Die Nutzung modellierter 3D-Darstellungen geh?rt auch in den F?chern, die sich mit Objekten des kulturellen Erbes befassen, inzwischen zum Alltag. In aller Regel dienen sie der Pr?sentation von Forschungsergebnissen für eine erweiterte Fachcommunity oder zur Vermittlung von Inhalten an eine breitere ?ffentlichkeit (Abb. 1).
Demgegenüber verwendet die Bauplanung 3D-Modelle zwar auch zu reinen Darstellungs- und Vermittlungszwecken, beispielsweise zur ?berprüfung von Entwurfsentscheidungen oder als gemeinsame Diskussionsgrundlage mit den Bauherren, ihr Anwendungsbereich ist aber inzwischen unter dem Label des sogenannten Building Information Modelling (BIM) weit enger mit dem Entwurfs- und Planungsprozess verzahnt. Einzelne Komponenten des Modells werden hierbei mit Informationen verschiedener Gewerke sowie mit Parametern für die halbautomatische Aktualisierung der Geometrie verknüpft. Das Ziel ist die Zusammenführung aller relevanten Daten in ein und derselben Planungsgrundlage und damit eine entscheidende Verbesserung des kollaborativen Arbeitens im Planungs- und Bauprozess, aber auch die Fortschreibbarkeit des Informationsbestands im Laufe der Geb?udebewirtschaftung.
In den Geisteswissenschaften, insbesondere in den textorientierten F?chern zeichnen sich seit mehreren Jahrzehnten unter dem Label der sogenannten Digital Humanities oder auch e-Humanities im gewissen Sinne ?hnliche Tendenzen ab. XML-basierte Auszeichnungsstandards des ?klassischen“ Internets oder Graphentechnologien des sogenannten ?Semantic Web“ haben die Erschlie?ung von Daten für die Analyse mit algorithmischen Methoden, eine verbesserte Anschlussf?higkeit von Forschungsergebnissen oder die eng vernetzte, kollaborative und disziplinenübergreifende Kontextualisierung von Informationen zum Ziel. Inzwischen hat die Arbeitsweise l?ngst auch ihren Weg in die Musik- und Bildwissenschaften oder auch die Arch?ologie gefunden und wird folglich immer ?fter als digitale 188bet亚洲体育备用_188体育平台-投注*官网 Kulturwissenschaften bezeichnet.
Die historische Bauforschung sieht sich als Schnittstellendisziplin, die sowohl der wissenschaftlichen Analyse in den kulturhistorischen F?chern als auch der Planung für die praktische Umsetzung von Ma?nahmen Grundlagen liefert. Durch die Ausdifferenzierung der Denkmalf?cher finden zunehmend mehr Informationen von der geisteswissenschaftlichen Geschichtsforschung bis hin zu naturwissenschaftlichen Materialanalysen in den Bauwerkserfassungen Eingang. Solche Dokumentationen enthalten zudem eine gro?e Vielfalt multimodaler Darstellungsmethoden wie die Einzelbl?tter sogenannter Raumbücher, Planzeichnungen unterschiedlicher Ma?st?be und Genauigkeitsstufen, Listen, Skizzen, Kartierungen diverser Inhalte und schlie?lich auch 3D-Modelle. Bei alledem z?hlt zu den wesentlichen Qualit?tsmerkmalen die m?glichst dicht vernetzte Kontextualisierung dieser Daten am Gesamtgeb?ude und darüber hinaus. Um die Relevanz der Dokumentationen der Bauforschung m?glichst effizient in Planungsprozesse einzubinden und um wichtige Erkenntnisse für die kulturhistorische Forschung weiterhin verwertbar zur Verfügung zu stellen, wird im Sinne der Zukunftssicherung des Faches die Nutzung der Leistungsmerkmale von BIM-Systemen auf der einen Seite und semantischer Technologien auf der anderen zunehmend eine ernstzunehmende Aufgabe, die weit über reine Pr?sentationszwecke hinausgeht. Weil der Arbeitsbereich Bauforschung – Baugeschichte – Bauerhalt am KDWT bezüglich des Personals auf eine den begrenzten Zeitrahmen von klassischen Drittmitteln hinausgehende Dauerfinanzierung zurückgreifen kann, hat sich die Abteilung zum Ziel gesetzt, diese Aufgabe langfristig zu begleiten. Anlass dafür bilden verschiedene abgeschlossene und laufende Vorhaben, die die Modellbildung mehr oder weniger berühren, zuletzt ein BMBF-gef?rdertes Verbundprojekt (siehe dazu: Die Nürnberger Gro?kirchen).
