如何用数字孪生保护圣彼得大教堂？

一家意大利工程公司承担起一项开创性的测量工作：为坐落于梵蒂冈城的标志性建筑圣彼得大教堂绘制地图。

根据委托，该公司将利用先进的地理空间测绘技术捕捉建筑上的每一处细节，最终为这座受人尊敬的建筑创建数字孪生副本。本文对此项目开展了深入探讨，发掘创新测量技术与历史保护之间的融合可能性。

圣彼得大教堂是世界上最具历史意义的重要建筑之一，也是天主教最神圣的标志性成果之一，每年吸引着成千上万的游客与朝圣者。这座大教堂由米开朗基罗和吉安·洛伦佐·贝尼尼，先后历时一个多世纪建成，凭借意大利文艺复兴及巴洛克式的建筑风格而闻名。作为全球室内空间最大的教堂，圣彼得大教堂成为基督教早期至今多位教皇的安葬之所，也是罗马七座朝圣教堂之一。

意大利工程公司Italferr受圣彼得大教堂（罗马天主教会负责保护大教堂的机构）委托，为该处建筑创建了数字孪生。但由于该公司主要以扫描铁路和桥梁等交通基础设施项目为主业，此番参与实质文化遗产的测绘似乎是种意想不到的搭配。

该公司的任务是精心测绘并分析建筑中的每一个元素，以便在即将到来的2025年禧年庆典之前持续对其进行结构监测。

该项目主要设有两大目标：创建一套包含大教堂全面信息的数字孪生模型，并使用数字方法及应用程序建立监测系统，最终确保在2025年禧年庆典前的翻新与修复项目中妥善保护该建筑。

结构监测系统

数字孪生项目旨在为世界保护这份独特的建筑与宗教遗产。通过使用先进算法，该项目将分析结构对于静态及动态应力的响应，深入了解其结构健康状况，并开发出永久性的结构监测系统。传感器网络发回的数据将被集成至数字孪生模型当中，处理后的信息则将与圣彼得大教堂共享以支持后续的设施维护与管理工作。

圣彼得大教堂重要的历史与宗教意义，要求其数字孪生模型也必须尽可能准确，因此需要开展广泛的调查活动。Italferr公司的第一步工作，就是对17世纪建造的建筑前部进行几何调查，密切监测是否存在恶化或者损坏的迹象。

数字孪生的创建，涉及使用先进测绘技术开展的广泛调查活动，具体涵盖地形、激光扫描、使用无人机的航空摄影测量以及地理雷达。由于缺少大教堂的详尽图纸，这些测绘方法对于创建完整的结构模型将至关重要，包括获取关于房间、立面、墙壁百度、地板及拱顶的确切信息。

TB级测量数据

此阶段的目标是使用点云与照片建立数字模型，以确定建筑中关键结构元素的尺寸，进而获取通过传统测量方法无法得到的信息。但这一过程也会产生大量数据，必须加以妥善管理和处置以转化成现实网格，并在跨学科及多利益相关方之间共享，最终实现持续监测。

到这一阶段结束时，工程团队已经获得了超过3.1 TB的数据，覆盖6.5万平方米的平面面积以及24万平方米的垂直立面。为了在六个月时间内解决这些数据管理挑战，Italferr公司必须借助开放3D建模与数字孪生技术。

在接下来的两个月中，公司内部与外部团队又使用无人机和观测无人机飞入大教堂内部。这样既获取了所有必要信息，也避免了对这座极其珍贵的建筑造成损坏，最终拍摄到超过1.5万张照片。

在接下来的两个月时间里，凭借大量处理器的并行运行，Italferr公司完成了大量数据处理任务，最终开发出圣彼得大教堂的建筑信息模型（BIM）与数字孪生副本。

先进地理空间软件方案的应用，则大大促进了整个工程进程。

迈向3D模型时代

为了达成目标，该公司开始寻求能够将现实数据转换为物理洞察指标的软件，希望借此建立起高质量3D模型并最终实现数字孪生，有效支持文化遗产维护工作中的明智决策。

为此，Italferr方面选择了一系列Bentley软件解决方案，包括ProjectWise、iTwin Capture Modeler（即原ContextCapture）以及MicroStation。这些软件工具负责管理多来源数据，并面向团队内的30位成员生成可共享的数字孪生副本。

