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北京市测绘设计研究院:利用数字技术助力北京中轴线申遗保护

文章来源:人民日报客户端北京频道 发布时间:2024-09-29 字号:【

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中轴线的指向是正南正北吗?中轴线上消失的古建筑在哪里?利用数字化技术,北京市测绘设计研究院全过程参与世界文化遗产申报,这些问题都有了答案,数字化成为北京中轴线申遗的重要创新与关键标签。
定轴线 首次确定中轴线的空间方位
通过中轴线方位测定工作,北京市测绘院首次确定了中轴线的空间方位,明确了参与申遗的遗产点空间分布,为中轴线申遗提供精准的数据支撑;此外,它也为今后中轴线南北延长线上的空间规划布局提供可靠的依据。
测定发现,中轴线的指向并非正南正北,而是与正北方向呈逆时针约2°的偏角。
 
中轴线拟合线与位置关系示意图(图中点位的偏移量采用夸张方式表达)
 
“借助卫星定位等现代技术手段,我们测绘了位于中轴线上的主要建筑物遗产点空间位置,经过对数据拟合计算,得到了测绘意义上的中轴线的空间方位。”北京市测绘院基础测绘部部长王攀说,中轴线是南北方向最重要的参照系,它的准确方位也能够对天桥原址位置进行进一步的验证和确认。
探遗址 消失近90年的天桥原址得以“重见天日”
北京市测绘院基于贴近摄影测量、三维扫描、地下管线探测等技术及历史测绘图等资料,助力天桥遗址、正阳桥遗址、永定门中轴路遗址、珠市口教堂排水沟遗址等中轴线遗址点考古工作,探索了“边考古、边测绘”的协同工作方式,在中轴线消失节点定位、空间信息留存、信息挖掘、价值研究等方面开展“测绘+考古”的深度融合,共同形成了系列的重要发现、珍贵成果。
天桥原建筑已拆除,但是其承载了重要的历史与文化价值,是中轴线文化遗产的重要组成,是研究古代城市建设思想的重要材料。根据档案记载,天桥坐落在龙须沟上。因此,首先需要对龙须沟的原址进行定位。据了解,自上世纪30年代从明渠改为暗沟后,龙须沟“潜行”地下。随着城市变迁、市政道路修建等已发生较大变化,很难从现状中找到当时的位置;加之该区域地下管线密集,找到旧的管线十分不易。
北京市测绘院陈品祥专家团队赴北京市档案馆查阅北洋政府和民国时期城市建设档案,调取了天桥路口历年的地下管线资料和历史地形图,经过仔细比对,终于发现一条地下管线与历史地形图和上世纪50年代的历史影像图的龙须沟走向一致。龙须沟和中轴线一横一纵两条线的相交点,应为天桥原址的方位。
现场测绘能否与猜想相印证?2021年5月,北京市测绘院开展了天桥地区的地下排水管线调查,北京市测绘院测绘和调查三部部长齐永良带领团队在预先划定的范围内打开近百个井盖,通过井下摄影测量系统,去查看管井内部的情况。“一条管线的盖板为老旧的青石板,明显与现代水泥盖板不同。”北京市测绘院首都功能核心区部高级工程师张翼然说,经专家反复甄别,确认为龙须沟水系,消失近90年的天桥原址得以“重见天日”。至此,天桥原址的位置可以基本确认,在现天桥景观以北40米处。
 
勘探天桥遗址
 
除了对天桥原址进行定位外,北京市测绘院还基于历史地图资料,对已消失的北上门、地安门原址进行了空间定位。
为探索历史上永定门御道的历史变化,在文保部门的配合下,北京市测绘院联合武汉大学、中国科学院空天信息创新研究院技术团队基于高杆+手持贴近摄影测量技术,对永定门御道遗址考古发掘的7条历史道路进行精细化三维测绘和模型制作,解决了核心区航飞受限的问题,真实、立体地将御道的实景模型记录、展示出来,分辨率可达0.7mm,可以作为详细的三维数字档案供考古人员进行分析,为中轴线申遗提供了最为直接的证据。
 
御道三维模型
 
筑基底 首次实现天安门地区数十万个部(构)件精细化数据采集
中轴线的最大特色在于前后起伏、左右对称的空间格局。实地探访时,在任何一个遗产点都无法一览全局。实景三维产品可以突破时空界线,让大家体会到中轴线的独特神韵。
2022年6月,北京市文物局和北京市测绘设计研究院联合搭建推出“实景三维中轴线”。“实景三维中轴线真实、精细地记录、展现中轴线的历史变迁,从文物保护、环境整治、文物腾退等方面为中轴线申遗提供了高精度、高精细、三维立体的空间数据底板,助力中轴线的精细治理和科学保护。”北京市测绘院院长倪锋说。
 
