面向四合院保護規劃研究的三維地理信息系統設計與實現

李 揚，馮學兵，賈光軍，顏 涯

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 北京市規劃委員會,北京 100045 )

一、引 言

北京作為八百年古都，其歷史文化的構成有兩個方面：帝王文化和市井文化。帝王文化的載體是故宮和眾多壇、廟、陵、園、府，而市井文化的載體是胡同、四合院。同時，北京胡同、四合院也是我國唯一幸存的帝王時代首都的民居建筑，是八百年古都北京市井文化的載體[1]。由此，文物部門發出“四合院的保護與故宮保護同等重要”的強音。四合院如此重要，但目前的狀況卻令人堪憂。據稱，北京至少有90%以上的四合院淪為大雜院[1]。大雜院內一般居住著幾戶，甚至十幾戶人家，各家紛紛加建小房子，堆放雜物，擠占空間，部分大雜院已完全看不出原始院落格局。同時，部分建筑破損嚴重，修繕也不采用傳統工藝。

四合院雜亂的現狀給管理和規劃帶來了很多困擾，現有的管理手段已不能全面解決這些問題，主要困難如下：

1) 違法建設管理困難。目前，發現違法建設后，多采用文字與照片相結合的方式進行記錄。由于違法建設的任意性，執法人員很難用語言準確記錄違法建設的位置和建設形態。而照片往往因攝像空間有限，取景區域狹窄，無法反映違法建設的整體形態，導致事后難以追溯違法建設在發現時的位置和狀態。

2) 整體展現保護區內院落和胡同風貌情況困難。目前，反映保護區內風貌的手段主要有影像、實地拍攝的照片和風貌分類色塊(即基于對院落和建筑風貌的分類，用不同顏色色塊表現各院落和建筑風貌情況)，但各種手段都無法讓規劃研究人員和決策者直觀全面了解各院落的真實情況。對于影像，由于樹木的遮擋和飛行高度的限制，不能清楚反映各院落的肌理；對于實地拍攝的照片，因為數量有限，只能反映部分代表性院落的情況；對于風貌分類色塊，因為分類有限，無法全面描述各個院落復雜的情況。

4) 規劃效果表達困難。目前，規劃方案的審核多采用規劃效果圖的方式，但由于四合院的環境復雜，規劃效果圖制作人員往往很難在效果圖中還原建設項目現狀，以及周邊院落和臨近胡同的現狀情況，導致效果圖和實施后效果差別較大。

針對以上問題，本文對利用三維地理信息系統輔助四合院保護的方法和思路進行探索和研究，并將相關成果在“東四南歷史文化保護區保護規劃”和“鐘鼓樓廣場恢復整治”項目中推廣應用。

二、技術路線

結合目前四合院管理、保護、規劃中存在的各種困難和歷史文化名城保護區保護規劃研究的需求，本文提出了一套利用三維地理信息系統輔助四合院保護的思路。

基于多時期、多分辨率大比例尺地形圖、影像圖，以及文物保護專題數據、規劃專題數據、房產專題數據、風貌普查數據，構建二三維一體化的現狀庫、歷史庫和規劃庫，并以此為基礎，搭建舊城歷史文化保護區三維規劃管理系統，為在三維環境下研究四合院的生長與沿革，探討四合院的規劃和保護，直觀呈現四合院的未來創造條件,見圖1。

圖1 技術路線

三、現狀、歷史、規劃數據庫的建立

1.現狀三維庫的建立

按照《三維地理信息模型數據產品規范》(CH/T 9015—2012)[2]的分類，以四合院為主體的歷史文化保護區現狀三維庫中主要包括：建筑要素模型、交通要素模型、植被要素模型、場地要素模型和其他要素模型。

主流的三維建模手段包括：基于航空攝影測量、基于實地外業測量和三維激光掃描[3-10]。由于歷史文化保護區多集中于空域管制嚴格的二環以內，因此基于航空攝影測量和機載三維激光掃描進行三維建模均不可行。本文采用了基于大比例尺地形圖，結合地面三維激光掃描技術、航空攝影測量等多手段采集建筑物高程的方法進行三維建模。

為支撐保護規劃研究和四合院管理，各建筑需擁有相關的屬性，其中包括：建筑建成年代、產權登記情況、建筑風貌和院落風貌所屬類別等信息，具體表結構見表1。

2．歷史三維庫的建立

歷史三維庫的建設擬在反映不同年代歷史文化保護區內四合院肌理和風貌的變遷，選擇有重大變化的時間節點是反映四合院變遷的關鍵。

表1 現狀三維建筑信息表結構

回顧新中國成立至今的幾十年間舊城范圍內四合院的發展變化，不同時期的行為都有著鮮明的時代特色。20世紀50年代，土地房屋國有化，許多大型住宅院落被分割,分給多戶居民使用[11]。50年代至60年代，經歷了一個大規模拆改的時期。60年代，整個城墻被拆除。1976 年唐山大地震后 ,市民紛紛在院落中間搭建臨時的抗震棚 ,這些建筑并未在危險解除后及時拆除[12]。到了80和90年代，大雜院的情況愈演愈烈。同時，這段時期是我國住房制度、房地產制度發生變化的時期，大規模的開發帶來了全國范圍的開發性破壞。2000年以來，北京市政府加強了對歷史文化名城的保護，2002年10月正式批準了《北京市歷史文化名城保護規劃》，并在2005年發布的《北京市城市總體規劃(2004—2020)》中指出：停止大拆大建，堅持小規模漸進式有機更新。基于以上分析，每10年選擇一個年份制作歷史三維庫是比較具有代表性的。

