歷史建筑測繪在北京古建筑保護中的應用

喬琳茹

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

歷史建筑(含歷史建筑群)是指具有一定保護價值,能夠反映歷史風貌和地方特色,未公布為文物保護單位,也未登記為不可移動文物的建筑物、構(gòu)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,其歷史文化特色鮮明,是世界聞名的歷史文化名城?；蕦m建筑、王府衙署、胡同宅院、寺廟祠觀、會館書院、近代史跡等一應俱全,不可移動文物數(shù)量多、品級高、密度大、種類全,具有東西方文化交匯融合的特點。[1-3]本文研究區(qū)域覆蓋北京市全市域,歷史建筑分布涉及北京市16個區(qū)和亦莊經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū),其中以東西城核心區(qū)較為集中。對已明確要公布的前三批(約3 000棟)歷史建筑進行平面圖繪制,包含總平面圖、平面圖。對已明確要公布的前三批(約3 000棟)歷史建筑量取特征點高程,繪制歷史建筑各側(cè)面的簡易立面圖。外業(yè)測繪數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)格式轉(zhuǎn)換、構(gòu)面、編碼、拓撲檢查、接邊、屬性錄入、和立面圖JPG屬性掛接等工作整理入庫。對已明確要公布的約3 000棟歷史建筑進行平面圖、立面圖的配圖、圖面整飭、按建設(shè)部要求編號、出圖,實現(xiàn)了北京市歷史建筑的規(guī)范管理。

1 數(shù)據(jù)源

本項目平面圖、簡易立面圖、重點歷史建筑三維建模等工作,需充分利用已有數(shù)據(jù)作為工作底圖和參考數(shù)據(jù)。需收集數(shù)據(jù)的類型、格式如下：

(1)影像圖數(shù)據(jù)。全市0.5 m精度的正射影像數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)作為工作底圖,作為參考數(shù)據(jù)。為.img或.tif(.tiff)格式。

(2)地形圖數(shù)據(jù)。全市范圍最新年份地形圖數(shù)據(jù),優(yōu)先調(diào)取大比例尺。該數(shù)據(jù)作為本項目中繪制平面圖的參考數(shù)據(jù)為.dwg格式。

(3)地理國情監(jiān)測單體建筑數(shù)據(jù)。最新地理國情監(jiān)測單體建筑數(shù)據(jù)作為本項目中繪制圖斑四至的本底參考數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)作為本項目中繪制平面圖的參考數(shù)據(jù),為.shp格式。

(4)傾斜攝影測量三維模型數(shù)據(jù)。作業(yè)范圍內(nèi)三維實景Mesh模型數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)作為簡易立面圖高度數(shù)據(jù)采集、重點歷史建筑物三維建模的頂部紋理建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為.osgb格式。

(5)邊界數(shù)據(jù)。全市共設(shè)有16個區(qū)縣,下轄130個街道、36個地區(qū)、136個鎮(zhèn)、18個鄉(xiāng)(其中5個民族鄉(xiāng))。該數(shù)據(jù)格式為.shp格式。

2 研究方法

工作主要采用“內(nèi)-外-內(nèi)”的作業(yè)方式,前期收集標準文件、歷史建筑清單、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)等資料,為外業(yè)測繪工作做準備。涉及本項目的數(shù)據(jù)入庫及圖件編制工作在外業(yè)調(diào)查完成后開展。數(shù)據(jù)建庫部分主要工作內(nèi)容涉及外業(yè)二維數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、構(gòu)面、接邊、拓撲、檢查、矢量數(shù)據(jù)入庫、柵格數(shù)據(jù)入庫及圖件編制。根據(jù)建設(shè)順序,首先完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作,然后分別完成二維測繪數(shù)據(jù)入庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入庫,最后再開展數(shù)據(jù)匯總及圖件編制工作。保證每個環(huán)節(jié)有數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查,最終將合格的數(shù)據(jù)庫成果轉(zhuǎn)換為國家2000坐標系[4],滿足住建部管理的不同需求。

