历史建筑测绘建档中的多技术融合——以桂林市历史建筑测绘建档项目为例

刘锟，唐甲录，邓富琨

(桂林市测绘研究院，广西 桂林 541100)

1 引 言

为贯彻落实习近平总书记关于坚定文化自信、加强历史文化保护的重要指示精神，按照党中央国务院决策部署，积极发挥历史文化名城名镇名村街区及历史建筑在传承和弘扬中华传统文化、塑造城乡特色风貌、推动高质量发展中的作用，按照住建部建筑节能与科技司印发的《关于请报送历史建筑测绘建档三年行动计划和规范历史建筑测绘建档成果要求的函》(建科保函〔2019〕202号)和广西壮族自治区住房和城乡建设厅印发的《桂建规园[2019]12号-广西壮族自治区历史建筑测绘建档三年行动计划(2019-2021年)的通知》文件要求，开展广西历史建筑测绘建档三年行动，建立广西历史建筑的数字化档案，并对历史建筑测绘标准及成果归档进行统一和规范。

根据桂林市第一批历史建筑收集资料的分析，以及测绘建档的要求，采用工程测量、倾斜摄影测量、三维激光扫描技术对日月双塔等21处近现代历史建筑及其周边环境，进行详尽、精确、现势性强地全面测绘，获取了数字地形图、实景三维模型、点云数据、正射影像图等，为后期历史建筑的保护修缮与复建提供翔实可靠的精细化数据，更在满足历史建筑保护要求的基础上，实现保护与利用的统一，为切实维护历史建筑的可持续发展提供坚实基础。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 历史建筑建档要求和内容

21处历史建筑分布在桂林市主城区，沿漓江两岸。按照桂林市第一批历史建筑测绘建档要求，需要获取21处历史建筑及其周边环境(如图1所示)的测绘资料，形成“一栋一册”的历史建筑档案表。历史建筑测绘建档有四个基本原则，即坚持应保尽保，坚持精细规范，坚持保护理念和技术创新，坚持公众参与。

2.1 历史建筑测绘的总体要求

遵循“从整体到局部，先控制后细部”的测量原则；宜通过目测步量，把握测量对象的整体比例和各部分、构件的相互比例和对位关系；对建筑方正、对称、平整情况进行测量并验证；确保测绘数据的真实性、准确表达建筑的比例、结构和做法；可用间接方法推算部分数据；由于居民尚未完全搬迁等特殊情况而暂时无法测绘的历史建筑，应先完成建筑立面、周边环境等公共部分测绘，并于房屋完全腾空后进行补测。

2.2 历史建筑测绘的测绘内容

历史建筑测绘内容以建筑物为主，全面准确地反映历史建筑的现状情况。测绘内容主要包括总平面、平面、立面、剖面、典型构件等。根据测绘成果的应用需要不同，绘制总平面现状测绘图、平面现状测绘图、立面现状测绘图、剖面现状测绘图，对历史建筑所有构件及其空间位置关系进行全面详细的勘察和测量，能反映历史建筑特定的形式、构造、工艺特征及风格的典型构件。测绘成果可应用于历史建筑数字档案建立和管理，历史建筑迁移与复建、核心价值要素复原修缮等工程。测绘范围以反映建筑轮廓、周边建筑或构筑物、道路、广场、水域、山体、绿化等环境信息，且完整覆盖历史环境要素。

图1

2.3 历史建筑测绘的步骤

根据成果应用需求确定测绘类型，明确测绘范围、测绘目标、测绘步骤，提供测稿成果；总平面测绘包含布设控制点、勾绘草图、控制测量、碎步测量、无人机倾斜摄影测量、三维激光扫描、整理测稿、校核等步骤；平面、立面、剖面、典型构件测绘宜包含勾画草图、测量、整理测稿、校核等步骤。

3 现有资料分析

根据《2017年桂林市中心城区历史建筑名录》，我们收集了21处历史建筑及其周边环境的已有照片、文字、区位和部分建设施工图纸资料。照片、文字资料齐全，纸质和电子文件都有；由于年代久远，管理部门不断更迭，历史建筑建设施工图纸残缺不全，且都是纸质蓝图，可以部分参考。从历史建筑位置分布看，不少建筑依山、水而建，植被茂密，遮挡严重，且大部分在使用中，施测的难度很大。21处历史建筑隶属桂林市所辖象山、叠彩、秀峰、七星四个城区，在该区域内已有桂林市C级平高控制点分布合理，保存良好；且已建成的连续运行参考站(GLCORS)网络系统已覆盖测区，精度优于图根点。因此，控制资料满足历史建筑测绘要求。

4 控制测量和历史建筑总平面图测绘

4.1 控制测量

平面坐标采用2000国家大地坐标系，高程采用1985国家高程基准和珠江高程。首级控制测量直接利用该区域内桂林市C级控制点，以桂林市现代测绘基准体系成果和桂林CORS替代传统的导线测量，精度满足图根点要求；高程控制测量利用桂林似大地水准面精化成果，达到四等水准精度。

4.2 历史建筑总平面图测绘

为了详细地反映出历史建筑周边的地形、地貌，采用大比例尺(1∶500或 1∶200)地形图测量作为总平图，技术要求按《城市测量规范》CJJ/T 8-2011和《1/500、1/1000、1/2000地形图图式》GB/T20257.1-2017，并参考《古建筑测绘规范》CH/T6005-2018。

全野外数字化地形数据采集采用免棱镜全站仪和RTK相结合的方式进行。免棱镜全站仪采集在历史建筑测绘中尤其适用，建筑周围植被茂密，卫星信号较弱，全站仪配合电子平板进行图根点施测以及碎部点的数据采集，不受天空卫星状况、外界强辐射等因素影响；采用现场标注地理属性和线化连接，在现场完成数据采集的同时，数据处理及图形编辑也基本完成。

