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用数字“复刻”北京中轴线

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2月19日,北京市测绘设计研究院的工作人员,使用站式三维激光扫描仪,在太庙享殿内采集三维激光点云。
2月24日,北京市测绘设计研究院技术人员将采集的数据进行实景“三维建设”。
2月19日,太庙享殿,北京市测绘设计研究院测绘人员用手持式三维激光扫描仪,采集金丝楠木柱子的莲花柱础激光点云。
2月19日,北京市测绘设计研究院测绘人员用背包式三维激光扫描测量系统,采集太庙广场区域的三维激光点云。B08-B09版摄影/新京报记者 陈杰

太庙享殿,周佺、王明洋按设计好的站点,固定了站式三维激光扫描仪。随着三维激光扫描仪360度旋转发出的突突声,这座由68根金丝楠木撑起的恢宏大殿内的立体化三维空间数据都将被采集,并将在电脑里真实再现。

周佺、王明洋、冯冲、王东旭、陈曦五人是北京市测绘设计研究院(以下简称北京市测绘院)的工作人员,他们正在进行的太庙实景三维测绘,也是太庙历史上第一次使用三维激光扫描技术进行的测绘。作为北京中轴线的重要节点,太庙测绘,也是整个北京中轴线实地测绘即将顺利完成的一个标志。

受北京市文物局、北京文化遗产研究院等委托,2020年9月开始,北京市测绘院组织一支200多人的技术团队,开展了中轴线遗产点的实地测绘,希望通过这次史无前例的测绘工作,提供高精度的中轴线空间数据底板,助力中轴线精细治理和科学保护。

截至目前,北京市测绘院已经完成了第一阶段的北京中轴线居中道路、公共空间等系列遗产空间的实景三维建设,包括永定门、钟鼓楼、地安门内外大街等;第二阶段的太庙、中山公园、景山公园、天坛公园是最后的四个节点,计划在2023年上半年全部完成信息采集、内业整合与三维模型搭建。

北京市文物局党组书记、局长陈名杰表示,数字技术的运用,对于文物保护传承意义重大,“实景三维中轴线”将是北京中轴线的一条“数字孪生线”。

激光技术代替手工测量

与紫禁城同时建成的太庙是明清两代皇帝祭祖的宗庙,被列为全国重点文物保护单位,也是北京中轴线的构成要素之一。

2月19日,在太庙测绘现场,工作人员抬着箱子、背着双肩背开始了三维数据采集工作。

测绘人员告诉记者,箱子里装的是站式三维激光扫描仪,看似像双肩背的是带有飞盘状GNSS定位系统的背包式三维激光扫描仪,再加上一台手持式三维激光扫描仪,就可以获得太庙范围内所有的古建筑、地面、台阶、附属文物设施、道路、围墙、古树等现场全景影像和三维点云数据(数据集,将物体用点表示出来,所形成的一团一团的点,像云一样,就被叫做点云)。

这是一个高速处理的过程,通过激光脉冲遇到物体反射回仪器接收系统,来计算出物体表面点到仪器距离,再根据仪器内部角度感应器所探测出来的角度值,与内置数码相机所拍图片一一对应,计算出该点的数据。

记者在现场看到,测绘人员在操作时,只需要将仪器简单安装好后开机,设置扫描范围等相应参数。扫描开始后所生成的点云数据会直接导入软件,导入结束后全部点云会自动拼接好,工作人员在平板电脑上实时查看数据,检查拼接精度,防止数据遗漏。

北京市测绘院党委书记刘虹告诉记者,太庙作为古代皇家建筑中的礼仪祭祀建筑,建筑独特、规模宏大,数据采集颗粒度、建设精度都是相对比较精细的级别。要采集如此宏伟又精致的建筑的精细数据建档,过去的做法要先搭建脚手架,边爬上爬下边用各种尺子手工测量。这样会对建筑遗产本体有一定的破坏,且测绘速度慢、人力消耗大、测绘精度也低。

而现在,现代化的测绘技术给建筑遗产的保护工作带来了极大的便利。刘虹说,“文物古建一般都外形精美,有特殊结构和独特造型,我们通过运用三维激光扫描和贴近摄影测量这些新的测绘技术,用数字化的手段把文物的特点精细地记录和生动地表现出来,这样为文物的修缮、监测保护和管理提供强有力的数字支撑”。

北京市测绘院首都功能核心区部副部长安智明介绍,扫描事先会设计分区、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。比如站式扫描仪适合建筑群内开敞、宽阔,能通视的区域,测程能达130米。享殿须弥座台基外侧的螭首是精美的石质文物,测绘人员陈曦使用手持式三维激光扫描仪并不触碰文物本体,只是绕着螭首画圈来保留它的形制、纹饰。