2.1 總體技術(shù)路線

總體技術(shù)路線如圖 1 所示,包括歷史建筑平面測繪、歷史建筑立面測繪、數(shù)據(jù)成果入庫、圖件制作與出圖、重點建筑傾斜攝影測繪等。

圖1 總體技術(shù)路線

依據(jù)歷史建筑清單和歷史建筑二維測繪方案,采集歷史建筑平、立面信息,確定歷史建筑本體范圍,依據(jù)本體范圍劃定建筑保護范圍,采集歷史建筑立面信息,并掛接到空間圖形上。有針對性地選取重點歷史建筑,進行傾斜攝影測繪,采集建筑頂部與細部紋理,完成融合空三運算,按照控制測量成果,完成絕對空三定向,進行三維精細模型輸出、整飾,完成其三維模型制作。設(shè)計數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),將二維測繪成果、三維測繪成果、基礎(chǔ)底圖與影像圖進行入庫。并對入庫成果進行圖件制作,生成電子版歷史建筑總平面測繪圖、平面測繪圖、立面測繪圖件,并將合格的圖件成果入庫。最終形成歷史建筑平面、立面測繪成果、歷史建筑測繪成果數(shù)據(jù)庫、成果圖件及三維測繪成果。針對數(shù)據(jù)庫成果進行格式轉(zhuǎn)換,由北京市地方坐標系轉(zhuǎn)換為國家2000大地坐標系,最終與住建部系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)[5-7]。

2.2 歷史建筑平面圖測繪

歷史建筑平面圖測繪包含資料收集整理、踏勘、控制測量、碎步測量、編輯成圖、質(zhì)量檢驗等步驟,作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 平面外業(yè)測繪技術(shù)流程

2.2.1控制測量

控制點的布設(shè),遵循從整體到局部,從高級到低級,分級布網(wǎng)的原則。平面控制網(wǎng)采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)控制網(wǎng)及三級導線網(wǎng)實行一次全面布設(shè)。覆蓋全市的一、二級導線網(wǎng)及C級GNSS控制網(wǎng),作為本項目的平面控制測量起算點[8-9]。覆蓋全市的二、三、四等水準高程點,作為本項目的高程控制測量的起算點。平面控制測量采用全站儀布設(shè)導線測量和利用GNSS方法測量。使用全站儀布設(shè)導線時,導線等級為三級或圖根導線;利用GNSS-RTK布設(shè)控制點,控制點邊長宜大于100 m。項目高程控制測量靈活采用水準測量方法、電磁波測距三角高程測量方法、北京GNSS網(wǎng)絡實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real-time kinema-tic,RTK)高程測量方法,與前期本工程的平面控制點聯(lián)測。

2.2.2碎部測量

碎部測量根據(jù)測區(qū)條件靈活采用GNSS-RTK方法和全站儀極坐標方法[10]。

對于衛(wèi)星信號良好,無遮擋的區(qū)域,則優(yōu)先使用GNSS-RTK技術(shù),使用此方法無須先進行控制測量,可借助北京市GNSS連續(xù)運行參考站或自架基準站,使用流動站直接測量碎部點坐標。

對于高層建筑物或附近衛(wèi)星信號遮擋的,遵循“先控制、后碎部”的原則,利用GNSS測量或?qū)Ь€測量方式獲得附近圖根點,然后使用全站儀極坐標法測量碎部點坐標。本項目平面圖測繪包含總平面圖和平面圖,其中平面圖又包含首層平面或標準層平面,采集要素重點反映建筑平面的基本狀況：周邊環(huán)境、主要出入口、院落、天井、外墻及外墻上的門窗、洞口。同時參考北京市基礎(chǔ)測繪技術(shù)規(guī)程[11]中對于地形圖要素采集要求,適當表示歷史建筑周邊的其他要素：包括測量控制點、居民地和垣柵、工礦建(構(gòu))筑物及其他設(shè)施、交通及附屬設(shè)施、管線及附屬設(shè)施、水系及附屬設(shè)施、地貌和土質(zhì)、植被以及相關(guān)名稱與注記。測繪的每一處歷史建筑院落拍攝特征像片。在平面圖上標注拍攝點,拍攝方向、像片編號。放在像片層中,如圖3所示。

