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三維測(cè)繪為天壇復(fù)刻孿生兄弟 數(shù)字中軸線助力古都遺產(chǎn)保護(hù)

發(fā)布時(shí)間:2023-05-08 14:38:00來源: 北京青年報(bào)

  只需三維激光掃描儀輕輕一掃,天壇皇乾殿漢白玉石欄桿上的紋飾、外墻斑駁都清晰出現(xiàn)在屏幕上。近日,北京青年報(bào)記者跟隨北京市測(cè)繪院中軸線測(cè)繪團(tuán)隊(duì),實(shí)地測(cè)繪天壇公園,了解數(shù)字孿生中軸線背后的故事。據(jù)介紹,受北京市文物局、北京文化遺產(chǎn)研究院等機(jī)構(gòu)委托,2020年9月開始,北京市測(cè)繪院組織一支200多人的技術(shù)團(tuán)隊(duì),開展了中軸線遺產(chǎn)點(diǎn)的實(shí)地測(cè)繪。這是歷史上首次對(duì)中軸線遺產(chǎn)點(diǎn)開啟大范圍的測(cè)繪工作,通過數(shù)字測(cè)繪技術(shù),高精度還原了中軸線上35座古建筑及其周邊場(chǎng)地,為規(guī)劃審批、環(huán)境整治、科學(xué)考古、遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)提供了扎實(shí)的數(shù)據(jù)基底,助力中軸線實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、精準(zhǔn)化遺產(chǎn)保護(hù)。

  用三維激光技術(shù)

  復(fù)刻數(shù)字孿生天壇

  確定擺站位置、固定站式激光掃描儀,天壇皇乾殿一角,兩位北京市測(cè)繪院測(cè)繪工作人員開始了對(duì)皇乾殿的測(cè)繪。隨著掃描儀上激光發(fā)射器360度旋轉(zhuǎn),發(fā)射出的激光照到建筑物上再反射回來,通過計(jì)算來回距離確定位置,反射點(diǎn)的空間坐標(biāo)將被計(jì)算出來。

  激光掃描的同時(shí),掃描儀上安裝的鏡頭也在拍攝全景照片,提取測(cè)繪建筑物的顏色信息。當(dāng)這一個(gè)個(gè)空間坐標(biāo)與顏色信息相匹配并連點(diǎn)成線、連線成面時(shí),“數(shù)字孿生版”皇乾殿就呈現(xiàn)在電腦屏幕上?!熬拖裨蹅冎袊?guó)的工筆畫,精細(xì)到每一根頭發(fā)絲都原樣描繪出來。”北京市測(cè)繪院首都功能核心區(qū)部副部長(zhǎng)安智明說。

  皇乾殿外,另一位測(cè)繪工程師陳曦正背著背包式三維激光掃描儀測(cè)繪祈年殿外的磚石路面。這個(gè)重達(dá)30余斤的大家伙上,頂部安裝有一個(gè)激光發(fā)射器、5個(gè)鏡頭和一個(gè)衛(wèi)星接收天線,背包下面是有強(qiáng)大處理和計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)以及電池系統(tǒng)??梢苿?dòng)的背包掃描儀獲取數(shù)據(jù)范圍更大,主要負(fù)責(zé)建筑物以外的場(chǎng)地測(cè)繪,大到建筑小到一棵樹、一處景觀小品,車輛無法進(jìn)入的地方,都要靠工作人員步行測(cè)繪?!懊看巫鳂I(yè)我們是兩個(gè)人上下午倒班,每個(gè)人每天能走到2萬到3萬步?!标愱卣f。

  對(duì)安智明和他的團(tuán)隊(duì)而言,天壇已經(jīng)是他們本次測(cè)繪的尾聲了。受北京市文物局、北京文化遺產(chǎn)研究院等機(jī)構(gòu)委托,2020年9月開始,北京市測(cè)繪院組織了一支200多人的技術(shù)團(tuán)隊(duì),開展了中軸線遺產(chǎn)點(diǎn)的實(shí)地測(cè)繪。這是歷史上首次對(duì)中軸線遺產(chǎn)點(diǎn)開啟大范圍的測(cè)繪工作,數(shù)字測(cè)繪工作完成后,一條數(shù)字孿生版的中軸線將呈現(xiàn)在世人面前。

