历史建筑测绘在北京古建筑保护中的应用

乔琳茹

(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)

0 引言

历史建筑(含历史建筑群)是指具有一定保护价值,能够反映历史风貌和地方特色,未公布为文物保护单位,也未登记为不可移动文物的建筑物、构筑物。北京是五朝古都,具有三千多年的建城史和八百多年的建都史,其历史文化特色鲜明,是世界闻名的历史文化名城。皇宫建筑、王府衙署、胡同宅院、寺庙祠观、会馆书院、近代史迹等一应俱全,不可移动文物数量多、品级高、密度大、种类全,具有东西方文化交汇融合的特点。[1-3]本文研究区域覆盖北京市全市域,历史建筑分布涉及北京市16个区和亦庄经济技术开发区,其中以东西城核心区较为集中。对已明确要公布的前三批(约3 000栋)历史建筑进行平面图绘制,包含总平面图、平面图。对已明确要公布的前三批(约3 000栋)历史建筑量取特征点高程,绘制历史建筑各侧面的简易立面图。外业测绘数据内业格式转换、构面、编码、拓扑检查、接边、属性录入、和立面图JPG属性挂接等工作整理入库。对已明确要公布的约3 000栋历史建筑进行平面图、立面图的配图、图面整饬、按建设部要求编号、出图,实现了北京市历史建筑的规范管理。

1 数据源

本项目平面图、简易立面图、重点历史建筑三维建模等工作,需充分利用已有数据作为工作底图和参考数据。需收集数据的类型、格式如下：

(1)影像图数据。全市0.5 m精度的正射影像数据,该数据作为工作底图,作为参考数据。为.img或.tif(.tiff)格式。

(2)地形图数据。全市范围最新年份地形图数据,优先调取大比例尺。该数据作为本项目中绘制平面图的参考数据为.dwg格式。

(3)地理国情监测单体建筑数据。最新地理国情监测单体建筑数据作为本项目中绘制图斑四至的本底参考数据。该数据作为本项目中绘制平面图的参考数据,为.shp格式。

(4)倾斜摄影测量三维模型数据。作业范围内三维实景Mesh模型数据,该数据作为简易立面图高度数据采集、重点历史建筑物三维建模的顶部纹理建模的基础数据,为.osgb格式。

(5)边界数据。全市共设有16个区县,下辖130个街道、36个地区、136个镇、18个乡(其中5个民族乡)。该数据格式为.shp格式。

2 研究方法

工作主要采用“内-外-内”的作业方式,前期收集标准文件、历史建筑清单、基础数据及影像数据等资料,为外业测绘工作做准备。涉及本项目的数据入库及图件编制工作在外业调查完成后开展。数据建库部分主要工作内容涉及外业二维数据格式转换、构面、接边、拓扑、检查、矢量数据入库、栅格数据入库及图件编制。根据建设顺序,首先完成外业数据采集工作,然后分别完成二维测绘数据入库、基础数据入库,最后再开展数据汇总及图件编制工作。保证每个环节有数据质量检查,最终将合格的数据库成果转换为国家2000坐标系[4],满足住建部管理的不同需求。

2.1 总体技术路线

总体技术路线如图 1 所示,包括历史建筑平面测绘、历史建筑立面测绘、数据成果入库、图件制作与出图、重点建筑倾斜摄影测绘等。

图1 总体技术路线

依据历史建筑清单和历史建筑二维测绘方案,采集历史建筑平、立面信息,确定历史建筑本体范围,依据本体范围划定建筑保护范围,采集历史建筑立面信息,并挂接到空间图形上。有针对性地选取重点历史建筑,进行倾斜摄影测绘,采集建筑顶部与细部纹理,完成融合空三运算,按照控制测量成果,完成绝对空三定向,进行三维精细模型输出、整饰,完成其三维模型制作。设计数据库结构,将二维测绘成果、三维测绘成果、基础底图与影像图进行入库。并对入库成果进行图件制作,生成电子版历史建筑总平面测绘图、平面测绘图、立面测绘图件,并将合格的图件成果入库。最终形成历史建筑平面、立面测绘成果、历史建筑测绘成果数据库、成果图件及三维测绘成果。针对数据库成果进行格式转换,由北京市地方坐标系转换为国家2000大地坐标系,最终与住建部系统实现联网[5-7]。

