Kültürel mirasın 3 boyutlu belgelenmesinde dijital ikiz teknolojisinin kullanımı
Digital twin technology in 3D documentation of cultural heritage
Yazar: ERTUĞRUL AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. SERDAR BİLGİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Lazer tarama = Laser scanning ; Sayısal fotogrametri = Digital photogrametry

Özet:
Tarih boyunca var olmuş tüm uygarlıklar sosyal ve kültürel özelliklerini çeşitli kültür varlıkları sayesinde sonraki nesillere aktarmışlardır. Bu kültürel aktarım çeşitli yazılı eserler, destanlar, şiirler veya somut eserlerle sağlanmıştır. Yazılı veya sözlü kültür varlıkları zaman içerisinde değişebilir ya da unutulabilirken somut kültür varlıkları ise uzun yıllar varlıklarını sürdürebilir ve gelecek nesiller için daha etkili kültürel taşıyıcılar olabilirler. Günümüze kadar birçok medeniyete ev sahipliği yapmış İstanbul şehrinde farklı dönemlere ait çeşitli kültür varlıkları bulunmaktadır. Bu kültürel varlıkların oluşabilecek doğal afetlere ya da zaman içerisinde yaşanabilecek tahribatlara karşın belgelenmesi ve dijital olarak saklanması kültürel aktarım açısından büyük önem taşımaktadır. Dijitalleşme günümüzde birçok alanda karşılaştığımız bir kavramdır ve bu kavram eğitimden sağlığa, inşaat alanlarından konaklama alanlarına kadar hemen her alanda karşımıza çıkmaktadır. Bu amaçla geliştirilen farklı teknolojiler sayesinde çeşitli dijital veriler üretilmektedir ve kuşkusuz ki dijitalleştirilmiş bir konumsal veri seti mühendis ve mimarlar için pek çok amaçla kullanılabilmektedir. Bu amaçların en önemlilerinden biri olarak kültür varlıklarının belgelenmesi ve korunması gösterilebilir. Kültür varlıklarının korunması ve geometrik yapısının en doğru şekilde belgelenmesi ile ilerleyen süreçte yapılacak bir restorasyon çalışmasında kullanılabilecek detaylı referans veriler üretilebilir.
Kültürel varlıkların belgelenmesi amacıyla en yaygın olarak kullanılan teknolojiler birçok araştırmaya da konu olan lazer tarama ve fotogrametri yöntemleridir. Fotogrametri, bir yapının belirli bindirme oranları ile alınmış fotoğrafları kullanılarak yapının dijital ikizinin üretilmesine olanak tanıyan bir teknolojidir. Fotoğrafın icadı ve fotogrametri tekniğinin geliştirilmesi diğer tüm belgeleme teknolojilerine göre daha eski olduğundan fotogrametrik yöntemler en eski belgeleme yöntemi olarak karşımıza çıkmaktadır. Gelişen teknoloji ile birlikte kullanımı yaygınlaşan insanlı ve insansız hava araçları sayesinde de fotogrametri daha büyük ölçekli projeler için de önemli bir belgeleme aracına dönüşmüştür. Fotogrametriden sonra kültürel mirasın belgelenmesinde en çok kullanılan lazer tarama yöntemi ise temelde lazer ışınları göndererek hassas geometrik veri toplanmasını sağlayan bir lazer tarama cihazı kullanılarak çeşitli yapıların detaylı dijital ikizlerinin oluşturulmasını sağlamaktadır. Her iki yöntemde de zaman içerisinde farklı sensörlerin ve farklı uygulamaların kullanılmaya başlandığını görülebilmektedir. Zaman içerisinde lazer tarama ve fotogrametri yöntemlerini temel alarak geliştirilen birçok dijital ikiz üretim teknolojisi piyasaya sürülmüş ve çeşitli amaçlarla kullanılmıştır. Bu sistemler içerisinde panoramik görüntülerin fotogrametrik yöntemlerle işlenmesini sağlayan teknolojiler, geometrik verinin yakalanması amacıyla LIDAR vb. farklı tarama yöntemlerini kullanan teknolojiler üretilmiştir. Üretilen yeni nesil tarama sistemleri incelendiğinde bu teknolojilerin fotogrametri ve lazer tarama yöntemlerine göre farklı avantaj ve dezavantajlarının bulunduğu ve bu sayede farklı amaçlarla kendilerine kullanıcı buldukları görülmektedir.
