劉錕，唐甲錄，鄧富琨

(桂林市測(cè)繪研究院，廣西 桂林 541100)

1 引 言

為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于堅(jiān)定文化自信、加強(qiáng)歷史文化保護(hù)的重要指示精神，按照黨中央國(guó)務(wù)院決策部署，積極發(fā)揮歷史文化名城名鎮(zhèn)名村街區(qū)及歷史建筑在傳承和弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)文化、塑造城鄉(xiāng)特色風(fēng)貌、推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展中的作用，按照住建部建筑節(jié)能與科技司印發(fā)的《關(guān)于請(qǐng)報(bào)送歷史建筑測(cè)繪建檔三年行動(dòng)計(jì)劃和規(guī)范歷史建筑測(cè)繪建檔成果要求的函》(建科保函〔2019〕202號(hào))和廣西壯族自治區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳印發(fā)的《桂建規(guī)園[2019]12號(hào)-廣西壯族自治區(qū)歷史建筑測(cè)繪建檔三年行動(dòng)計(jì)劃(2019-2021年)的通知》文件要求，開(kāi)展廣西歷史建筑測(cè)繪建檔三年行動(dòng)，建立廣西歷史建筑的數(shù)字化檔案，并對(duì)歷史建筑測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)及成果歸檔進(jìn)行統(tǒng)一和規(guī)范。

根據(jù)桂林市第一批歷史建筑收集資料的分析，以及測(cè)繪建檔的要求，采用工程測(cè)量、傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描技術(shù)對(duì)日月雙塔等21處近現(xiàn)代歷史建筑及其周邊環(huán)境，進(jìn)行詳盡、精確、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)地全面測(cè)繪，獲取了數(shù)字地形圖、實(shí)景三維模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、正射影像圖等，為后期歷史建筑的保護(hù)修繕與復(fù)建提供翔實(shí)可靠的精細(xì)化數(shù)據(jù)，更在滿(mǎn)足歷史建筑保護(hù)要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)保護(hù)與利用的統(tǒng)一，為切實(shí)維護(hù)歷史建筑的可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。用現(xiàn)代信息技術(shù)使文化遺產(chǎn)數(shù)字化，具有重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。文化遺產(chǎn)數(shù)字化的發(fā)展程度已經(jīng)成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要標(biāo)志之一[1]。

2 歷史建筑建檔要求和內(nèi)容

21處歷史建筑分布在桂林市主城區(qū)，沿漓江兩岸。按照桂林市第一批歷史建筑測(cè)繪建檔要求，需要獲取21處歷史建筑及其周邊環(huán)境(如圖1所示)的測(cè)繪資料，形成“一棟一冊(cè)”的歷史建筑檔案表。歷史建筑測(cè)繪建檔有四個(gè)基本原則，即堅(jiān)持應(yīng)保盡保，堅(jiān)持精細(xì)規(guī)范，堅(jiān)持保護(hù)理念和技術(shù)創(chuàng)新，堅(jiān)持公眾參與。

2.1 歷史建筑測(cè)繪的總體要求

遵循“從整體到局部，先控制后細(xì)部”的測(cè)量原則；宜通過(guò)目測(cè)步量，把握測(cè)量對(duì)象的整體比例和各部分、構(gòu)件的相互比例和對(duì)位關(guān)系；對(duì)建筑方正、對(duì)稱(chēng)、平整情況進(jìn)行測(cè)量并驗(yàn)證；確保測(cè)繪數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確表達(dá)建筑的比例、結(jié)構(gòu)和做法；可用間接方法推算部分?jǐn)?shù)據(jù)；由于居民尚未完全搬遷等特殊情況而暫時(shí)無(wú)法測(cè)繪的歷史建筑，應(yīng)先完成建筑立面、周邊環(huán)境等公共部分測(cè)繪，并于房屋完全騰空后進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