2.2 历史建筑平面图测绘

历史建筑平面图测绘包含资料收集整理、踏勘、控制测量、碎步测量、编辑成图、质量检验等步骤,作业流程如图2所示。

图2 平面外业测绘技术流程

2.2.1控制测量

控制点的布设,遵循从整体到局部,从高级到低级,分级布网的原则。平面控制网采用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)控制网及三级导线网实行一次全面布设。覆盖全市的一、二级导线网及C级GNSS控制网,作为本项目的平面控制测量起算点[8-9]。覆盖全市的二、三、四等水准高程点,作为本项目的高程控制测量的起算点。平面控制测量采用全站仪布设导线测量和利用GNSS方法测量。使用全站仪布设导线时,导线等级为三级或图根导线;利用GNSS-RTK布设控制点,控制点边长宜大于100 m。项目高程控制测量灵活采用水准测量方法、电磁波测距三角高程测量方法、北京GNSS网络实时动态载波相位差分技术(real-time kinema-tic,RTK)高程测量方法,与前期本工程的平面控制点联测。

2.2.2碎部测量

碎部测量根据测区条件灵活采用GNSS-RTK方法和全站仪极坐标方法[10]。

对于卫星信号良好,无遮挡的区域,则优先使用GNSS-RTK技术,使用此方法无须先进行控制测量,可借助北京市GNSS连续运行参考站或自架基准站,使用流动站直接测量碎部点坐标。

对于高层建筑物或附近卫星信号遮挡的,遵循“先控制、后碎部”的原则,利用GNSS测量或导线测量方式获得附近图根点,然后使用全站仪极坐标法测量碎部点坐标。本项目平面图测绘包含总平面图和平面图,其中平面图又包含首层平面或标准层平面,采集要素重点反映建筑平面的基本状况：周边环境、主要出入口、院落、天井、外墙及外墙上的门窗、洞口。同时参考北京市基础测绘技术规程[11]中对于地形图要素采集要求,适当表示历史建筑周边的其他要素：包括测量控制点、居民地和垣栅、工矿建(构)筑物及其他设施、交通及附属设施、管线及附属设施、水系及附属设施、地貌和土质、植被以及相关名称与注记。测绘的每一处历史建筑院落拍摄特征像片。在平面图上标注拍摄点,拍摄方向、像片编号。放在像片层中,如图3所示。

图3 历史建筑像片拍摄示意图

2.3 历史建筑简易立面图测绘

对明确要公布的约3 000栋历史建筑,通过内外业手段量取历史建筑特征点高程,绘制历史建筑各立面的简易立面图。成果包含主要立面、沿街立面;表达立面整体轮廓。立面测绘采用已有网格模型(Mesh模型)进行内业量取,根据测区情况灵活采用全站仪悬高测量、手持激光测距仪测量、钢尺测量等多种方式进行测量[12]。

2.3.1楼高测量

楼高指建(构)筑物檐口或女儿墙顶到室外地坪的相对高度。对于平面屋顶的建(构)筑物,实测楼高时,测量女儿墙顶到室外地坪的相对高度,实量女儿墙高度;测出室外地坪的绝对高程,在立面图上分段标出女儿墙顶——楼顶、楼顶——室外地坪的高差。室外地坪没有成形,算出房顶至散水的高差,散水也没完工,测出建(构)筑物首层室内地坪的绝对高度,立面图上分段标注为：女儿墙顶——楼顶、楼顶——散水(首层室内地坪),并在“说明”栏中注明：现场室外地坪(散水)未成形,简易立面图成果格式为计算机辅助设计(computer aided design,CAD)格式。

2.3.2测量方法

立面测绘采用已有的三维Mesh模型数据进行内业量取,根据测区情况灵活采用全站仪悬高测量、手持激光测距仪测量、钢尺测量等多种方式进行测量。采用钢尺量距或手持激光测距仪测距时,采用单程双次丈量方法,两次量距较差应在±20 mm之内,成果取用平均值。采用三角高程法实测楼高时,变换仪器高,分两次实测高差,两次测量值的较差不大于±10 cm时,取平均值作为最终值。用三角高程法实测时应注意：测水平距离时,测距的垂足点处的棱镜与测垂直角的前视点应在同一垂直面内,采取测垂直角和测斜距用同一测点的方法。量测棱镜高、楼高精确至毫米级。

