在 5D 文化项目、4CH 项目和 Twin It! 行动之间推进三维文化遗产数字化

《Journal on Computing and Cultural Heritage》：Advancing 3D Cultural Heritage Digitization between the 5D Culture Project, the 4CH Project, and the Twin It! Campaign

　　

# 摘要

高级数字技术的融合正在重塑文化遗产（CH）的记录方式，为保护、分析和传播提供了新的途径。本文以阿尔德罗万迪-马扎科拉蒂别墅为案例研究，提出了一套集成且开放的数字工作流程，用于复杂建筑遗产的调查、管理和再利用。该方法结合了固定站激光扫描、地面和航空摄影测量以及基于移动SLAM的测绘技术，生成高分辨率、基于现实的3D数据集。本文从完整性、几何精度、效率、互操作性和长期再利用等方面对提出的多传感器采集框架进行了批判性评估。结果表明，集成方法能够提供可靠且全面的计量记录，同时与单一传感器策略相比显著缩短了采集时间。生成的HBIM模型及相关的基于Web的平台支持结构化信息管理、保护规划、多学科协作和在线传播。与此同时，基于现实的3D网格成功被重新用于沉浸式虚拟现实（VR）体验，提升了可及性和公众参与度。通过采用开放和标准化的数据格式，该工作流程促进了数字遗产资产的长期可持续性和符合FAIR原则的再利用，为未来在建筑和地域语境中的3D遗产项目提供了一个可扩展和可迁移的框架。总体而言，该方法同时支持专家保护工作流程和面向公众的传播，弥合了技术性遗产记录与文化诠释之间的鸿沟。

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# 1 引言

随着数字工具在文化遗产（CH）管理中的地位日益核心化，3D数字化正成为保护、可及性和研究方面的宝贵资源。本研究探讨了数据获取、建模和语义增强的不同方法如何有助于创建结构化和详细的3D模型，既支持领域内的专业人士，也支持更广泛的传播工作。

从技术角度来看，3D建模在保护领域发挥着至关重要的作用，为结构分析[1–3]提供非侵入性方法，为修复规划[1, 4, 5]提供支持，并评估受自然因素[6–8]或人为因素[9, 10]威胁的遗址的风险。数字模型还支持长期监测策略，使多时相数据集的比较以及结构变化随时间演变的评估成为可能[1, 3, 11–13]。

除技术记录外，交互式数字环境增强了人们对建筑和艺术遗产的理解，为教育、诠释和文化参与提供了新的机遇[14–19]。

与此同时，3D模型的再利用正在推动多个领域的创新应用。文化资产的数字化支持了基于遗产的旅游、虚拟博物馆和交互式研究环境等新兴领域[14, 20–25]。近年来，包括人工智能和语义分析在内的先进技术进一步扩展了数字遗产模型的分析与传播潜力。

尽管取得了这些进展，保护和管理工作的成果往往仍然局限于技术和专业领域。这一局限性通常与采用专有格式、互操作性有限的工作流程以及开放、基于Web的发布策略使用仍然有限有关。因此，数字遗产模型的可及性、可重复利用性和长期可持续性往往受到削弱，限制了其在文化传播和跨学科再利用方面的潜力。

本文提出了一种基于开放性和跨学科协作的替代方法。通过集成多传感器数据、采用开放标准和格式，并利用基于Web的平台和沉浸式平台进行访问和叙事，所提出的工作流程旨在弥合技术记录与公众参与之间的差距。这一视角既支持专家研究活动，也支持更广泛的可及性，增强了数字化遗产资产的文化、科学和传播价值。

## 1.1 案例研究：阿尔德罗万迪-马扎科拉蒂别墅

目前，多个欧洲倡议正在应对文化遗产领域中3D数字化、互操作性和再利用方面的挑战。其中，4CH项目（欧洲文化遗产保护能力中心）和3D-4CH项目（文化遗产3D在线能力中心）专注于为3D采集、建模和可视化建立技术支持中心，定义标准化工作流程，并为专业人员和机构提供培训。

5D Culture项目侧重于跨考古学、建筑学和时装设计等领域的高质量3D数据集的创建、管理和共享。该项目研究了具体的再利用场景，包括沉浸式博物馆体验、文化旅游的数字应用以及用于历史遗址和考古遗址诠释和增强的先进工具。在5D Culture倡议中，INCEPTION平台取得了重大进展——这是一个用于语义化遗产建筑信息模型（HBIM）可视化和交互的基于Web的环境。该平台使遗产专业人士和研究者能够探索3D重建、浏览建筑组件，并访问链接的数字资源，如图像、视频和档案材料，包括Europeana内容。这些功能支持结构化分析，并促进了异构数据在统一数字环境中的整合。

