面向数字化管理与虚拟体验的扫描到遗产建筑信息建模（Scan-to-HBIM）方法

《Heritage》：Scan-to-HBIM Approach for Digital Management and Virtual Fruition Giovanni Pancani and Mariangela Carissimo

　　

摄影测量纹理作为一种连接信息建模与成果输出的工具，在面向记录保存与传播的应用中发挥着关键作用，这构成了本研究的核心议题。研究人员从实景三维采集出发，构建了竣工模型并将其应用于意大利拉奎拉“99泉”（Fountain of the 99 Cannelle）案例研究，依据精度等级（Level of Accuracy, LOA）标准进行了验证，并通过源自摄影测量数据的表面物质-色彩映射对模型进行了丰富。该映射旨在使劣化现象与干预痕迹直观可读，同时提升模型的信息密度。随后，该模型被集成至实时可视化环境中，支持沉浸式探索与交互查询，成为数据管理与共享协作流程的有力支撑。研究结果表明，在HBIM工作流中受控地集成纹理，能够以协调一致的方式产出用于记录存档与价值提升的成果，促进包括非专业用户在内的信息获取；然而，在可扩展性与此类环境中的纹理管理复杂性方面仍存在关键挑战。

研究背景与意义

当前，建成遗产的调查、建模与管理流程正经历数字化转型，遗产建筑信息建模（Heritage Building Information Modeling, HBIM）作为融合几何数据、历史档案、物质特征与诊断结果的信息基础设施，已成为遗产认知与保护的重要支撑。然而，现有研究在将物质成分集成至HBIM工作流时仍缺乏统一且成熟的方法。尽管基于物理渲染（Physically Based Rendering, PBR）等先进纹理策略日益受到重视，但在原生BIM环境中，纹理往往仅被视为视觉增强手段，其在参数化几何上的投影、优化及作为稳定信息载体的集成仍面临局限。此外，虽然HBIM向沉浸式交互环境（如XR）的迁移已成趋势，但关于摄影测量纹理如何作为可控、可复现且具有互操作性的记录与信息组件，贯穿从Scan-to-HBIM到实时可视化的全流程，相关研究尚显不足。鉴于此，Giovanni Pancani与Mariangela Carissimo在《Heritage》期刊发表研究，旨在通过意大利拉奎拉的标志性遗产“99泉”的案例实验，探究受控的摄影测量纹理集成能否提升HBIM模型的信息密度，改善对遗产物质与保存状况的记录，并保持其在实时环境中的互操作性。

关键技术方法

研究人员选取具有丰富雕刻面具（mascarons）与复杂历史层积的“99泉”作为案例。采用地面激光扫描（Terrestrial Laser Scanning, TLS）与运动恢复结构（Structure from Motion, SfM）技术进行空地一体化集成采集，通过点云配准确保几何基准统一。随后在Revit环境中构建混合LOD（细节层次）的HBIM模型，针对规则构件采用参数化族，针对不规则雕刻面具则采用网格模型并进行语义编码。利用RealityScan与Materialize软件生成PBR材质贴图，并将其作为信息载体赋予模型表面。最终通过Enscape实时渲染引擎实现模型在沉浸式环境中的同步查询与展示。

研究结果

3.1. 数据采集与数据集集成的质量评估

通过对TLS与SfM点云的配准与对齐分析，平均对齐残差小于1厘米，重投影误差均值为0.46像素。基于多尺度模型到点云比较（Multi-scale Model-to-Model Cloud Comparison, M3C2）算法验证，两套数据集的平均距离为-0.0105米，证实了数据融合的高精度与可靠性。

3.2. 明细表与信息管理

研究人员依据UNI 11337标准构建了包含专题表、拓扑表与细部表的结构化信息体系。带纹理的模型显著提升了信息录入的准确性，实现了几何、物质与保存状态的直接可视化比对。每个构件均关联唯一编码及外部数字资源链接（含QR码），打通了从技术管理到公众教育的应用路径。

3.3. 二维成果

基于信息模型导出了1:50比例的平面图与剖面图。采用线框视图与照片平面视图互补的表达方式，不仅展示了几何结构，还有效记录了现状物质特征与病害情况，满足了官方文档的图形需求。

3.4. 模型的几何精度评估

利用CloudCompare进行云到网格（Cloud-to-Mesh, C2M）比对，在超过88万个采样点上，模型与实测点云的平均偏差仅为-0.56毫米，均方根误差（Root Mean Square, RMS）为8.21毫米，完全符合LOA30（±5至±15毫米）的精度要求。

3.5. 实时可视化

3.5.1. 从BIM到沉浸式视觉：信息与标注

通过Enscape插件实现了Revit模型与实时环境的无缝同步。研究人员可直接在沉浸式场景中调用构件的BIM信息参数（如材料、年代、病害），并利用地理定位标注工具进行协同注释，将模型转化为支持保护规划的知识共享平台。

3.5.2. 从信息模型到叙事：用于遗产传播的数字化体验

基于模型生成了5个关键视点的360°全景图，并在Chaos Cloud平台构建了虚拟漫游系统。该系统集成了历史图像、档案对比与修缮记录，通过浏览器或QR码即可访问，将HBIM模型从设计工具转变为具备叙事功能的文化传播媒介。

讨论与结论

讨论部分指出，对于“99泉”这类兼具序列性与形态不规则性的遗产，单纯依赖参数化建模会导致几何失真，而单纯的网格模型又缺乏语义。本研究提出的混合策略成功地将不规则雕刻面具作为语义组件纳入HBIM体系，证明了摄影测量纹理不仅是视觉覆盖，更是具有文献价值的物质记录。然而，研究也坦承了局限性：Revit原生环境对高级纹理管理的支持不足导致大量手动操作，影响了工作流的可扩展性；高分辨率模型带来的计算负荷也需要通过LOD策略进行平衡。

结论重申，Scan-to-HBIM-to-Real-Time-Rendering的工作流能够构建一个超越数字复制品的、可查询的信息环境。摄影测量纹理应被视为模型的核心信息组件，而实时环境则是HBIM系统的功能性延伸。未来的研究应致力于纹理管理的半自动化，并进一步验证该方法在不同类型遗产中的普适性。