  從二維手工到三維智能

  復(fù)刻精度達(dá)到毫米級(jí)

  從事測(cè)繪工作29年,安智明記得剛?cè)胄袝r(shí),所用到的工具只有全站儀,這種工具只能一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)測(cè),而且只能測(cè)出空間位置,而如今的激光掃描儀一次擺站就能測(cè)到上萬個(gè)點(diǎn),不僅有空間位置還能記錄紋理和顏色。“當(dāng)年梁思成和林徽因古建筑尋蹤測(cè)繪,那時(shí)還需要搭腳手架,人工使用皮尺測(cè)量,再繪制到圖紙上,精度是以厘米乃至分米為單位的?!卑仓敲髡f。

  技術(shù)發(fā)展帶來最直觀的變化就是精度的不斷提升。中軸線上建筑物測(cè)繪精度可以達(dá)到毫米級(jí),精細(xì)到每一塊磚上的磚縫、墻皮的裂隙都能清晰表達(dá)出來。安智明介紹,不只是建筑物,對(duì)于中軸線遺產(chǎn)點(diǎn)的場(chǎng)地他們也會(huì)精細(xì)掃描,祈年殿外的磚石路面上任何一處破損都難逃掃描儀的“法眼”,如此精細(xì)化的工作將為日后修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。

  精度提升的同時(shí),測(cè)繪人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低,測(cè)繪工作也從二維手工向著三維自動(dòng)化、智能化方向轉(zhuǎn)變。若是早先搭建腳手架人工測(cè)量,僅僅祈年殿建筑本體測(cè)繪就需要一個(gè)月左右,而如今整個(gè)天壇公園的建筑物及場(chǎng)地測(cè)繪僅需10天到12天即可完成,大大提升了測(cè)繪效率。

  技術(shù)的加持大大便利了測(cè)繪工作,真正考驗(yàn)測(cè)繪人員智慧與耐心的則是掃描的完整度。在占地達(dá)215萬平方米的天壇遺產(chǎn)區(qū),要清晰復(fù)刻每一處細(xì)節(jié),需要工作人員精心設(shè)計(jì)掃描點(diǎn)位和路線?!懊恳粋€(gè)地方我們都會(huì)從不同的角度去擺站,像祈年殿下三層漢白玉圓臺(tái),我們就需要繞三圈,保證每一處部件都掃到。”安智明告訴北青報(bào)記者,一般擺站間重復(fù)率達(dá)到20%即可,但我們會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個(gè)比例,皇乾殿一般來說只要在4個(gè)角擺站即可,我們會(huì)擺二十多個(gè),就是要考慮部件完整度?!?/p>

  找到消失近90年天橋

  數(shù)字技術(shù)助力考古新發(fā)現(xiàn)

  精細(xì)而完整的外業(yè)掃描并不是測(cè)繪的結(jié)束,有了掃描數(shù)據(jù)還需要內(nèi)業(yè)工作人員投入大量精力進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期處理、分析和建設(shè)?!叭缤磮D,外業(yè)人員制作好每一塊拼圖,內(nèi)業(yè)人員則要負(fù)責(zé)把分散的拼圖給拼在一起?!北本┦袦y(cè)繪院享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家陳品祥告訴北青報(bào)記者。