作为对这些倡议的补充，由欧盟委员会和Europeana基金会推广的"Twin it!"活动鼓励文化部与国家级机构合作，创建一个包含标志性3D文化遗产资产的共享欧洲收藏。该活动旨在促进高质量3D内容在研究、教育和公众参与方面的再利用，同时探索其更广泛的社会经济影响。

在此框架下，阿尔德罗万迪-马扎科拉蒂别墅被选为一个具有代表性和战略意义的案例研究，位于多个欧洲研究和传播倡议的交汇点。

### 1.1.1 别墅的历史

阿尔德罗万迪-马扎科拉蒂别墅位于博洛尼亚郊外，是艾米利亚-罗马涅地区新古典主义建筑的重要范例。该别墅最初被设计为一座乡村庄园，在1690年左右在阿尔德罗万迪家族的管理下经历了首次重大改造，被扩建并改造以反映家族的社会地位。

最重大的建筑干预发生在十八世纪后半叶。1763年，建筑群中增加了一个剧院，其特点是两层柱廊由雕刻的人形石柱支撑，据认为是佩特罗尼奥·塔多利尼的作品。随后，额外一层的建造进一步提升了建筑的规模和显著性。1770年至1772年间，在菲利波·塔多利尼的艺术指导下，别墅增加了新古典主义元素。

二十世纪，别墅转为公共所有，目前承担多种功能。它设有博洛尼亚市政厅的办公室和医疗服务，以及"马里奥·马萨切西"历史玩具士兵博物馆，该博物馆收藏了从19世纪至今的超过12,000件藏品。在不久的将来，别墅预计将进行一次重要的修复活动，标志着其漫长建筑历史中的新阶段。

### 1.1.2 别墅的数字化：一个跨项目案例研究

鉴于即将开展的修复活动，阿尔德罗万迪-马扎科拉蒂别墅被选为在4CH和5D Culture项目内开发和测试的方法的应用和测试的试点案例。与此同时，它还在"Twin it!"活动的网络研讨会中作为参考案例进行了展示，突出了其在技术研究和公众传播两方面的重要性。

数字化过程的设计旨在满足参与历史建筑分析和修复的建筑师、工程师和保护专业人士的具体需求。关键研究问题聚焦于详细表面分析与3D建模的整合，探索其作为修复规划和决策的高级支持工具的潜力。

除了技术目标外，生成的3D模型还被用于沉浸式虚拟现实（VR）体验、丰富的文档和针对不同受众的沟通活动。这种双重用途强化了别墅作为跨项目案例研究的角色，展示了单一数字资产如何在共享的数字生态系统中支持保护实践、跨学科研究和公众参与。

基于这一经验，该案例研究提供了一个结构化框架，用于研究集成3D工作流程如何同时满足技术和文化需求，从而形成一组聚焦于数据整合、技术再利用和沉浸式传播的目标性研究问题。

## 1.2 研究问题

基于上一节中提出的案例研究，本研究采用了一种集成数字工作流程，结合了地面激光扫描（TLS）、基于同时定位与地图构建（SLAM）的移动测绘、摄影测量、HBIM、基于Web的语义平台和沉浸式VR环境。该工作流程旨在在一个连贯的框架内同时解决技术文档需求和文化传播目标。

在此基础上，本研究回答了以下研究问题：

### 1.2.1 RQ1——多传感器数据融合与遗产保护

TLS、基于SLAM的移动测绘和摄影测量采集的集成使用在多大程度上可以提高多源3D数据集的完整性、准确性和可用性，用于复杂遗产建筑的记录和保护？

### 1.2.2 RQ2——HBIM、文档与技术再利用

集成3D数据集在多大程度上能够有效支持HBIM模型的生成和2D技术及历史文档的导出，旨在辅助保护规划和多学科决策？

### 1.2.3 RQ3——通过VR进行文化再利用与公众参与

基于最初为技术文档创建的基于现实的3D模型的沉浸式VR体验在多大程度上能够增强非专业用户的文化可及性、观众参与度和遗产诠释？

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# 2 研究现状

近年来，文化遗产的数字化因3D测量和建模前沿技术的集成而取得了显著进展[14, 26–33]。每种仪器都有特定的性能特征和不同的优势，具体取决于测量项目的需要[34]。测量技术通常根据所使用的传感器类型——主动式或被动式——进行分类。