Tez çalışması kapsamında yeni nesil bir dijital ikiz üretim teknolojisi ile yersel fotogrametri yöntemi kıyaslanmıştır. Yapılan çalışmada İstanbul'da yer alan önemli kültürel varlıklardan biri olan III. Ahmet Çeşmesi proje alanı olarak seçilmiş ve yöntemlerin kıyaslanması çeşmeye ait veriler kullanılarak yapılmıştır. İlk aşamada yersel fotogrametri çalışmaları kapsamında çeşme çevresinden alınan yersel fotoğraflar kullanılarak çeşmenin dijital ikizi oluşturulmuştur. Bu aşamada optik sensöre sahip bir fotoğraf makinası kullanılmıştır. Yersel fotogrametrinin bugüne kadar yapılan araştırmalar sonucu kültürel varlıkların belgelenmesinde kullanılabileceği araştırmacılar tarafından belirtilmiş ve kanıtlanmıştır. Bu sebeple yeni nesil bir tarama sisteminin yersel fotogrametri ile kıyaslanması düşünülmüştür. LIDAR tarama sensörlerini kullanan yeni nesil dijital ikiz üretim teknolojisi olan Matterport kullanılarak çeşmenin bir başka dijital ikizi oluşturulmuştur. Bu teknoloji tüm proses işlemlerinin bir yapay zeka tarafından tamamen otomatik olarak yapılması, üretilen verilerin farklı kullanıcılar ile paylaşımının fotogrametrik yöntemlere göre daha kolay olması ve yüksek ve geniş açılı bir görsellik sunması açısından birçok avantaja sahiptir. Karşılaştırma aşamasında her iki yöntem veri toplama, işleme, sonuç ürün kalitesi ve uzunluk ölçümlerindeki hassasiyetler göz önüne alınarak değerlendirilmiştir. Yapılan kıyaslamalar sonucu bu yeni nesil tarama sisteminin kültürel varlıkların belgelenmesi konusunda lazer tarama ve fotogrametrinin en güçlü alternatiflerinden biri olduğu belirtilmiştir.

Abstract:
All civilizations that have existed throughout history have transferred their social and cultural characteristics to subsequent generations with various cultural assets. This cultural transfer was achieved through various written works, epics, poems or concrete works. While written or verbal cultural assets may change or be forgotten over time, tangible cultural assets can survive for many years and be more effective cultural carriers for future generations. There are various cultural assets from different periods in the city of Istanbul, which has hosted many civilizations until today. Documenting and digitally preserving these cultural assets against possible natural disasters or damage that may occur over time is of great importance in terms of cultural transfer. Digitalization is a concept that we encounter in many areas today, and this concept appears in almost every field, from education to health, from construction sites to accommodation areas. Various digital data are produced thanks to different technologies developed for this purpose, and undoubtedly, a digitalized spatial data set can be used for many purposes by engineers and architects. One of the most important of these goals can be the documentation and protection of cultural assets. By protecting cultural assets and documenting their geometric structure in the most accurate way, detailed reference data that can be used in a future restoration work can be produced.
