1 工程概況
3000多年建城史、800多年建都史，為首都北京留下了豐富的文物古跡和厚重的文化遺產(chǎn)。作為首批國家歷史文化名城，一直以來，北京市委市政府高度重視文化名城的整體保護工作，制定并施行了“北京歷史文化名城保護條例”，將歷史文化名城的范圍覆蓋到北京市全部行政區(qū)域，實施老城整體格局保護和歷史環(huán)境整治，著力提升居民生活品質，推動實現(xiàn)全民共建共享，特別是通過推進中軸線申遺保護，延續(xù)并彰顯平緩開闊、壯美有序的空間秩序和城市歷史景觀。2021年在福州舉辦的世界文化遺產(chǎn)大會上，與會專家一致認為，申遺是手段及抓手，目的是帶動整個北京老城的保護，北京中軸線的申遺工作，將促進北京在城市歷史景觀保護上的探索。
北京中軸線北端為鐘鼓樓，南端為永定門，縱貫老城南北，全長 7.8公里，是統(tǒng)領整個老城規(guī)劃格局的建筑與遺址的組合體。北京中軸線始建于元代，形成、完善于明清至近現(xiàn)代，歷經(jīng)700余年，是中國現(xiàn)存規(guī)模最為恢宏、保存最為完整的傳統(tǒng)都城中軸線，是中國都城中軸線規(guī)劃發(fā)展至成熟階段的典范之作。
北京中軸線是由一系列古代皇家宮苑建筑、古代皇家祭祀建筑、古代城市管理設施、國家禮儀和公共建筑及居中道路遺存共同構成的富于層次和秩序性的城市空間綜合體。北京中軸線的遺產(chǎn)構成要素如下：1)古代皇家宮苑建筑：
1)古代皇家宮苑建筑：展現(xiàn)中國古代都城規(guī)劃、皇家禮儀傳統(tǒng)、建筑形式與建筑建造技藝的明清皇家宮城與御苑，代表性物證包括景山、故宮、端門。 2)古代皇家祭祀建筑：展現(xiàn)北京中軸線對稱規(guī)劃格局并承載了中國古代皇家祭祀禮儀的明清皇家壇廟建筑，代表性物證包括太廟、社稷壇、天壇、先農(nóng)壇。 3)古代城市管理設施：承擔明清城市計時、報時功能的管理設施和構成北京城廓格局的城門建筑，代表性物證包括鐘鼓樓、正陽門、永定門。 4)國家禮儀和公共建筑：延續(xù)北京中軸線規(guī)劃設計理念、展現(xiàn)公眾化進程的公共建筑，代表性物證包括天安門、外金水橋、天安門廣場及建筑群（含人民英雄紀念碑、毛主席紀念堂、中國國家博物館、人民大會堂）。 5)居中道路遺存：自元代始建并沿用至今的、勾勒北京中軸線走向及位置的居中交通設施與道路遺存，代表性物證包括萬寧橋、中軸線南段道路遺存。
為加強中軸線申遺，推動老城整體保護，利用車載、背包、站式、推車、手持等多種高精度設備，結合地面掃描、三維建模、管線探測、貼近攝影、視頻流地圖等多種技術，精確測定出中軸線遺產(chǎn)點位置，并對中軸線皇家宮殿建筑、古代城市管理設施、居中道路等系列遺產(chǎn)點進行了精細三維建模，為中軸線申遺提供了高精度、高精細、三維立體的空間數(shù)據(jù)底板，從展陳宣傳、規(guī)劃管控、考古復原、環(huán)境整治、監(jiān)測保護等方面助力中軸線的精細治理和科學保護。北京中軸線保護區(qū)劃如下圖所示。
北京中軸線保護區(qū)劃
2 解決的關鍵問題 2.1 全要素地面采集及多源點云融合
中軸線位于首都功能核心區(qū)的核心位置，空域管制十分嚴格，難以進行低空傾斜攝影。針對首都核心區(qū)空域限制區(qū)域數(shù)據(jù)采集需要，研發(fā)了全要素地面采集及多源點云聯(lián)合三維建模技術，解決了站式、推車式、背包式、車載、手持掃描儀等全類型地面掃描數(shù)據(jù)獲取及多源點云數(shù)據(jù)融合、建模的技術難題，從儀器設備的使用范圍、設備參數(shù)、拼接規(guī)則、工作流程等方面提出解決方案。