Grunds?tzlich lassen sich zwei Arten von 3D-Darstellungen unterscheiden, die in der historischen Bauforschung Anwendung finden:
- 3D-Oberfl?chenmodelle, die durch automatisiertes Vermaschen von photogrammetrisch oder mit 3D-Scannern erstellten Punktwolken generiert werden;
- 3D-Volumenmodelle, die mehr oder weniger von Hand in entsprechender Software nach und nach aufgebaut sind.
W?hrend erstere als ?objektives“ Aufma?produkt angesprochen werden k?nnen, weil ihre Geometrie weitgehend automatisiert mithilfe von Ger?ten und Algorithmen aufgenommen wird, ben?tigen letztere durch h?ndisches Abstrahieren und Nachmodellieren wesentlich mehr Eingriffe durch den menschlichen Geist und weisen entsprechend einen deutlich h?heren Grad an ?Subjektivit?t“ auf (siehe dazu auch: Baudokumentation am KDWT). Auch wenn dieser Umstand zun?chst den Anschein hat, sich nachteilig auf wissenschaftliches Arbeiten im Allgemeinen auszuwirken, stellt eine differenziertere Hinterfragung des Begriffes ?Genauigkeit“ die Vorteile von Volumenmodellen heraus. Bei Oberfl?chenmodellen ist die Lagegenauigkeit einzelner Punkte von den Ger?teeigenschaften sowie seinem Abstand zum Objekt abh?ngig und etwa gleichm??ig verteilt. Bei Volumenmodellen hingegen definiert sich diese Genauigkeit durch eine Abw?gung zwischen Aufwand sowie Zielstellung und kann lokal verschieden ausfallen. Verformungen des Bauwerks flie?en dabei zwar nur bedingt in die Darstellung ein. Jede übernommene Abweichung und jede Entscheidung bezüglich der Detailtiefe ist hier aber stets eine bewusste Entscheidung. Durch Weglassen von Unwesentlichem, Hervorheben bzw. Ausdifferenzieren von Aussagekr?ftigem sowie bauteilgerechtes Konstruieren ist die h?ndische Erstellung von Volumenmodellen ein umfassender Akt der Interpretation und damit eine Bewertung der Relevanz von einzelnen Inhalten der schier unüberschaubaren Masse von Informationen am historischen Sachzeugnis (Abb. 2). Der Spitzbogen eines Ma?werkfensters ist eben keine Ansammlung nicht miteinander in Beziehung stehender Punkte im Raum, sondern ein abgegrenztes, an einer Bogenlinie extrudiertes Profil mit klar definiertem Mittelpunkt, Radius und Winkel. Der Vorteil von Volumenmodellen liegt also weniger in der Pr?zision der Lage einzelner Punkte, sondern in der semantischen Genauigkeit, der Informationsdichte bzw. der visuellen Klarheit und Lesbarkeit. Die Modellbildung wird so selbst zum Akt des Erkenntnisgewinns.
Bei genauerer Betrachtung des Herstellungsprozesses wird dieser Aspekt umso deutlicher. Aufgrund der sich rasant entwickelnden Aufma?techniken und zur Wahrung der internen Genauigkeit werden Oberfl?chenmodelle in der Regel g?nzlich neu produziert. Demgegenüber ist die h?ndische Modellierung von Volumendarstellungen auf vorhandene Grundlagen angewiesen (Abb. 3). Insbesondere bei Gro?bauten existiert oft eine lange Forschungsgeschichte und damit ein vielf?ltiges Angebot bereits vorhandener Bauaufnahmen. Diese Grundlagen werden in die Modellbildung einbezogen und gleichsam fortgeschrieben. Im Projekt zu den Nürnberger Gro?kirchen orientiert sich die Gesamtgeometrie des 3D-Modells grunds?tzlich an vorhandenen Punktwolken eines terrestrischen Laserscans, weil hier die Lagegenauigkeit von Punkten bezüglich der Gesamtgeomtrie gegeben ist. Für die Ausmodellierung von Details wie Profile von Pfeilern, Arkadenb?gen und Gew?lberippen werden hingegen h?ndische Aufma?zeichnungen aus einhundert Jahren Forschungsgeschichte herangezogen, weil sie Einzelheiten ohne Unsch?rfe bauteilgerecht darstellen. Schlie?lich steuern beispielsweise restauratorische Voruntersuchungen den am Bauwerk überprüften Steinschnitt bei. Das Volumenmodell ist demnach ein durch Zusammenführung vorhandener Grundlagen entstandenes Aggregat, wobei jede Quelle durch das verwendete Verfahren ihre integralen Qualit?ten beisteuert. Das 3D-Volumenmodell weist also eine bedarfsgerechte, wechselnde Tiefensch?rfe bzw. Genauigkeit auf.