信息是互聯網的強項，互聯網可以最大程度解決過去旅游信息不對稱的現象。“互聯網+”時代的到來伴隨移動4G網絡和WIFI的普及，游客出行依靠互聯網和移動互聯網的程度越來越大，許多實證研究都得出網絡已成為游客獲取旅游信息的首選媒介。

為反映四合院基本格局、外形和尺度的演變，歷史三維模型的制作要素主要包括建筑要素模型和交通要素模型。

從資料收集情況來看，能夠完整全面記錄四合院變遷歷史的資料不多。其中，北京市測繪設計研究院收集的50年代至今的1∶500比例尺地形圖是數據質量最好、最可靠的依據。據《北京市測繪處三十年來業務的基本情況》記載：“50年代—70年代地形圖上的地物點對鄰近解析圖根點的點位中誤差不超過：主要地物點±0.4毫米，次要地物點±0.6毫米”，這與2011年發布的《城市測量規范》(CJJ/T 8—2011)要求一致，說明歷史地形圖精度足以滿足歷史三維建模的要求。

與現狀三維建筑信息相比，歷史三維建筑屬性信息獲取相對困難，為輔助四合院格局歷史變遷的研究，歷史三維建筑信息需包括各建筑的產生和消亡年代，具體表結構見表2。

表2 歷史三維建筑信息表結構

3. 規劃三維庫的建立

規劃三維模型的制作要素應包括建筑和景觀兩大類。

對于不同保護原則的四合院，三維模型制作工藝也不盡相同。對于以修繕維修為主的院落，規劃三維模型應保留現狀三維模型的坐落位置和主體結構，制作主要依據設計方案對現狀三維模型進行修改。對于新建及完全改造的四合院，應按照規劃設計總平圖、立面圖和效果圖制作規劃三維模型。對于部分改造的四合院，規劃模型制作需結合現狀三維模型和規劃總平圖共同制作。

規劃三維建筑信息應包括規劃院落對應的模型生產日期、整治原則、設計單位、模型制作單位、方案名稱和規劃方案的經濟指標，如容積率、綠地率、建筑面積、用地面積等信息，具體表結構見表3。

表3 規劃三維建筑信息表結構

四、舊城歷史文化保護區三維規劃管理系統開發

舊城歷史文化保護區三維規劃管理系統緊密結合歷史文化名城保護區保護規劃研究和四合院管理中對地理信息的需求,除提供三維地理信息系統常有的三維瀏覽、信息查詢、通視分析等通用功能外，還定制開發了歷史變遷、風貌分類展示、規劃方案比選、規劃項目管理、違法建設管理等功能。

系統基于CityMaker 三維開發平臺搭建，服務器端采用CityMakerServer+Java開發，客戶端采用HTML+JavaScript+ActiveX控件(CityMaker Plug-in)開發，數據庫管理采用MySQL，技術架構如圖2所示。

圖2 技術架構圖

五、應用展示

1. 研究四合院肌理和尺度的變遷

四合院是一種靈活性和適應性強的居住模式，可根據家庭人口特點和生活習慣組織和改造院落空間。研究四合院的變遷歷史有助于對歷史文化保護區歷史沿革和發展脈絡進行研究。圖3為一個院落的變遷過程。

圖3 某四合院歷史變遷效果圖

20世紀50年代時該院還保留了院落格局；60年代，院內逐漸插建了多層現代建筑，原有院落格局被破壞；80年代，院落加建密度進一步增高，院落環境進一步惡化，已經完全失去原貌；2000年后，院落進行了整體改造，院落空間進行重組，逐步形成了圍合的院落空間和舒適的氛圍，實現了地塊的自我更新和完善。

2. 研究四合院改造方案

舊城歷史文化保護區三維規劃管理系統為直觀表達規劃意圖、研討規劃方案搭建了平臺。規劃人員在進行方案審核時，可將四合院改造方案直接插入到系統中，模擬建成后的效果，分析推敲規劃方案與周邊現有建筑的關系。圖4所示為一個部分改造四合院的現狀和規劃方案(該數據為示意數據)效果。

圖4 某四合院改造方案示意圖

該院落前院為元代工字殿格局，但后院加建改造較嚴重，房屋質量不佳。依照保護整治原則，規劃方案保留了前院的歷史建筑和空間格局，對后罩房的非歷史建筑進行了改造和空間重組。

3. 評估保護區風貌及歷史價值

目前，建筑風貌評估主要依靠史料研究、現場踏勘、居民訪談等手段。基于該系統，評估人員可首先利用該系統對保護區歷史沿革和現狀有一個總體和直觀的認識，減少史料調研和現場踏勘的工作量。

同時，規劃人員可將評估結果在系統中直觀呈現，為后期的規劃設計提供依據。圖5所示為該系統用不同深淺呈現院落/建筑的風貌和歷史價值評估分級結果。

圖5 分類顯示院落風貌效果圖

4. 輔助違法建設管理

利用舊城歷史文化保護區三維規劃管理系統，執法人員發現違法建設后，可直接到三維環境中找到相應的位置，填寫記錄表單，上傳現場照片。事后，管理人員不僅可以直觀了解違法建設在全市的分布，同時還可有效管理違法建設查處情況(如圖6所示)。

圖6 違法建設效果圖

六、結束語

經過一年多的努力，利用三維輔助四合院保護規劃研究技術路線已試驗成功，相關成果已在“東四南歷史文化保護區保護規劃”和“鐘鼓樓廣場恢復整治”項目中得到應用。下一步將繼續挖掘三維在舊城地下空間管理中的應用，為舊城保護提供地上地下一體化的研究環境。

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