2.2 歷史建筑測(cè)繪的測(cè)繪內(nèi)容

歷史建筑測(cè)繪內(nèi)容以建筑物為主，全面準(zhǔn)確地反映歷史建筑的現(xiàn)狀情況。測(cè)繪內(nèi)容主要包括總平面、平面、立面、剖面、典型構(gòu)件等。根據(jù)測(cè)繪成果的應(yīng)用需要不同，繪制總平面現(xiàn)狀測(cè)繪圖、平面現(xiàn)狀測(cè)繪圖、立面現(xiàn)狀測(cè)繪圖、剖面現(xiàn)狀測(cè)繪圖，對(duì)歷史建筑所有構(gòu)件及其空間位置關(guān)系進(jìn)行全面詳細(xì)的勘察和測(cè)量，能反映歷史建筑特定的形式、構(gòu)造、工藝特征及風(fēng)格的典型構(gòu)件。測(cè)繪成果可應(yīng)用于歷史建筑數(shù)字檔案建立和管理，歷史建筑遷移與復(fù)建、核心價(jià)值要素復(fù)原修繕等工程。測(cè)繪范圍以反映建筑輪廓、周邊建筑或構(gòu)筑物、道路、廣場(chǎng)、水域、山體、綠化等環(huán)境信息，且完整覆蓋歷史環(huán)境要素。

圖1

2.3 歷史建筑測(cè)繪的步驟

根據(jù)成果應(yīng)用需求確定測(cè)繪類(lèi)型，明確測(cè)繪范圍、測(cè)繪目標(biāo)、測(cè)繪步驟，提供測(cè)稿成果；總平面測(cè)繪包含布設(shè)控制點(diǎn)、勾繪草圖、控制測(cè)量、碎步測(cè)量、無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描、整理測(cè)稿、校核等步驟；平面、立面、剖面、典型構(gòu)件測(cè)繪宜包含勾畫(huà)草圖、測(cè)量、整理測(cè)稿、校核等步驟。

3 現(xiàn)有資料分析

根據(jù)《2017年桂林市中心城區(qū)歷史建筑名錄》，我們收集了21處歷史建筑及其周邊環(huán)境的已有照片、文字、區(qū)位和部分建設(shè)施工圖紙資料。照片、文字資料齊全，紙質(zhì)和電子文件都有；由于年代久遠(yuǎn)，管理部門(mén)不斷更迭，歷史建筑建設(shè)施工圖紙殘缺不全，且都是紙質(zhì)藍(lán)圖，可以部分參考。從歷史建筑位置分布看，不少建筑依山、水而建，植被茂密，遮擋嚴(yán)重，且大部分在使用中，施測(cè)的難度很大。21處歷史建筑隸屬桂林市所轄象山、疊彩、秀峰、七星四個(gè)城區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)已有桂林市C級(jí)平高控制點(diǎn)分布合理，保存良好；且已建成的連續(xù)運(yùn)行參考站(GLCORS)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已覆蓋測(cè)區(qū)，精度優(yōu)于圖根點(diǎn)。因此，控制資料滿(mǎn)足歷史建筑測(cè)繪要求。

4 控制測(cè)量和歷史建筑總平面圖測(cè)繪

4.1 控制測(cè)量

平面坐標(biāo)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，高程采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)和珠江高程。首級(jí)控制測(cè)量直接利用該區(qū)域內(nèi)桂林市C級(jí)控制點(diǎn)，以桂林市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系成果和桂林CORS替代傳統(tǒng)的導(dǎo)線測(cè)量，精度滿(mǎn)足圖根點(diǎn)要求；高程控制測(cè)量利用桂林似大地水準(zhǔn)面精化成果，達(dá)到四等水準(zhǔn)精度。

4.2 歷史建筑總平面圖測(cè)繪

為了詳細(xì)地反映出歷史建筑周邊的地形、地貌，采用大比例尺(1∶500或 1∶200)地形圖測(cè)量作為總平圖，技術(shù)要求按《城市測(cè)量規(guī)范》CJJ/T 8-2011和《1/500、1/1000、1/2000地形圖圖式》GB/T20257.1-2017，并參考《古建筑測(cè)繪規(guī)范》CH/T6005-2018。

全野外數(shù)字化地形數(shù)據(jù)采集采用免棱鏡全站儀和RTK相結(jié)合的方式進(jìn)行。免棱鏡全站儀采集在歷史建筑測(cè)繪中尤其適用，建筑周?chē)脖幻?，衛(wèi)星信號(hào)較弱，全站儀配合電子平板進(jìn)行圖根點(diǎn)施測(cè)以及碎部點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，不受天空衛(wèi)星狀況、外界強(qiáng)輻射等因素影響；采用現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)注地理屬性和線化連接，在現(xiàn)場(chǎng)完成數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，數(shù)據(jù)處理及圖形編輯也基本完成。