Ein weiterer Vorteil von konstruierten Modellen liegt darin, dass ihre Aussagekraft nicht an der Oberfl?che endet, sondern in das Innere der Bauwerksstruktur eindringt und so die Wirkzusammenh?nge einzelner Bauteile realit?tsnah simuliert. Auf diese Weise kann in das 3D-Modell eine Darstellungstiefe einflie?en, die in der Bauaufnahme schon lange als Qualit?tsmerkmal definiert ist. Um dieses Ziel zu realisieren, besteht dieses Volumenmodell nicht aus einem Guss, sondern wird durch Separation in entsprechende Teilelemente aufgeschlüsselt. Dabei gibt es aber nicht einen universellen Weg, der in der Lage w?re, die Wirklichkeit objektiv wiederzugeben. Jedes mit Objekten des kulturellen Erbes befasste Fach besitzt seine ganz eigene Perspektive auf das Sachzeugnis. Weil die Bauforschung als Schnittstellendisziplin Belange der Nachbarf?cher berücksichtigen m?chte, bieten ihre 3D-Modelle mehrere parallel zueinander existierende Separationslogiken an:
- Die strukturelle Separation zerlegt das Volumenmodell in Bauelemente entsprechend der Entwurfslogik. Bei einem gotischen Sakralbau sind dies zum Beispiel Pfeiler, Dienste, Gew?lberippen, -kappen, Wandabschnitte;
- Die konstruktive Separation stellt die Aufgliederung entsprechend der Herstellung und Fügung tats?chlich vorhandener Bauglieder in den Vordergrund. Hier wird der einzelne Werkstein oder ein Holzbalken ungeachtet seiner Zugeh?rigkeit zu strukturellen Bauelementen herausgegriffen;
- Die entwicklungsgeschichtliche Separation trennt das Volumen in Entsprechung zu den Entstehungszeitpunkten bestimmter Bauwerkspartien auf. Diese Grenzen k?nnen mitunter über strukturelle Bauelemente oder konstruktive Bauglieder hinweg reichen (Abb. 4).
Es ist kein Zufall, dass die genannten Zerlegungsmethoden den an anderer Stelle diskutierten fachspezifischen Kontexten ?hneln (siehe dazu: Die Nürnberger Gro?kirchen), denn Sinn und Zweck der Modellseparation ist die Anreicherung desselben mit zahlreichen fachübergreifenden Hintergrundinformationen aus der wissenschaftlichen Forschung sowie dem praktischen Denkmalerhalt. Die ad?quate Aufschlüsselung der Geometrie erm?glicht so die Anwendung der Darstellung als Informationssystem mit dem jeweiligen Zweck und der jeweiligen Nutzergruppe entsprechender Tiefensch?rfe.
Mithilfe der Modellseparation stünden der Bauforschung ausreichend Softwaresysteme zur Verfügung, um virtuelle 3D-Modelle sogleich mit Informationen anzureichern. In der Planungspraxis zunehmend an Bedeutung gewinnende BIM-Systeme k?nnen hierbei aber nur bedingt den Anforderungen in der historischen Bauforschung gerecht werden:
- Die propriet?ren Systeme sind abh?ngig von bestimmten Herstellern. Die fragwürdige Anschlussf?higkeit und Dauerhaftigkeit der Daten widerspricht dem Dokumentationsauftrag der Bauforschung.
- Die Bauforschung ist als Schnittstellendisziplin nicht nur an der Adaption von Planungsinstrumenten der Ingenieurf?cher, sondern desgleichen am Schulterschluss mit den Geisteswissenschaften interessiert. Folglich wird im Sinne der Anschlussf?higkeit für die Modellierung einer ?semantischen Schicht“ auf die in den Digital Humanities etablierten Graphentechnologien zurückgegriffen.