为了管理大量数据并促进共享与协作，该团队使用ProjectWise建立起一套可供项目所有利益相关方均可自由访问的数据共享及协作平台。该平台允许用户访问调查数据以及几何、信息与分析模型。该软件的设计结构非常适合日常使用，拥有配套工作流程、可以在不同状态之间切换，并由每周召开的协调会议和审查工作提供支持。每位参与者都拥有自己的登录名和权限，以跟踪操作并确保能够随时获取与自身项目角色相除的必要信息。

一旦所有信息都被集中起来，下一步就是处理和管理点云。

为此，该团队开发出一套具备完全可导航能力的3D模型，具有正确的尺寸和比例，能够在线性长度、表面和体积等维度上进行测量。3D模型还采用常规移动设备上用于地理定位的系统作为地理参考。

除此之外，3D建模软件也为数字孪生副本的实现奠定了基础。通过将位于集中位置的数据源同特定实景网格相结合，该团队创建出的数字孪生可以灵活接受实时查看与修改。

此外，他们还创建出能够在各类多媒体平台之间轻松共享的专用模型。

数字化技术带来的想象空间

通过在协作数字环境下工作，Italferr公司节省了50个小时的建模时间，最终提前20天将模型交付给圣彼得大教堂。而且根据该团队的估计，借助数字化技术优势，他们在项目上总计节约了200个小时的工作时长。

圣彼得大教堂的数字孪生实现项目，无论是在时间周期还是复杂性方面都极具挑战。而使用最新软件解决方案不仅能够优化共享与协作流程，更有助于优化整个建模体系。

根据开展这一专项建模的测量人员称，数字孪生技术确实是一种在各利益相关方之间实现信息共享的有效方式。与传统共享应用相比，数字孪生的数据共享效率提高了75%，同时将现场访问需求量减少了75%，意味着更多参与者无需离开办公室就能查看调查结果。

更重要的是，数字孪生也是一种独特的信息技术，能够展示目标建筑过去、当前及未来的状态。也就是说，圣彼得大教堂这一地标性建筑在未来几年内将能够随时接受监测和维护。此外，为圣彼得大教堂这座代表全世界基督教信仰的核心建筑建立结构监测系统，不仅在工程学层面上有着非凡的价值，更将在社会意义上创造巨大财富。

在新技术的支持下，让圣彼得大教堂在未来几十年内稳定保持完备功能将不再是梦想。

此番数字孪生模型的创建也带来了一系列显著用途。

首先，该项目能够为大教堂提供全面的数字记录。其中一大重要应用就是利用物联网（IoT）传感器（包括倾斜仪和加速度计）传回的实时数据为修复工作提供支持。

除了工程师、设计师和承包商团队能够依靠数字孪生来保存并维护大教堂之外，这套沉浸式数字模型还将吸引到其他受众。例如，数字孪生与现实捕捉也可以成为极具价值的教育工具。相信该模型对于艺术史、建筑和工程学领域的在校生、学者及研究人员都有着广阔的应用前景。

小结

虽然历史建筑的重建和维护工作必然需要详尽而准确的信息，但此类数据的有效获取往往既困难又成本高昂。

好消息是，数字时代下现实捕捉方法的进步以及结构/表面测量与监测技术的发展，已经让这些任务比以往任何时候都更加简单且省时。

梵蒂冈城圣彼得大教堂的测量与监测项目，就充分体现了地理空间技术在保护文化遗产方面的力量。该项目的目标是建立一套富含数百年积累信息的数字孪生模型，进而建立起强大的监测系统，最终实现显著成果。

大教堂的数字孪生模型也将成为保护这处独特遗产、造福人类子孙后代的重要资源和依据。高端地理空间数据与配套软件的应用不仅为工程技术人员节约下宝贵时间，还大大提高了工作效率。

最终模型成果得以提前交付，团队成员的现场访问需求也显著减少。此项目亦再次强调了跨学科合作的重要性，以及地理空间数据在保护和保存人类文化定期方面发挥的重要作用。