圖3 歷史建筑像片拍攝示意圖

2.3 歷史建筑簡易立面圖測繪

對明確要公布的約3 000棟歷史建筑,通過內(nèi)外業(yè)手段量取歷史建筑特征點高程,繪制歷史建筑各立面的簡易立面圖。成果包含主要立面、沿街立面;表達立面整體輪廓。立面測繪采用已有網(wǎng)格模型(Mesh模型)進行內(nèi)業(yè)量取,根據(jù)測區(qū)情況靈活采用全站儀懸高測量、手持激光測距儀測量、鋼尺測量等多種方式進行測量[12]。

2.3.1樓高測量

樓高指建(構(gòu))筑物檐口或女兒墻頂?shù)绞彝獾仄旱南鄬Ω叨取τ谄矫嫖蓓數(shù)慕?構(gòu))筑物,實測樓高時,測量女兒墻頂?shù)绞彝獾仄旱南鄬Ω叨?實量女兒墻高度;測出室外地坪的絕對高程,在立面圖上分段標出女兒墻頂——樓頂、樓頂——室外地坪的高差。室外地坪沒有成形,算出房頂至散水的高差,散水也沒完工,測出建(構(gòu))筑物首層室內(nèi)地坪的絕對高度,立面圖上分段標注為：女兒墻頂——樓頂、樓頂——散水(首層室內(nèi)地坪),并在“說明”欄中注明：現(xiàn)場室外地坪(散水)未成形,簡易立面圖成果格式為計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)格式。

2.3.2測量方法

立面測繪采用已有的三維Mesh模型數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)量取,根據(jù)測區(qū)情況靈活采用全站儀懸高測量、手持激光測距儀測量、鋼尺測量等多種方式進行測量。采用鋼尺量距或手持激光測距儀測距時,采用單程雙次丈量方法,兩次量距較差應在±20 mm之內(nèi),成果取用平均值。采用三角高程法實測樓高時,變換儀器高,分兩次實測高差,兩次測量值的較差不大于±10 cm時,取平均值作為最終值。用三角高程法實測時應注意：測水平距離時,測距的垂足點處的棱鏡與測垂直角的前視點應在同一垂直面內(nèi),采取測垂直角和測斜距用同一測點的方法。量測棱鏡高、樓高精確至毫米級。

2.4 數(shù)據(jù)加工入庫

2.4.1數(shù)據(jù)庫建設(shè)一般要求

(1)歷史建筑數(shù)字化工作采用北京市地方坐標系。

(2)歷史建筑數(shù)字化工作采用北京市地方高程基準。

(3)歷史建筑數(shù)字化工作應采用公元紀年和北京時間。

(4)歷史建筑數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)應包含基礎(chǔ)信息和測繪信息,可包含其他相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.4.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計

2.4.2.1數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計

空間數(shù)據(jù)庫分為歷史建筑二維測繪數(shù)據(jù)庫、歷史建筑三維數(shù)據(jù)庫兩部分,根據(jù)數(shù)據(jù)類型建立相應的子庫,并且建立一個對應的目錄與元數(shù)據(jù)庫,為數(shù)據(jù)的高效檢索提供保障?？臻g數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計

2.4.2.2歷史建筑數(shù)據(jù)庫要素

依據(jù)《歷史建筑數(shù)字化技術(shù)標準(征求意見稿)》[13],結(jié)合北京市歷史建筑測繪建檔實際需要,歷史建筑數(shù)據(jù)庫要素代碼與名稱應符合的規(guī)定如表1所示。

表1 要素代碼與名稱描述表

2.4.3入庫流程

數(shù)據(jù)庫建設(shè)主要技術(shù)流程包括數(shù)據(jù)庫建設(shè)方案設(shè)計、圖形和屬性數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)格式轉(zhuǎn)換、構(gòu)面、編碼、數(shù)據(jù)接邊、拓撲關(guān)系構(gòu)建、數(shù)據(jù)掛接、檢查與入庫等。其主要技術(shù)流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)入庫流程

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集準備。北京市歷史建筑清單(第1、2、3批);行政區(qū)劃數(shù)據(jù);北京市最新衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(分辨率0.2/0.5 m)。

(2)測繪成果內(nèi)業(yè)格式轉(zhuǎn)換。收集匯總歷史建筑外業(yè)測繪成果,將外業(yè)采集數(shù)據(jù)空間圖形的數(shù)據(jù)(dwg格式)轉(zhuǎn)換為shp格式[14]。格式轉(zhuǎn)換過程中,對于電子化外業(yè)數(shù)據(jù),外業(yè)采集要素在調(diào)入數(shù)據(jù)庫的過程中不得有要素丟漏和位置偏移的情況。最終形成全區(qū)域所有測繪要素的數(shù)字化成果。

