成到模型中；其五，集中式HBIM协作，采用Revit中央模型工作共享方式，通过主题工作集组织模型，支持多用户同时协作。

四、研究结果

HBIM族库的建立。 由于纳巴泰装饰雕刻的几何高度复杂且不规则，参数化建模方法难以精确表征其形态细节，因此采用基于网格的建模方法。研究人员通过摄影测量捕获装饰元素的精细几何和表面颜色信息，处理为高分辨率网格模型，并在Autodesk Revit中生成HBIM族（如鹰母题），支持在多个纪念物间的标准化复用。

集中式HBIM模型的构建。 研究人员在Revit中采用中央模型工作共享方式，为Al-Farid墓葬（赫格拉）和Al-Deir纪念物（佩特拉）建立了集中式HBIM模型。模型通过主题工作集进行组织，包括历史阶段、保护与状况评估等主题，每个建模元素被分配唯一标识符和自定义HBIM参数，将几何对象与其关联的历史、材料、保护及状况评估信息相连接。

混合网格–HBIM集成。 通过地理配准的激光扫描数据，高分辨率摄影测量网格模型被精确配准到参数化HBIM模型中，实现了真实网格与参数化模型的融合。这种混合表示结合了两者优势：参数化模型提供高效的信息管理和语义组织，网格模型保留参数化对象无法充分表征的精细几何和纹理细节，对表面退化、风化和复杂雕刻特征的详细状况评估尤为有价值。

地形与上下文信息集成。 研究将描述自然地貌、岩层、地形特征以及纪念物与周边景观空间关系的地形信息进行地理配准并集成到HBIM环境中，建立了纪念物、地质背景与周边地形之间的空间联系。此外，正射影像和检查/状况记录等上下文信息也被关联到相应的HBIM元素，为保护过程的利益相关者提供了统一环境。

配准精度评估。 对于IGN 110墓葬，使用CloudCompare中的ICP算法对摄影测量与TLS数据集进行精细配准，在50000个点上实现了0.18毫米的均方根（RMS）残差。该值代表ICP配准的内部残差而非整体测量或建模的绝对精度。

五、讨论与结论

在讨论部分，研究人员指出，与以往侧重于单体建筑数字建档或建筑元素几何重建的HBIM研究不同，本研究所提出的框架引入了更全面和集成的方法来管理纳巴泰建筑遗产。与Yang等人提出的mesh-to-HBIM工作流程相比，本研究将重点从建筑特定的网格分割转向开发可复用的遗产特定HBIM构件库，减少了重复重建和分割的工作量。与Barazzetti提出的基于NURBS曲线和曲面的方法相比，本方法在处理高度破碎或高度装饰的元素方面具有优势。研究也承认了若干局限性：当前实现高度依赖Autodesk Revit等专有软件，可能限制在其他HBIM环境中的可复制性；通过IFC或openBIM工作流程交换复杂纹理网格及关联语义信息尚未系统评估；装饰母题目前表示为不可编辑的网格几何，缺乏完全可修改的几何参数；处理大规模纪念物和高密度数据集时计算需求较高。

研究结论指出，本研究提出了一个综合性的HBIM框架，通过整合地面激光扫描、近景摄影测量和历史建筑信息建模，实现了纳巴泰建筑遗产的数字化建档与管理。主要贡献包括：开发了专门的纳巴泰装饰母题数字库，以高分辨率带纹理网格模型保存重复出现的建筑元素的精细几何和视觉特征；所提出的基于工作集的组织方式通过整合建筑模型、摄影测量网格、历史文档、状况评估和地质信息，改善了数据管理和跨学科协作。未来工作将集中于开发更具灵活性和参数化的装饰母题表示，优化计算性能，以及与GIS集成建立空间参考的遗产信息系统，实现区域地理空间信息与纪念物尺度HBIM模型的无缝连接。