04.GIS和遥感在历史文化遗产保护中的应用

GIS和RS技术在历史文化遗产保护中的应用联合国教科文组织（UNESCO）世界遗产中心为文化遗产点管理的设计定义了四项标准：研究（Research）:Documentationofhistoricalandphysicalconditionissues;分析（Analysis）:Assessmentofphysicalconditions,culturalsignificanceandthesocialandadministrativecontext;响应（Response）:Preparingconservationandmanagementstrategies.实现（Implementation）:Carryingout,monitoringandevaluatingmanagementpolicies.使用GIS和RS能够辅助支持UNESCO提出的四项标准中的每一步的每一方面。使用GIS和RS作为标准工具，管理人员可以做到：Createrecordsofrelevantfeaturesinheritagesites;Assessandperceiveeasiertherelationofasitetoitsnaturalsurroundings;Simulatedevelopmentplansandconservationproposals;Undertakemonitoringproceduresandimprovemanagementingeneral.为什么在文化遗产保护中运用GIS和RS?GIS和RS技术在历史街区保护规划中的应用近年来，随着经济快速发展、人口的增加，正日益侵蚀着历史街区文化遗产赖以生存的环境；因各种利用目标、操作观念、技术水准等参差不一，造成了对历史街区基础资料收集的不完整，特别是在目前的历史街区保护规划中采用大多是传统方法和手段，无法做出科学的分析和决策；历史街区保护是一项长期的、动态的过程，需要全过程的动态管控和调整；20世纪90年代以来，联合国教科文组织将GIS和RS等高新技术应用于文化遗产保护规划与管理。目前，我国历史街区及文化遗产保护和管理中，GIS和RS的应用还不是非常成熟，特别是在编制保护规划方面的应用还很少见。对历史街区的现状调查建立以GIS技术为平台，以道路街巷为脉络，以院落和单独建筑单体为调查对象，人、地、房相结合的调查方法。道路街巷调查历史街区的街道格局是构成城市纹理并体现该地区个性的重要要素。对历史街区的街道格局进行调查和分析，了解和弄懂各种相关问题及其相互关系，建立历史街区道路街巷的数据库(包括图形和属性数据)，在此基础依据道路数据库的属性资料，可进行道路街巷系统专题分析图的绘制。现状建筑调查建筑调查包括建筑年代、层数、布局形式、建筑结构、建筑风格、建筑质量、建筑风貌等建筑基本属性，以及房屋产权、使用功能等社会属性。对现状建筑进行综合的价值评定，调查与建筑价值评价相关多个因子的数据。对地块和建筑进行编号，实现图形数据、属性数据和图像的关联。人口信息的调查历史街区的人口信息除了解一些总的信息，如人口的数量、年龄结构、性别结构、受教育程度、和职业等情况外，更需要知道每一个院落和独立建筑单体的具体人口分布信息，建立人口信息与建筑的关联。GIS技术在历史街区现状调查中的应用土地利用调查依据《城市用地分类与规划建设用地标准》对街区内各类用地进行划分。应用GIS分析技术，实现在历史街区现状调查过程中建筑、人口信息和土地利用性质相关联的调查方法。与历史风貌相关的构筑物调查与历史风貌相关的构筑物，如古井、桥、古树等，调查时按点状地物来对待，在调查图上绘出这些构筑物的位置，并进行编号和拍照，相关的属性数据调查按与历史风貌相关的构筑物调查表内容填写。通过编号实现图形数据与属性数据和图像数据的关联，构成完整的空间数据库。