同時，針對不同儀器設備采集精度不一致情況，通過制定控制點布設、點云精度取舍等規(guī)則，解決多源點云數(shù)據(jù)融合問題；通過制定多源激光點云數(shù)據(jù)降噪、分類、融合的數(shù)據(jù)處理標準，輔助開展自主知識產(chǎn)權的工具研發(fā)，以提高多源點云數(shù)據(jù)建模效率；根據(jù)制定不同地物要素的建模規(guī)則與標準，以建立超精細實景三維數(shù)據(jù)。
推車式激光點云掃描儀掃描示意圖
車載激光掃描儀在廣場周邊道路掃描路線示意圖
2.2 車速限制下的地面超高精度數(shù)據(jù)獲取
針對長安街車速限制下高精度數(shù)據(jù)采集以及天安門廣場地磚的高精度數(shù)據(jù)獲取要求，研發(fā)了車載超高分辨率影像采集系統(tǒng)，將工作狀態(tài)下曝光速度提高至0.3秒/張，車速提高到55公里/小時，解決了車速限制下地面超高精度數(shù)據(jù)采集的技術難點，極大地提高了工作效率。
設計并集成了一套車載超高分辨率影像采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)毫米級地面分辨率影像獲取。在現(xiàn)有車載三維激光建模測量系統(tǒng)的基礎上增加超高分辨率照相機，對相機拍攝角度和高度進行多次優(yōu)化設計，使其滿足設計要求，為道路養(yǎng)護、道路病害和地面正射影像快速生成提供一種方法。車載超高分辨率影像工作示意圖如下圖所示。
車載超高分辨率影像工作示意圖
項目實現(xiàn)了高分辨率魚眼相機的精密時間同步和單機標定，創(chuàng)新性的將高精度北斗授時系統(tǒng)接入車載超高分辨率影像采集系統(tǒng)的每個傳感器時鐘中，確保與各傳感器的精確時間同步。同時，使用高分辨率魚眼相機擴大視場角，提高了作業(yè)效率。因魚眼相機精確畸變改正非常困難，因此，提出了基于魚眼相機的改正模型，研發(fā)了基于魚相機的標定與畸變改正軟件，該模型中不僅包含k1,k2,k3,p1,p2畸變參數(shù)，還包含b1,b2,k4,k5參數(shù)。高精度時間同步和魚眼相機標定技術，既可以保證獲取視場范圍又可以保證數(shù)據(jù)的精度。魚眼相機標定場地圖如下圖所示。
魚眼相機標定場地圖
此外，項目還研發(fā)了影像交替曝光采集控制系統(tǒng)，通過搭載三個相機的方式進行交替曝光，并記錄每個相機的精確同步時間，且將曝光速度提高至0.3s/張，5米曝光間距情況下，將車速從20km/h提高到了55km/h，實現(xiàn)了地面及道路兩側精細紋理的快速獲取，為長安街等城市主干路和天安門廣場地磚超精細化實景三維建設提供了精確數(shù)據(jù)源。
2.3 多源高精度數(shù)據(jù)聯(lián)合三維建模
項目提出了一套高密度點云生成高分辨率DEM模型方法，新耦合了車載影像和點云超精細正射影像紋理自動生成算法，實現(xiàn)了超高分辨率影像與生成的DEM自動匹配。開發(fā)了超精細正射影像紋理自動生成軟件，并完成了大范圍的正射影像生成，驗證了程序的可行性及高效率。
自主研發(fā)了針對不同地物的自動提取算法，在基于點云幾何特征提取的基礎上，融合二、三維深度學習目標檢測和語義分割的先進技術，充分發(fā)揮點云和影像兩種數(shù)據(jù)源的各自特點和優(yōu)勢，實現(xiàn)了車載激光測量數(shù)據(jù)的多源提取和冗余提取，提高了系統(tǒng)的自動后處理成功率，能夠快速準確的提取道路及周邊地物的輪廓及精確位置，為實現(xiàn)真正的實景復制提供了快速有效的技術手段。
自主研發(fā)了基于點云的地磚自動化建模工具。針對天安門廣場地磚建模的需求，有針對性的開發(fā)了基于點云數(shù)據(jù)的地磚自動化建模工具，有效的解決了地磚高程賦值與迭代平差、自動紋理生成與校核等難題，完成了天安門廣場25萬余塊地磚的超精細建模工作。
影像數(shù)據(jù)處理流程
總體技術路線圖
2.4 精細化組織實施