为达到高度逼真的场景重构,太庙琉璃门外的古柏林和绿地也需要采集数据,测绘人员王东旭要背着背包式三维激光扫描仪匀速走过,这种背包式三维激光扫描仪的最长测程是200米,在树下走过就能获取树干树冠的数据。

安智明介绍,点云可以直接表达物体的空间轮廓和具体位置,比如享殿的样子、形状、到仪器的距离;点云本身和视角无关,也就是说你可以任意旋转,可以从不同角度和方向来观察;另外,不同的点云只要在同一个坐标系下就可以直接融合。

“除了不能拐弯和透视,我们眼睛能看到的建筑表层都能扫到,还可以保存更多特征信息,不仅包含X、Y、Z轴的信息,还包括颜色信息,建筑等反射率的信息,这样全面的信息能给人一种建筑在电脑里真实再现的感觉”,安智明说。

安智明告诉记者,测绘领域的基础细胞就是“点”,有了点,就可以连成线,有了线就可以连成面,可以说万物皆点云,一个典型的密集点云项目少则上千万点,多则几十亿点,现代测绘的做法是快速大范围获取数据,将现场装到电脑里,然后回到办公室慢慢处理。

“现在测绘技术先进了,外业进场工作也没有以前那样艰苦,以前我们外业和内业花的时间是1:1,现在是1:8,整个太庙建筑群布设了近400个站点,扫描下来只用了四天,而更多的时间会投入到大量数据的后期处理、分析、建设上”,现场测绘人员陈曦说。

一场史无前例的测绘工作

中轴线是城市的脊梁。法国巴黎、美国华盛顿、澳大利亚堪培拉等首都城市都有中轴线,墨西哥的特奥蒂瓦坎等一批有轴线文明的古城已进入联合国教科文组织世界遗产名录。

北京市测绘院党委委员陈品祥告诉记者,与巴黎、柏林等城市轴线不同,北京中轴线不是由实体街道组成,而是通过一系列遗址点参照或空中俯视才能感受到那种“前后起伏、左右对称”的壮美秩序,实地探访时,在任何一个遗产点都无法一览全局。而数字产品则可以突破时空界限,让大家体会到中轴线的独特神韵。

陈品祥说,中轴线作为北京老城严谨对称空间布局的核心,是引导城市发展的规划核心。长期以来,中轴线影响和引导着北京城市的空间发展布局和城市规划设计。如今,传统的中轴线得到了发展和继承,由原来的7.8公里向南延伸至北京大兴国际机场、向北延伸至燕山脚下。那么,构成中轴线的一系列遗址点之间究竟在空间上是什么关系?这不仅是中轴线保护需要明确的问题,也是未来北京城市功能布局沿中轴线延伸规划所需的科学依据。

历史上,北京中轴线曾经排列着42座古建筑,现存35座,有10座已经消失,3座被重建。对消失古建筑遗址进行原址定位、复原与重建,也是恢复中轴线历史景观、保护历史文化风貌、丰富中轴线文化内涵的必要举措。

受北京市文物局、北京文化遗产研究院等委托,2020年,北京市测绘院结合历史地形图和历史资料,开展了中轴线遗产点的实地测绘,首次准确测定了中轴线遗址点坐标,及由此拟合的中轴线方位。

2020年9月开始,北京市测绘院组织了一支200多人的技术团队,率先对天安门地区各要素进行了超精细化的测绘和三维建模;2021年8月开始,测绘院又组建“橙色工匠实战队”,负责搭建“实景三维中轴线”。

截至目前,北京市测绘院已经完成了第一阶段的北京中轴线居中道路、公共空间等系列遗产空间的实景三维建设,包括永定门、钟鼓楼、地安门内外大街等;第二阶段的太庙、中山公园、景山公园、天坛公园是最后的四个节点,计划在2023年上半年全部完成信息采集、内业整合与三维模型搭建。

而最终形成的数字孪生中轴线成果,将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板。

“从测绘人角度看,建设实景三维中轴线就是使用新型基础测绘的新工具,生产新成果”,陈品祥说。

实景三维技术

北京市测绘院里,冯冲正在对太庙享殿的点云进行监测和建模,他解释,我们可以将点云就当成是现场,直接在点云上进行测量,点云的每一个点都有自己的坐标,可以直接查询点坐标,有了坐标一切都好办。我们可以根据点云实际情况直接在点云上三维建模,比如拉出建筑物框架,再在上面贴图附纹理,建成实景三维的太庙。

