歷史文化保護(hù)區(qū)規(guī)劃修繕測繪方法實踐
——以什剎海環(huán)湖測繪項目為例

高孝廣，唐順均，李穆

(1.北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038； 2.城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實驗室，北京 100038)

1 引 言

為了給什剎海歷史文化保護(hù)區(qū)的修繕和重建提供基礎(chǔ)資料，利用工程測量及三維激光掃描技術(shù)，為什剎海歷史文化保護(hù)區(qū)提供了翔實的測繪數(shù)據(jù)；對保護(hù)區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)建筑物進(jìn)行了三維激光掃描，獲取了三維立體影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是后期修繕及重建的重要數(shù)據(jù)支撐。為歷史文化保護(hù)區(qū)的測繪提供了一定的借鑒。用現(xiàn)代信息技術(shù)使文化遺產(chǎn)數(shù)字化，具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。文化遺產(chǎn)數(shù)字化的發(fā)展程度已經(jīng)成為評價一個國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要標(biāo)志之一[1]。

2 測繪的要求及內(nèi)容

為了獲取什剎海歷史文化保護(hù)區(qū)的基礎(chǔ)資料，對擬規(guī)劃修繕區(qū)域進(jìn)行了全面測繪。本次是對前海及其周邊歷史文化古跡區(qū)域測繪，重要建筑物測繪主要有：小王府(潭苑)、什剎海會館、荷花市場等歷史文化古跡。測繪范圍南北最長處約 650 m，東西最寬處約 500 m，測繪面積約 0.2 km2。

歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)有四原則：原真性、整體性、可讀性、可持續(xù)性。按照該原則要求，需要保留文物所遺存的全部歷史信息和面貌，以便在后期的修繕中做到“修舊如舊”，保護(hù)的不僅僅是文物本身，也包括其周圍的環(huán)境、格局特征、文化內(nèi)涵等。為了達(dá)到以上要求，本次測繪的具體內(nèi)容包括：什剎海(前海范圍)地形圖測繪，地下管線測繪(不包括水面區(qū)域)，重點(diǎn)建筑物平面、立面、剖面圖測繪、重點(diǎn)建筑物實景影像測繪、三維模型的建立等。

測繪的主要流程依次為：控制測量，地形圖測繪，地下管線測繪，重點(diǎn)建筑物的測繪，三維激光掃描數(shù)據(jù)的處理，平立剖面圖的繪制，質(zhì)量檢查等。

3 控制及地形圖測繪

3.1 控制測量

平面坐標(biāo)采用北京地方坐標(biāo)系；高程采用北京地方高程系。

平面控制測量方法可采用導(dǎo)線測量、GPS測量、GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK測量等方法，測區(qū)內(nèi)現(xiàn)有城市一、二級導(dǎo)線點(diǎn)及城市中心區(qū)一級加密控制點(diǎn)作為首級控制。結(jié)合項目現(xiàn)場情況，本次平面控制測量采用GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK(北京市CORS網(wǎng))的方式布設(shè)。VRS技術(shù)可以替代傳統(tǒng)的一級GPS測量和圖根控制測量[2]。

高程控制測量采用水準(zhǔn)測量的方法，利用北京市等級水準(zhǔn)點(diǎn)、城市中心區(qū)一級加密控制點(diǎn)作為首級控制點(diǎn)。

3.2 地形圖測繪的常規(guī)及特殊要求

為了詳盡地反映出現(xiàn)狀的地形、地貌、地物，本次地形圖測繪采用 1∶200比例尺，相關(guān)技術(shù)要求參照《基礎(chǔ)測繪技術(shù)規(guī)程》DB11/T 407-2017執(zhí)行。圖式參考《1∶5百、1∶1千、1∶2千、1∶5千、1∶1萬地形圖圖式》(北京市測繪院1988年4月)、《1∶500、1∶1 000、1∶2 000新增地形圖圖式》(北京市測繪設(shè)計研究院1992年3月)工程圖式。

