Three-dimensional Documentation of Architecturally Complex Mosques Using Terrestrial Laser Scanning

Abstract

Today, the documentation of cultural heritage elements is of great importance not only for the preservation of historical structures but also for ensuring their accessibility, analyzability, and sustainable archiving in the digital age. Digital documentation methods allow for the detailed recording of the physical characteristics of historical and architectural structures, while also providing usable data for a wide range of applications, from restoration planning to education and virtual tourism. In particular, mosque structures, as representatives of religious architecture, stand out with their aesthetic, engineering, and cultural values, and are unique buildings that warrant documentation. In this study, the Terrestrial Laser Scanning (TLS) method was employed for the three-dimensional (3D) documentation of architectural elements of mosque structures considered as cultural heritage. The Müftü Abdullah Sıddık Mosque, located in the Yenişehir district of Mersin, Türkiye, was selected as the application area. The mosque’s interior and exterior geometries were modeled in detail using high-resolution point cloud data. A total of 18 scanning sessions were conducted, followed by point cloud registration, noise filtering, and mesh-based 3D modeling processes. The accuracy of the model was assessed through target-based registration and length-based comparisons. The accuracy analysis revealed a mean deviation of 1.1 cm and an RMSE value of 0.011 m. The findings demonstrate that TLS is an effective and reliable tool for documenting architecturally complex structures such as mosques. However, certain limitations were observed, such as incomplete scanning of high-elevation elements (e.g., minaret tops), restricted line-of-sight conditions, and environmental interferences in outdoor settings. It is recommended that the effectiveness of the method can be enhanced through multi-source data integration and the implementation of automated data processing techniques.

Keywords

• Terrestrial laser scanning
• 3D modeling
• Cultural heritage
• Mosque documentation
• Point cloud
• Accuracy analysis

Mimari Karmaşıklığa Sahip Cami Yapıların Üç Boyutlu Belgelenmesinde Yersel Lazer Tarama Uygulaması

Abstract

Günümüzde kültürel miras unsurlarının belgelenmesi, yalnızca tarihî yapıların korunması açısından değil, aynı zamanda bu yapıların dijital çağda erişilebilir, analiz edilebilir ve sürdürülebilir biçimde arşivlenebilmesi bakımından da büyük önem taşımaktadır. Dijital belgelenme yöntemleri, tarihî ve mimari yapıların fiziksel özelliklerinin detaylı biçimde kaydedilmesine imkân tanırken, aynı zamanda restorasyon planlamasından eğitim ve sanal turizm uygulamalarına kadar pek çok alanda kullanılabilir nitelikte veriler sunmaktadır. Özellikle dini mimarinin temsilcileri olan cami yapıları, estetik, mühendislik ve kültürel değerleriyle öne çıkan, belgelenmesi gereken özgün yapılardır. Bu çalışmada, kültürel miras kapsamında değerlendirilen cami yapılarına ait mimari unsurların üç boyutlu (3B) belgelenmesi amacıyla Yersel Lazer Tarama (YLT) yöntemi kullanılmıştır. Uygulama alanı olarak Mersin ili Yenişehir ilçesinde yer alan Müftü Abdullah Sıddık Camii seçilmiş; yapının iç ve dış mekân geometrisi, yüksek çözünürlüklü nokta bulutu verileriyle detaylı biçimde modellenmiştir. Toplam 18 tarama oturumu gerçekleştirilmiş; elde edilen veriler üzerinde hizalama, gürültü temizliği ve mesh tabanlı 3B modelleme işlemleri uygulanmıştır. Modelin doğruluğu, hedef işaretleri ve uzunluk bazlı karşılaştırmalar yoluyla değerlendirilmiştir. Doğruluk analizinde ortalama fark 1.1 cm, RMSE değeri ise 0.011 m olarak elde edilmiştir. Bulgular, YLT’nin cami gibi mimari karmaşıklığı yüksek yapılarda etkili ve güvenilir bir belgeleme aracı olduğunu ortaya koymaktadır. Ancak, yüksek kotlu unsurların (ör. minare tepesi) eksik taranması, görüş açısı kısıtları ve dış ortam etkileri gibi bazı sınırlılıklar da gözlemlenmiştir. Bu bağlamda, çok kaynaklı veri birleşimi ve otomatik veri işleme teknikleri ile yöntemin etkinliğinin artırılması önerilmektedir.