在主动式传感器技术中，TLS是记录和文档建筑与考古遗产最成熟的方法之一。所生成的模型凭借其获取高密度点云、具有卓越的精度和精度的能力，成为文档、分析、保护和遗产管理的强大数字工具[1, 2, 35–39]。

近年来，SLAM激光扫描系统在3D测绘中的应用日益广泛，特别是在建筑工地、公共建筑、CH结构和复杂的室内开放空间等场景中[40–44]。这些系统通常依赖手持式或背包式传感器，使操作员能够通过简单地步行穿越环境来获取数据，而无需依赖固定三脚架或预设的扫描站。多项研究证实，基于SLAM的激光扫描仪可以提供厘米级的几何精度，这通常被认为足以满足AEC工作流程、建筑文档和CH应用的需求[28, 40, 44–47]。

在被动式方法方面，近几十年来，摄影测量已成为3D数字测量中最广泛使用的技术之一，这得益于其能够从高分辨率图像生成高度详细的模型的能力。通过应用运动恢复结构（SfM）算法，摄影测量重建了建筑表面的精确3D表示，既保留了几何精度，也保持了逼真的色彩保真度[30, 38, 48–51]。最终输出，如彩色点云、高分辨率纹理3D网格和高分辨率正射影像，对于遗产文档、分析和保护至关重要，特别是在CH文档和修复项目中[30, 37, 38, 51, 52]。摄影测量的另一项优势在于其在测量难以到达区域（如建筑物屋顶或广泛的考古遗址）方面的有效性。在这种情况下，无人驾驶航空器（UAV）提供了一种快速且安全的图像采集手段[32, 48, 53–57]，确保全面覆盖，并作为激光扫描的互补方案。

为了提高精度和地理参考精度，全球导航卫星系统（GNSS）工具和高程仪（TS）测量通常与激光扫描和摄影测量一起使用，确保不同数据集之间的精确对齐，并增强3D重建的一致性[1, 26, 31, 53, 55, 56]。

将多种3D采集技术相结合可以产生更全面的数据集，克服单一方法或物流限制的同时最大限度地发挥其优势。融合方法[44, 54, 58–62]涉及多个平台和传感器的集成、异构数据集的联合处理，或通过不同方法生成的3D输出的合并。传感器和数据融合方法目前越来越多地被应用于3D遗产文档[5, 11, 19, 44, 63–65]、城市测绘[66–68]和环境分析[6–8]中。

如文献[69]所示，这种集成操作可以在处理的不同阶段发生。测量技术与方法的不断发展为遗产数字化开启了一个新阶段，特别是建筑信息模型（BIM）方法在文化遗产领域的应用，即遗产建筑信息模型（HBIM）[36, 70–73]。基于数字测绘的输出——通常是点云——HBIM 能够将遗产资产离散化建模为语义-参数化元素[36, 70, 74–78]。HBIM 通过整合材料、保护、文档记录和建造阶段等信息，增强了建筑物的几何表达[2–4, 12, 24, 71, 74, 79]。其成果是一个动态的三维档案，可与外部资源链接并持续更新，支持研究和遗产保护[4, 13, 72, 80]。近年来，基于BIM模型的交互式网络平台的开发进一步拓展了访问和共享的机会，例如直接在网页浏览器中浏览三维模型，探索富含元数据和多媒体附件的建筑物和考古遗址[20, 23, 25, 81]。本体和链接开放数据系统的采用进一步增强了这一能力，在数字模型、档案馆藏和专业文档之间建立了联系[13, 23–25, 29]。最后，虚拟现实（VR）环境的进步进一步提升了数字化遗产的可访问性和表达潜力。借助VR头戴设备等专用工具，用户可以在沉浸式模式下探索建筑物和考古遗址，为科学研究和公众传播提供引人入胜的体验[14–18, 21, 22, 77, 82–84]。这一演变标志着从简单的三维文档化和数字档案向创建富含语义和文档知识的可导航虚拟环境转变，从而拓展了研究、保护和推广文化遗产的潜力。高分辨率三维采集、数据融合策略、语义建模、元数据管理以及高级可视化（包括沉浸式和网络平台）的集成，正在重塑文化遗产的文档化、解读和传播方式。与此同时，缺乏共享协议、标准化本体、协调工作流以及综合性的在线传播策略，仍然导致碎片化的实践和数字成果，使其难以在项目之间和机构之间进行访问和复用。在此背景下，推进方法论的集成、采用国际参考标准以及推广用于可视化和数据访问的开放网络平台，成为该领域的关键方向。这些发展可能促进三维数字模型、档案资源和领域知识之间更紧密的联系，同时支持三维数字文化遗产及其更广泛知识库的更具可持续性和社会意义的传播。