2.4 数据加工入库

2.4.1数据库建设一般要求

(1)历史建筑数字化工作采用北京市地方坐标系。

(2)历史建筑数字化工作采用北京市地方高程基准。

(3)历史建筑数字化工作应采用公元纪年和北京时间。

(4)历史建筑数据库的数据应包含基础信息和测绘信息,可包含其他相关数据。

2.4.2数据库设计

2.4.2.1数据库逻辑设计

空间数据库分为历史建筑二维测绘数据库、历史建筑三维数据库两部分,根据数据类型建立相应的子库,并且建立一个对应的目录与元数据库,为数据的高效检索提供保障。空间数据库总体设计如图5所示。

图5 数据库逻辑设计

2.4.2.2历史建筑数据库要素

依据《历史建筑数字化技术标准(征求意见稿)》[13],结合北京市历史建筑测绘建档实际需要,历史建筑数据库要素代码与名称应符合的规定如表1所示。

表1 要素代码与名称描述表

2.4.3入库流程

数据库建设主要技术流程包括数据库建设方案设计、图形和属性数据采集、内业格式转换、构面、编码、数据接边、拓扑关系构建、数据挂接、检查与入库等。其主要技术流程如图6所示。

图6 数据入库流程

(1)基础数据收集准备。北京市历史建筑清单(第1、2、3批);行政区划数据;北京市最新卫星影像数据(分辨率0.2/0.5 m)。

(2)测绘成果内业格式转换。收集汇总历史建筑外业测绘成果,将外业采集数据空间图形的数据(dwg格式)转换为shp格式[14]。格式转换过程中,对于电子化外业数据,外业采集要素在调入数据库的过程中不得有要素丢漏和位置偏移的情况。最终形成全区域所有测绘要素的数字化成果。

(3)构面。构面前保证数据中摇摆点、假结点的错误已经去除。利用ArcGIS拓扑进行要素构面。首先建立新的数据集,拷贝已经完成内业格式转换的空间图形数据到新建构面层,使用拓扑对数据进行合法化检查,利用error inspector检查不合格拓扑记录,对显示异常的未及线、过头线、假结点进行处理,错误消除后,进行拓扑构面,导出面要素数据。

(4)数据接边。依据影像配合实地测绘,对历史建筑进行接边,确保建筑的完整性;对影像反应明显的地物界线进行接边,保证建筑与行政边界一致性;对建筑属性信息进行接边,保证建筑调查信息的一致性。

主要内容包括：①历史建筑图形范围及属性修改完善;②协调行政区界和历史建筑图斑接边关系;③检查要素在图层内、图层间的相互关系,并进行拓扑处理,建立拓扑结构；④检查图斑之间的拓扑关系,补充完善图斑属性内容等。

(5)拓扑关系构建。拓扑关系构建是指检查要素在图层内、图层间的相互关系,并进行拓扑处理,建立拓扑结构。拓扑关系检查主要分为各数据层内拓扑检查及不同数据层间拓扑检查。层内拓扑检查：层内拓扑包括面状要素拓扑检查,检查包括相邻要素间的重叠、缝隙以及交叉多边形、微小多边形等拓扑错误的检查。层间拓扑检查：层间拓扑包括面面拓扑检查[15]。

(6)立面图JPG属性挂接。外业空间处理完成,开展属性信息挂接工作。挂接过程中各属性项填写方法、填写格式、代码对照情况应符合国家相关规定。立面图图按照存储路径挂接到建筑物空间数据上。

(7)数据入库。分层将矢量数据、影像数据、图片等附件导入数据库中。

根据前期采集的矢量数据,将矢量数据分层导入数据库中,主要包括：行政区、行政区界线、历史建筑平面本体范围、保护范围等数据。

将收集到的卫星影像图栅格数据进行入库。

附件主要为历史建筑总平面测绘图、平面测绘图、立面测绘图、立面照片等,按照附件组织形式将照片文件存放在统一文件夹中,以 “建筑名称_附件名称_拍摄时间”命名,利用存储路径与空间数据挂接。