(3)構(gòu)面。構(gòu)面前保證數(shù)據(jù)中搖擺點、假結(jié)點的錯誤已經(jīng)去除。利用ArcGIS拓撲進行要素構(gòu)面。首先建立新的數(shù)據(jù)集,拷貝已經(jīng)完成內(nèi)業(yè)格式轉(zhuǎn)換的空間圖形數(shù)據(jù)到新建構(gòu)面層,使用拓撲對數(shù)據(jù)進行合法化檢查,利用error inspector檢查不合格拓撲記錄,對顯示異常的未及線、過頭線、假結(jié)點進行處理,錯誤消除后,進行拓撲構(gòu)面,導出面要素數(shù)據(jù)。

(4)數(shù)據(jù)接邊。依據(jù)影像配合實地測繪,對歷史建筑進行接邊,確保建筑的完整性;對影像反應明顯的地物界線進行接邊,保證建筑與行政邊界一致性;對建筑屬性信息進行接邊,保證建筑調(diào)查信息的一致性。

主要內(nèi)容包括：①歷史建筑圖形范圍及屬性修改完善;②協(xié)調(diào)行政區(qū)界和歷史建筑圖斑接邊關(guān)系;③檢查要素在圖層內(nèi)、圖層間的相互關(guān)系,并進行拓撲處理,建立拓撲結(jié)構(gòu)；④檢查圖斑之間的拓撲關(guān)系,補充完善圖斑屬性內(nèi)容等。

(5)拓撲關(guān)系構(gòu)建。拓撲關(guān)系構(gòu)建是指檢查要素在圖層內(nèi)、圖層間的相互關(guān)系,并進行拓撲處理,建立拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲關(guān)系檢查主要分為各數(shù)據(jù)層內(nèi)拓撲檢查及不同數(shù)據(jù)層間拓撲檢查。層內(nèi)拓撲檢查：層內(nèi)拓撲包括面狀要素拓撲檢查,檢查包括相鄰要素間的重疊、縫隙以及交叉多邊形、微小多邊形等拓撲錯誤的檢查。層間拓撲檢查：層間拓撲包括面面拓撲檢查[15]。

(6)立面圖JPG屬性掛接。外業(yè)空間處理完成,開展屬性信息掛接工作。掛接過程中各屬性項填寫方法、填寫格式、代碼對照情況應符合國家相關(guān)規(guī)定。立面圖圖按照存儲路徑掛接到建筑物空間數(shù)據(jù)上。

(7)數(shù)據(jù)入庫。分層將矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、圖片等附件導入數(shù)據(jù)庫中。

根據(jù)前期采集的矢量數(shù)據(jù),將矢量數(shù)據(jù)分層導入數(shù)據(jù)庫中,主要包括：行政區(qū)、行政區(qū)界線、歷史建筑平面本體范圍、保護范圍等數(shù)據(jù)。

將收集到的衛(wèi)星影像圖柵格數(shù)據(jù)進行入庫。

附件主要為歷史建筑總平面測繪圖、平面測繪圖、立面測繪圖、立面照片等,按照附件組織形式將照片文件存放在統(tǒng)一文件夾中,以 “建筑名稱_附件名稱_拍攝時間”命名,利用存儲路徑與空間數(shù)據(jù)掛接。

將重點歷史建筑物紋理影像數(shù)據(jù),重點歷史建筑物空三成果數(shù)據(jù),重點歷史建筑物精細三維模型成果數(shù)據(jù)入庫,貼圖與模型文件放在同一目錄中,以 “建筑名稱_測量時間”命名,以O(shè)SGB格式存儲。

2.4.4與住建部聯(lián)網(wǎng)

(1)格式轉(zhuǎn)換。采用北京市地方平面坐標系和高程系測繪成果,與2000國家大地坐標系、1985國家高程基準建立聯(lián)系。通過坐標轉(zhuǎn)換,生成2000國家大地坐標系、1985國家高程基準的歷史建筑測繪成果。坐標轉(zhuǎn)換精度：重合點坐標轉(zhuǎn)換殘差絕對值不應超過2 cm。