3 方法

3.1 三维测绘活动

试点项目的主要目标是进行记录和知识采集，以支持干预和修复工作。该项目由INCEPTION衍生团队与Hexagon集团旗下的Geomax公司合作完成，后者以制造一流测绘设备著称，同时还有艾米利亚-罗马涅大区文化遗产部门的参与。

测绘工作通过将场地划分为不同的区域——立面、剧场、别墅内部、花园和屋顶结构——来进行组织，针对每个环境制定相应的数字化策略和目标。使用各种技术和仪器收集数据，然后根据不同的目标在独立阶段进行整合。

在外立面分析方面，采用了固定站式激光扫描仪（Leica RTC360），并结合了垂直向和倾斜航空摄影测量以及倾斜相机（DJI Mini 3 Pro）。这些方法还通过地面摄影测量（使用Sony Alpha 7 IV）以及GNSS和全站仪测量（Geomax Zenith60—Zoom95）进行了增强。在地面和建筑物立面上设置的控制点确保了精确的数据采集（见图1）。

图1. 主立面上的地形控制点分布。

在建筑物内部，测绘结合了固定站式激光扫描仪（Leica RTC360）和室内SLAM系统（Leica BLK2GO）。使用Sony Alpha 7 IV进行地面摄影测量，以仔细记录装饰和壁画表面。此外，还进行了一项对比研究，以评估固定站式扫描与SLAM技术在室内空间中的表现。

GNSS和全站仪的地形数据用于航空和地面摄影测量的度量校正，确保与激光扫描仪输出的精确对齐。具体而言，7个GNSS点作为地面控制点使用，而超过150个全站仪点提供了控制点、建筑构件和花园特征的详细测量数据。

3.1.1 区域：主立面和剧场

需求：具有可靠度量信息和高分辨率图像的三维文档记录。

别墅的外立面（特别是主立面）和独特的剧场需要使用高精度激光扫描仪进行采集。为此，使用了Leica RTC360激光扫描仪：

- RTC360对外立面的扫描共49站；
- RTC360对剧场的扫描共18站。

此外，立面和剧场还通过数张照片的摄影测量进行了丰富：

- 建筑物外立面：地面摄影测量776张（Sony Alpha 7R IV）和航空摄影测量412张（DJI Mini Pro 3）；
- 剧场：地面摄影测量702张（Sony Alpha 7R IV）。

3.1.2 区域：室内空间

需求：捕捉当前布局以用于空间管理。

别墅内部目前分配了多种功能，包括医疗服务、玩具士兵博物馆以及供市政社区使用的空间。因此，近年来进行了多项改建，现有平面图已无法反映当前状况。SLAM技术已经足够可靠，可以满足这一需求。

然而，由于建筑物的扩建，室内空间被划分为18条不同的路径，以便后续整合并注册到整体测绘中。

3.1.3 区域：花园和屋顶

需求：将屋顶（地面测绘中缺失的部分）纳入综合体测绘，并记录周边花园的整体状况。

无人机和摄影测量技术在广阔的城市区域越来越普遍，能够捕捉建筑物的屋顶和（部分）立面。此外，算法已经能够对点云（或网格）进行分割，识别出树木、建筑物和地面，使分析变得更加直观。

在此用例中，共拍摄了1,553张照片，包括：

- 对整个区域的垂直向照片；
- 建筑物周围的倾斜照片。

3.2 三维测绘数据处理与整合

3.2.1 三维测绘数据处理

激光扫描测量和摄影测量均需分别处理。目前，在早期处理阶段融合数据并非通行做法；相反，数据整合通常在较晚阶段进行。

通过各单项技术采集的原始数据使用专用软件进行处理、各组件（无论是激光扫描、路径还是照片）的对齐以及主要输出的生成（见图2和图3）。总体而言，对齐阶段和点云生成采用以下流程：

图2. 地面激光扫描点云。

- 使用云到云（C2C）方法和地形控制点对RTC360扫描进行配准。
- BLK2GO路径在可能的情况下采用闭合环路，连接室外和室内环境，以确保与RTC360扫描的重叠，然后使用C2C方法进行对齐。
- 外立面的航空和地面摄影测量使用地形控制点和从TLS点云中提取的可见特征三维坐标作为标记进行处理。
- 剧场的摄影测量使用从TLS点云中提取的可见特征三维坐标作为标记进行处理。

图3. 三维摄影测量网格模型及相机对齐。

网格模型被用于多种目的，包括修复中的表面状况分析、别墅的背景环境表现以及沉浸式虚拟空间的创建。这些模型以不同的分辨率级别生成，以适应其特定应用。具体而言，创建了三类不同模型：

