Reklama

Stavebněhistorický průzkum s využitím BIM a moderních geografických informací

Ing. Zdeněk Poloprutský, ČVUT v Praze, Fakulta stavební, katedra geomatiky

Recenzovaný

Tento článek se zabývá možnostmi využití moderních měřických metod a technologií, tj. např. pozemního laserového skenování (TLS) a Image Based Modeling and Rendering (IBMR), geografických informačních systémů (GIS) a informačního modelování budov (BIM) pro zpracování, distribuci a archivaci dat nashromážděných při stavebněhistorickém průzkumu (SHP). Příspěvek se snaží stručně shrnout dosavadní stav autorova poznání a jeho praktické zkušenosti s danou problematikou.

Reklama

1. Úvod

Počátek 21. stol. je spojen s rychlým rozvojem informačních a komunikačních technologií, zkráceně ICT z angl. Information and Communication Technologies, který postupně zasáhl většinu oborů lidské činnosti, obory památkové péče a zeměměřictví nevyjímaje. V České republice se můžeme setkat spíše s opatrným postojem památkové péče k novým technologiím, především v souvislosti s dlouhodobou archivací digitálních dat. Proto teprve v několika posledních letech, v reakci na dynamický vývoj ICT, vznikly souhrnné metodické publikace, které se zabývají aplikací digitálních měřických technologií v oboru památkové péče.

Tento článek se proto zabývá měřickými technologiemi, geoinformačními technologiemi a specifickými nároky, které by na ně mohly být kladeny, při jejich použití v rámci průzkumů nemovitých kulturních památek, především stavebněhistorických průzkumů (SHP). Dále se tento příspěvek snaží prezentovat možnosti moderních měřických metod a technologií, geografických informačních systémů (GIS) a informačního modelování budov (BIM) jako nástrojů pro komplexní zpracování, distribuci a archivaci dat nashromážděných při SHP.

2. Průzkumy nemovitých památek

Tato kapitola se snaží podrobněji popsat zainteresované průzkumy – stavebněhistorický průzkum a inventarizační a pasportizační průzkum.

Stavebněhistorický průzkum

Stavebněhistorický průzkum (SHP) je základní typ průzkumu, který se v souvislosti s památkovou péčí realizuje. SHP je definován jako „vědecká metoda, jejímž cílem je komplexní poznání stavby (souboru staveb). Výsledky slouží jako jeden ze základních podkladů pro kvalitní a efektivní památkovou péči, zejména při určování optimálních podmínek péče o nemovité památky. Současně přináší soubor informací využitelných pro řadu vědních oborů i osvětovou činnost.“ [1]

SHP lze rozdělit do tří základních fází, jejichž rozsah a uplatnění se odvíjí od technického a provozního stavu objektu. V jejich průběhu dochází ke sběru a zpracování dat, tj. informací o stavebním objektu. Obecně lze říci, že z hlediska vědeckého poznání nemůže být SHP v podstatě nikdy ukončen, neboť s každým novým zásahem do stavebního objektu mohou být získány nové informace.

Inventarizační a pasportizační průzkum

Inventarizační a pasportizační průzkumy (IP) mohou být řešeny samostatně nebo jako doplňky SHP. Jejich konečným výstupem je inventarizace, tzn. systematická dokumentace, a pasport hodnotných a charakteristických prvků stavební výbavy umělecko-řemeslného nebo technického charakteru. Do tohoto procesu může být zahrnut i movitý majetek, např. mobiliář. Inventarizační soupis a popis je zpravidla nejvýhodnější zpracovat, resp. strukturovat, po místnostech stavebního objektu, což je dokumentační postup označovaný jako tzv. „Raumbuch“ [2]. Raumbuch je doporučenou metodou při průzkumu a dokumentaci historických městských domů [3] a dále je využitelný i při dokumentaci architektonických prvků [4], okenních a dveřních výplní v rozlehlých historických objektech [5].