數(shù)字化地形圖分層要求按北京市基本比例尺地形圖分層要求。分幅按從上至下、從左至右方向進(jìn)行自由分幅，圖號順序編號。

特殊要求：永久建筑物應(yīng)標(biāo)注層數(shù)，若有地下部分應(yīng)測繪出入口位置，繪制相應(yīng)符號；測區(qū)內(nèi)的文物古跡要詳測注記；測區(qū)內(nèi)供游人休息使用的石凳、條凳座椅需實測位置及大小，調(diào)查注記隨層；重點(diǎn)測繪區(qū)域內(nèi)，沿街房屋臺階外輪廓尺寸、臺階級數(shù)及高差、臺明或階條石尺寸、地表及臺明高程均需實測；測區(qū)內(nèi)的金錠橋要實測其內(nèi)頂高程；測繪的水面高程按照圖式要求注記測繪日期，本次測繪無水底高程測量要求；地下管線檢修井、管線指示樁、變電箱(室)、化糞池、燈桿等均需實測，調(diào)查成果放在數(shù)字化地形圖中“市政調(diào)查”層，顏色7；雨水口應(yīng)準(zhǔn)確測繪其位置及規(guī)格；測區(qū)內(nèi)固定的垃圾桶需要實測；詳細(xì)標(biāo)注單位名、商鋪名稱、路名、街道名、廠名、河名等；測區(qū)內(nèi)胸徑大于 5 cm的所有樹木均需實測樹木位置，調(diào)查樹木胸徑、種類，實測樹坑位置、大??；綠地內(nèi)含灌木及花卉景觀的，應(yīng)區(qū)分景觀邊界線并調(diào)查種類，調(diào)查成果放在數(shù)字化地形圖中“樹木調(diào)查”層，顏色220；古樹需注明編號；對于圖式符號無法準(zhǔn)確表述的還應(yīng)加上文字注記進(jìn)行描述。

地形圖測繪采用數(shù)字測圖的方式進(jìn)行，地形圖完成后，要進(jìn)行平面坐標(biāo)精度統(tǒng)計、高程精度統(tǒng)計、距離精度統(tǒng)計。

4 地下管線測繪

4.1 常規(guī)管線調(diào)查

在已完成地形圖的基礎(chǔ)上對圖上顯示的各種地下管線進(jìn)行測繪，同時也是對地形圖成果的一次外業(yè)檢查。

地下管線按照電力、通訊、上水、中水、熱力、燃?xì)狻⒂晁?、污水、工業(yè)、人防共10大類進(jìn)行分類調(diào)查。因為壓蓋、鎖、淤、埋等原因有檢查井法測量現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)的歸入“不明管線”層，本次管線調(diào)查不包括水域范圍內(nèi)的水下管線。

井位平面坐標(biāo)來自全站儀數(shù)據(jù)采集；井面高程可以來自全站儀采集數(shù)據(jù)，也可以施測圖根水準(zhǔn)串測井面高程；管線尺寸及量深可以采用鋼尺量距、激光測距儀量距等方式。

管線點(diǎn)的測量精度：相對于鄰近控制點(diǎn)的平面位置中誤差絕對值不大于 50 mm，相對于鄰近控制點(diǎn)的高程測量中誤差不大于 30 mm。

根據(jù)外業(yè)獲取的數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)形成管線圖形、管線高程表等成果資料。

4.2 隱蔽管線調(diào)查

對于僅有零星標(biāo)識的燃?xì)?、直埋電力等管線采用雷迪8000管線探測儀進(jìn)行探測。對于探測點(diǎn)位坐標(biāo)、高程使用全站儀進(jìn)行采集，探測點(diǎn)埋深使用管線調(diào)查軟件記錄。

發(fā)射機(jī)的連接方法以有源方式為主，多采用直連法、夾鉗法、感應(yīng)法3種方式進(jìn)行發(fā)射。接收機(jī)端采用的探測方法有：極大值法、極小值法、單線圈極大值法。

隱蔽管線點(diǎn)的探查精度：平面位置限差為 0.1 h，埋深限差為 0.15 h(h為地下管線的中心埋深，單位mm，當(dāng)h小于 1 000 mm時，按照h=1 000 mm計算)。

5 重點(diǎn)建筑物的測繪

完成了地形圖及管線測繪，本次測繪的另一個重點(diǎn)就是重要建筑物的測繪，對測區(qū)內(nèi)的小王府(潭苑)、什剎海會館、荷花市場三處重點(diǎn)區(qū)域的建筑物測繪平面、立面、剖面圖，采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)、實景影像，制作正射影像數(shù)據(jù)等。重點(diǎn)建筑物數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受外部環(huán)境影響大，該項任務(wù)是本次測繪中的難點(diǎn)，也是該項目的點(diǎn)睛之筆，須結(jié)合新技術(shù)新方法才能高效完成該項工作。

5.1 三維激光掃描技術(shù)概述

激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging，LiDAR)俗稱三維激光掃描，是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，可全天候、快速、主動、高精度地采集大范圍區(qū)域的精細(xì)三維空間信息，部分設(shè)備還能獲取到目標(biāo)的反射強(qiáng)度信息。從1988年德國斯圖加特大學(xué)的研究人員將激光技術(shù)應(yīng)用到航空測量領(lǐng)域以后，激光雷達(dá)在精度、速度、便捷性等方面均表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。激光雷達(dá)具有速度快、實時性強(qiáng)、精度高、主動性強(qiáng)、全數(shù)字特征等優(yōu)勢，能極大地減少外業(yè)、節(jié)約時間[3]，能實現(xiàn)彩色紋理的高精度自動匹配，通過位置與姿態(tài)裝置，實現(xiàn)多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動配準(zhǔn)，形成彩色點(diǎn)云模型，為進(jìn)一步的工作提供了重要的數(shù)據(jù)。