工作人员在测绘中
 
据了解,测绘人员在扫描时设计了分区、分级的方案,按照场景内容、扫描及建设要求的精度、数据获取难易程度进行划分。比如,对于祈年殿、皇乾殿等古建筑,采用站式扫描仪,能够对结构尺寸、色彩纹理等进行毫米级的精细记录;对于文物细部,配合手持式扫描仪灵活测量;对于场区、园区等开阔场地,用的则是更快捷的背包式扫描仪。
“这个背包大概有30多斤,顶上像飞盘一样的是卫星接收天线,凸出来的圆柱是激光数据发射器,还有5个摄像头。”北京市测绘院工程师冯冲背上背包,以比平时略快的步速匀速前进,半径40米内的围墙、地面、树木等信息都被记录下来。“基本每天都要走上3万步。”
“天安门广场游客多,周边道路车流量大,在不影响交通运行的情况下,快速采集高精度数据,这是一个巨大的挑战。”北京市测绘院高级工程师陈思介绍,团队与以高精设备研发著称的刘先林院士团队共同研发了车载超高分辨率影像采集系统,将相机曝光速度从1秒/张提高到0.3秒/张,扫描车车速从20公里/小时提高到55公里/小时,极大地提高了工作效率,解决了扫描车按照正常车速行驶下对城市道路的高精度数据采集难题。
广场上20多万块花岗岩地砖的数据采集更难。“没有两块完全相同的地砖,纹路、形状、磨损程度都有差异。”陈思坦言,广场上游客来来往往,用传统的车载扫描设备,图像上显示的大多是游客的匆匆脚步。我们采用刘先林院士研发的车载对地扫描系统,镜头能够清晰获取垂直地面的地砖数据。此外,基于深度学习的方法,成功实现异形地砖自动编码,最终使每一块地砖都有了专属的身份ID。
全站仪、车载扫描仪、站式扫描仪、推车式扫描仪、背包式扫描仪、手持扫描仪……各种设备轮番上阵,测绘人员日以继夜,首次实现了天安门地区数十万个部(构)件的精细化数据采集。
基于“空天地”一体化采集手段,北京市测绘院采集了各遗产点点云和高分辨率影像,并采集了中轴线遗产区范围内的主要道路、天安门广场及周边区域、永定门、钟鼓楼、先农坛等数据,积累了超2TB的资料。“如何对多类设备采集的海量数据进行综合建模,是一个技术难点。”北京市测绘院信息服务一部部长马金荣说,“因此,我们自主研发了数据处理软件,综合利用多源数据进行建模。”在最终形成的数字孪生中轴线成果中,人民英雄纪念碑上的浮雕纹理立体逼真,正阳门城楼上油饰古韵十足。
从纸质地图到数字地图、实景三维产品,我们对中轴线的测绘越来越精细,也越来越生动。实景三维产品可以真实、立体地再现中轴线的壮美与震撼,让中轴线“立起来”,还能追溯其历史变革,带来时代变迁的纵深感。
“为了能够更好地呈现实景三维中轴线的数据成果,我们采用了虚拟游戏引擎,也就是通过一系列数学模型计算渲染出五彩斑斓的类似游戏观感的世界,突出真实、古朴、庄重。”北京市测绘院研发中心副主任闫宁介绍,实景三维中轴线的场景不仅要形似,更要神似,随着季节和气候的变化,实景三维中轴线的自然景观也会随之发生变化。
实景三维系统不只是对中轴线进行物理空间的再现,更重要的是有丰富的应用场景。比如,中轴线周边若要新建建筑物,其体量、形态、高度与风貌是否会影响景观视廊与城市天际线?“以前是做模型、放气球的土办法,现在可以直接把方案放到三维场景里进行模拟、比照,非常直观,而且高效。”北京市测绘院副院长陶迎春介绍,去年已支撑30多个方案通过实景三维系统来进行审核,未来随着系统逐步完善,应用范围还将进一步扩大。
对于普通市民而言,实景三维系统的搭建为沉浸式体验中轴线提供了可能。你可以飞到半空饱览全貌,可以拿起放大镜察看建筑细部,还可以在天气模拟中感受银装素裹的故宫,带来超越现场的感受。
实景三维系统最重要的价值还是应用于中轴线的遗产保护,它真实还原每一处遗产点原貌,为中轴线遗产要素的监测和管理、保护与利用提供一套完整的空间数据底座;能够使用户对遗产的结构、细节和外形等进行更为全面的分析,更加清晰地了解遗产的历史意义和价值;还能够留存遗产三维数字档案,如对有600余年历史的太庙首次打造了数字孪生档案,以后帮助管理者以更精确的方式进行文物的维护和修复工作。
北京中轴线申遗保护办公室“数字中轴”负责人彭年表示,三维实景可以应用于中轴线遗产保护,实现前后效果对比和动态监测;还可以结合中轴线计划中的腾退需求,在三维效果中展示拆除后的效果。
促保护 建立北京中轴线文化遗产监测与保护平台
受北京中轴线遗产保护中心(北京世界文化遗产监测中心)的委托,由北京市测绘院牵头,国信司南(北京)地理信息技术有限公司、中国移动通信集团北京有限公司等单位共同研发了北京中轴线文化遗产监测与保护平台。平台以实景三维中轴线为底座,搭建了总体格局监测、风貌监测、本体监测等系列遗产监测系统,采用遥感卫星、物联设备、人工巡查等多样化手段,协同开展监测任务,形成遗产保护状况、可持续发展、遗产治理、管理体系、能力建设5大板块,17大类69小项,累计260余项数据。平台接入视频监测、交通压力监测、人口监测等信息,依托遗产区28446个5G基站组成的数据采集网络,实现对中轴线总体格局、本体监测、格局风貌、自然环境、社会发展等动态感知、实施监测,逐步实现以预防为主,动态保护的科学监测模式。
北京中轴线文化遗产监测与保护平台将实景三维中轴线应用到遗产监测应用中,打造了世界遗产监测的示范和标杆。2023年8月,世界遗产专家现场考察时,看到北京中轴线遗产保护中心的监测平台大屏,给出了“首屈一指”的评价,认为平台对中轴线遗产保护管理工作起到积极作用。
焕活力 推进中轴线文化遗产“活”起来
与实景三维相结合,北京市测绘院技术人员提取了申遗已确定的天安门、永定门等15处遗产点为设计要素,用手绘的形式赋予每个点位独特的形象,体现老城的古朴风格,在此基础上形成了遗产点的形象设计库。此外,还利用光栅成像原理研发了光栅立体(裸眼3D)地图,能够裸眼观察、直观展现地形、地貌、建筑物等立体特征。
北京市测绘院信息服务三部(地图编研应用部)、信息服务二部牵头研发了包括中轴线抱枕、中轴线尺子、中轴线帆布包、中轴线纸胶带、“图视京城”中轴线小夜灯、裸眼3D冰箱贴等系列地图文化产品,兼具故事性与科学性的大众科普传播载体,以多种角度展现了北京的地道风物。相关产品入选2021年“北京礼物”,亮相2023年全国科普日。
实景三维中轴线在多用户、多场景的数字化展陈中深度应用,更好地“让文物活起来”。2022年,北京市测绘院打造了实景三维中轴线互动展陈、“北京中轴线”时空照相馆互动展项、“数瞰北京”AR北京中轴线互动展项等各类展品,其中实景三维中轴线互动展陈包括云游中轴、中轴对望、多彩中轴线、历史中轴线与十年申遗路等,直观展示了中轴线保护的突出成就。
相关数字展陈亮相“奋进新时代”二十大主题成就展、“辉煌中轴”特展、北京文化论坛、中国国际服务贸易交易会、中国(深圳)国际文化产业博览交易会、中国测绘地理信息技术暨北斗应用博览会等,累计线下观众近500万,累计线上浏览上亿次。
 