3. Měřická dokumentace

Měřickou dokumentaci lze podle příslušné metodiky [6] definovat jako „činnost směřující k vytvoření zmenšeného obrazu stavebního objektu, většinou pro účely projektování jeho opravy nebo úprav nebo pro jeho vědecké poznání a současně péči o něj. Přeneseně se výraz používá i pro výstupy této činnosti. Dnes dělíme dokumentaci podle typu na analogovou a digitální a na 2D a 3D.“

V současné době je dostupná široká nabídka měřických metod a technologií, proto zůstává na zpracovateli SHP, aby rozhodl, jaké měřické metody a technologie využije. Výběr technologií se pravděpodobně bude řídit erudicí zpracovatele SHP, jeho technickým a personálním zázemím, časovými a finančními možnostmi atd. V konečném důsledku tak mohou některé metody, či technologie, a možnosti, které se nabízejí, zůstat nevyužity, nebo jsou v některém směru předimenzovány. Podle charakteru měřické dokumentace lze aplikovat a vzájemně kombinovat různé měřické metody:

Globální navigační satelitní systémy (GNSS)
Mobilní laserové/mapovací systémy (MLS a MMS)
Podrobné měření (ve smyslu geodetickém)¹ – soubory budov, parky, zahrady, komunikace
Poučené zaměření objektu (měřické dokumentace)² s prostorovou skladbou³
Pozemní fotogrammetrie a RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems)
Laserové skenování (LS), obvykle pozemní (TLS)
Specializované metody dokumentace – georadar (GPR), hyperspektrální skenování, termovize aj.

V rámci zkoumání vývoje historických staveb, řemesel a technologií může být každá podstatná tvarová nepravidelnost důležitou informací, protože může mít zásadní interpretační význam. S tím mohou být spojeny vyšší nároky na podrobnost měření, tzn. volbu míry podrobnosti.

Míra podrobnosti ovlivňuje věrohodnost navazujících výstupů. Měla by se volit se úměrně významu dokumentovaného objektu, účelu měřické dokumentace a prostředkům, které jsou k dispozici. Maximální míru podrobnosti, tzn. prostorové rozlišení, je možné např. odvodit ze vztažného měřítka požadovaného výstupu, obvykle plánu nebo výkresu. Vztažné měřítko udává geometrické rozlišení výstupů měřické dokumentace, pro které se v oblasti digitální fotogrammetrie používá termín Ground Sample Distance (GSD). Pro výkresy se jako výchozí často používá vztažné měřítko 1 : 50 [6, 8–10]. Míře podrobnosti by měla odpovídat geometrická přesnost měřické dokumentace.

V situacích, kdy stavba neposkytuje rovnoměrný stav zachovalosti, např. když část budovy je plnohodnotně zachována a část je zříceninou, se musí forma měřické dokumentace přizpůsobit. Míra věrohodnosti, resp. míra nejistoty, navazujících interpretačních výstupů pak bude v různých částech odlišná. Tato problematika byla otevřena již v 80. letech 20. stol., samozřejmě v souvislosti s ručně kreslenými a modelovanými 3D rekonstrukcemi [11].

Vzhledem k tomu, že měřická dokumentace je nezbytným podkladem SHP, který definuje jeho prostorový a časový rámec, logicky se přidávají další souvislosti, a tudíž i specifikace:

