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。皇宮建筑、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]本文研究區域覆蓋北京市全市域,歷史建筑分布涉及北京市16個區和亦莊經濟技術開發區,其中以東西城核心區較為集中。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,繪制歷史建筑各側面的簡易立面圖。外業測繪數據內業格式轉換、構面、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、按建設部要求編號、出圖,實現了北京市歷史建筑的規范管理。

1 數據源

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

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

(2)地形圖數據。全市范圍最新年份地形圖數據,優先調取大比例尺。該數據作為本項目中繪制平面圖的參考數據為.dwg格式。

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

(4)傾斜攝影測量三維模型數據。作業范圍內三維實景Mesh模型數據,該數據作為簡易立面圖高度數據采集、重點歷史建筑物三維建模的頂部紋理建模的基礎數據,為.osgb格式。

(5)邊界數據。全市共設有16個區縣,下轄130個街道、36個地區、136個鎮、18個鄉(其中5個民族鄉)。該數據格式為.shp格式。

2 研究方法

工作主要采用“內-外-內”的作業方式,前期收集標準文件、歷史建筑清單、基礎數據及影像數據等資料,為外業測繪工作做準備。涉及本項目的數據入庫及圖件編制工作在外業調查完成后開展。數據建庫部分主要工作內容涉及外業二維數據格式轉換、構面、接邊、拓撲、檢查、矢量數據入庫、柵格數據入庫及圖件編制。根據建設順序,首先完成外業數據采集工作,然后分別完成二維測繪數據入庫、基礎數據入庫,最后再開展數據匯總及圖件編制工作。保證每個環節有數據質量檢查,最終將合格的數據庫成果轉換為國家2000坐標系[4],滿足住建部管理的不同需求。

2.1 總體技術路線

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

圖1 總體技術路線

依據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。設計數據庫結構,將二維測繪成果、三維測繪成果、基礎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據庫、成果圖件及三維測繪成果。針對數據庫成果進行格式轉換,由北京市地方坐標系轉換為國家2000大地坐標系,最終與住建部系統實現聯網[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、質量檢驗等步驟,作業流程如圖2所示。

圖2 平面外業測繪技術流程

2.2.1控制測量

控制點的布設,遵循從整體到局部,從高級到低級,分級布網的原則。平面控制網采用全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)控制網及三級導線網實行一次全面布設。覆蓋全市的一、二級導線網及C級GNSS控制網,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導線測量和利用GNSS方法測量。使用全站儀布設導線時,導線等級為三級或圖根導線;利用GNSS-RTK布設控制點,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網絡實時動態載波相位差分技術(real-time kinema-tic,RTK)高程測量方法,與前期本工程的平面控制點聯測。

2.2.2碎部測量

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

對于衛星信號良好,無遮擋的區域,則優先使用GNSS-RTK技術,使用此方法無須先進行控制測量,可借助北京市GNSS連續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星信號遮擋的,遵循“先控制、后碎部”的原則,利用GNSS測量或導線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測繪技術規程[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)筑物及其他設施、交通及附屬設施、管線及附屬設施、水系及附屬設施、地貌和土質、植被以及相關名稱與注記。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,通過內外業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格模型(Mesh模型)進行內業量取,根據測區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)筑物檐口或女兒墻頂到室外地坪的相對高度。對于平面屋頂的建(構)筑物,實測樓高時,測量女兒墻頂到室外地坪的相對高度,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)筑物首層室內地坪的絕對高度,立面圖上分段標注為：女兒墻頂——樓頂、樓頂——散水(首層室內地坪),并在“說明”欄中注明：現場室外地坪(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模型數據進行內業量取,根據測區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,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,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 數據加工入庫

2.4.1數據庫建設一般要求

(1)歷史建筑數字化工作采用北京市地方坐標系。

(2)歷史建筑數字化工作采用北京市地方高程基準。

(3)歷史建筑數字化工作應采用公元紀年和北京時間。

(4)歷史建筑數據庫的數據應包含基礎信息和測繪信息,可包含其他相關數據。

2.4.2數據庫設計

2.4.2.1數據庫邏輯設計

空間數據庫分為歷史建筑二維測繪數據庫、歷史建筑三維數據庫兩部分,根據數據類型建立相應的子庫,并且建立一個對應的目錄與元數據庫,為數據的高效檢索提供保障。空間數據庫總體設計如圖5所示。