相关专家表示,目前,“实景三维中国”被看作是比肩高铁、北斗的战略性重大基础设施工程,在城市层面,尤其是在小区域应用层面,实景三维其实已经得到了应用,并且效果很好。

“橙色工匠实战队”队长、北京市测绘院研发中心副主任闫宁告诉记者,要展示一条真实的数字中轴线,离不开数字测绘与数字三维建模技术。实景三维中轴线建设是个需要高度配合的工作,严格按照内业——外业——内业的流程进行的,首先是内业基础资料整理、技术方案制定;其次是外业信息扫描、图像信息采集;最后是内业数据经过简化、整合的建设,以获得三维立体实景的数字模型。

“流程前期,以太庙为例,我们首先搜集了太庙及周围的卫星航空和航天影像,分别是1943年、1951年、1959年、1998年、2007年和2022年,最后选择1959年的影像作为接下来外业测绘的工作底图,因为这个时期最能显示太庙完整的空间格局”,北京测绘院首都功能核心区部的张翼然说。

“一二十年前的影像,可以看出那个时期兴建的一批非文物建筑,而最新影像里,在中轴线保护过程中,这些建筑已逐渐被拆除,可以明显看到腾退前后的变化和效果,计算出面积与规模”,张翼然说。

进入外业扫描阶段和后期数据处理阶段,“我们遇到了很多困难和挑战”,闫宁告诉记者,整个中轴线的实景三维建设开展于2021年8月26日,先农坛是测绘第一站。

“我们遇到的第一个问题就是中轴线道路上车辆和行人密集,很多要素无法采集。我们经过技术论证,采用了半夜补充扫描采集的方案,通过对数据的融合整理,才最终获取到了中轴线完整的外业数据成果”。

闫宁说,在先农坛外业扫描中,由于树木遮挡和实际地形复杂等导致点云数据拼接不上,不断试错之下,通过调整扫描站点位置,一点一点地推进数据获取范围。

而在内业数据处理阶段,由于数据是采用了不同的技术路线采集完成,在三维场景整合时这些数据之间存在偏差,无法有效融合成一个整体,为了保障实景三维中轴线成果精度,首先得对各类数据精度进行单独评测,之后通过数据纠偏、配准和融合,才解决了这一棘手问题。

之后,“为了能够更好地去呈现实景三维中轴线的数据成果,我们采用了先进的游戏引擎,也就是通过一系列数学计算步骤给我们展示出五彩斑斓的类似游戏观感的世界,用专业用词来描述这个过程就是‘渲染’,具体到中轴线渲染突出的是真实、古朴、庄重”。

“大家印象里的Google Earth,只是2.5D的图像化表达,技术标准已经远达不到实景三维的要求,打个比方,太庙的古柏,我们用测绘去表达一棵树很容易,但要表达遒劲挺拔的古柏就不太容易了。实景三维中轴线的场景不仅要形似,还要神似,而且随着季节变化,雨天、雪天,自然景观会不断发生变化”,闫宁说。

天桥原址定位与考古发现

700余年来,北京中轴线随着历史更迭不断演变。因此,实景三维测绘不仅要清晰测定现存、已消失遗产节点的空间位置,还要追溯其历史变革。

天桥始建于元代,明嘉靖三十三年增筑外城后,北京中轴线由此延伸到永定门,它不仅是近代老北京民俗文化的代表性区域,也是北京古代城市建设兴盛时期的见证。

“我在北京南城长大,打小就经常听老人们聊起天桥。它是一座单孔汉白玉石拱桥,三梁四栏,桥身很高。民间有这样一个传说,正阳门是龙头,天桥是龙鼻,桥下的水沟是两条龙须,所以天桥下自西向东流过的水,就叫龙须沟。”北京市测绘院信息二部的吴佶告诉记者,老天桥是古代皇帝祭天的必经之路,也是北京中轴线的重要节点。但经过历代降低拱桥、扩展路面、拆除栏板等多次改造,老天桥地上、地下的痕迹都已消失。

怎样准确定位天桥原址?2021年,北京市测绘院启动天桥原址定位工作。一开始想到的是利用地质雷达推扫的方式去探寻隐藏在地下的秘密,但是,天桥的大概位置处于4条城市主干道的交叉路口,复杂的地面条件给推扫带来很大麻烦,而且这个区域经历过多次道路施工、地下管线改造,很难通过地质雷达影像做出判断。