实景三维中轴线互动展陈
 
作为全国第一家入驻北京国际大数据交易所的事业单位,北京市测绘设计研究院以自主获取的中轴线局部空间数据为基础,通过北数所交易平台交易给北京河图联合创新科技有限公司,完成了全国第一笔空间数据入场交易。
“本次交易取得了空间数据资产的首张资产登记证明,探索解决了空间数据资产化、可靠交易和安全应用等难题,明确了交易数据加工使用权。”北京市测绘院副院长贾光军说,“在交易过程中我们严守地理信息安全底线,形成了依法合规、可靠公平、交易可控、资产化运营的空间数据场内交易模式。”
而经交易后的数据则被开发成互动产品,借助AR等技术,增强现实数字文化场景,为公众提供中轴线虚实融合与沉浸式体验。
4年来,北京市测绘设计研究院先后抽调200多人开展中轴线方位测定、测绘考古、实景三维中轴线建设、北京中轴线文化遗产监测与保护平台搭建、活化利用与文化展示等中轴线数字化保护工作,全力保障中轴线申遗工作,并在其中探索构建了“重大任务集中攻坚+常态化培训研究”相结合的培养机制,组建“橙色工匠实战队”等创建特色党建品牌,提升青年人才的思想理论、业务水平和研究问题、解决问题的能力,促进学以致用。“我们在全面助力中轴线申遗工作中,充分发挥了技术人才优势,在实战中锻炼本领、创新技术、攻坚克难,培养造就了一支文化遗产数字化保护领域的专业队伍,并将持续赋能中轴线文化遗产保护工作。”北京市测绘院党委书记包宏放说。
“有了现代的科技手段和数字信息技术,就可以把立体的、三维的真实的遗产更加完整的传承下去,这既是我们这一代人的责任所在,也是我们这代人的职责担当。”北京中轴线申遗保护办公室“数字中轴”负责人彭年说。
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