歷史文化保護區(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.北京市測繪設計研究院，北京 100038； 2.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038)

1 引 言

為了給什剎海歷史文化保護區(qū)的修繕和重建提供基礎資料，利用工程測量及三維激光掃描技術，為什剎海歷史文化保護區(qū)提供了翔實的測繪數(shù)據(jù)；對保護區(qū)內(nèi)的重點建筑物進行了三維激光掃描，獲取了三維立體影像、點云數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像等基礎數(shù)據(jù)，是后期修繕及重建的重要數(shù)據(jù)支撐。為歷史文化保護區(qū)的測繪提供了一定的借鑒。用現(xiàn)代信息技術使文化遺產(chǎn)數(shù)字化，具有重要的社會意義和經(jīng)濟意義。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設施的重要標志之一[1]。

2 測繪的要求及內(nèi)容

為了獲取什剎海歷史文化保護區(qū)的基礎資料，對擬規(guī)劃修繕區(qū)域進行了全面測繪。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)，重點建筑物平面、立面、剖面圖測繪、重點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

平面坐標采用北京地方坐標系；高程采用北京地方高程系。

平面控制測量方法可采用導線測量、GPS測量、GNSS網(wǎng)絡RTK測量等方法，測區(qū)內(nèi)現(xiàn)有城市一、二級導線點及城市中心區(qū)一級加密控制點作為首級控制。結合項目現(xiàn)場情況，本次平面控制測量采用GNSS網(wǎng)絡RTK(北京市CORS網(wǎng))的方式布設。VRS技術可以替代傳統(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測量的方法，利用北京市等級水準點、城市中心區(qū)一級加密控制點作為首級控制點。

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，相關技術要求參照《基礎測繪技術規(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、從左至右方向進行自由分幅，圖號順序編號。

特殊要求：永久建筑物應標注層數(shù)，若有地下部分應測繪出入口位置，繪制相應符號；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；雨水口應準確測繪其位置及規(guī)格；測區(qū)內(nèi)固定的垃圾桶需要實測；詳細標注單位名、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確表述的還應加上文字注記進行描述。

地形圖測繪采用數(shù)字測圖的方式進行，地形圖完成后，要進行平面坐標精度統(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上對圖上顯示的各種地下管線進行測繪，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、燃氣、雨水、污水、工業(yè)、人防共10大類進行分類調(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。

管線點的測量精度：相對于鄰近控制點的平面位置中誤差絕對值不大于 50 mm，相對于鄰近控制點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

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

發(fā)射機的連接方法以有源方式為主，多采用直連法、夾鉗法、感應法3種方式進行發(fā)射。接收機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h小于 1 000 mm時，按照h=1 000 mm計算)。

5 重點建筑物的測繪

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、荷花市場三處重點區(qū)域的建筑物測繪平面、立面、剖面圖，采集點云數(shù)據(jù)、實景影像，制作正射影像數(shù)據(jù)等。重點建筑物數(shù)量多，結構復雜，受外部環(huán)境影響大，該項任務是本次測繪中的難點，也是該項目的點睛之筆，須結合新技術新方法才能高效完成該項工作。

5.1 三維激光掃描技術概述

激光雷達(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，可全天候、快速、主動、高精度地采集大范圍區(qū)域的精細三維空間信息，部分設備還能獲取到目標的反射強度信息。從1988年德國斯圖加特大學的研究人員將激光技術應用到航空測量領域以后，激光雷達在精度、速度、便捷性等方面均表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。激光雷達具有速度快、實時性強、精度高、主動性強、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)多站點云數(shù)據(jù)的自動配準，形成彩色點云模型，為進一步的工作提供了重要的數(shù)據(jù)。

作為新興技術，三維激光掃描儀與傳統(tǒng)測量儀器相比有很多優(yōu)勢，三維激光掃描技術又稱“實景復制”技術[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，彌補了傳統(tǒng)測量技術獲取及計算方面的缺點[5]。根據(jù)激光雷達承載方式的不同，分為星載激光雷達、機載激光雷達、車載激光雷達、地面激光雷達等類型[6]。地面激光雷達目前應用的主要有設站式、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實現(xiàn)模型細節(jié)結構的重建，還要能夠實現(xiàn)對目標對象主要輪廓結構的重建[7]。三維激光掃描的掃描點密度很高，高密度的點云能夠保留目標的細節(jié)特征，從技術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，重點建筑物的測繪主要是采用三維激光掃描的方式進行數(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，3臺激光掃描儀，相機采集數(shù)據(jù)還原了室內(nèi)場景，三個激光掃描儀確保了室內(nèi)點云數(shù)據(jù)精準。

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1.65億像素，可以為點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、檁等復雜結構。對于復雜度較高、比較龐大的建筑物，外業(yè)掃描之前可以布設一定數(shù)量的控制錨點，以提高點云數(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軟件進行相應的數(shù)據(jù)處理，得到重點建筑物三維實景影像及相應的點云數(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

點云數(shù)據(jù)通過RCP(ReCaP)格式的數(shù)據(jù)導入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格式的點云文件進行建模，也可以導入到Geomagic Studio進行建模[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)部結構，通過點云數(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，省去了反復進出項目現(xiàn)場、反復核實外業(yè)數(shù)據(jù)的麻煩，也為后續(xù)更多的應用創(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：人工處理能夠實現(xiàn)有效而準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處理相結合的方式，最大限度地提高了工作效率和模型重建結果的準確性。

6 結 語

通過對歷史文化保護區(qū)的測繪，為后續(xù)的修繕、重建提供了翔實的基礎性數(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，在不同的水準上，用現(xiàn)代測繪及信息技術使文化遺產(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)歷史文化保護區(qū)的測繪提供了一定的借鑒。