- 花园模型——为别墅提供背景环境表现，纹理分辨率约为8毫米/像素。
- 别墅模型——用于表面退化分析和修复，纹理分辨率为3毫米/像素（见图4）。
- 剧场模型——用于退化分析、修复和沉浸式VR可视化，纹理分辨率为3毫米/像素。

图4. 摄影测量三维纹理网格。

网格模型以OBJ格式导出，纹理以JPG文件保存。

此外，还生成了分辨率为3毫米/像素的高质量TIFF格式正射影像。这些正射影像作为感兴趣区域表面当前状态的二维文档，将有助于未来的修复项目（见图5）。

图5. 主立面（a）和剧场部分（b）的正射影像及细节。

3.2.2 数据整合：构建整体点云

最终点云通过基于控制点的所有原始扫描的配准获得，并在需要时通过ICP束调整进行精细微调（见图6）。扫描仪数据保持原始密度，但以E57开放文件格式保存。

图6. Villa Aldrovandi Mazzacorati的地面激光扫描、同步定位与地图构建和摄影测量的集成点云。

最终点云大小近75GB：

- 67组RTC360点云共50GB；
- 18组BLK2GO点云共23GB；
- 1组摄影测量点云共1GB。

在此阶段，整体点云还经过抽稀和统一处理，以便作为CAD图纸和BIM模型的可用数据源。

3.3 HBIM建模

Villa Aldrovandi-Mazzacorati的HBIM建筑模型旨在将整合的现实主义测绘数据转化为建筑物的结构化、语义丰富的数字表示。除了几何重建之外，HBIM模型的主要目标是为保护活动、技术文档和未来修复规划提供一个共享信息框架，同时实现数据互操作性和长期复用。在此视角下，HBIM模型被构想为一个可扩展、可逐步丰富化的参考环境，旨在长期支持结构化文档和多学科复用。

该模型采用UN 11337-4标准定义的C级细节水平（LOD），根据EN 17412-1标准对应中高几何精度水平（LOG），并与ISO 19650和AIA G202-2013分类体系中的LOD 300一致。该级别确保准确表示建筑物的形态和比例，几何形状定义明确，但不包含高度详细的建造元素。

根据UN 11337-4标准，相关信息水平（LOI 2–3）包含必要数据，如墙体厚度、简化地层学和表面材料，为初步分析和未来改进奠定坚实基础。根据EN 17412-1标准，这对应中等LOI，其中描述了构件的主要特征，但未深入涉及性能属性或完整的结构组成。

目前，信息需求水平（LOIN）——即根据项目目标确定的所需LOD——处于中间阶段。该模型被设计为建筑管理和修复的基线平台，预期随时间逐步丰富。随着项目推进，LOIN将不断提高，融入保护专家、遗产管理者和建筑历史学家提供的专项数据。这一过程将逐步增强模型，使其成为保护、管理和遗产价值提升的越来越有效的工具，符合国家及欧洲标准。

与BIM建模的标准做法一致，所采用的方法是语义-参数化的，即每个元素归属于特定的类别（如墙体、柱子、楼板、屋顶、门、窗）、族和类型，其空间位置与楼层和其他关键元素相关联（见图7）。

图7. SCAN2HBIM建模（(a)和(b)）。

某些复杂的形态元素使用更适合自由曲面建模的外部软件进行建模，然后以开放的OBJ格式导出为三维对象，最后作为特定元素或预定义族的组成部分导入主HBIM模型中（见图8）。

图8. 自由曲面建模（a）到HBIM环境（b）。

建模阶段完成后，可以高效地生成平面图、剖面图和立面图，利用BIM创作软件中的标准功能——切割平面和剖切工具。此外，这些图纸被导出并在CAD环境中进一步精细化（见图9）。

图9. SCAN2CAD剖面视图。

最后，模型以开放的IFC格式导出，确保互操作性、可访问性和可复用性，以支持未来应用和多学科协作。

3.4 VR建模

在生成别墅、周边花园和剧场的高度表现力和视觉吸引力的纹理网格模型之后，下一步是探索数据的可复用性并评估三维模型在沉浸式VR环境中的表达潜力。

为实现这一目标，开发了一个可通过虚拟现实（VR）体验的项目，使用户能够通过VR头戴设备探索该遗产地。所选用的VR开发平台为Twinmotion，这是一款基于虚幻引擎（Unreal Engine）的实时3D可视化软件，其物理渲染引擎以高保真光照、逼真的材质渲染和动态环境交互而著称。Twinmotion支持快速场景组装和实时渲染，使其成为创建沉浸式、交互式遗产体验的理想选择。地理配准模型以其准确的地理坐标被导入。利用OpenStreetMap功能，提取了道路、相邻建筑和空间约束，以提供逼真的空间背景。随后，虚拟环境中增添了自然和城市元素，包括树木、草地、步道、车辆和动画人物，共同营造出更具吸引力和真实感的体验（见图10）。此外，点光源和面光源被战略性地布置在环境中，以增强其真实感（见图11）。