The most commonly used technologies for documenting cultural assets are laser scanning and photogrammetry methods, which have been the subject of many studies. Photogrammetry is a technology that allows the production of a digital twin of a building using photographs taken with certain overlapping ratios. Since the invention of photography and the development of the photogrammetry technique are older than all other documentation technologies, photogrammetric methods appear to be the oldest documentation method. Thanks to the use of manned and unmanned aerial vehicles, which have become more common with developing technology, photogrammetry has become an important documentation tool for larger-scale projects. The laser scanning method, which is the most commonly used method in documenting cultural heritage after phorogrammetry, enables the creation of detailed digital twins of various structures by using a laser scanning device that basically sends laser beams and collects precise geometric data. In both methods, different sensors and different applications began to be used over time. Over time, many digital twin production technologies developed based on laser scanning and photogrammetry methods have been introduced to the market and used for various purposes. Various technologies have been produced that enable the processing of panoramic images using photogrammetric methods or using LIDAR scanning sensors. When the new generation scanning systems produced are examined, it is seen that these technologies have different advantages and disadvantages compared to photogrammetry and laser scanning methods, and thus they find users for different purposes.
In the study, III. Ahmet Fountain, one of the important cultural assets in Istanbul, was chosen as the project area and the comparison of the methods was made using the data of the fountain. In the first stage, a digital twin of the fountain was created using terrestrial photographs taken from the fountain's surroundings within the scope of terrestrial photogrammetry studies. At this stage, a camera with an optical sensor was used. It has been stated and proven by researchers that terrestrial photogrammetry can be used in documenting cultural assets as a result of the research conducted so far. For this reason, a new generation scanning system was considered to be compared with terrestrial photogrammetry. Another digital twin of the fountain was created using Matterport, a next-generation digital twin production technology that uses LIDAR scanning sensors. This technology has many advantages in that all process operations are carried out completely automatically by an artificial intelligence, the data produced is shared with different users according to photogrammetric methods, and it offers high and wide-angle visuals. In the comparison phase, the sensitivities in data collection, processing, final product quality and length measurements of both systems were taken into consideration. As a result of the comparisons made, it has been stated that this new generation scanning system is one of the most powerful alternatives to laser scanning and photogrammetry in documenting cultural assets.
When the measurements taken from the data produced as a result of the studies are examined, it is seen that the differences in length measurements between the two data sets are generally less than 1 cm. The length measurements taken here were taken entirely from the 3D model, and the point cloud data produced by the system in the background was not used to make a more accurate comparison with photogrammetry. When these two systems used for the documentation of cultural assets are examined, it is seen that the differences between their positional sensitivities are in the order of cm. This accuracy can be considered as sufficient sensitivity in documenting cultural assets. Within the scope of terrestrial photogrammetry studies, 106 photographs of the fountain were processed according to the SfM technique and measurements of 81 different detail points determined on the fountain surface were made using 4 control points, using a Pentax R-1505 N electronic tachometer. Photogrammatic data acquisition was performed with a Nikon Coolpix A10 digital camera. Point cloud data and panoramic images from 36 scanning points around the fountain were used with the Matterport system with LIDAR sensor. Since all the processes carried out with Matterport were carried out by Cortex AI, no office work was carried out. In this way, program dependency is eliminated and human errors are minimized.
The deformations in the models were examined by comparing the digital twin data produced using Matterport technology, a new generation digital twin production method, with the digital twin data produced by photogrammetry. Data acquisition is extremely important in photogrammetric processes and data collection should be done by an expert in this field. It is seen that there are gaps and missing areas in the model, especially since sufficient data was not received from the ground side. This problem can be solved by using unmanned aerial vehicles, but in this method, it will be necessary to use an extra device. Since the digital twin data produced by Matterport also scans the photographs obtained, no gaps are created on the ground.
Considering all these features, the advantages of Matterport technology with LIDAR sensor compared to terrestrial photogrammetry are that it is easier to collect data, data processing times are both more automatic and faster, and it is easier to share the produced data with different users. The most important advantage of using terrestrial photogrammetry for the purpose of documenting cultural assets is that the texture quality of the model data produced is higher. Thanks to the measurements taken from both digital twins, the accuracy of the data was compared and it was seen that the differences between the lengths were within certain reference ranges.