建筑与人口信息、建筑信息、建筑图像数据的关联GIS技术在历史街区现状调查中的应用GIS具有拓扑结构分析和强大的空间分析功能，能完成历史街区现状调查资料的输入、存储、管理和利用现状数据库绘制历史街区保护规划所需要现状分析图，实现图形与属性数据的双向查询、检索、分析。GIS技术在历史街区保护规划编制中的应用GIS能够在多源数据集成的基础上，进行综合评价和判断，避免由于认识局限性所造成的保护规划失误，并给决策者提供多种保护方案，从而提高历史街区保护规划成果的科学性和综合性。绘制现状专题分析图在历史街区的保护规划编制过程中，需要绘制大量的现状分析图，应用GIS数据库的属性数据可方便快捷地生成专题图和属性的分析图。CAD显然是难以完成现状专题分析图的制作。历史街区建筑保护与整治方式中的应用历史街区建筑的保护与整治要在对现状建筑充分调查研究的基础上，提出针对每一幢建筑适宜的保护与整治方式。根据历史街区建筑保护价值综合评价的影响因素，建立现状建筑保护价值的综合评价指标；在此基础上，通过实地调查，录入指标数据，制作各指标的专题图，进行专题分析，实现多因子的综合评定；在综合评定中，采用多源数据可提高价值评定的科学性和准确性。GIS技术在历史街区保护规划编制中的应用辅助划定历史街区保护等级范围边界历史街区现状专题分析图和综合评价分析图能反映出相关的多学科资料，评价不同保护规划方案保护等级范围边界效果，应用GIS的空间迭加分析功能，获得不同方案下各种分析资料，依据这些分析的数据做出评价，提出正确的保护等级边界。保护规划中各种数据的分析和汇总在历史街区保护规划中，经常需要进行一些专题数据的统计分析工作，如各种保护与整治方式下建筑的占地面积和建筑面积。公共基础设施规划中的应用规划一些基础设施，如停车场、消防栓、管网管线等，应用GIS给出历史街区现状公共设施分布状况与容量的综合评价,为公共设施空间布局规划提供科学依据。预算规划GIS有助于提高预算规划的准确性。通过比较土地费用，评价出具体项目的费用/效率比。现状每个消防栓的覆盖范围规划后每个消防栓的覆盖范围GIS技术在历史街区日常保护和管理中的应用GIS应用于历史街区的管理，将为历史街区日常的保护和管理控制提供技术支撑平台，深化和完善历史街区的保护和管理工作，实现历史街区的动态、现时的管理和控制。快速的信息查询基于GIS的历史街区保护管理信息系统可以为管理人员提供一种快速查询的可视化方法，可快速获得现状和规划的图形、图像和文字等信息。修复和维护计划使用GIS系统中数据能够很容易地判别出建筑物保护和维修的优先级别。一个建筑物总的重要性评价，需要建立一个多因子综合评价公式。从建筑物各组成部分的真实性和状况得出优先级别，制定保护和维修的计划。监视建筑状况为了监视历史街区建筑状况，每隔一定时间，对历史街区所有建筑进行调查。掌握不同时期的信息，实现对历史街区建筑动态的、现时的管理和控制。与公众信息的交流GIS用作与公众交流保护策略及促进与相关政府部门合作的工具。对公众和政策制定者显示分析结果、保护区和保护政策的最新信息。三维激光扫描与历史文物遗产保护三维激光扫描技术的基本原理三维激光扫描技术特点三维激光扫描系统是目前国际上最先进的获取地面空间多目标三维数据的长距离影像的测量技术。该技术具有非接触测量、数据采样率高、主动发射扫描光源、具有高分辨率、高精度、数字化采集和结构紧凑等特点。三维激光扫描技术的基本原理三维激光扫描仪主要采用TOF脉冲测距法(TimeofFlight)。基本原理：根据发射出去的激光束的水平方向角度和垂直方向角度，由发射到反射被接收的时间计算扫描点到仪器的距离，确定扫描点的三维空间坐标；根据反射的激光强度对点进行颜色灰度的匹配。