Nicht nur aus den genannten Gründen hat der Arbeitsbereich entschieden, für die Anreicherung von Volumendarstellungen mit Informationen eine weitgehend unabh?ngige ?semantische Schicht“ als virtuellen Graph zu modellieren. Sie stellt die Beziehungen der einzelnen Bauelemente zueinander umfassend dar und berücksichtigt dabei desgleichen unterschiedliche Nutzerkontexte (siehe dazu: Die Nürnberger Gro?kirchen). Das Vorgehen l?sst Gruppierungen von Bauelementen und Raumeinheiten zu übergeordneten Bauteilen zu, berücksichtigt, angelehnt an BIM, konstruktive Verbindungen und erlaubt bei alledem Mehrfachzuordnungen von sich wechselseitig übergreifenden Einzelgliedern. D.h., hier wird beispielsweise ein Mittelschiffspfeiler als sogenannter Knoten im virtuellen Strukturgraphen mit zugeh?rigen Nummern unterschiedlicher Inventarisierungssysteme angelegt. Beziehungen – sogenannte Kanten – formulieren, dass dieser Pfeiler als Einzelsegment einer entsprechenden Arkade aufzufassen ist, selbst in Basis, Schaft, Kapitell, mehrere Dienstbündel und einzelne Werksteine unterteilt werden kann und darüber hinaus als raumtrennende Einheit zwischen zwei Seiten- und zwei Mittelschiffsjochen fungiert. Zur Differenzierung dieses Geflechts k?nnen Knoten und Kanten unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Erstere lassen sich als:
- Baugruppen (Ensemble von Einzelgeb?uden, z.B. ?Vorburg“, ?Hauptburg“ oder ?Wirtschaftshof“ bei Adelssitzen);
- Einzelbauten (?Kirche“, ?Pallas“, ?Klausur“, ?Torkapelle“ etc.);
- Bauteile (Gruppen von Bauelementen und R?umen, z.B. ?Doppelturmfront“, ?Langhaus“ und ?Chor“ bei Kirchengeb?uden);
- Raumeinheiten (z.B. ?Joch“ und ?Schiff“ bei Sakralbauten oder ?Geschoss“ und ?Raum“ bei Profanbauten),
- Bauelemente (z.B. ?Pfeiler“, ?Fenster“, ?Wandabschnitt“) oder …
- Aspekte (z.B. ?Innen-“ oder ?Au?enansicht“, ?Grundriss-“ und ?Schnittebenen“ eines dreidimensionalen Bauteils oder Bauelements) definieren.
In Entsprechung zu den Knoten charakterisieren desgleichen verschiedene Kantentypen die Art der Beziehung zu über- oder untergeordneten bzw. nachbarschaftlichen Knoten:
- Die part of-Beziehung stellt existenzielle Abh?ngigkeiten zwischen einem Objekt und seinen Einzelteilen dar.
- Die belongs to-Beziehung formuliert eine weniger strenge Abh?ngigkeit, sondern eher eine Gruppierung und erlaubt zudem mehrfache Zuordnungen zu übergeordneten Einheiten.
- Die connects-Beziehung beschreibt die bauliche bzw. geometrische Berührung zwischen zwei Elementen, wird auch in BIM verwendet und garantiert Anschlussf?higkeit zu entsprechenden Systemen.
Diese topologische Struktur als virtueller Graph aus Knoten und Kanten verbleibt zun?chst in gewissem Sinne ?inhaltslos“. Die einzelnen Instanzen werden mittels Zuweisung von Begriffen erst in zweiter Instanz durch qualitative Beschreibungen charakterisiert. Dazu dienen Themen aus einem kontrollierten Vokabular, dessen Aufbau und Funktionsweise an anderer Stelle genauer beschrieben wird (siehe dazu: Bamberger Vokabular für historische Architektur). Hierdurch wird schlie?lich gekl?rt, dass ein bestimmter Bauelement-Knoten in der virtuellen Struktur den Form-Typ ?Bündelpfeiler“, den Funktions-Typ ?Arkadenpfeiler“ und den Lage-Typ ?Freipfeiler“ aufweist. Entsprechend wird mit seinen über- und untergeordneten Knoten verfahren. Im Ergebnis liegt eine semantische Schicht als gleichsam unsichtbare Parallelstruktur vor, die alle relevanten topologischen und thematischen Informationen enth?lt.