野外數(shù)據(jù)采集包括：圖根點(diǎn)信息、碎部點(diǎn)信息等。碎部點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量主要采用全站儀極坐標(biāo)法、量距法與交會(huì)法等，碎部點(diǎn)高程采用三角高程測(cè)量。碎部測(cè)量具體實(shí)施均按《城市測(cè)量規(guī)范》及技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)方案?？紤]到歷史建筑測(cè)繪建檔的特點(diǎn)，應(yīng)繪制建筑輪廓、周邊建筑或構(gòu)筑物、道路、廣場(chǎng)、水域、山體、綠化等環(huán)境信息，且應(yīng)完整覆蓋歷史環(huán)境要素；應(yīng)標(biāo)注建筑總尺寸，建筑與相鄰建筑物、構(gòu)筑物的距離；場(chǎng)地標(biāo)高與建筑、構(gòu)筑物的標(biāo)高，平屋面建筑應(yīng)標(biāo)注天面、女兒墻的標(biāo)高，坡屋面建筑宜標(biāo)注屋脊、檐口下沿的標(biāo)高；應(yīng)標(biāo)注建筑名稱(chēng)、出入口位置、層數(shù)、建筑高度、周邊建筑的層高、周邊道路、廣場(chǎng)名稱(chēng)等，著重顯示歷史建筑有關(guān)的各項(xiàng)要素。所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，用EPS2008編輯、數(shù)據(jù)監(jiān)理、質(zhì)檢，然后生成數(shù)字化地形圖，如圖2所示。

圖2

5 建筑物測(cè)繪

5.1 內(nèi)容及要求

建筑物測(cè)繪的內(nèi)容是通過(guò)多種技術(shù)手段采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)、實(shí)景模型、影像，繪制建筑物的平面、立面和剖面圖，全面準(zhǔn)確地反映歷史建筑的外部和內(nèi)部情況。為此，要求遵循“從整體到局部，先控制后細(xì)部”的測(cè)量原則，通過(guò)精確的測(cè)量方法，準(zhǔn)確測(cè)量建筑的整體和各部分、構(gòu)件，并檢核，確保測(cè)繪數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確表達(dá)建筑的比例和結(jié)構(gòu)。由于歷史建筑數(shù)量眾多，時(shí)間跨度大，形態(tài)各異，地域分布廣，有些依山而建，有的濱水而居，測(cè)繪的難度可想而知。這部分工作是項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。只有綜合采用免棱鏡全站儀、傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描等測(cè)繪新技術(shù)、新方法，才能高效、保質(zhì)保量地完成。

5.2 技術(shù)流程(圖3)

圖3

5.3 控制測(cè)量

利用桂林CORS系統(tǒng)，采用GNSS RTK進(jìn)行控制點(diǎn)測(cè)量，設(shè)備為中海達(dá)RTK-V90，坐標(biāo)為CGCS2000，高程基準(zhǔn)采用1985高程和珠江高程，控制點(diǎn)平面和高程精度達(dá)到圖根點(diǎn)以上等級(jí)。

5.4 三維激光掃描采集與數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描技術(shù)又稱(chēng)“實(shí)景復(fù)制”技術(shù)，三維激光掃描儀與傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器相比有很多優(yōu)勢(shì)[2]，具有采集速度快，密度大、精度高、非接觸式測(cè)量、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)獲取及計(jì)算方面的缺點(diǎn)[3]。三維激光掃描的高密度點(diǎn)云能夠保留歷史建筑的細(xì)節(jié)特征，從技術(shù)要求上切實(shí)滿(mǎn)足歷史建筑測(cè)繪項(xiàng)目的應(yīng)用需求。

歷史建筑室內(nèi)外三維激光掃描中，采用FARO350掃描儀，測(cè)量的步驟主要包括：控制測(cè)量、掃描站布設(shè)、標(biāo)靶布設(shè)、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、照片采集、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、各類(lèi)剖面圖制作等步驟。