Keywords

• Yersel lazer tarama
• 3B modelleme
• Kültürel miras
• Cami belgelenmesi
• Nokta bulutu
• Doğruluk analizi

References

1. Borkowski, A., & Jóźków, G. (2012). Accuracy assessment of building models created from laser scanning data. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 39, 253–258.
2. Buckley, S. J., Howell, J. A., Enge, H. D., & Kurz, T. H. (2008). Terrestrial laser scanning in geology: Data acquisition, processing and accuracy considerations. Journal of the Geological Society, 165(3), 625–638.
3. Campana, S., & Remondino, F. (2008). Fast and detailed digital documentation of archaeological excavations and heritage artifacts. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 37, 1–6. (Not: Eksik cilt veya sayfa varsa lütfen kontrol ediniz)
4. Capolupo, A. (2021). Accuracy assessment of cultural heritage models extracting 3D point cloud geometric features with RPAS SfM-MVS and TLS techniques. Drones, 5(4), 145.
5. Çelik, M. Ö., Hamal, S. N. G., & Yakar, İ. (2020). Yersel lazer tarama (YLT) yönteminin kültürel mirasın dokümantasyonunda kullanımı: Alman Çeşmesi örneği. Türkiye Lidar Dergisi, 2(1), 15–22.
6. Duran, Z., Atik, M. E., & Çelik, M. F. (2017). Yersel fotogrametrik yöntem ile yersel lazer taramanın karşılaştırılması ve doğruluk analizi. Harita Dergisi, 158, 20–25.
7. Fangi, G., Fiori, F., Gagliardini, G., & Malinverni, E. S. (2002). Fast and accurate close range 3D modelling by laser scanning system. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 34(5/C7), 196–203.
8. Go, J. S., Jeong, I. H., Shin, H. S., Choi, Y. S., & Cho, S. K. (2013). A study on the construction of indoor spatial information using a terrestrial LiDAR. Spatial Information Research, 21(3), 89–101.

9. Imtiaz, S., Arif, S., Nawaz, A., & Shah, S. A. R. (2024). Conservation of socio-religious historic buildings: A case study of Shah Yousuf Gardez Shrine. Buildings, 14(7), 2116.
10. Kabadayı, A., & Kaya, Y. (2024). Tarihi sütunların yersel fotogrametri yöntemiyle 3 boyutlu modellenmesi ve web tabanlı görselleştirilmesi. Türkiye Fotogrametri Dergisi, 6(2), 48–53.
11. Kwoczynska, B., Piech, I., Polewany, P., & Gora, K. (2018, June). Modeling of sacral objects made on the basis of aerial and terrestrial laser scanning. In 2018 Baltic Geodetic Congress (BGC Geomatics) (pp. 275–282). IEEE.
12. Lemmens, M. (2011). Terrestrial laser scanning. In M. Lemmens (Ed.), Geo-information: Technologies, applications and the environment (pp. 101–121). Springer.
13. Lolytasari, L., Sulistiono, B., Basuki, S., & Rahiem, M. D. H. (2021). The archival works at three historic mosques in Indonesia: The documentation of the society’s religious and social life. Journal Name Missing? (Lütfen dergi adını belirtiniz)
14. Oruç, M. E., & Ulvi, A. (2023). Maden sahalarındaki deformasyonların İHA’lar ile izlenmesi. Türkiye Fotogrametri Dergisi, 5(2), 43–57.
15. Şenol, H. İ., Yiğit, A. Y., Kaya, Y., & Ulvi, A. (2021). İHA ve yersel fotogrametrik veri füzyonu ile kültürel mirasın 3 boyutlu (3B) modelleme uygulaması: Kanlıdivane örneği. Türkiye Fotogrametri Dergisi, 3(1), 29–36.
16. Uslu, A., Polat, N., Toprak, A. S., & Uysal, M. (2016). Kültürel mirasın fotogrametrik yöntemle 3B modellenmesi örneği. Harita Teknolojileri Elektronik Dergisi, 8(2), 165–176.
17. Ulvi, A., & Yiğit, A. Y. (2022). Comparison of the wearable mobile laser scanner (WMLS) with other point cloud data collection methods in cultural heritage: A case study of Diokaisareia. ACM Journal on Computing and Cultural Heritage, 15(4), 1–19.
18. Xiong, X., Adan, A., Akinci, B., & Huber, D. (2013). Automatic creation of semantically rich 3D building models from laser scanner data. Automation in Construction, 31, 325–337.
19. Yakar, M., Yılmaz, H. M., & Mutluoğlu, Ö. (2009). Hacim hesaplamalarında laser tarama ve yersel fotogrametrinin kullanılması. TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası 12. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Kurultayı.
20. Yiğit, A. Y., & Uysal, M. (2023). Dijital ikizlerin geliştirilmesinde fotogrametrinin kullanımı ve artırılmış gerçeklik ile görselleştirilmesi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 12(4), 1372–1384.
21. Yiğit, A. Y., Hamal, S. N. G., Ulvi, A., & Yakar, M. (2024). Comparative analysis of mobile laser scanning and terrestrial laser scanning for the indoor mapping. Building Research & Information, 52(4), 402–417.
22. Zachos, A., & Anagnostopoulos, C. N. (2023). Using terrestrial laser scanning, unmanned aerial vehicles and mixed reality methodologies for digital survey, 3D modelling and historical recreation of religious heritage monuments. arXiv Preprint arXiv:2401.01380.
23. Zeybek, M., Şanlıoğlu, İ., & Genç, A. (2015). Yüksek çözünürlüklü yersel lazer tarama verilerinin filtrelenmesi ve filtrelemelerin heyelan izlemeye etkisi. Harita Dergisi, 153, 35–43.