Πρότυπο πληροφοριακό σύστημα διαχείρισης, επεξεργασίας και ανάλυσης μεγάλων πολυδιάστατων δεδομένων για τη διάγνωση των ιστορικών μνημείων

Abstract

This doctoral dissertation addresses the design, experimental development, and evaluation of an Integrated Information System for the management, processing, semantic integration, spatial correlation, analysis, and visualization of large multidimensional datasets in the diagnosis of historic monuments. The research starts from a critical challenge of contemporary scientific documentation in conservation projects: data are increasingly multimodal, heterogeneous, spatially complex, and methodologically fragmented. They are produced by different scientific teams, project phases, measurement techniques, and interpretive levels. As a result, simple file archiving is insufficient. What is required is an integrated information environment capable of preserving the relationship between each record and its project phase, monument area, measurement method, provenance, processing parameters, and scientific meaning. The restoration project of the Holy Aedicule of the Holy Sepulchre in Jerusalem, carried out in 2016-2017 under the coordination of the National Technical University of Athens, is used as the principal case study. The monument brings together exceptional historical, religious, architectural, and technical complexity, while its material fabric incorporates successive phases from late antiquity to the modern period. The project generated an extensive and heterogeneous body of evidence, including three-dimensional geometric documentation, photogrammetric models, high-resolution imagery, ground-penetrating radar and other survey data, infrared thermography, ultrasonic and environmental measurements, materials analyses, historical records, drawings, reports, field observations, and derived processing results. Bringing these data into a common framework of management and interpretation is essential for understanding conservation state, deterioration mechanisms, and the relationships among material fabric, pathology, and interventions. The proposed approach goes beyond the model of a digital repository and treats the information system as a research infrastructure for data governance. Its architecture is organized around the triple correlation of project phase, monument area, and measurement technique, so that each dataset can be situated within a specific temporal, spatial, and methodological context. The data layer combines structured metadata management, geospatial information, large digital-object storage, and a graph database for representing complex relationships among monument parts, structural elements, samples, measurements, observations, documents, and analytical results. At the same time, full-text retrieval, access control, traceability, versioning, action history, and provenance documentation mechanisms are integrated so that the system supports not only storage, but also reliability, reuse, and controlled scientific exploitation of information. A central contribution of the dissertation is the semantic integration of the data through an ontological model and knowledge graph aligned with international standards for cultural heritage documentation and scientific observation. The conceptual model represents relationships among project phases, monument areas, structural elements, samples, materials, measurement techniques, datasets, digital documents, observations, analytical processes, and generated results. In this way, information does not remain isolated at the level of individual files, but is connected to its physical, spatial, temporal, and scientific meaning. The approach enables queries and correlation paths that cross different