掃描被測(cè)建筑時(shí)，設(shè)置點(diǎn)間距或采集分辨率，合理設(shè)站，保證站與站之間的通視，掃描站間有效點(diǎn)云的重疊率不低于30%；相機(jī)參數(shù)設(shè)置為自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光量，大小為 1 920×1 920像素；掃描參數(shù)設(shè)置為高分辨率，掃描方式為“掃+照”；為了保證拼接精度，采用公共標(biāo)靶掃描。每一掃描站的標(biāo)靶個(gè)數(shù)不少于4個(gè)，相鄰兩掃描站的公共標(biāo)靶個(gè)數(shù)不少于3個(gè)；掃描作業(yè)結(jié)束后，檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋范圍完整性、標(biāo)靶數(shù)據(jù)完整性和可用性；對(duì)所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分站拼接，檢查是否有錯(cuò)誤、標(biāo)靶擬合不上、拼接不全等問(wèn)題。

三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包含擬合標(biāo)靶、各測(cè)站數(shù)據(jù)的拼接、點(diǎn)云配準(zhǔn)、降噪除雜、建立模型、紋理映射等工作，拼接配準(zhǔn)后，相鄰站點(diǎn)云配準(zhǔn)中誤差小于 10 mm。

在Cyclone軟件中，自動(dòng)擬合坐標(biāo)，形成球形標(biāo)志，利用Registration模塊對(duì)分站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成一套完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖4)；利用已布設(shè)的GNSS控制點(diǎn)成果對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一歸化。

圖4 疊彩瓊樓點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接報(bào)告

在Cyclone軟件中，三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在異常點(diǎn)、孤立點(diǎn)時(shí)，可采用自動(dòng)濾波方式或手工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)降噪處理。采用人工方式，隱藏包括游客、全景數(shù)據(jù)、樹(shù)木折射點(diǎn)在內(nèi)的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)。在Geomagic Studio和Cyclone軟件中，進(jìn)行數(shù)據(jù)建模處理，如圖5所示。

圖5

5.5 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

通過(guò)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可快速實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維場(chǎng)景的重建，可直觀反映建筑物的外觀、位置、高度等屬性，傾斜攝影數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可量測(cè)影像數(shù)據(jù)，同時(shí)可輸出三維點(diǎn)云、三維模型、數(shù)字表面模型、正射影像圖、數(shù)字線劃圖等多種成果，可補(bǔ)充三維激光掃描的不足，為其提供歷史建筑屋頂及各立面的紋理貼圖，根據(jù)此次歷史建筑低高度大跨度單體分布的特點(diǎn)，選擇多旋翼無(wú)人機(jī)低速、高重疊度(80%～90%)進(jìn)行航攝，空中三角測(cè)量選擇Smart3D軟件，采用光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差。

5.6 歷史建筑測(cè)繪圖制作

歷史建筑的平面圖、立面圖和剖面圖由三維激光點(diǎn)云建立的三維模型，經(jīng)各面投影生成，同一處歷史建筑的所有數(shù)字剖面，主要立面和價(jià)值要素的數(shù)字剖面包含色彩信息。

數(shù)字?jǐn)嗝鎴D建立空間尺寸與像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系。平、立、剖面的數(shù)字?jǐn)嗝娣直媛什粦?yīng)低于 2 mm×2 mm單個(gè)像素，詳圖的數(shù)字?jǐn)嗝娣直媛什坏陀?0.5 mm×0.5 mm單個(gè)像素。單體平、立、剖圖，輸出格式為：DXF，DWG，如圖6所示。

圖6

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)桂林市歷史建筑的分布和特點(diǎn)，綜合運(yùn)用了多種新技術(shù)和方法，為建立桂林市歷史建筑數(shù)字化檔案提供了翔實(shí)、精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對(duì)歷史建筑測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)及成果歸檔的統(tǒng)一和規(guī)范，進(jìn)行了有益的嘗試。該項(xiàng)目的順利實(shí)施可為后續(xù)的第二、三批歷史建筑測(cè)繪，以及類(lèi)似的歷史文化街區(qū)規(guī)劃、保護(hù)的測(cè)繪，提供有益借鑒。