(2)與住建部聯(lián)網(wǎng)。通過中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部歷史文化街區(qū)和歷史建筑數(shù)據(jù)信息平臺,上傳歷史建筑平立面測繪圖,實現(xiàn)與住建部聯(lián)網(wǎng)。

2.5 圖件制作與出圖

歷史建筑圖件制作工作是基于歷史建筑平面測繪、立面測繪工作成果,對數(shù)據(jù)資料進行加工、整理,通過地理信息可視化、地圖設(shè)計、地圖符號化制圖綜合等技術(shù),制作歷史建筑平面圖、歷史建筑立面圖。成果能夠詳細、直觀地保存北京市已公布歷史建筑的測繪信息,為歷史建筑的管理奠定基礎(chǔ),為歷史建筑的保護、規(guī)劃提供決策依據(jù) 。完成對已明確要公布的約3 000棟歷史建筑的平面圖、立面圖的配圖、圖面整飭、按建設(shè)部要求編號、出圖(電子版)。歷史建筑圖件制作利用的數(shù)據(jù)源主要包括：外業(yè)采集圖像信息、外業(yè)測繪成果、測繪成果數(shù)據(jù)。歷史建筑圖件包括已明確要公布的約3 000棟歷史建筑的平面圖、立面圖。采用高斯-克呂格投影,總平面測繪圖比例尺為1∶500,平面圖測繪圖比例尺為1∶250,立面圖測繪圖比例尺為1∶250。

3 結(jié)束語

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,是世界聞名的歷史文化名城,其城市風貌應得到保護與修復,其城市文脈需得到繼承與傳遞。歷史建筑承載著不可再生的歷史信息和寶貴的文化資源,是譜寫城市故事的重要載體。新中國成立以來對于北京市民間古建筑的測繪工作開展還非常有限,方法手段并不豐富。現(xiàn)有文獻僅有作為首都功能核心區(qū)東城的歷史建筑的數(shù)據(jù)采集加工,缺乏北京市整體民間古建筑群的測繪信息以及總結(jié)。

本文通過信息化手段,在東城區(qū)數(shù)據(jù)采集及設(shè)計加工方法的基礎(chǔ)上,通過對全市約3 000棟歷史建筑的有效測繪,進行平面圖、簡易立面圖繪制、并以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建立我市歷史建筑GIS數(shù)據(jù)庫,并根據(jù)此數(shù)據(jù)庫,進一步深加工完成相關(guān)歷史建筑群落的制圖與出圖、同時對重點建筑物傾斜進行攝影測繪,已完成歷史建筑平面圖采集、立面圖采集、圖件制作、數(shù)據(jù)加工入庫、歷史建筑建檔工作,共計3 069幢,外業(yè)無法測量52幢,滅失7幢;完成重點建筑三維建模10處。最終完成全部北京市歷史建筑測繪建檔,以處為單位,形成歷史建筑平面圖測繪、立面圖測繪、完善歷史建筑數(shù)據(jù)庫、建立歷史建筑電子檔案成果,共1 038處/座,3 069幢。其中,未能測量歷史建筑共18處/座,59幢。因長期鎖門等原因無法測量共13處/座,52幢;已滅失歷史建筑共5處/座,7幢。但仍然在總體上提高了歷史建筑保護的技術(shù)保障,加強了歷史建筑規(guī)劃的支持與引導。然而,本文尚存在不足,民間建筑相對于聞名古跡或歷史景點的測繪有其自身的局限性,測繪區(qū)域的整體覆蓋面存在缺陷,由于北京胡同院落的特點,存在個別長期無人院落,或測繪目標建筑的所有人不配合入戶測量等諸多因素,個別目標建筑無法進行深入測繪,因此測繪數(shù)據(jù)存在一定偏差。但并不影響整體建筑群測繪數(shù)據(jù)的采集及分析加工?；诖搜芯宽椖康臄?shù)據(jù)分析結(jié)論,本文第一次為詳細、直觀地保存北京市已公布歷史建筑的測繪信息,實現(xiàn)從北京歷史文化“點”“線”的保護上升到“面”的保護,提供了有效方法。填補了此領(lǐng)域的空白。