历史文化保护区规划修缮测绘方法实践——以什刹海环湖测绘项目为例

高孝广，唐顺均，李穆

(1.北京市测绘设计研究院，北京 100038； 2.城市空间信息工程北京市重点实验室，北京 100038)

1 引 言

为了给什刹海历史文化保护区的修缮和重建提供基础资料，利用工程测量及三维激光扫描技术，为什刹海历史文化保护区提供了翔实的测绘数据；对保护区内的重点建筑物进行了三维激光扫描，获取了三维立体影像、点云数据、数字正射影像等基础数据，是后期修缮及重建的重要数据支撑。为历史文化保护区的测绘提供了一定的借鉴。用现代信息技术使文化遗产数字化，具有重要的社会意义和经济意义。文化遗产数字化的发展程度已经成为评价一个国家信息基础设施的重要标志之一[1]。

2 测绘的要求及内容

为了获取什刹海历史文化保护区的基础资料，对拟规划修缮区域进行了全面测绘。本次是对前海及其周边历史文化古迹区域测绘，重要建筑物测绘主要有：小王府(潭苑)、什刹海会馆、荷花市场等历史文化古迹。测绘范围南北最长处约 650 m，东西最宽处约 500 m，测绘面积约 0.2 km2。

历史文化遗产保护有四原则：原真性、整体性、可读性、可持续性。按照该原则要求，需要保留文物所遗存的全部历史信息和面貌，以便在后期的修缮中做到“修旧如旧”，保护的不仅仅是文物本身，也包括其周围的环境、格局特征、文化内涵等。为了达到以上要求，本次测绘的具体内容包括：什刹海(前海范围)地形图测绘，地下管线测绘(不包括水面区域)，重点建筑物平面、立面、剖面图测绘、重点建筑物实景影像测绘、三维模型的建立等。

测绘的主要流程依次为：控制测量，地形图测绘，地下管线测绘，重点建筑物的测绘，三维激光扫描数据的处理，平立剖面图的绘制，质量检查等。

3 控制及地形图测绘

3.1 控制测量

平面坐标采用北京地方坐标系；高程采用北京地方高程系。

平面控制测量方法可采用导线测量、GPS测量、GNSS网络RTK测量等方法，测区内现有城市一、二级导线点及城市中心区一级加密控制点作为首级控制。结合项目现场情况，本次平面控制测量采用GNSS网络RTK(北京市CORS网)的方式布设。VRS技术可以替代传统的一级GPS测量和图根控制测量[2]。

高程控制测量采用水准测量的方法，利用北京市等级水准点、城市中心区一级加密控制点作为首级控制点。

3.2 地形图测绘的常规及特殊要求

为了详尽地反映出现状的地形、地貌、地物，本次地形图测绘采用 1∶200比例尺，相关技术要求参照《基础测绘技术规程》DB11/T 407-2017执行。图式参考《1∶5百、1∶1千、1∶2千、1∶5千、1∶1万地形图图式》(北京市测绘院1988年4月)、《1∶500、1∶1 000、1∶2 000新增地形图图式》(北京市测绘设计研究院1992年3月)工程图式。

数字化地形图分层要求按北京市基本比例尺地形图分层要求。分幅按从上至下、从左至右方向进行自由分幅，图号顺序编号。

特殊要求：永久建筑物应标注层数，若有地下部分应测绘出入口位置，绘制相应符号；测区内的文物古迹要详测注记；测区内供游人休息使用的石凳、条凳座椅需实测位置及大小，调查注记随层；重点测绘区域内，沿街房屋台阶外轮廓尺寸、台阶级数及高差、台明或阶条石尺寸、地表及台明高程均需实测；测区内的金锭桥要实测其内顶高程；测绘的水面高程按照图式要求注记测绘日期，本次测绘无水底高程测量要求；地下管线检修井、管线指示桩、变电箱(室)、化粪池、灯杆等均需实测，调查成果放在数字化地形图中“市政调查”层，颜色7；雨水口应准确测绘其位置及规格；测区内固定的垃圾桶需要实测；详细标注单位名、商铺名称、路名、街道名、厂名、河名等；测区内胸径大于 5 cm的所有树木均需实测树木位置，调查树木胸径、种类，实测树坑位置、大小；绿地内含灌木及花卉景观的，应区分景观边界线并调查种类，调查成果放在数字化地形图中“树木调查”层，颜色220；古树需注明编号；对于图式符号无法准确表述的还应加上文字注记进行描述。

地形图测绘采用数字测图的方式进行，地形图完成后，要进行平面坐标精度统计、高程精度统计、距离精度统计。

4 地下管线测绘

4.1 常规管线调查

在已完成地形图的基础上对图上显示的各种地下管线进行测绘，同时也是对地形图成果的一次外业检查。

地下管线按照电力、通讯、上水、中水、热力、燃气、雨水、污水、工业、人防共10大类进行分类调查。因为压盖、锁、淤、埋等原因有检查井法测量现状管线数据的归入“不明管线”层，本次管线调查不包括水域范围内的水下管线。

井位平面坐标来自全站仪数据采集；井面高程可以来自全站仪采集数据，也可以施测图根水准串测井面高程；管线尺寸及量深可以采用钢尺量距、激光测距仪量距等方式。

管线点的测量精度：相对于邻近控制点的平面位置中误差绝对值不大于 50 mm，相对于邻近控制点的高程测量中误差不大于 30 mm。

根据外业获取的数据，内业形成管线图形、管线高程表等成果资料。

4.2 隐蔽管线调查

对于仅有零星标识的燃气、直埋电力等管线采用雷迪8000管线探测仪进行探测。对于探测点位坐标、高程使用全站仪进行采集，探测点埋深使用管线调查软件记录。

发射机的连接方法以有源方式为主，多采用直连法、夹钳法、感应法3种方式进行发射。接收机端采用的探测方法有：极大值法、极小值法、单线圈极大值法。

隐蔽管线点的探查精度：平面位置限差为 0.1 h，埋深限差为 0.15 h(h为地下管线的中心埋深，单位mm，当h小于 1 000 mm时，按照h=1 000 mm计算)。