图10 别墅和花园的VR环境视图。
图11 剧院VR环境视图。

最后，该软件支持实时控制和自定义气象条件，包括季节变化、一天中的时间、云量、湿度水平和降水事件。此功能为沉浸式体验增添了动态变化性，使用户能够在不同的环境条件下探索该遗址，进一步增强VR体验的参与感和真实感。

**3.5 INCEPTION平台**

INCEPTION平台最初是在INCEPTION项目（H2020，项目编号665220）中开发的，在本研究中作为基于Web的环境，用于历史建筑HBIM模型的发布、查询和语义增强。通过INCEPTION核心引擎，该平台应用了一个专门的本体论，将3D模型转化为结构化知识系统，使几何元素能够与元数据、文档和外部数字资源相关联。

在所提出的工作流中，Villa Aldrovandi-Mazzacorati的HBIM模型以IFC格式导出并导入INCEPTION平台。在导入过程中，元数据从IFC结构中自动提取，包括元素分类、层级关系和关联属性。这使得每个建筑构件都能在Web查看器中被单独访问、查询和探索。

除了几何派生元数据之外，与研究案例相关的历史和技术文档——如档案文本、图纸、报告和多媒体资料——也被上传并与特定建筑元素关联。这些资源可直接在查看器中作为附件访问，支持对数字模型进行有上下文的整合探索。

Web查看器支持多种可视化模式——几何模式、纹理模式和混合模式——允许灵活导航和检查不同细节层级的HBIM元素（见图12）。用户可以过滤选择、检查模型属性，并查询单个组件以获取技术规格、材料信息和历史元数据，从而实现结构化和交互式的探索（见图13）。

图12 INCEPTION平台混合可视化模式。
图13 INCEPTION平台功能。

在5D Culture项目的框架下，该平台进一步增强了AI驱动的推理能力。通过利用关联开放数据原则和Europeana API，系统能够在内部数据集以及连接到研究案例的外部存储库中进行语义搜索。这种动态集成从分布式遗产数据库中获取额外的历史、艺术和保护相关内容，扩展了HBIM模型的信息深度。

除了可视化之外，查询和推理机制还支持主题探索和建筑元素与外部知识源之间的交叉引用。在此工作流中，INCEPTION平台作为HBIM模型与异构数据存储库之间的中介层，增强了互操作性、可访问性和长期复用性，同时保持数字表示与底层遗产背景之间的清晰联系。

**4 结果**

**4.1 生成数字资产概述**

本研究生成的数字模型包括：

- 点云（TLS、SLAM、摄影测量以及综合集成点云），以开放的E57格式存储。
- 带纹理网格模型（别墅和花园、仅别墅、剧院），根据预期用途具有不同的质量级别：用于技术用途的高分辨率模型和用于在线公众传播的优化版本，以开放的OBJ+JPG格式存储。
- 正射镶嵌影像，以开放的TIFF格式存储。
- HBIM模型，以开放的IFC格式存储。
- CAD图纸，以开放的DXF和PDF格式存储。
- VR模型（别墅和花园、剧院），以专有格式提供。

所提出的可视化和交互方案包括：

- INCEPTION Web平台，支持HBIM模型及其元素的可视化、导航和查询。通过与带纹理网格模型并置以及集成并链接到整个模型或特定元素的综合文档档案，增强了对模型的理解和诠释。
- 通过专有的Twinmotion应用程序提供的沉浸式VR体验。

这种开放格式模型与交互解决方案的结合反映了FAIR原则的应用，该原则被公认为在遗产记录的技术传播和公众参与方面都非常有效的途径。特别注重确保互操作性和可复用性，符合国际最佳实践。

