三维测绘为天坛复刻孪生兄弟 数字中轴线助力古都遗产保护
2023-05-08 09:08 | 来源：未知 | 作者：bj责任编辑
只需三维激光扫描仪轻轻一扫，天坛皇乾殿汉白玉石栏杆上的纹饰、外墙斑驳都清晰出现在屏幕上。近日，北京青年报记者跟随北京市测绘院中轴线测绘团队，实地测绘天坛公园，了解数字孪生中轴线背后的故事。据介绍，受北京市文物局、北京文化遗产研究院等机构委托，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。这是历史上首次对中轴线遗产点开启大范围的测绘工作，通过数字测绘技术，高精度还原了中轴线上35座古建筑及其周边场地，为规划审批、环境整治、科学考古、遗产监测提供了扎实的数据基底，助力中轴线实现信息化、智能化、精准化遗产保护。
用三维激光技术
复刻数字孪生天坛
确定摆站位置、固定站式激光扫描仪，天坛皇乾殿一角，两位北京市测绘院测绘工作人员开始了对皇乾殿的测绘。随着扫描仪上激光发射器360度旋转，发射出的激光照到建筑物上再反射回来，通过计算来回距离确定位置，反射点的空间坐标将被计算出来。
激光扫描的同时，扫描仪上安装的镜头也在拍摄全景照片，提取测绘建筑物的颜色信息。当这一个个空间坐标与颜色信息相匹配并连点成线、连线成面时，“数字孪生版”皇乾殿就呈现在电脑屏幕上。“就像咱们中国的工笔画，精细到每一根头发丝都原样描绘出来。”北京市测绘院首都功能核心区部副部长安智明说。
皇乾殿外，另一位测绘工程师陈曦正背着背包式三维激光扫描仪测绘祈年殿外的砖石路面。这个重达30余斤的大家伙上，顶部安装有一个激光发射器、5个镜头和一个卫星接收天线，背包下面是有强大处理和计算能力的计算机以及电池系统。可移动的背包扫描仪获取数据范围更大，主要负责建筑物以外的场地测绘，大到建筑小到一棵树、一处景观小品，车辆无法进入的地方，都要靠工作人员步行测绘。“每次作业我们是两个人上下午倒班，每个人每天能走到2万到3万步。”陈曦说。
对安智明和他的团队而言，天坛已经是他们本次测绘的尾声了。受北京市文物局、北京文化遗产研究院等机构委托，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，开展了中轴线遗产点的实地测绘。这是历史上首次对中轴线遗产点开启大范围的测绘工作，数字测绘工作完成后，一条数字孪生版的中轴线将呈现在世人面前。
从二维手工到三维智能
复刻精度达到毫米级
从事测绘工作29年，安智明记得刚入行时，所用到的工具只有全站仪，这种工具只能一个点一个点测，而且只能测出空间位置，而如今的激光扫描仪一次摆站就能测到上万个点，不仅有空间位置还能记录纹理和颜色。“当年梁思成和林徽因古建筑寻踪测绘，那时还需要搭脚手架，人工使用皮尺测量，再绘制到图纸上，精度是以厘米乃至分米为单位的。”安智明说。
技术发展带来最直观的变化就是精度的不断提升。中轴线上建筑物测绘精度可以达到毫米级，精细到每一块砖上的砖缝、墙皮的裂隙都能清晰表达出来。安智明介绍，不只是建筑物，对于中轴线遗产点的场地他们也会精细扫描，祈年殿外的砖石路面上任何一处破损都难逃扫描仪的“法眼”，如此精细化的工作将为日后修复提供数据支撑。
精度提升的同时，测绘人员的劳动强度大大降低，测绘工作也从二维手工向着三维自动化、智能化方向转变。若是早先搭建脚手架人工测量，仅仅祈年殿建筑本体测绘就需要一个月左右，而如今整个天坛公园的建筑物及场地测绘仅需10天到12天即可完成，大大提升了测绘效率。
技术的加持大大便利了测绘工作，真正考验测绘人员智慧与耐心的则是扫描的完整度。在占地达215万平方米的天坛遗产区，要清晰复刻每一处细节，需要工作人员精心设计扫描点位和路线。“每一个地方我们都会从不同的角度去摆站，像祈年殿下三层汉白玉圆台，我们就需要绕三圈，保证每一处部件都扫到。”安智明告诉北青报记者，一般摆站间重复率达到20%即可，但我们会远远高于这个比例，皇乾殿一般来说只要在4个角摆站即可，我们会摆二十多个，就是要考虑部件完整度。”
找到消失近90年天桥
数字技术助力考古新发现
精细而完整的外业扫描并不是测绘的结束，有了扫描数据还需要内业工作人员投入大量精力进行数据的后期处理、分析和建设。“如同拼图，外业人员制作好每一块拼图，内业人员则要负责把分散的拼图给拼在一起。”北京市测绘院享受国务院政府特殊津贴专家陈品祥告诉北青报记者。
陈品祥介绍，拼在一起后内业人员还需要进行位置校正、再将其建成三维模型并搭建平台，这样全流程工作结束后，实景三维中轴线才能呈现在大家面前。去年在北京展览馆“奋进新时代”主题成就展上，实景三维中轴线首次呈现在公众面前。“景山鼓楼互眺、天安门正阳门互眺”“永定门的雪景”这些平日难得一见的场景通过屏幕展现在观众面前，多视角让观众如同身临其境。展览只是实景三维中轴线应用场景之一。陈品祥告诉北青报记者，作为一个数据基底，实景三维中轴线的应用场景非常丰富，从规划审批、环境整治到科学考古、遗产监测，处处都能见到它的身影。
绵延7.8公里的北京中轴线，历经元、明、清及近现代逾7个世纪历史层级累积，在历史更迭中不断变迁，一些遗产点也消失在历史长河中。本次中轴线测绘过程中，通过三维测绘地理信息技术准确定位消失了近90年的天桥。史料记载，天桥是明清帝王前往天坛祭天时的必经之路，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，老天桥地上的痕迹都已消失。此前北京市也多次尝试找到天桥原址。“这次我们灵机一动，找桥先找水，水和中轴线的交汇处就是天桥。”陈品祥说。
循着这个思路，北京市测绘院工作人员通过查阅资料，发现天桥位于龙须沟之上，而龙须沟在上世纪20年代整治疏通时，被加了盖板，于是工作人员又去调查地下排水管线。“我们拿着仪器一条一条管线去排查，就发现有一条沟的盖板明显跟其他的不一样。”陈品祥介绍，结合测绘院在80年代做管线普查时留下的资料，工作人员确认该管线就是当年龙须沟所在之处，从而精准找到了天桥原址。
遗产监测系统助力
保护智能化、精准化
中轴线上各遗产点经过数百年历史洗礼，形变和破损在所难免。形变数值、破损程度如何？未来，测绘形成的实景三维数据将会为遗产监测提供扎实的数据支撑。2023年1月，《中轴线保护管理规划(2022年-2035年)》正式实施，其中提到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。
中轴线测绘将是建立遗产监测系统的重要数据基底。安智明介绍，中轴线遗产监测平台分为本体监测和风貌监测两方面。本体监测针对文物本身，通过不同周期扫描，建筑物局部形变、细小的裂缝也能被精确监测，为后期的管理和修复提供数据支撑。“扫描获得的三维模型精度达到毫米级，比航飞获得的模型精度只能达到厘米级更能监测出遗产本体细微的变化。”安智明说，除了文物本体监测信息，实景三维技术还能加入道路监测信息、人口监测信息等，实现信息化、智能化、精准化的遗产保护。