5 重点建筑物的测绘

完成了地形图及管线测绘，本次测绘的另一个重点就是重要建筑物的测绘，对测区内的小王府(潭苑)、什刹海会馆、荷花市场三处重点区域的建筑物测绘平面、立面、剖面图，采集点云数据、实景影像，制作正射影像数据等。重点建筑物数量多，结构复杂，受外部环境影响大，该项任务是本次测绘中的难点，也是该项目的点睛之笔，须结合新技术新方法才能高效完成该项工作。

5.1 三维激光扫描技术概述

激光雷达(Light Detection and Ranging，LiDAR)俗称三维激光扫描，是近年来发展起来的一项高新技术，可全天候、快速、主动、高精度地采集大范围区域的精细三维空间信息，部分设备还能获取到目标的反射强度信息。从1988年德国斯图加特大学的研究人员将激光技术应用到航空测量领域以后，激光雷达在精度、速度、便捷性等方面均表现出巨大的优势。激光雷达具有速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等优势，能极大地减少外业、节约时间[3]，能实现彩色纹理的高精度自动匹配，通过位置与姿态装置，实现多站点云数据的自动配准，形成彩色点云模型，为进一步的工作提供了重要的数据。

作为新兴技术，三维激光扫描仪与传统测量仪器相比有很多优势，三维激光扫描技术又称“实景复制”技术[4]，具有采集速度快、密度大、精度高、非接触式测量、测量范围广等优点，弥补了传统测量技术获取及计算方面的缺点[5]。根据激光雷达承载方式的不同，分为星载激光雷达、机载激光雷达、车载激光雷达、地面激光雷达等类型[6]。地面激光雷达目前应用的主要有设站式、车载式、推扫式等方式。

对历史文化遗产的三维重建不仅要能够实现模型细节结构的重建，还要能够实现对目标对象主要轮廓结构的重建[7]。三维激光扫描的扫描点密度很高，高密度的点云能够保留目标的细节特征，从技术要求上切实满足历史文化遗产项目的三维重建需求。

5.2 数据采集与数据处理

激光扫描数据和影像数据是获取文化遗产对象几何模型和纹理数据的主要数据来源，重点建筑物的测绘主要是采用三维激光扫描的方式进行数据采集。

单体建筑及室内采用智图云移动推车扫描系统来完成外业数据采集，室外及较高建筑物采用FARO大空间三维激光扫描仪采集外业数据。

在室内的环境中，采用智图云推车扫描系统，该系统带6个 1 600万像素的相机，3台激光扫描仪，相机采集数据还原了室内场景，三个激光扫描仪确保了室内点云数据精准。

在室外的立面扫描中，采用了具有轻便、直观的FARO-350扫描仪。该设站式的扫描仪保证了测量速度、测量距离及测距精度，其内置的HDR相机1.65亿像素，可以为点云提供丰富的色彩信息，确保了建筑物立面高精度的呈现与输出，可以拟合出立面中门、窗、柱、枋、檩等复杂结构。对于复杂度较高、比较庞大的建筑物，外业扫描之前可以布设一定数量的控制锚点，以提高点云数据的相对精度。

利用外业采集的数据，内业在Ubuntu(乌班图)操作系统下通过NAVVIS Sitemaker软件进行相应的数据处理，得到重点建筑物三维实景影像及相应的点云数据。三维激光扫描数据处理流程如图1所示。

图1 三维激光扫描数据处理流程图

点云数据通过RCP(ReCaP)格式的数据导入AutoCAD，绘制室内的平面图以及长短轴剖面图。也可以通过Revit软件对RCP格式的点云文件进行建模，也可以导入到Geomagic Studio进行建模[8]。

内业工作中，通过智图云推扫的室内全景图可以清楚直观地查看室内各个角落及内部结构，通过点云数据可以获取平立剖面测绘所需要的三维数据。与传统测绘方式相比，获得的数据更加全面、直观，省去了反复进出项目现场、反复核实外业数据的麻烦，也为后续更多的应用创造了条件。

经过数据处理生成的正射影像与照片对比如图2所示，经过内业处理绘制的平立剖图样例如图3所示。

图2 照片与正射影像图

图3 由点云数据绘制的建筑物平立剖面示例

在上述的数据处理工作中有人工处理和自动处理两种方式，人工处理和自动处理具有不同的优势：人工处理能够实现有效而准确的特征识别和主要特征的勾画，如本项目中建筑物平面、立面及剖面的绘制；自动处理则能够在很多细节处获得较好的效果，提高工作效率，如本项目中的数据自动拼接、点云数据的获取、正射影像的获取。在本项目中自动处理与人工干预处理相结合的方式，最大限度地提高了工作效率和模型重建结果的准确性。

6 结 语

通过对历史文化保护区的测绘，为后续的修缮、重建提供了翔实的基础性数据资料。为历史文化遗产留下珍贵的数字化资料，也是联合国教科文组织推动的“世界的记忆”项目的具体实践，在不同的水准上，用现代测绘及信息技术使文化遗产数字化，做到永久的保存。该项目的顺利实施也为后续历史文化保护区的测绘提供了一定的借鉴。