前沿：河北省測(cè)繪學(xué)會(huì)策劃“創(chuàng)新測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用”專(zhuān)題欄目，聚焦測(cè)繪科技應(yīng)用前沿。本欄目將展示測(cè)繪與AI、遙感等融合的創(chuàng)新實(shí)踐，涵蓋氣象監(jiān)測(cè)、生態(tài)保護(hù)、地理信息服務(wù)、農(nóng)作物估產(chǎn)及文化遺產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域。通過(guò)案例剖析，探討測(cè)繪技術(shù)如何助力社會(huì)管理與可持續(xù)發(fā)展。
現(xiàn)代空間信息技術(shù)賦能線性文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)
引言：大運(yùn)河是世界上建造最早、距離最長(zhǎng)、規(guī)模最大的運(yùn)河，于2014年6月入選世界文化遺產(chǎn)名錄。其中北運(yùn)河，是京杭大運(yùn)河的最北段,流經(jīng)北京通州區(qū)、河北省香河縣、天津市武清區(qū),全長(zhǎng)186公里,流域面積5300平方公里。作為典型的跨區(qū)域線性文化遺產(chǎn)，加強(qiáng)北運(yùn)河線性文化遺產(chǎn)保護(hù)，對(duì)于傳承運(yùn)河文化，挖掘運(yùn)河價(jià)值，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)溝通和社會(huì)發(fā)展具有重要意義。
空間信息技術(shù)是20年紀(jì)60年代興起的一門(mén)新興技術(shù)，主要包括RS、GIS、GNSS理論技術(shù)，同時(shí)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的采集、量測(cè)、分析、存儲(chǔ)、管理、顯示、傳播和應(yīng)用等。隨著空間信息技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描、三維建模等現(xiàn)代空間信息技術(shù)的發(fā)展，更是為文化遺產(chǎn)保護(hù)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。
本文以北運(yùn)河香河段為研究對(duì)象，融合應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描、實(shí)景三維建模等現(xiàn)代空間信息技術(shù)，開(kāi)展線性文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)研究，建立地理空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)線性文化遺產(chǎn)的展覽展示、信息查詢(xún)、空間分析等，為北運(yùn)河香河段線性文化遺產(chǎn)的保護(hù)傳承、虛擬修復(fù)、防汛指揮等提供支撐。
1 北運(yùn)河香河段概況 根據(jù)全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位名錄和河北省文物局大運(yùn)河河北段文化遺產(chǎn)目錄，北運(yùn)河香河段線性文化遺產(chǎn)主要包括北運(yùn)河、紅廟村金門(mén)閘遺址（1974年廢棄，同年新修土門(mén)樓泄洪閘，位于金門(mén)閘北側(cè)）。兩處全國(guó)文保單位，鳳港減河、牛牧屯引河、青龍灣減河三處水工遺產(chǎn)，寶慶寺1處縣級(jí)文物保護(hù)單位。 綜合各類(lèi)遺產(chǎn)的歷史、科學(xué)、文化、社會(huì)價(jià)值，結(jié)合實(shí)際，選取北運(yùn)河、寶慶寺、金門(mén)閘以及土門(mén)樓高價(jià)值遺產(chǎn)構(gòu)成點(diǎn)、線、面相串聯(lián)的北運(yùn)河香河段線性文化遺產(chǎn)主體。 圖1 北運(yùn)河香河段線性文化遺產(chǎn)空間分布 2 技術(shù)方法 基于傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描、三維建模等現(xiàn)代空間信息技術(shù)對(duì)北運(yùn)河香河段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信息提取和管理表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化保護(hù)，技術(shù)路線如圖2所示。 圖2 技術(shù)路線 （1）利用航空傾斜攝影測(cè)量與地面三維激光掃描進(jìn)行空地協(xié)同的多源數(shù)據(jù)采集，從而在宏觀上獲取完備的地物信息，微觀上獲取豐富的細(xì)節(jié)和高精度的定位信息。 （2）融合三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)與多角度影像密集匹配（DIM）點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建精細(xì)三角網(wǎng)模型，通過(guò)紋理映射高分辨率影像貼圖，得到精細(xì)實(shí)景三維模型。 （3）基于大場(chǎng)景實(shí)景三維模型提取正射影像、數(shù)字線劃圖、等高線圖、數(shù)字高程模型、土地利用現(xiàn)狀圖。基于典型建筑的精細(xì)化模型，進(jìn)行建筑信息提取，獲取歷史建筑圖件。 （4）將二維地理信息、三維真實(shí)場(chǎng)景與遺產(chǎn)信息進(jìn)行地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)管理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 3 應(yīng)用實(shí)踐 01 數(shù)據(jù)采集 采用大疆M300 RTK平臺(tái)搭載202S全畫(huà)幅、五鏡頭傾斜攝影相機(jī)，采用170米高度進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，航向和旁向重疊度為80%，地面分辨率為2cm，獲取北運(yùn)河香河段面積約為7.8平方千米的帶狀多角度影像，共獲取相片16288張。 采用大疆精靈Phantom4RTK，設(shè)置50米高度進(jìn)行傾斜攝影，重疊度為80%，地面分辨率為1cm，獲取金門(mén)閘和附近的土門(mén)樓水利工程設(shè)施的多角度影像，獲取相片10877張。 為獲取寶慶寺精細(xì)的建筑模型，對(duì)于屋頂部分，采用大疆M300RTK設(shè)備，設(shè)置30米高度進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，重疊度為80%，地面分辨率為8mm，共獲取相片847張。對(duì)于近地面，采用FARO Focus Plus350進(jìn)行三維激光掃描，設(shè)站為21站，通過(guò)掃描儀自帶軟件進(jìn)行拼接后，生成*.las格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)為2331307。此外，對(duì)于房檐下沿，采用環(huán)繞飛行補(bǔ)拍相片，獲取相片213張。 02 信息提取 對(duì)于北運(yùn)河、金門(mén)閘、土門(mén)樓，采用Context Capture軟件對(duì)多角度影像進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)空中三角測(cè)量、影像密集匹配、構(gòu)建三角網(wǎng)、紋理映射生成實(shí)景三維模型,見(jiàn)圖3a,c,d。 對(duì)寶慶寺，將傾斜攝影測(cè)量獲取的847張相片與補(bǔ)拍的213張照片采用Context Capture進(jìn)行處理，生成密集匹配（DIM）點(diǎn)云，將拼接后的三維激光掃描點(diǎn)云與DIM點(diǎn)云配準(zhǔn)融合，創(chuàng)建實(shí)景三維模型，見(jiàn)圖3b。 圖3 三維模型 (a)北運(yùn)河；（b）金門(mén)閘；(c)寶慶寺；（d）土門(mén)樓 根據(jù)圖3a實(shí)景三維模型輸出高分辨率正射影像圖。根據(jù)正射影像圖結(jié)合三維模型，借助EPS軟件，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的要素進(jìn)行數(shù)字化，生成數(shù)字線劃圖，從中獲取遺產(chǎn)要素的位置分布信息，大運(yùn)河位置分布以及周?chē)h(huán)境信息，包括植被信息，交通信息，此外通過(guò)EPS的計(jì)算面積功能，計(jì)算該區(qū)域內(nèi)不同用地類(lèi)型所占面積，獲取土地利用信息見(jiàn)表1。根據(jù)實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行特征點(diǎn)、線采集,構(gòu)建三角網(wǎng)，生成DEM。 采用極坐標(biāo)法檢查模型的平面中誤差和高程中誤差。北運(yùn)河、寶慶寺、金門(mén)閘、土門(mén)樓的平面檢查點(diǎn)和高程檢查點(diǎn)，模型的平面中誤差，高程中誤差分別如表所示。可見(jiàn)，多源數(shù)據(jù)融合建模的寶慶寺三維模型精度明顯高于其他模型精度。 表1 三維模型精度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表 基于密集匹配點(diǎn)云和激光三維掃描點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)融合后，進(jìn)行分割切片，將切片的點(diǎn)云模型利用Autodesk Recap軟件轉(zhuǎn)換為.rcs 格式文件。將.rcs文件采用FARO As-Built導(dǎo)入到AutoCAD軟件中，作為繪制平立剖面圖的底圖繪制建筑平面圖、立面圖和剖面圖。 