documentation levels, such as moving from a sample or monument area to the related measurements, images, material analyses, survey data, observations, and derived results. Particular emphasis is placed on the spatial correlation of information with the three-dimensional model of the monument. The dissertation develops mechanisms for three-dimensional visualization, point selection, polygonal regions of interest, zones, and cross-sections, linking data to actual positions on the monument geometry. Regions of interest are not treated merely as two-dimensional projections or as user-defined control vertices. They are transformed into spatial representations that follow the real surface of the three-dimensional model through sampling of surface geometry and scene depth. As a result, annotation, search, and data projection can be associated with stone blocks, panels, facades, pathology zones, or measurement areas while preserving their connection to the three-dimensional material reality of the monument. This spatial infrastructure is used to correlate geometric documentation with non-destructive testing and imaging techniques. The dissertation examines the association of survey measurements, such as ground-penetrating radar, with specific monument areas and depth levels, as well as the projection and interpretation of infrared thermographic data in relation to the three-dimensional geometry. This enhances the interpretation of phenomena such as moisture, thermal discontinuities, internal variations, material discontinuities, and potential pathology zones. Correlating different data types on the same spatial substrate enables comparison of observations produced by different techniques and strengthens evidence-based decision-making in contexts where physical access to the monument is limited and conservation interventions carry a high degree of responsibility. The system also supports data processing and analysis workflows, with emphasis on transparent documentation of steps, parameters, and generated results. The experimental implementation includes procedures for cleaning, transformation, feature selection, normalization, training, and evaluation of machine-learning models, as well as applications to thermographic data, survey data, and multidimensional measurements. The value of the analytical mechanisms does not lie only in producing predictions or classifications. It lies mainly in connecting analytical results back to the primary record, spatial reference, project phase, processing parameters, and interpretive framework. In this way, analysis becomes a documented scientific process within the information system rather than an isolated computational task. The dissertation contributes theoretically, methodologically, and practically. At the theoretical level, it proposes a coherent framework for governance, semantic organization, and spatial referencing of multimodal cultural heritage data. At the methodological level, it documents a process for transforming the real needs of an interdisciplinary restoration project into requirements, architecture, data models, workflows, and evaluation mechanisms. At the practical level, it presents a functional research prototype that demonstrates integrated large-scale data management, spatial and semantic correlation, three-dimensional visualization, analytical processing, and documented retrieval. Its application to the Holy Aedicule shows that the integration of data, geometry, semantics, and analytical workflows can substantially support the diagnosis, restoration, and long-term preservation of complex historic monuments.