Specifické nároky na zaměřování a zobrazování historických objektů – vznikají v průběhu zaměřování historických objektů a jejich nejčastější nedostatky podrobně popisuje metodika [6].
Georeferovávání – je nezbytné v okamžiku, kdy dochází ke kombinaci více datových sad z více informačních zdrojů. Vzniká tedy nutnost zobrazit podklady ve společném souřadnicovém systému.
Časové razítko – tj. datum pořízení měřické dokumentace. Vzhledem k tomu, že součástí SHP by měl být archívní a terénní průzkum, není výjimkou, že je k jednomu stavebnímu objektu k dispozici více výstupů měřické dokumentace.
Digitalizace – nejčastěji se jedná o digitalizaci archivů, jakými jsou knihovny, mapové a fotografické sbírky, archivy výkresové dokumentace apod. Nakonec mohou snahy o digitalizaci vést až k vytvoření elektronického pasportu historického objektu [12].
Digitální rekonstrukce – kombinuje dva typy:
1. v závislosti na stavu předmětu digitální rekonstrukce jsou možné dva základní případy:
  1. existující stavba či objekt
  2. neexistující, tzn. zaniklá, stavba či objekt
2. v závislosti na typu podkladů jsou možné až čtyři způsoby realizace:
  1. na základě aktuální měřické dokumentace, tj. z dat pořízených moderními měřickými metodami a technologiemi
  2. na základě digitalizované archivní měřické dokumentace, získané např. z archivního průzkumu při SHP
  3. na základě analýzy stavebního vývoje objektu podle SHP
  4. na základě vzájemné kombinace podkladů, tzn. kombinací bodů 1–4
Digitální modelování povrchů – lze v rámci SHP aplikovat na dvě základní oblasti zájmu:
1. Digitální modely terénu (DMT) – jedná se o modelování digitálních reliéfů (DMR) ve vztažných měřítkách 1 : 500 a nižších, bývají využívány při řešení otázek spojených s umístěním a orientací zkoumaného historického objektu v krajině.
2. Digitální modely povrchů (DMP) – jedná se o modelování digitálních povrchů ve vztažných měřítkách 1 : 100 a vyšších, bývají v kontextu SHP využívány při dokumentaci nálezových situací.

Pro zpracování kvalitní měřické dokumentace je klíčová komunikace a průběžné konzultace mezi zainteresovanými pracovníky investora, projektanta, zhotovitele měřické dokumentace a SHP, protože se nezřídka stává, že kvalita a forma finálních výstupů neodpovídají účelu měřické dokumentace. Parametry pro zadání měřické dokumentace lze dohledet v příslušné metodice [6]. Vzájemná komunikace by mohla pomoci předejít případným pozdějším nedorozuměním v průběhu SHP, projekčních a stavebních prací.

4. Geoinformační technologie

Tato kapitola se zabývá využitím geoinformačních technologií při zpracování SHP. Nutnou podmínkou pro jejich efektivní nasazení je dostupnost geodat, která lze definovat jako [7]:

data s implicitním nebo explicitním vztahem k místu na Zemi,
počítačově zpracovatelná forma informace týkající se jevů přímo nebo nepřímo přidružených k místu na Zemi,
data identifikující geografickou polohu a charakteristiky přírodních a antropogenních jevů a hranic mezi nimi.

Při zpracování SHP dochází k postupnému hromadění dat a geodat, která pocházejí z více různých oborů, tzn. z informačních zdrojů – archivní a terénní průzkumy apod. Získané datové sady proto nemusí být vzájemně konzistentní, což může být zapříčiněno odlišnými oborovými zvyklostmi při zpracování dat. Při zpracování datových sad v průběhu SHP může být nutné se vypořádat s různými datovými typy a formáty, s rozdílnou podrobností a přesností dat, s georeferencováním dat, s odlišným informačním obsahem atd.

Obr. 1: Překryt oblastí zájmu u technologií GIS a BIM [13]

Pro zpracování datových sad vlastního SHP, měřické dokumentace a doplňujících průzkumů může být výhodné některá data transformovat na geodata, tzn. data georeferencovat.

Jako perspektivní se v současnosti nabízí zpracování SHP s podporou geoinformačních technologií, jakými jsou GIS a BIM. Jako tradiční lze v současnosti označit zpracování SHP s podporou CAD. Důležitými rozdíly mezi GIS a BIM jsou různé možnosti reprezentace komponent, tzn. stavebních prvků, ve specifických měřítkách. Z Obr. 1 je patrné, že GIS a BIM používají odlišné přístupy ke stejné problematice, kdy GIS přístup vychází z geovědních oborů, zatímco BIM přístup vychází z oborů architektura a pozemní stavitelství. Proto lze GIS a BIM současně využít k řešení souvisejících, ale i odlišných problémů.