  陳品祥介紹,拼在一起后內(nèi)業(yè)人員還需要進(jìn)行位置校正、再將其建成三維模型并搭建平臺(tái),這樣全流程工作結(jié)束后,實(shí)景三維中軸線才能呈現(xiàn)在大家面前。去年在北京展覽館“奮進(jìn)新時(shí)代”主題成就展上,實(shí)景三維中軸線首次呈現(xiàn)在公眾面前?!熬吧焦臉腔ヌ?、天安門正陽(yáng)門互眺”“永定門的雪景”這些平日難得一見的場(chǎng)景通過屏幕展現(xiàn)在觀眾面前,多視角讓觀眾如同身臨其境。展覽只是實(shí)景三維中軸線應(yīng)用場(chǎng)景之一。陳品祥告訴北青報(bào)記者,作為一個(gè)數(shù)據(jù)基底,實(shí)景三維中軸線的應(yīng)用場(chǎng)景非常豐富,從規(guī)劃審批、環(huán)境整治到科學(xué)考古、遺產(chǎn)監(jiān)測(cè),處處都能見到它的身影。

  綿延7.8公里的北京中軸線,歷經(jīng)元、明、清及近現(xiàn)代逾7個(gè)世紀(jì)歷史層級(jí)累積,在歷史更迭中不斷變遷,一些遺產(chǎn)點(diǎn)也消失在歷史長(zhǎng)河中。本次中軸線測(cè)繪過程中,通過三維測(cè)繪地理信息技術(shù)準(zhǔn)確定位消失了近90年的天橋。史料記載,天橋是明清帝王前往天壇祭天時(shí)的必經(jīng)之路,也是北京中軸線的重要節(jié)點(diǎn)。但經(jīng)過歷代降低拱橋、擴(kuò)展路面、拆除欄板等多次改造,老天橋地上的痕跡都已消失。此前北京市也多次嘗試找到天橋原址?!斑@次我們靈機(jī)一動(dòng),找橋先找水,水和中軸線的交匯處就是天橋。”陳品祥說。

  循著這個(gè)思路,北京市測(cè)繪院工作人員通過查閱資料,發(fā)現(xiàn)天橋位于龍須溝之上,而龍須溝在上世紀(jì)20年代整治疏通時(shí),被加了蓋板,于是工作人員又去調(diào)查地下排水管線。“我們拿著儀器一條一條管線去排查,就發(fā)現(xiàn)有一條溝的蓋板明顯跟其他的不一樣。”陳品祥介紹,結(jié)合測(cè)繪院在80年代做管線普查時(shí)留下的資料,工作人員確認(rèn)該管線就是當(dāng)年龍須溝所在之處,從而精準(zhǔn)找到了天橋原址。

  遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)助力

  保護(hù)智能化、精準(zhǔn)化

  中軸線上各遺產(chǎn)點(diǎn)經(jīng)過數(shù)百年歷史洗禮,形變和破損在所難免。形變數(shù)值、破損程度如何?未來,測(cè)繪形成的實(shí)景三維數(shù)據(jù)將會(huì)為遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)提供扎實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。2023年1月,《中軸線保護(hù)管理規(guī)劃(2022年-2035年)》正式實(shí)施,其中提到要高標(biāo)準(zhǔn)建立遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過對(duì)遺產(chǎn)保存的空間格局和本體狀況、自然和社會(huì)環(huán)境狀況等方面的監(jiān)測(cè),提升預(yù)防性保護(hù)管理水平。

  中軸線測(cè)繪將是建立遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)基底。安智明介紹,中軸線遺產(chǎn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)分為本體監(jiān)測(cè)和風(fēng)貌監(jiān)測(cè)兩方面。本體監(jiān)測(cè)針對(duì)文物本身,通過不同周期掃描,建筑物局部形變、細(xì)小的裂縫也能被精確監(jiān)測(cè),為后期的管理和修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐?!皰呙璜@得的三維模型精度達(dá)到毫米級(jí),比航飛獲得的模型精度只能達(dá)到厘米級(jí)更能監(jiān)測(cè)出遺產(chǎn)本體細(xì)微的變化?!卑仓敲髡f,除了文物本體監(jiān)測(cè)信息,實(shí)景三維技術(shù)還能加入道路監(jiān)測(cè)信息、人口監(jiān)測(cè)信息等,實(shí)現(xiàn)信息化、智能化、精準(zhǔn)化的遺產(chǎn)保護(hù)。文/本報(bào)記者 張?jiān)码?/p>

(責(zé)編:陳濛濛)

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