野外数据采集包括：图根点信息、碎部点信息等。碎部点坐标测量主要采用全站仪极坐标法、量距法与交会法等，碎部点高程采用三角高程测量。碎部测量具体实施均按《城市测量规范》及技术设计书方案。考虑到历史建筑测绘建档的特点，应绘制建筑轮廓、周边建筑或构筑物、道路、广场、水域、山体、绿化等环境信息，且应完整覆盖历史环境要素；应标注建筑总尺寸，建筑与相邻建筑物、构筑物的距离；场地标高与建筑、构筑物的标高，平屋面建筑应标注天面、女儿墙的标高，坡屋面建筑宜标注屋脊、檐口下沿的标高；应标注建筑名称、出入口位置、层数、建筑高度、周边建筑的层高、周边道路、广场名称等，着重显示历史建筑有关的各项要素。所采集的数据经处理后，用EPS2008编辑、数据监理、质检，然后生成数字化地形图，如图2所示。

图2

5 建筑物测绘

5.1 内容及要求

建筑物测绘的内容是通过多种技术手段采集点云数据、实景模型、影像，绘制建筑物的平面、立面和剖面图，全面准确地反映历史建筑的外部和内部情况。为此，要求遵循“从整体到局部，先控制后细部”的测量原则，通过精确的测量方法，准确测量建筑的整体和各部分、构件，并检核，确保测绘数据的真实性、准确表达建筑的比例和结构。由于历史建筑数量众多，时间跨度大，形态各异，地域分布广，有些依山而建，有的滨水而居，测绘的难度可想而知。这部分工作是项目的重点和难点。只有综合采用免棱镜全站仪、倾斜摄影测量、三维激光扫描等测绘新技术、新方法，才能高效、保质保量地完成。

5.2 技术流程(图3)

图3

5.3 控制测量

利用桂林CORS系统，采用GNSS RTK进行控制点测量，设备为中海达RTK-V90，坐标为CGCS2000，高程基准采用1985高程和珠江高程，控制点平面和高程精度达到图根点以上等级。

5.4 三维激光扫描采集与数据处理

三维激光扫描技术又称“实景复制”技术，三维激光扫描仪与传统测量仪器相比有很多优势[2]，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[3]。三维激光扫描的高密度点云能够保留历史建筑的细节特征，从技术要求上切实满足历史建筑测绘项目的应用需求。

历史建筑室内外三维激光扫描中，采用FARO350扫描仪，测量的步骤主要包括：控制测量、扫描站布设、标靶布设、三维点云数据采集、照片采集、三维点云数据处理、各类剖面图制作等步骤。

扫描被测建筑时，设置点间距或采集分辨率，合理设站，保证站与站之间的通视，扫描站间有效点云的重叠率不低于30%；相机参数设置为自动调节曝光量，大小为 1 920×1 920像素；扫描参数设置为高分辨率，扫描方式为“扫+照”；为了保证拼接精度，采用公共标靶扫描。每一扫描站的标靶个数不少于4个，相邻两扫描站的公共标靶个数不少于3个；扫描作业结束后，检查点云数据覆盖范围完整性、标靶数据完整性和可用性；对所获得的点云数据进行分站拼接，检查是否有错误、标靶拟合不上、拼接不全等问题。

三维点云数据处理包含拟合标靶、各测站数据的拼接、点云配准、降噪除杂、建立模型、纹理映射等工作，拼接配准后，相邻站点云配准中误差小于 10 mm。

在Cyclone软件中，自动拟合坐标，形成球形标志，利用Registration模块对分站数据进行拼接，形成一套完整点云数据(图4)；利用已布设的GNSS控制点成果对其进行坐标系统一归化。

图4 叠彩琼楼点云数据拼接报告

在Cyclone软件中，三维点云数据中存在异常点、孤立点时，可采用自动滤波方式或手工方式进行数据降噪处理。采用人工方式，隐藏包括游客、全景数据、树木折射点在内的噪点数据。在Geomagic Studio和Cyclone软件中，进行数据建模处理，如图5所示。

图5

5.5 无人机倾斜摄影测量

通过倾斜摄影测量技术可快速实现实景三维场景的重建，可直观反映建筑物的外观、位置、高度等属性，倾斜摄影数据是带有空间位置信息的可量测影像数据，同时可输出三维点云、三维模型、数字表面模型、正射影像图、数字线划图等多种成果，可补充三维激光扫描的不足，为其提供历史建筑屋顶及各立面的纹理贴图，根据此次历史建筑低高度大跨度单体分布的特点，选择多旋翼无人机低速、高重叠度(80%～90%)进行航摄，空中三角测量选择Smart3D软件，采用光束法区域网整体平差。

5.6 历史建筑测绘图制作

历史建筑的平面图、立面图和剖面图由三维激光点云建立的三维模型，经各面投影生成，同一处历史建筑的所有数字剖面，主要立面和价值要素的数字剖面包含色彩信息。

数字断面图建立空间尺寸与像素的对应关系。平、立、剖面的数字断面分辨率不应低于 2 mm×2 mm单个像素，详图的数字断面分辨率不低于 0.5 mm×0.5 mm单个像素。单体平、立、剖图，输出格式为：DXF，DWG，如图6所示。

图6

6 结 语

根据桂林市历史建筑的分布和特点，综合运用了多种新技术和方法，为建立桂林市历史建筑数字化档案提供了翔实、精确的基础数据，并对历史建筑测绘标准及成果归档的统一和规范，进行了有益的尝试。该项目的顺利实施可为后续的第二、三批历史建筑测绘，以及类似的历史文化街区规划、保护的测绘，提供有益借鉴。