Obě řešení, tzn. GIS i BIM, nabízí prostřednictvím na nich založených softwarových platforem prostředí k tvorbě a editaci, komparaci, sdílení a vizualizaci geodat. Při tvorbě informačního modelu budovy je nutné mít na zřeteli, že geometrická a informační podrobnost a přesnost výsledného modelu je závislá na podkladových datech. Analogicky ke kartografii, resp. k tvorbě map, platí, že je možné postupovat „z velkého do malého“, nikoli obráceně. Vzhledem k tomu, že se historické konstrukce vyznačují tvarovou a rozměrovou rozmanitostí, zdá být výhodné vkládat do informačního modelu budovy jejich generalizovavou geometrickou reprezentaci, která bude doplněna o popisné informace. Popisné informace mohou mj. obsahovat také podrobné výstupy měřické dokumentace, které mohou v budoucnu sloužit jako podklad pro tvarově věrnou digitální rekonstrukci.

Obr. 2: Ukázka vizualizace analýzy stavebního vývoje části stavebního objektu podle SHP v aplikaci Autodesk Revit

Na Obr. 2 je zobrazena vizualizace analýzy stavebního vývoje části stavebního objektu podle eleborátu SHP v softwaru Autodesk Revit. Jednotlivé stavební kontrukce jsou členěny do rodin. V případech, kdy defaultní rodiny nabízené softwarem nevyhovovaly, byly navrženy a vytvořeny načitatelné rodiny. Načitatelné rodiny byly pro lepší přehlednost modelu geometricky zjednodušeny, podrobnější výstupy měřické dokumentace byly připojeny pomocí odkazů na externí zdroje – plány, fotografie, nálezové zprávy apod.

4. Závěr

Tento článek si kladl za cíl prezentovat možnosti využití moderních měřických metod a technologií, geografických informačních systémů a informačního modelování budov při SHP. Článek je založen na rešerši odborné literatury a dosavadních pracích autora. V současnosti se autor zabývá přípravou disertační práce, publikační činností, sběrem a zpracováním prostorových dat a 3D modelováním (CAD a BIM).