**4.2 评估方案**

**4.2.1 数据对齐与精度评估**

表1总结了针对每个调查区域采用的数据对齐框架，报告了传感技术、采集次数、对齐参考以及相应的平均误差。

表1 多传感器数据采集活动及按调查区域划分的对齐精度

| 调查区域 | 传感器/仪器 | 采集次数 | 对齐参考 | 平均误差 |
|---------|------------|---------|---------|---------|
| 别墅外墙及选定室内区域；剧院 | Leica RTC360 | 49 | C2C | 0.9 mm |
| — | GNSS和TS靶标 | 6.1 mm | — | — |
| 室内区域及选定外部区域 | Leica BLK2GO | 18 | 与RTC扫描进行C2C对齐 | 2.2 mm |
| 主立面 | Sony Alpha 7R IV | 412 | 从TLS点云提取的地形和形态靶标 | 5.2 mm |
| — | DJI Mini 3 Pro | 776 | — | — |
| 花园和别墅屋顶 | DJI Mini 3 Pro | 1,553 | 从TLS点云提取的地形和形态靶标 | 32.6 mm |
| 剧院 | Sony Alpha 7R IV | 702 | 从TLS点云提取的形态靶标 | 3.4 mm |

TLS采集在外部区域和选定的室内空间进行，确保在调查环境中保持几何连续性，并使用C2C方法进行配准。此外，TLS网络通过使用GNSS和TS靶标进行约束，以确保在工程坐标系中的精度控制和地理配准。TLS对齐精度通过C2C指标和与控制网的比较进行评估，如表1所示。

基于SLAM的采集使用C2C方法与已配准的TLS数据集进行对齐。这使得移动测绘数据能够集成到与TLS采集相同的空间参考框架中，支持室内区域的记录，并通过参考更精确的TLS网络来增强SLAM配准。所得对齐精度按照表1中报告的相同程序进行评估。

摄影测量数据集的对齐由GNSS和全站仪测量支持。精度评估使用独立的地形标点和从TLS点云中提取的可见特征3D坐标进行。针对主立面、剧院和外部场景分别进行了评估，反映了调查中考虑的不同采集配置和空间范围。在花园和别墅屋顶区域观察到的较大误差与航拍采集策略有关，特别是约50米的飞行高度。

**4.2.2 HBIM验证**

验证方案评估了HBIM模型在保护导向记录方面的适用性，具体涉及：(i) 几何一致性，(ii) 信息结构，以及(iii) 操作可用性。

(I) HBIM几何与集成点云进行了比较，并对照声明的建模级别（LOD C—UNI 11337-4；中-高LOG—EN 17412-1；约LOD 300—ISO 19650/AIA G202-2013）进行了验证。模型准确地表示了建筑形态和比例，未包含详细的构建组件，符合这些标准。HBIM模型主要基于集成的TLS-SLAM点云，其精度与声明的LOD/LOG一致，而摄影测量点云则被用作屋顶结构的参考。

(II) 相关的LOI 2-3包含基本的技术和材料属性，对应EN 17412-1中的中等LOI。当前LOIN处于中间状态，反映了该模型作为修复规划基线平台和未来丰富平台的作用。

(III) 在INCEPTION平台中测试了模型的2D图纸提取、文档管理和文档及元数据查询功能，确认其作为多学科协调共享技术参考的有效性。

**4.2.3 VR评估**

VR评估旨在评估源自现实基3D模型的沉浸式环境在增强可访问性和公众参与方面的潜力。

一项试点测试于2023年9月29日在博洛尼亚欧洲研究者之夜期间进行，超过100名参与者（包括许多非专业用户）在VR中探索了别墅和剧院。非正式定性反馈和直接观察被用作可用性、参与度和情感反应的指标（见图14）。

图14 2023年9月28日在博洛尼亚欧洲研究者之夜的Mazzacorati VR体验（(a)–(c)）。

**5 讨论**

**5.1 研究问题结果讨论**

**5.1.1 RQ1—多传感器数据融合与精度**

精度结果证实，TLS、SLAM和摄影测量的集成提供了记录复杂遗产建筑的一个稳健框架，结合了完整性、采集效率和度量可靠性。由TS控制支持的TLS仍然是作为稳定几何参考框架的必要手段，而SLAM显著减少了室内采集时间。摄影测量提供了高分辨率的表面几何和颜色信息，能够生成用于多种记录和分析用途的带纹理网格和正射影像。然而，该工作流需要严格的配准层级和专门的质量控制程序，引入了额外的处理复杂性。尽管如此，结果表明多传感器集成的益处明显超过了这些局限性，特别是在大规模和几何复杂的遗产环境中。

**5.1.2 RQ2—HBIM、记录与技术复用**

HBIM环境被证明是支持多学科协调和结构化信息管理的有效核心技术存储库。同时，HBIM建模仍然是耗时的，并且在表示复杂历史几何时需要诠释性决策，这可能引入一定程度的主观性。尽管存在这些局限性，但将文档和元数据与空间建筑元素相关联的能力显著增强了保护工作流、技术文档和明智的决策过程。