测量点坐标计算生产厂家OptechLeicaMensi产品ILRIS-36DHDS3000GXRD200+激光安全性Class11500nmClass3Class3532nm距离精度7mm@100m单点4mm@50m单点7mm@100m定位精度8mm@100m6mm@50m单点12mm@100m最小测量距离1.5m1m1m最大测量距离1500,1000,80080%40%20%DR型2600m300m@90%134m@18%200m-90%350m扫描角度110ºV×360ºH270ºV×360ºH60ºV×360ºH内置数码相机600万像素100万24º×24º共111幅图像一体化彩色摄像机5.5倍光学变焦后处理软件Polyworks/InspectorCycloneRealworks建模精度3mm2mm2mm典型的地面三维激光扫描仪中远距离毫米级仪器近距离的毫米级仪器装备KINICAMINOLTAVIVID9i扫描范围0.5—2.5m；有可变换的望远、中焦、广角镜头，适用大小不同的物体，可获得850μm的测量精度；物体形状的测量通过三角测量，转换为3D网格图而获得，同时采集表面形态和颜色数据。FARO三维激光扫描测量臂(LaserScanArm)1.2m长度测量臂可获25μm～50μm的测量精度;通常用于如彩俑头、佛头、青铜器、御玺等国宝级文物进行微米级精细扫描及建模。传统的离散点测量数据很难重建目标原态的三维模型，三维激光扫描技术实现了目标原形从三维到三维的直接转化；三维激光扫描系统可以深入到任何复杂的现场环境及空间中，可以直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速晕构出目标的三维实体模型；三维激光扫描技术所涉及的应用，不是简单的商业问题，而是深刻的应用技术跨越。三维激光扫描技术的优点地面三维激光扫描技术的优缺点优点速度快，现场节约时间，测量完整、精确，可多视角观察可视化三维点云模型；不需要接触被测物体，光线昏暗甚至黑夜均可作业，特别是表面复杂的物体外形测量，并且能够色彩还原；能标注和测量模型的相关数据，或创建各种复杂几何形状；能将3D模型转换到CAD系统或不同软件的数据格式，进行三维建模。缺点地面扫描仪是个黑箱系统，难以检校，且仪器昂贵；扫描数据后处理时间可达数据采集所需时间的10倍，扫描易，处理难；扫描数据拼接软件价格昂贵，不完善，各厂家自成一体，互不兼容；三维建模有一定的主观性，非专业人士常受到虚拟动画的视觉迷惑，忽视了三维模型的可量测和科学性。三维激光扫描系统的应用领域：建筑与文物保护，地面景观形体测定，城市三维可视化模型的建立，变形监测等领域均取得了应用成果。大型考古测量要综合利用空间遥感信息，诸如航空摄影、卫星照片、多光谱卫星遥感影像、机载雷达影像等，对地面考古遗址开展无损探测和识别。三维激光扫描技术的发展为考古测量提供了崭新的手段。三维激光扫描系统的应用领域这方面较完整的应用有：馆藏大型遗址——秦兵马俑二号坑三维建模，故宫太和殿古建筑保存及修缮测量，长城资源调查，以及鸟巢和国家体育馆测定等。兵马俑二号坑6000m2一整体三维数字模型数据采集的流程外业数据采集选定扫描基站，安装设备，开机配置PDA无线网络3D控制软件PDA连接扫描仪并配置扫描仪相机PDA上获取目标影像定义扫描区域和扫描设置启动扫描仪监视扫描进程完成本次扫描站点扫描完成关闭扫描仪踏勘：在扫描工作前一定要对场地进行详细的踏勘，包括目标范围、规模、地形起伏、交通情况等。扫描站点设计和大地坐标参考点的选取：合理的布置不同扫描站点位置能够对后期点云数据的拼接精度有一定的提高；合理的布置大地坐标参考点对坐标匹配转换也有着重要的影响。三维实体扫描及处理的完整过程包括点云数据的获取、数据预处理、实体模型建立、数据结果的输出等步骤。三维点云预处理由于扫描仪在现场使用中工作环境复杂，例如：施工机械的运动、人员走动、树木、建筑物遮挡、施工浮尘及扫描目标本身反射性的不均匀等影响，将会造成扫描获取的点云数据的不稳定点和噪音点，需要修正或剔除。点云数据的拼接对于多站点扫描，每个扫描图幅都是以扫描仪位置为零点的局部坐标系，必须将这些点云数阵据转换到同一坐标系里组成完整的图幅。初始的点云数据同名点重合操作是否理想，将影响搜索计算工作