中軸線區(qū)域地處首都核心區(qū)域，地區(qū)敏感度高、涉及部門眾多，這給項目的組織開展帶來較大難度。僅以天安門地區(qū)為例，轄區(qū)內(nèi)相關單位多達三十余家，且政府對于安全、輿情等十分重視，為確保項目的順利開展和如期完成，項目由天安門管委會統(tǒng)一協(xié)調(diào)組織，項目承擔單位統(tǒng)籌生產(chǎn)、技術和質量，組建工作專班，與管委會專班密切溝通，對接轄區(qū)內(nèi)三十余家單位，實施周例會制度，細化每日工作計劃，按照“實施計劃到天、進場工作到小時”模式開展工作，確保項目安全有序開展。同時，參與項目的人員全部通過公安部門政審，對輿情影響較大的工作如地下管線探測等均安排在夜間進行。
北京中軸線遺產(chǎn)監(jiān)測平臺
3 展望 3.1 測繪在中軸線申遺工作中發(fā)揮重大作用
中軸線申遺是北京建設全國文化中心的重點任務。在北京市“加強老城整體保護，推動中軸線申遺”的要求下，積極用測繪地理信息服務多源技術，多個角度服務支撐北京中軸線申遺。 一是建設了實景三維中軸線，搭建了精細的空間數(shù)據(jù)底板。結合新型基礎測繪實景三維建設的要求，在實景天安門工作的基礎上進行推廣，搭建了遺產(chǎn)區(qū)精準、三維立體的空間底版，并依托實景三維場景開展場景模擬、風貌研究，輔助決策支撐；基于中軸線成果轉化的互動展呈面向社會公眾、專家學者、政府行政人員等，取得了豐富的展呈效果，也以多種方式凸顯了中軸線在全國文化中心建設的重要地位。 二是參與謀劃中軸線遺產(chǎn)監(jiān)測平臺，在遺產(chǎn)保護與預防監(jiān)測方面取得效果。建設完成的中軸線遺產(chǎn)監(jiān)測平臺是申遺的重要加分項，積極探索測繪地理信息技術與遺產(chǎn)保護、監(jiān)測業(yè)務的融合，接入動態(tài)感知信息，深入挖掘時空大數(shù)據(jù)在中軸線總體格局監(jiān)測、遺產(chǎn)風貌監(jiān)測等方面的應用。將實景三維技術運用到遺產(chǎn)保護領域是一項創(chuàng)新性的舉措，我院力爭打造全國遺產(chǎn)監(jiān)測的標桿和典范。 三是借助多源測繪技術手段實現(xiàn)信息挖掘。2021年，借助長時間序列的歷史地圖資源挖掘、多手段時空信息探測技術，探究出了消失近90年天橋原址的精確位置，并搭建了三維效果還原其歷史場景。在開展天橋遺址考古挖掘工作中，進行了天橋考古現(xiàn)場的測繪、三維掃描、深入到地下排水管線探測，獲取了一手資料。在正陽橋考古遺址、永定門考古遺址、珠市口地下溝渠遺址考古過程中，同步開展了測繪、地下雷達探測、三維信息掃描等工作，并嘗試利用貼近攝影測量技術在考古遺址發(fā)掘中的運用，為考古現(xiàn)場留下精確、詳細的空間記錄。可以說，“邊考古、邊測繪”的模式已經(jīng)初步形成，并且深度應用于南中軸多處考古遺址的挖掘和研究中，多場景、多業(yè)務、全方位的支撐中軸線申遺相關工作。 3.2 多元測繪技術支撐中軸線申遺工作 在北京中軸線測繪各個階段中遇到了眾多的技術問題，尤其是全地面掃描的作業(yè)方式和高精度的作業(yè)要求給外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理都帶來了很大的挑戰(zhàn)，中軸線測繪運行了最先進的測量儀器和技術，發(fā)揮了各種測量方法的優(yōu)勢，克服了重重困難，技術路線和生產(chǎn)經(jīng)驗可為今后國內(nèi)大規(guī)模歷史文化遺產(chǎn)測繪提供實用的參考價值。隨著新一代信息技術的發(fā)展，特別是人工智能、機器學習、智能提取等技術在測繪行業(yè)的應用越來越深入，不久的將來，傳統(tǒng)的三維立體化采集技術、建模技術定會發(fā)生根本性的變革。
參考文獻：大國工程測量技術，第二部/宋超智，陳翰新，李清泉，西安：西安地圖出版社，2024.8
京公網(wǎng)安備 11010802031220號