**5.1.3 RQ3—通过VR实现文化复用与公众参与**

别墅外部和历史文化剧院的带纹理网格模型被成功改编为沉浸式VR环境，所需处理工作量相对有限。这是通过简单的网格优化程序和集成VR原生的上下文元素实现的，包括周围建筑、街道、植被、人物、车辆和光照条件。非正式观众反馈——特别是来自非专业用户的反馈——表明对VR体验有高度的好奇心、参与度和情感反应。虽然这些观察具有探索性质，但它们突显了原本为技术记录而获取的现实基3D模型被迅速重新用于沉浸式应用的可能性。这种复用可以显著增强文化可访问性并支持创新性的诠释和叙事方法。

**5.2 局限性**

尽管多传感器调查工作流被证明在提高数据完整性和精度方面是有效的，但它需要大量的处理工作量、专业专业知识以及大量的数据存储容量。仔细的对齐层级和质量控制也是必不可少的，增加了流程的整体复杂性。

HBIM建模也存在固有的局限性。表示复杂历史几何需要诠释性决策，这可能引入一定程度的主观性。此外，模型的信息丰富工作仍在进行中，这意味着当前LOIN反映的是一个中间阶段，而非完全成熟的资产管理框架。

VR沉浸式体验被认为是逼真的且高度引人入胜的；然而，许多用户——特别是非专业人士——在缺乏嵌入式文本或音频指导的情况下发现定向很困难。缺乏场景内信息、提示或交互元素通常需要外部人工引导员陪同参观者完成体验。因此，集成交互引导和上下文感知信息对于使VR环境完全自主且具有教学效果将是必不可少的。在这方面，HBIM模型及其丰富的语义元素的集成可以作为一个有价值的信息源，特别是对于参与保护和修复的专业受众而言。这代表了一个明确的未来发展与研究方向。

**5.3 交叉讨论与启示**

总体而言，结果表明，TLS、基于SLAM的移动测绘和摄影测量的集成使用能够生产全面且准确的复杂建筑遗产记录，同时减少现场采集时间。HBIM模型被证明是结构化信息管理和提取可靠技术文档的有效工具，而现实基3D模型在沉浸式VR环境中成功被复用，在可访问性和公众参与方面显示出巨大潜力。

从案例研究中浮现的一个关键方面涉及所采用数字流程的长期可持续性。使用开放和标准化格式（如E57、IFC、OBJ）确保了数据随时间的可读性和互操作性，促进了在多学科工作流中的集成。

在这一视角下，"单次调研/多次复用"方法减少了重复调研行动的需求，在优化经济与组织资源的同时，确保了保护、管理和价值提升过程的连续性。本案例研究中测试的工作流程被证明是可扩展的，并可转移到其他类别的文化遗产资产，涵盖从建筑综合体到历史城市环境。从单一三维数据集中衍生出既支持修复设计，又支持传播或教育活动的输出成果，产生了更广泛的社会经济效益。这些效益包括增加公众对文化遗产的接触机会，以及加强社区与遗产资产之间的联系，而沉浸式虚拟现实体验的进一步应用也印证了其作为文化调解包容性工具的有效性。

6 最终结论

本文对文化遗产数字化记录如何从项目特定的数字化向可持续、可复用且具有包容性的数字生态系统演进的持续讨论作出了贡献。本研究没有将三维模型视为最终产品，而是将其框定为动态的知识基础设施，能够在不同时间维度上支持多种形式的解读、复用和获取。

研究强调了方法学开放性——包括技术层面和面向复用的层面——在实现跨工具、跨学科和跨受众互操作性方面的重要性。在这一视角下，所采用的结构化方法与欧洲保护政策及国际最佳实践相一致，进一步强化了数字工具在确保文化遗产长期可持续性方面的作用。通过将记录实践与面向复用和面向用户的策略相结合，文化遗产数字化工作流可以同时支持保护需求和更广泛的文化调解目标。

从这一立场出发，三维数字化的价值不仅在于几何精度或视觉真实感，更在于其作为专家、机构与公众之间知识交换共享平台的能力。因此，未来的研究应着重于加强不同数字环境之间的语义连续性，并开发与不同用户、场景和专业水平相适应的交互模型。

致谢

作者还衷心感谢艾米利亚-罗马涅大区文化遗产部门在调研活动期间提供的支持与技术指导，以及为现场进入和后勤工作所提供的便利。