作為新興技術(shù)，三維激光掃描儀與傳統(tǒng)測量儀器相比有很多優(yōu)勢，三維激光掃描技術(shù)又稱“實景復(fù)制”技術(shù)[4]，具有采集速度快、密度大、精度高、非接觸式測量、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測量技術(shù)獲取及計算方面的缺點(diǎn)[5]。根據(jù)激光雷達(dá)承載方式的不同，分為星載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)、車載激光雷達(dá)、地面激光雷達(dá)等類型[6]。地面激光雷達(dá)目前應(yīng)用的主要有設(shè)站式、車載式、推掃式等方式。

對歷史文化遺產(chǎn)的三維重建不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)模型細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的重建，還要能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)對象主要輪廓結(jié)構(gòu)的重建[7]。三維激光掃描的掃描點(diǎn)密度很高，高密度的點(diǎn)云能夠保留目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征，從技術(shù)要求上切實滿足歷史文化遺產(chǎn)項目的三維重建需求。

5.2 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

激光掃描數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)是獲取文化遺產(chǎn)對象幾何模型和紋理數(shù)據(jù)的主要數(shù)據(jù)來源，重點(diǎn)建筑物的測繪主要是采用三維激光掃描的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

單體建筑及室內(nèi)采用智圖云移動推車掃描系統(tǒng)來完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集，室外及較高建筑物采用FARO大空間三維激光掃描儀采集外業(yè)數(shù)據(jù)。

在室內(nèi)的環(huán)境中，采用智圖云推車掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)帶6個 1 600萬像素的相機(jī)，3臺激光掃描儀，相機(jī)采集數(shù)據(jù)還原了室內(nèi)場景，三個激光掃描儀確保了室內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。

在室外的立面掃描中，采用了具有輕便、直觀的FARO-350掃描儀。該設(shè)站式的掃描儀保證了測量速度、測量距離及測距精度，其內(nèi)置的HDR相機(jī)1.65億像素，可以為點(diǎn)云提供豐富的色彩信息，確保了建筑物立面高精度的呈現(xiàn)與輸出，可以擬合出立面中門、窗、柱、枋、檁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。對于復(fù)雜度較高、比較龐大的建筑物，外業(yè)掃描之前可以布設(shè)一定數(shù)量的控制錨點(diǎn)，以提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相對精度。

利用外業(yè)采集的數(shù)據(jù)，內(nèi)業(yè)在Ubuntu(烏班圖)操作系統(tǒng)下通過NAVVIS Sitemaker軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，得到重點(diǎn)建筑物三維實景影像及相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程圖

點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過RCP(ReCaP)格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD，繪制室內(nèi)的平面圖以及長短軸剖面圖。也可以通過Revit軟件對RCP格式的點(diǎn)云文件進(jìn)行建模，也可以導(dǎo)入到Geomagic Studio進(jìn)行建模[8]。

內(nèi)業(yè)工作中，通過智圖云推掃的室內(nèi)全景圖可以清楚直觀地查看室內(nèi)各個角落及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以獲取平立剖面測繪所需要的三維數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)測繪方式相比，獲得的數(shù)據(jù)更加全面、直觀，省去了反復(fù)進(jìn)出項目現(xiàn)場、反復(fù)核實外業(yè)數(shù)據(jù)的麻煩，也為后續(xù)更多的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理生成的正射影像與照片對比如圖2所示，經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理繪制的平立剖圖樣例如圖3所示。

圖2 照片與正射影像圖

圖3 由點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制的建筑物平立剖面示例

在上述的數(shù)據(jù)處理工作中有人工處理和自動處理兩種方式，人工處理和自動處理具有不同的優(yōu)勢：人工處理能夠?qū)崿F(xiàn)有效而準(zhǔn)確的特征識別和主要特征的勾畫，如本項目中建筑物平面、立面及剖面的繪制；自動處理則能夠在很多細(xì)節(jié)處獲得較好的效果，提高工作效率，如本項目中的數(shù)據(jù)自動拼接、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、正射影像的獲取。在本項目中自動處理與人工干預(yù)處理相結(jié)合的方式，最大限度地提高了工作效率和模型重建結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié) 語

通過對歷史文化保護(hù)區(qū)的測繪，為后續(xù)的修繕、重建提供了翔實的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)資料。為歷史文化遺產(chǎn)留下珍貴的數(shù)字化資料，也是聯(lián)合國教科文組織推動的“世界的記憶”項目的具體實踐，在不同的水準(zhǔn)上，用現(xiàn)代測繪及信息技術(shù)使文化遺產(chǎn)數(shù)字化，做到永久的保存。該項目的順利實施也為后續(xù)歷史文化保護(hù)區(qū)的測繪提供了一定的借鑒。