将重点历史建筑物纹理影像数据,重点历史建筑物空三成果数据,重点历史建筑物精细三维模型成果数据入库,贴图与模型文件放在同一目录中,以 “建筑名称_测量时间”命名,以OSGB格式存储。

2.4.4与住建部联网

(1)格式转换。采用北京市地方平面坐标系和高程系测绘成果,与2000国家大地坐标系、1985国家高程基准建立联系。通过坐标转换,生成2000国家大地坐标系、1985国家高程基准的历史建筑测绘成果。坐标转换精度：重合点坐标转换残差绝对值不应超过2 cm。

(2)与住建部联网。通过中华人民共和国住房和城乡建设部历史文化街区和历史建筑数据信息平台,上传历史建筑平立面测绘图,实现与住建部联网。

2.5 图件制作与出图

历史建筑图件制作工作是基于历史建筑平面测绘、立面测绘工作成果,对数据资料进行加工、整理,通过地理信息可视化、地图设计、地图符号化制图综合等技术,制作历史建筑平面图、历史建筑立面图。成果能够详细、直观地保存北京市已公布历史建筑的测绘信息,为历史建筑的管理奠定基础,为历史建筑的保护、规划提供决策依据 。完成对已明确要公布的约3 000栋历史建筑的平面图、立面图的配图、图面整饬、按建设部要求编号、出图(电子版)。历史建筑图件制作利用的数据源主要包括：外业采集图像信息、外业测绘成果、测绘成果数据。历史建筑图件包括已明确要公布的约3 000栋历史建筑的平面图、立面图。采用高斯-克吕格投影,总平面测绘图比例尺为1∶500,平面图测绘图比例尺为1∶250,立面图测绘图比例尺为1∶250。

3 结束语

北京市是五朝古都,具有三千多年的建城史和八百多年的建都史,是世界闻名的历史文化名城,其城市风貌应得到保护与修复,其城市文脉需得到继承与传递。历史建筑承载着不可再生的历史信息和宝贵的文化资源,是谱写城市故事的重要载体。新中国成立以来对于北京市民间古建筑的测绘工作开展还非常有限,方法手段并不丰富。现有文献仅有作为首都功能核心区东城的历史建筑的数据采集加工,缺乏北京市整体民间古建筑群的测绘信息以及总结。

本文通过信息化手段,在东城区数据采集及设计加工方法的基础上,通过对全市约3 000栋历史建筑的有效测绘,进行平面图、简易立面图绘制、并以此为数据基础建立我市历史建筑GIS数据库,并根据此数据库,进一步深加工完成相关历史建筑群落的制图与出图、同时对重点建筑物倾斜进行摄影测绘,已完成历史建筑平面图采集、立面图采集、图件制作、数据加工入库、历史建筑建档工作,共计3 069幢,外业无法测量52幢,灭失7幢;完成重点建筑三维建模10处。最终完成全部北京市历史建筑测绘建档,以处为单位,形成历史建筑平面图测绘、立面图测绘、完善历史建筑数据库、建立历史建筑电子档案成果,共1 038处/座,3 069幢。其中,未能测量历史建筑共18处/座,59幢。因长期锁门等原因无法测量共13处/座,52幢;已灭失历史建筑共5处/座,7幢。但仍然在总体上提高了历史建筑保护的技术保障,加强了历史建筑规划的支持与引导。然而,本文尚存在不足,民间建筑相对于闻名古迹或历史景点的测绘有其自身的局限性,测绘区域的整体覆盖面存在缺陷,由于北京胡同院落的特点,存在个别长期无人院落,或测绘目标建筑的所有人不配合入户测量等诸多因素,个别目标建筑无法进行深入测绘,因此测绘数据存在一定偏差。但并不影响整体建筑群测绘数据的采集及分析加工。基于此研究项目的数据分析结论,本文第一次为详细、直观地保存北京市已公布历史建筑的测绘信息,实现从北京历史文化“点”“线”的保护上升到“面”的保护,提供了有效方法。填补了此领域的空白。