在查阅了大量资料后,测绘院发现,天桥位于龙须沟之上,是沟通前门与永定门地区之间的桥梁。而在1929年的整治疏通工程中,龙须沟改为暗沟,文献中有明确记载,“沟底用青石板铺筑,沟帮用城砖砌筑,沟顶盖花岗岩石板”。

史料中还有一段文字引起了测绘院的注意:1953年二季度,卫生工程局下水道维修队实施新建珠市口南大街东侧,也就是天桥以北东侧的下水道工程。施工期间,新建下水道的南端接入龙须沟暗沟,并拆除了天桥东北角的燕翅和局部桥台前墙。

最终,测绘院决定另辟蹊径,通过调查地下排水管线的方法,聚焦中轴线与龙须沟暗沟交汇位置,辅助解决天桥原址定位问题。

测绘院将1971年管线普查的图纸档案与上世纪50年代的历史影像图叠加后,基本确定了龙须沟的位置,再取龙须沟水系与中轴线的交点,确定天桥的准确方位。

天桥原址的位置得以确认,在现天桥景观以北32米处。对这一结果,北京市文物局组织了多轮专家论证,给予肯定。

陈品祥告诉记者,除天桥原址定位,测绘院协助中轴线考古,在南中轴路发现了明嘉靖三十二年(甚或更早)以来依次叠压的七条道路,明确了南中轴路的规制和工程做法;以及协助正阳桥考古现场挖掘出东南角镇水兽、古桥东南侧部分桥体遗存,为进一步明晰遗址各要素的组合构成等提供了真实、精确的空间数据支撑。

建立遗产监测系统

2022年9月,在北京市规划展览馆的“数瞰北京”展览中,北京市测绘院利用VR技术,对中轴线上已消失的北上门、地安门等节点,基于《北京城中轴线古建筑实测图集》,按照1:1的比例尺进行三维复建与虚拟表达,开发手机移动端APP,实现“与现实无缝融合的数字北上门”,公众可在实地与消失的建筑合影。

“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。通过现代技术,把历史图像与现实图像叠加,我们能切实感受到中轴线一直在‘生长’”。陶迎春表示。

北京中轴线保护工作相关工作人员表示,实景三维可应用于中轴线遗产保护,实现前后效果对比和未来实现实时动态监测;还可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。从发现、修复,到展示、利用,再到监测、研究,北京中轴线文化遗产保护的轮廓逐渐清晰。

2023年1月,《中轴线保护管理规划(2022年-2035年)》重点提出要高标准建立遗产监测系统,通过对遗产保存的空间格局和本体状况、自然和社会环境状况等方面的监测,提升预防性保护管理水平。这对中轴线历史和现状信息的完整性和准确性提出了更高要求。

刘虹表示,通过搭建三维场景,真实展现中轴线遗产在重要时间节点的整体格局及景观面貌;对已经消失的古建筑根据史料进行三维重建,对尚存的古建筑通过激光扫描对内部结构和外部景观进行精确建模,这样通过数字技术来构建中轴线遗产监测平台。然后周期性对建筑高度、形制、立面及整治修缮情况进行监测,促进中轴线遗产周边风貌整治、腾退修缮、规划管控等工作朝着科学化、精细化、信息化方向发展。

草长莺飞,开春时节的北京市劳动人民文化宫里,太庙非文物建筑拆除区域环境整治工程项目正在进行,工人们在进行草坪种植和地面铺装;享殿身后的祧庙也在进行保护性修缮,殿宇屋顶的底瓦、筒瓦、滴水、勾头等都小心翼翼地揭取下来堆放一边,等待修缮完成后再回原位。

一直在修缮现场的北京劳动人民文化宫党委书记、主任李鹏告诉记者,目前实景三维太庙还在建设中,建好后它将把我们带进一个虚拟的真实世界,有助于启迪我们的思维,催生新的应用。

“比如日常修缮的勘查阶段,通过阶段性的三维数据的对比,能够发现我们在人工巡查肉眼监测中不容易发现的一些病害,提高工作效率,实景三维不仅高清地记录了文物的空间分布及本体特征,包括其颜色、纹理、形态等,古建是否有缺损、倾斜、剥落等,都能够详细地表达和记录下来”,李鹏说。

北京市文物局党组书记、局长陈名杰表示,数字技术的运用,对于文物保护传承意义重大,一方面对文物的稳定性,病害有了更精准的监测,如同“治未病”, 当文物还没有发生病害或者说是发生轻微病害的时候,及时发现,及时采取干预措施,抓早抓小肯定对文物保护,对它的延年益寿是最有意义的;另一方面也留下了更加全面、立体、系统的资料,这对我们做管理、做传播,都非常有意义。

新京报记者 刘旻

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