表2 北運(yùn)河香河段周?chē)鷧^(qū)域不同用地類(lèi)型所占面積 03 管理應(yīng)用 使用Arcscene軟件進(jìn)行集成，主要包括： 1) 數(shù)字線劃圖、建筑物平立剖以及詳圖的矢量數(shù)據(jù)； 2) 正射影像、高程、坡度、土地利用等柵格數(shù)據(jù)； 3) 實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，包括北運(yùn)河、寶慶寺、土門(mén)樓、金門(mén)閘； 4) 除了建筑物中使用的材料之外，提供關(guān)于建筑物歷史的相關(guān)信息的描述性數(shù)據(jù)，如保存狀態(tài)等。 數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arcscene后，既保留了高視覺(jué)質(zhì)量和細(xì)節(jié)水平，又體現(xiàn)了周?chē)畔⑷绲匦翁卣?、交通網(wǎng)絡(luò)、植被覆蓋以及其他信息。 在此基礎(chǔ)上建立北運(yùn)河文化遺產(chǎn)一體化展示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)流暢的空間場(chǎng)景展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑構(gòu)筑物的單體化、信息化、可視化查詢(xún)。文保相關(guān)人員可以利用相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)文物本體的潛在危險(xiǎn)進(jìn)行更深一步的分析。實(shí)現(xiàn)大運(yùn)河的動(dòng)態(tài)淹沒(méi)分析，實(shí)現(xiàn)運(yùn)河航道視野調(diào)節(jié)與視覺(jué)分析，以及分析功能等，從而為北運(yùn)河的景觀建設(shè)、運(yùn)河防汛提供服務(wù)。 4 結(jié)論 針對(duì)線性文化遺產(chǎn)保護(hù)的實(shí)際需求，提出了基于傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描等現(xiàn)代空間信息技術(shù)的線性文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護(hù)技術(shù)方案，并在北運(yùn)河香河段為研究進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，主要結(jié)論如下： （1）結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜影像技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行空地聯(lián)合數(shù)據(jù)采集，形成了北運(yùn)河、寶慶寺、金門(mén)閘以及土門(mén)樓組成的點(diǎn)、線、面串聯(lián)的數(shù)字化表達(dá)形式，突出了北運(yùn)河香河段線性文化遺產(chǎn)價(jià)值。 （2）區(qū)域尺度上基于三維模型數(shù)據(jù)提取正射影像圖、數(shù)字線劃圖、土地利用信息等，本體尺度上基于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取平立剖面信息，從而形成完整的數(shù)字化產(chǎn)品，更好的體現(xiàn)了北運(yùn)河香河段線性文化遺產(chǎn)特點(diǎn)。 （3）對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行二三維數(shù)據(jù)集成組織管理建立數(shù)據(jù)庫(kù)，既包括二維數(shù)據(jù)，又包括三維數(shù)據(jù)，既包括平面圖件，又包括三維模型，既包括宏觀數(shù)據(jù)，又包括微觀數(shù)據(jù)，將北運(yùn)河香河段具有高價(jià)值的文化遺產(chǎn)融為了一體，并進(jìn)行虛擬展示。 當(dāng)前技術(shù)方案僅在縣級(jí)尺度上開(kāi)展進(jìn)行，后續(xù)工作將繼續(xù)探索在大運(yùn)河河北段省級(jí)尺度上開(kāi)展。為進(jìn)一步提高線性文化遺產(chǎn)保護(hù)力度，未來(lái)應(yīng)綜合考慮歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)勢(shì)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)大運(yùn)河沿線水利工程、歷史建筑等主要線性文化遺產(chǎn)的監(jiān)測(cè)工作。在現(xiàn)有本體數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上融合水文氣象等自然災(zāi)害數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)對(duì)大運(yùn)河沿線水利工程、歷史建筑等主要線性文化遺產(chǎn)的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。
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