5. Literatura

BERÁNEK, Jan a Petr MACEK, ed. Metodika stavebněhistorického průzkumu. Praha: Národní památkový ústav, generální ředitelství, 2015. Odborné a metodické publikace, 74. ISBN 978-80-7480-037-5.
WOLF SCHMIDT. Das Raumbuch als Instrument denkmalpflegerischer Bestandsaufnahme und Sanierungsplanung. 2. Aufl. München: Lipp, 1993.
RYKL, Michael. Metodika dokumentace městských domů: certifikovaná metodika. Ústí nad Labem: Národní památkový ústav, územní odborné pracoviště v Ústí nad Labem, 2015. Odborné a metodické publikace, 73. ISBN 978-80-85036-60-2.
VÁCLAVÍK, František R. Průzkum, dokumentace a inventarizace architektonických prvků. Praha: Národní památkový ústav, územní odborné pracoviště středních Čech v Praze, 2014. Odborné a metodické publikace, 47. ISBN 978-80-86516-76-9.
SCHUBERT, Alfréd. Průzkum, dokumentace a inventarizace výplní okenních a dveřních otvorů. Praha: Národní památkový ústav, územní odborné pracovistě středních Čech v Praze, 2014. Odborné a metodické publikace, 48. ISBN 978-80-86516-77-6.
VESELÝ, Jan. Měřická dokumentace historických staveb pro průzkum v památkové péči. Praha: Národní památkový ústav, územní odborné pracoviště středních Čech v Praze, 2014. Odborné a metodické publikace, 49. ISBN 978-80-86516-79-0.
TERMINOLOGICKÁ KOMISE ČÚZK. Terminologický slovník zeměměřictví a katastru nemovitostí. Terminologický slovník zeměměřictví a katastru nemovitostí [online]. 2021 [2021-10-14]. Dostupné z: http://www.slovnikcuzk.eu/
CHIABRANDO, Filiberto, Massimiliano LO TURCO a Fulvio RINAUDO. Modeling the decay in an HBIM starting from 3D point clouds. A followed approach for cultural heritage knowledge. ISPRS - International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences [online]. 2017, XLII-2/W5, 605–612. ISSN 2194-9034.
https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-2-W5-605-2017
TOMMASI, Cinzia, Cristiana ACHILLE a Francesco FASSI. From point cloud to BIM: A modelling challenge in the cultural heritage field. ISPRS - International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences [online]. 2016, XLI-B5, 429–436. ISSN 2194-9034. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLI-B5-429-2016
PÖCHTRAGER, Markus, Gudrun STYHLER-AYDIN, Marina DÖRING-WILLIAMS a Norbert PFEIFER. Automated reconstruction of historic roof structures from point clouds - development and examples. ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences [online]. 2017, IV-2/W2, 195–202. ISSN 2194-9050. https://doi.org/10.5194/isprs-annals-IV-2-W2-195-2017
CHOTĚBOR, Petr. K problematice kresebných rekonstrukcí stavební podoby středověkých staveb. In: XVIII. celostátní konference středověké archeologie: Archaeologia Historica [online]. Brno: Muzejní a vlastivědná společnost, 1987, 321–329. ISBN 0231-5823. Dostupné z:
http://www.digitalniknihovna.cz/mzk/view/uuid:224a7930-abe6-11e2-8c63-5ef3fc9ae867?page=uuid:d8bfc380-ac0b-11e2-b48c-001018b5eb5c
BEZDĚK, Ladislav, Karel BOBEK, Dalibor BURŠÍK a Karel JEDLIČKA. Metodika pro elektronický pasport zpřístupněné památky. Odborné a metodické publikace. Praha: Národní památkový ústav, ústřední pracoviště, 2011. ISBN 978-80-87104-87-3.
LIU, Xin, Xiangyu WANG, Graeme WRIGHT, Jack CHENG, Xiao LI a Rui LIU. A State-of-the-Art Review on the Integration of Building Information Modeling (BIM) and Geographic Information System (GIS). ISPRS International Journal of Geo-Information [online]. 2017, 6(2), 53. ISSN 2220-9964. https://doi.org/10.3390/ijgi6020053
POLOPRUTSKÝ, Zdeněk. Specifika a uplatnění měřické dokumentace a geoinformačních technologií při stavebněhistorickém průzkumu. In: Sborník SVK Telč 2020 – workshop moderních technologií geomatiky [online]. Praha: ČVUT, Fakulta stavební, Katedra geomatiky, 2020. ISBN 978-80-01-06784-0. Dostupné z:
http://lfgm.fsv.cvut.cz/projekty/telc2020/index16.htm

Poděkování

Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS21/054/OHK1/1T/11.

Tento článek doplňuje a rozšiřuje příspěvek [14] prezentovaný na on-line workshopu SVK Telč 2020 ze dne 2. 12. 2020, který pořádala Katedra geomatiky, Fakulta stavební, ČVUT v Praze.

Poznámky

¹ Tj. zaměřování podrobných bodů předmětů měření z bodů bodových polí, popř. pomocných měřických bodů nebo dříve určených podrobných bodů. [7] ... Zpět

² Podle [6]. ... Zpět

³ Tj. stavební objekt, u něhož jsou všechny tři rozměry řádově stejně velké, popř., jehož svislý rozměr je podstatně větší; jsou to např. budova a jiné podobné objekty bytové, občanské, průmyslové a zemědělské výstavby. [7] ... Zpět

English Synopsis

Specifics and Application of Metric Survey Documentation and Geomatics in Building Archaeology Survey

This paper deals with the possibilities of using modern measurement methods and technologies, i.e. ground-based laser scanning (TLS) and Image Based Modeling and Rendering (IBMR), Geographic Information Systems (GIS) and Building Information Modeling (BIM) for processing, distribution and archiving of data collected during the Building Archaeology Survey (BAS). The paper tries to briefly summarize the current state of the author's knowledge and his practical experience with the issue.