Für deren technische Umsetzung wird mit verschiedenen offenen Dateiformaten experimentiert. Im Projekt zu mehreren hundert Adelssitzen im Altmühltal dienen hochstrukturierte XML-Dateien der semantischen Modellierung virtueller Bauwerksstrukturen und ihrer thematischen Auszeichnung. Bei St. Lorenz in Nürnberg stellt ein Linked-Open-Data-f?higes Graphenmodell als SKOS (Simple Knowledge Oranization System) im RDF-Format (Resource Description Framework) die virtuelle Struktur zur Verfügung – eine Technologie, die normalerweise für Normdaten Anwendung findet. Welche technische Herangehensweise auch immer für die semantischen Graphen verwendet werden, als eigentlicher Tr?ger beliebig erweiterbarer Inhalte verbleiben sie zun?chst eigenst?ndig und unabh?ngig von der geometrischen Repr?sentation. Durch Referenzierung einzelner Knoten, inklusive ihrer thematischen Bezüge auf einzelne Elemente der separierten Volumendarstellung entsteht schlie?lich das semantische Gesamtmodell (Abb. 5). Damit ist es m?glich, inhaltliche Abfragen aus dem ?unsichtbaren“ semantischen Graphen automatisiert in die Modelle auszukartieren. Umgekehrt l?sst sich die separierte Volumendarstellung als Interface benutzen, um umfassende objektbezogene Hintergrundinformationen zu ihren Einzelelementen zu erreichen. Die Parallelführung beider Repr?sentationen hat darüber hinaus verschiedene Vorteile im Sinne der Anschlussf?higkeit:
- Der topologisch-thematische Graph wie auch die visuelle Darstellung k?nnen unabh?ngig voneinander ausgewertet werden. Dazu geh?ren quantitative Analysen ebenso wie die Suche von Einzelph?nomenen mithilfe komplexer Filterungsmechanismen oder auch geometrisch-geographische Abfragen.
- Die gegenseitige Referenzierung der beiden weitgehend selbst?ndigen Instanzen erlaubt die flexible Nachverdichtung oder Umstrukturierung sowohl innerhalb der semantischen Schicht als auch im separierten Modell.
- Derselbe topologisch-thematische Graph l?sst sich gleichzeitig auch auf andere Daten referenzieren, dabei kann es sich um Pixelbilder, Raumbücher, Volltexte, 2D-Pl?ne und dergleichen handeln.
- Die Aufteilung des semantischen Modells in eigenst?ndige Schichten kommt der kollaborativen Arbeit in Verbünden entgegen.
- Weil die semantische Schicht und das Volumenmodell unabh?ngig voneinander in offenen Dateiformaten vorliegen, k?nnen ihre Inhalte durch Export und Transformation innerhalb ganz anderer Strukturen und Zusammenh?nge – darunter auch BIM-Systeme – nachgenutzt werden.
Durch die beschriebenen, aufgrund der entsprechenden Anforderungen entstandenen ?berlegungen gehen semantische Modelle in der Bauforschung weit über reine Vermittlungszwecke hinaus. Sie unterstreichen durch Zusammenführung sowie m?glichst dauerhafte Anschlussf?higkeit den Dokumentationsauftrag der Bauforschung. Als Informationsinfrastruktursysteme sind sie folglich leistungsf?hige Arbeitsmittel, die die Vielfalt relevanter Informationen aus kulturgeschichtlicher Forschung und praxisbezogener Planung bündeln, übersichtlich erschlie?en, mit nutzerspezifischen Kontexten vernetzen, dadurch dem Anspruch der Bauforschung als Schnittstellendisziplin gerecht werden und schlie?lich die Bedeutung des Objekts als Informationstr?ger angemessen hervorheben.
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Zitationshinweis für diesen Artikel / Parallelpublikation:
Arera-Rütenik, Tobias / N?bauer, Anna / Schalk, Patrick: Semantische Modellbildung in der Bauforschung. Fachspezifische Anforderungen an virtuelle 3D-Modelle, in: Arera-Rütenik, Tobias / Bellendorf, Paul / Breitling, Stefan / Drewello, Rainer / Hess, Mona / Vinken, Gerhard (Hg.): Kompetenzzentrum Denkmalwissenschaften und Denkmaltechnologien 2018-2020, Berichte des KDWT 2, Bamberg 2022, 140-145 (https://doi.org/10.20378/irb-56714).