圖5 數據庫邏輯設計

2.4.2.2歷史建筑數據庫要素

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

表1 要素代碼與名稱描述表

2.4.3入庫流程

數據庫建設主要技術流程包括數據庫建設方案設計、圖形和屬性數據采集、內業格式轉換、構面、編碼、數據接邊、拓撲關系構建、數據掛接、檢查與入庫等。其主要技術流程如圖6所示。

圖6 數據入庫流程

(1)基礎數據收集準備。北京市歷史建筑清單(第1、2、3批);行政區劃數據;北京市最新衛星影像數據(分辨率0.2/0.5 m)。

(2)測繪成果內業格式轉換。收集匯總歷史建筑外業測繪成果,將外業采集數據空間圖形的數據(dwg格式)轉換為shp格式[14]。格式轉換過程中,對于電子化外業數據,外業采集要素在調入數據庫的過程中不得有要素丟漏和位置偏移的情況。最終形成全區域所有測繪要素的數字化成果。

(3)構面。構面前保證數據中搖擺點、假結點的錯誤已經去除。利用ArcGIS拓撲進行要素構面。首先建立新的數據集,拷貝已經完成內業格式轉換的空間圖形數據到新建構面層,使用拓撲對數據進行合法化檢查,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、假結點進行處理,錯誤消除后,進行拓撲構面,導出面要素數據。

(4)數據接邊。依據影像配合實地測繪,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,保證建筑調查信息的一致性。

主要內容包括：①歷史建筑圖形范圍及屬性修改完善;②協調行政區界和歷史建筑圖斑接邊關系;③檢查要素在圖層內、圖層間的相互關系,并進行拓撲處理,建立拓撲結構；④檢查圖斑之間的拓撲關系,補充完善圖斑屬性內容等。

(5)拓撲關系構建。拓撲關系構建是指檢查要素在圖層內、圖層間的相互關系,并進行拓撲處理,建立拓撲結構。拓撲關系檢查主要分為各數據層內拓撲檢查及不同數據層間拓撲檢查。層內拓撲檢查：層內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規定。立面圖圖按照存儲路徑掛接到建筑物空間數據上。

(7)數據入庫。分層將矢量數據、影像數據、圖片等附件導入數據庫中。

根據前期采集的矢量數據,將矢量數據分層導入數據庫中,主要包括：行政區、行政區界線、歷史建筑平面本體范圍、保護范圍等數據。

將收集到的衛星影像圖柵格數據進行入庫。

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據掛接。

將重點歷史建筑物紋理影像數據,重點歷史建筑物空三成果數據,重點歷史建筑物精細三維模型成果數據入庫,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OSGB格式存儲。

2.4.4與住建部聯網

(1)格式轉換。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系。通過坐標轉換,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。坐標轉換精度：重合點坐標轉換殘差絕對值不應超過2 cm。

(2)與住建部聯網。通過中華人民共和國住房和城鄉建設部歷史文化街區和歷史建筑數據信息平臺,上傳歷史建筑平立面測繪圖,實現與住建部聯網。

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,對數據資料進行加工、整理,通過地理信息可視化、地圖設計、地圖符號化制圖綜合等技術,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,為歷史建筑的保護、規劃提供決策依據 。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、按建設部要求編號、出圖(電子版)。歷史建筑圖件制作利用的數據源主要包括：外業采集圖像信息、外業測繪成果、測繪成果數據。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。現有文獻僅有作為首都功能核心區東城的歷史建筑的數據采集加工,缺乏北京市整體民間古建筑群的測繪信息以及總結。

本文通過信息化手段,在東城區數據采集及設計加工方法的基礎上,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、并以此為數據基礎建立我市歷史建筑GIS數據庫,并根據此數據庫,進一步深加工完成相關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、數據加工入庫、歷史建筑建檔工作,共計3 069幢,外業無法測量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、完善歷史建筑數據庫、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保障,加強了歷史建筑規劃的支持與引導。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,因此測繪數據存在一定偏差。但并不影響整體建筑群測繪數據的采集及分析加工。基于此研究項目的數據分析結論,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。填補了此領域的空白。