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τον σχεδιασμό, την πειραματική ανάπτυξη και την αξιολόγηση ενός Ολοκληρωμένου Πληροφοριακού Συστήματος για τη διαχείριση, επεξεργασία, σημασιολογική ενοποίηση, χωρική συσχέτιση, ανάλυση και οπτικοποίηση μεγάλων πολυδιάστατων δεδομένων στο πεδίο της διάγνωσης ιστορικών μνημείων. Η έρευνα αφετηριάζεται από ένα κρίσιμο πρόβλημα της σύγχρονης επιστημονικής τεκμηρίωσης μνημείων: τα δεδομένα που παράγονται σε μεγάλα έργα αποκατάστασης είναι πολυτροπικά, ετερογενή, χωρικά σύνθετα και μεθοδολογικά κατακερματισμένα. Προέρχονται από διαφορετικές επιστημονικές ομάδες, φάσεις εργασιών, τεχνικές μέτρησης και επίπεδα ερμηνείας, με αποτέλεσμα να μην αρκεί η απλή αρχειοθέτηση. Απαιτείται ένα ενιαίο πληροφοριακό περιβάλλον που να διατηρεί τη σχέση κάθε τεκμηρίου με τη φάση παραγωγής του, την περιοχή του μνημείου στην οποία αναφέρεται, τη μέθοδο μέτρησης, την προέλευση, τις παραμέτρους επεξεργασίας και την επιστημονική του σημασία. Ως μελέτη περίπτωσης αξιοποιείται το έργο αποκατάστασης του Ιερού Κουβουκλίου του Παναγίου Τάφου στα Ιεροσόλυμα, το οποίο πραγματοποιήθηκε κατά την περίοδο 2016-2017 υπό τον συντονισμό του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Το μνημείο συγκεντρώνει εξαιρετική ιστορική, θρησκευτική, αρχιτεκτονική και τεχνική πολυπλοκότητα, καθώς η υλική του υπόσταση ενσωματώνει διαδοχικές φάσεις από την ύστερη αρχαιότητα έως τη σύγχρονη εποχή. Το έργο παρήγαγε εξαιρετικά μεγάλο και ετερογενές σώμα δεδομένων: τρισδιάστατες γεωμετρικές αποτυπώσεις, φωτογραμμετρικά μοντέλα, απεικονίσεις υψηλής ανάλυσης, δεδομένα γεωραντάρ και άλλων διασκοπήσεων, θερμογραφία υπερύθρου, υπερηχητικές και περιβαλλοντικές μετρήσεις, αναλύσεις και χαρακτηρισμό υλικών, ιστορικά τεκμήρια, σχέδια, αναφορές, παρατηρήσεις πεδίου και αποτελέσματα επεξεργασίας. Η συγκέντρωση αυτών των δεδομένων σε ένα κοινό πλαίσιο διαχείρισης και ερμηνείας αποτελεί αναγκαία προϋπόθεση για την κατανόηση της κατάστασης διατήρησης, των μηχανισμών φθοράς και των σχέσεων μεταξύ υλικής υπόστασης, παθολογίας και επεμβάσεων. Η προτεινόμενη προσέγγιση υπερβαίνει το μοντέλο του αποθετηρίου αρχείων και αντιμετωπίζει το πληροφοριακό σύστημα ως ερευνητική υποδομή διακυβέρνησης δεδομένων. Η αρχιτεκτονική του συστήματος οργανώνεται γύρω από την τριπλή συσχέτιση φάσης, περιοχής και τεχνικής μέτρησης, έτσι ώστε κάθε σύνολο δεδομένων να μπορεί να ενταχθεί σε συγκεκριμένο χρονικό, χωρικό και μεθοδολογικό πλαίσιο. Το επίπεδο αποθήκευσης συνδυάζει δομημένη διαχείριση μεταδεδομένων, γεωχωρική πληροφορία, αποθήκευση μεγάλων ψηφιακών τεκμηρίων και βάση δεδομένων γράφων για την αναπαράσταση σύνθετων σχέσεων μεταξύ μνημείου, δομικών στοιχείων, δειγμάτων, μετρήσεων, παρατηρήσεων, τεκμηρίων και αποτελεσμάτων. Παράλληλα, ενσωματώνονται μηχανισμοί πλήρους κειμενικής αναζήτησης, ελέγχου πρόσβασης, ιχνηλασιμότητας, εκδόσεων, ιστορικού ενεργειών και τεκμηρίωσης προέλευσης, ώστε το σύστημα να υποστηρίζει όχι μόνο την αποθήκευση αλλά και την αξιοπιστία, επαναχρησιμοποίηση και ελεγχόμενη αξιοποίηση της πληροφορίας. Κεντρική συνεισφορά της διατριβής αποτελεί η σημασιολογική ενοποίηση των δεδομένων μέσω οντολογικού μοντέλου και σημασιολογικού γράφου, με αναφορά σε διεθνή πρότυπα τεκμηρίωσης της πολιτιστικής κληρονομιάς και της επιστημονικής παρατήρησης. Το εννοιολογικό μοντέλο αποτυπώνει τις σχέσεις ανάμεσα σε φάσεις έργου, περιοχές μνημείου, δομικά στοιχεία, δείγματα, υλικά, τεχνικές μέτρησης, σύνολα δεδομένων, ψηφιακά τεκμήρια, παρατηρήσεις, διεργασίες ανάλυσης και παραγόμενα αποτελέσματα. Με αυτόν τον τρόπο, η πληροφορία δεν παραμένει αποκομμένη στο επίπεδο μεμονωμένων αρχείων, αλλά συνδέεται με τη φυσική, χωρική, χρονική και επιστημονική της σημασία. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει ερωτήματα και διαδρομές συσχέτισης που διαπερνούν διαφορετικά επίπεδα τεκμηρίωσης, όπως η μετάβαση από ένα δείγμα ή μία περιοχή του μνημείου προς τις σχετικές μετρήσεις, τις εικόνες, τις αναλύσεις υλικών, τις διασκοπήσεις, τις παρατηρήσεις και τα παράγωγα αποτελέσματα. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη χωρική συσχέτιση της πληροφορίας με το τρισδιάστατο μοντέλο του μνημείου. Η διατριβή αναπτύσσει μηχανισμούς τρισδιάστατης οπτικοποίησης, επιλογής σημείων, πολυγωνικών περιοχών ενδιαφέροντος, ζωνών και τομών, οι οποίοι συνδέουν τα δεδομένα με πραγματικές θέσεις πάνω στη γεωμετρία του μνημείου. Οι περιοχές ενδιαφέροντος δεν αντιμετωπίζονται μόνο ως δισδιάστατες προβολές ή απλές κορυφές ελέγχου που ορίζει ο χρήστης, αλλά μετατρέπονται σε χωρικές αναπαραστάσεις που ακολουθούν την πραγματική επιφάνεια του τρισδιάστατου μοντέλου μέσω δειγματοληψίας της επιφανειακής γεωμετρίας και του βάθους της σκηνής. Έτσι, η επισημείωση, η αναζήτηση και η προβολή δεδομένων μπορούν να αντιστοιχιστούν σε δομικούς λίθους, φατνώματα, προσόψεις, ζώνες παθολογίας ή περιοχές μετρήσεων, διατηρώντας τη σύνδεση με την τρισδιάστατη υλική υπόσταση του μνημείου και όχι μόνο με μια αφηρημένη περιγραφική κατηγορία. Η χωρική αυτή υποδομή αξιοποιείται για τη συσχέτιση δεδομένων γεωμετρικής τεκμηρίωσης με μη καταστροφικούς ελέγχους και απεικονιστικές τεχνικές. Η διατριβή εξετάζει τη σύνδεση μετρήσεων διασκόπησης, όπως γεωραντάρ, με συγκεκριμένες περιοχές και στάθμες του μνημείου, καθώς και την προβολή και ερμηνεία θερμογραφικών δεδομένων υπερύθρου σε σχέση με την τρισδιάστατη γεωμετρία. Με αυτόν τον τρόπο, ενισχύεται η δυνατότητα ερμηνείας φαινομένων όπως υγρασία, θερμικές ασυνέχειες, εσωτερικές διαφοροποιήσεις, ασυνέχειες υλικών και πιθανές ζώνες παθολογίας. Η συσχέτιση διαφορετικών δεδομένων πάνω στο ίδιο χωρικό υπόβαθρο επιτρέπει τη σύγκριση παρατηρήσεων που παράγονται από διαφορετικές τεχνικές και ενισχύει την τεκμηριωμένη λήψη αποφάσεων σε περιβάλλοντα όπου η άμεση πρόσβαση στο μνημείο είναι περιορισμένη και οι επεμβάσεις έχουν υψηλό βαθμό ευθύνης. Παράλληλα, το σύστημα υποστηρίζει ροές εργασίας επεξεργασίας και ανάλυσης δεδομένων, με έμφαση στη διαφανή τεκμηρίωση των βημάτων, των παραμέτρων και των παραγόμενων αποτελεσμάτων. Η πειραματική υλοποίηση περιλαμβάνει διαδικασίες καθαρισμού, μετασχηματισμού, επιλογής χαρακτηριστικών, κανονικοποίησης, εκπαίδευσης και αξιολόγησης μοντέλων μηχανικής μάθησης, καθώς και εφαρμογές σε δεδομένα θερμογραφίας, διασκοπήσεων και πολυδιάστατων μετρήσεων. Η αξία των αναλυτικών μηχανισμών δεν περιορίζεται στην παραγωγή προβλέψεων ή ταξινομήσεων, αλλά έγκειται κυρίως στη σύνδεσή τους με το πρωτογενές τεκμήριο, το χωρικό σημείο αναφοράς, τη φάση του έργου, τις παραμέτρους επεξεργασίας και το ερμηνευτικό πλαίσιο. Με αυτόν τον τρόπο, η ανάλυση μετατρέπεται από απομονωμένη υπολογιστική διαδικασία σε τεκμηριωμένη επιστημονική πράξη μέσα στο πληροφοριακό σύστημα.Η διατριβή συμβάλλει θεωρητικά, μεθοδολογικά και πρακτικά. Σε θεωρητικό επίπεδο, προτείνει ένα συνεκτικό πλαίσιο διακυβέρνησης, σημασιολογικής οργάνωσης και χωρικής αναφοράς πολυτροπικών δεδομένων πολιτιστικής κληρονομιάς. Σε μεθοδολογικό επίπεδο, τεκμηριώνει μια διαδικασία μετατροπής των πραγματικών αναγκών ενός διεπιστημονικού έργου αποκατάστασης σε απαιτήσεις, αρχιτεκτονική, μοντέλα δεδομένων, ροές εργασίας και μηχανισμούς αξιολόγησης. Σε πρακτικό επίπεδο, παρουσιάζει ένα λειτουργικό ερευνητικό πρωτότυπο που επιβεβαιώνει τη δυνατότητα ολοκληρωμένης διαχείρισης δεδομένων μεγάλης κλίμακας, χωρικής και σημασιολογικής συσχέτισης, τρισδιάστατης οπτικοποίησης, αναλυτικής επεξεργασίας και τεκμηριωμένης αναζήτησης. Η εφαρμογή στο Ιερό Κουβούκλιο δείχνει ότι η ολοκλήρωση δεδομένων, γεωμετρίας, σημασιολογίας και αναλυτικών διεργασιών μπορεί να υποστηρίξει ουσιαστικά τη διάγνωση, την αποκατάσταση και τη μακροχρόνια διατήρηση σύνθετων ιστορικών μνημείων.