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(hù)工作，制定并施行了“北京歷史文化名城保護(hù)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(hù)和歷史環(huán)境整治，著力提升居民生活品質(zhì)，推動實現(xiàn)全民共建共享，特別是通過推進(jìn)中軸線申遺保護(hù)，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(rèn)為，申遺是手段及抓手，目的是帶動整個北京老城的保護(hù)，北京中軸線的申遺工作，將促進(jìn)北京在城市歷史景觀保護(hù)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(lǐng)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(shè)施、國家禮儀和公共建筑及居中道路遺存共同構(gòu)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(gòu)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(shè)施：承擔(dān)明清城市計時、報時功能的管理設(shè)施和構(gòu)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(shè)計理念、展現(xiàn)公眾化進(jìn)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(jì)念碑、毛主席紀(jì)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(shè)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(qiáng)中軸線申遺，推動老城整體保護(hù)，利用車載、背包、站式、推車、手持等多種高精度設(shè)備，結(jié)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(shù)，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(shè)施、居中道路等系列遺產(chǎn)點進(jìn)行了精細(xì)三維建模，為中軸線申遺提供了高精度、高精細(xì)、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(fù)原、環(huán)境整治、監(jiān)測保護(hù)等方面助力中軸線的精細(xì)治理和科學(xué)保護(hù)。北京中軸線保護(hù)區(qū)劃如下圖所示。
北京中軸線保護(hù)區(qū)劃
2 解決的關(guān)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(yán)格，難以進(jìn)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(shù)，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(shù)難題，從儀器設(shè)備的使用范圍、設(shè)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(shè)備采集精度不一致情況，通過制定控制點布設(shè)、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(biāo)準(zhǔn)，輔助開展自主知識產(chǎn)權(quán)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(biāo)準(zhǔn)，以建立超精細(xì)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(shù)難點，極大地提高了工作效率。
設(shè)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(chǔ)上增加超高分辨率照相機(jī)，對相機(jī)拍攝角度和高度進(jìn)行多次優(yōu)化設(shè)計，使其滿足設(shè)計要求，為道路養(yǎng)護(hù)、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(jī)的精密時間同步和單機(jī)標(biāo)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(jī)擴(kuò)大視場角，提高了作業(yè)效率。因魚眼相機(jī)精確畸變改正非常困難，因此，提出了基于魚眼相機(jī)的改正模型，研發(fā)了基于魚相機(jī)的標(biāo)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(jī)標(biāo)定技術(shù)，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(jī)標(biāo)定場地圖如下圖所示。
魚眼相機(jī)標(biāo)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(jī)的方式進(jìn)行交替曝光，并記錄每個相機(jī)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(cè)精細(xì)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(xì)化實景三維建設(shè)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(xì)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(xì)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(chǔ)上，融合二、三維深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測和語義分割的先進(jìn)技術(shù)，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(zhǔn)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(fù)制提供了快速有效的技術(shù)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(xì)建模工作。
影像數(shù)據(jù)處理流程
總體技術(shù)路線圖
2.4 精細(xì)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(guān)單位多達(dá)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(dān)單位統(tǒng)籌生產(chǎn)、技術(shù)和質(zhì)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(xì)化每日工作計劃，按照“實施計劃到天、進(jìn)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(jìn)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(shè)全國文化中心的重點任務(wù)。在北京市“加強(qiáng)老城整體保護(hù)，推動中軸線申遺”的要求下，積極用測繪地理信息服務(wù)多源技術(shù)，多個角度服務(wù)支撐北京中軸線申遺。 一是建設(shè)了實景三維中軸線，搭建了精細(xì)的空間數(shù)據(jù)底板。結(jié)合新型基礎(chǔ)測繪實景三維建設(shè)的要求，在實景天安門工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣，搭建了遺產(chǎn)區(qū)精準(zhǔn)、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(fēng)貌研究，輔助決策支撐；基于中軸線成果轉(zhuǎn)化的互動展呈面向社會公眾、專家學(xué)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(shè)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(hù)與預(yù)防監(jiān)測方面取得效果。建設(shè)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(shù)與遺產(chǎn)保護(hù)、監(jiān)測業(yè)務(wù)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(fēng)貌監(jiān)測等方面的應(yīng)用。將實景三維技術(shù)運用到遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)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(biāo)桿和典范。 三是借助多源測繪技術(shù)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(shù)，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(jìn)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(dá)探測、三維信息掃描等工作，并嘗試?yán)觅N近攝影測量技術(shù)在考古遺址發(fā)掘中的運用，為考古現(xiàn)場留下精確、詳細(xì)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(yīng)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(wù)、全方位的支撐中軸線申遺相關(guān)工作。 3.2 多元測繪技術(shù)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(shù)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(jìn)的測量儀器和技術(shù)，發(fā)揮了各種測量方法的優(yōu)勢，克服了重重困難，技術(shù)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(shù)的發(fā)展，特別是人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能提取等技術(shù)在測繪行業(yè)的應(yīng)用越來越深入，不久的將來，傳統(tǒng)的三維立體化采集技術(shù)、建模技術(shù)定會發(fā)生根本性的變革。
參考文獻(xiàn)：大國工程測量技術(shù)，第二部/宋超智，陳翰新，李清泉，西安：西安地圖出版社，2024.8
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