GIS和遥感在历史文化遗产保护中的应用

1、gisgis和和rsrs技术在历史文化遗产技术在历史文化遗产 保护中的应用保护中的应用 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： l研究（研究（research）: documentation of historical and physical condition issues; l分析（分析（analysis）: assessment of physical conditions, cultural significance and the social and administrative context; l响应（响应（response）:

2、preparing conservation and management strategies. l实现（实现（implementation）: carrying out, monitoring and evaluating management policies. 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： l create records of relevant features in heritage sites; l assess and perceive easier the relation of

3、 a site to its natural surroundings; l simulate development plans and conservation proposals; l undertake monitoring procedures and improve management in general. 为什么在文化遗产保护中运用为什么在文化遗产保护中运用gisgis和和rs?rs? gisgis和和rsrs技术在历史街区保护规划中的应用技术在历史街区保护规划中的应用 l 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； l 因各种利用目

4、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； l 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； l 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。 l 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

5、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价值评定，调查与建筑价值评价相关多个因子的数据多个因子的数据。 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。 人口信息的调查人

6、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。 gisgis技术在历史街区现状调查中的应用技术在历史街区现状调查中的应用 土地利用调查土地利用调查 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

7、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 gisgis技术在历史街区现状调查中的应用技术在历史街区现状调查中的应用 gis 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

8、、检索、分析。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。 gisgis技术在历史街区保护规划编制中的应用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

9、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。 gisgis技术在历史街区保护规划编制中的应用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

10、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。 预算规划预算规划 gis有助于提高预算规划

11、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规划后每个消防栓的覆盖范围 gisgis技术在历史街区日常保护和管理中的应用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。 修复和维护计划修复和维护计划

12、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进行调 查查。掌握不同时期的信息，实现对历史街区建筑动态的、现时的管理和控制动态的、现时的管理和控制。 与公众信息的交流与公众信息的交流 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

13、产保护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的基本原理 三维激光扫描技术特点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技术的基本原理 三维激光扫描仪主要采用tof脉 冲测距法(time of flight)。 基本原理基本原理：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

14、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。 测量点坐标计算测量点坐标计算 生产厂家生产厂家optechleicamensi 产品ilris-36dhds3000gx rd200+ 激光安全性class 1 1500nmclass 3class 3 532 nm 距离精度7mm100m单点4mm50m单点7mm100m 定位精度8mm100m6mm50m 单点 12mm100m 最小测量距离1.5 m1 m1 m 最大测量距离 1500, 1000, 800 80% 40% 20% dr型 2600m 300m90% 134m18% 200m-90% 350m 扫描角度110v

15、360h270v360h60v360h 内置数码相机600万像素 100万 2424 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近距离的毫米级仪器装备 kinica minolta vivid9i l扫描范围0.52.5m； l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850m的测量精度； l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

16、集表面形态和颜色数据。 faro三维激光扫描测量臂三维激光扫描测量臂(laser scanarm) l1.2m长度测量臂可获25 m50 m的测量精度; l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。 n 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； n 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； n 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

17、刻的应用技术跨越。 三维激光扫描技术的优点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地面三维激光扫描技术的优缺点 优点优点 l 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； l 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； l 能标注和测量模型的相关数据，或创建各种复杂几何形状； l 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。 缺点缺点 l 地面扫描仪是个黑箱系统，难以检校，且仪器昂贵； l 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； l 扫描数据拼接软件价格昂

18、贵，不完善，各厂家自成一体，互不兼容； l 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。 n 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。 n 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三维激光扫描系统的应用领域 n 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

19、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。 兵马俑二号坑兵马俑二号坑6000m6000m2 2一一整体整体三三 维数字模型维数字模型 数据采集的流程数据采集的流程 外业数据采集外业数据采集 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：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：扫描站点设计和大地坐标参

20、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、数据结果的输出理、实体模型建立、数据结果的输出等步骤。 n三维点云预处理三维点云预处理 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。 n点云数据的拼接点云数据的拼接 对于多站点扫描，每个扫描图幅都是以扫描

21、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。 n模型重建模型重建 点云数据的拼接匹配好后，模型重建有两种方法: 一是三维点云三维点云 数据表面的模型重建数据表面的模型重建；二是几何模型重建几何模型重建。 三维点云数据处理三维点云数据处理 n模型重建模型重建 表面的模型重建表面的模型重建 就是将上述得到的出于同一坐标系里的点云数据自动而快速地 生成三角面片。三角面片的间隔可由用户自行指定。 模型的输出格式在软件中提供了包括*.dxf、 *.igs、.*.obj、*.pol、 *.wrl 等11 种，

22、 方便在如auotcad、3dmax 等软件中进行数据的 调用等操作。 几何模型重建几何模型重建 主要是在点云中或者数据模型中，利用几何体如点、线、面、 柱体、四面体等对物体进行拟合； 可以输出三维图形格式或autocad 格式等。 n模型的渲染模型的渲染 一种是采用颜色的渐变颜色的渐变，表示某种变化过程，如工程应用中的数 字高程模型中高程的变化。另一种方式是采用纹理贴图纹理贴图的方式，经过 照片的几何校正映射到三维模型表面。 三维点云数据处理三维点云数据处理 激光扫描技术的误差影响分析激光扫描技术的误差影响分析 三维激光扫描系统扫描过程中，误差大致可分为三类: 仪器系统仪器系统 误差误差、与

23、扫描目标相关的误差扫描目标相关的误差及外界环境导致的误差外界环境导致的误差。 仪器系统误差仪器系统误差 包括系统内轴系之间的相互旋转等引起的测距和测角误差，激光 测距信号在处理的各个环节都会带来一定的误差， 特别是光学电子、 电路中激光脉冲回波信号处理时引起误差。 扫描角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的 微小震动、扫描电机的非均匀转动控制等的综合影响。 扫描目标相关的误差扫描目标相关的误差 三维激光扫描点云的精度与物体表面的粗糙程度有密切关系。由 于三维激光回波信号有多值性特点，将造成测量位置偏差。 外界环境条件影响导致的误差外界环境条件影响导致的误差 环境条件对激光扫描的影

24、响主要表现为温度变化对仪器的细微影 响、扫描过程中风对仪器造成的微动、激光在空气中传播的方向等。 基于激光遥感的三维建模与设计基于激光遥感的三维建模与设计 激光点云激光点云与影像叠加 基于点云建模成果逆向建模得到的工程图 福州至今还保存相当一部分自唐宋以来形成的坊巷，成为历史名 城的重要标志之一。这些坊巷中最为著名的是“三坊七巷”街区。 三坊七巷地处市中心，占地约40公顷，现居民3678户，人口 14000余人。三坊七巷是南后街两旁从北到南依次排列的十条坊巷的 简称。三坊是：衣锦坊、文儒坊、光禄坊；七巷是杨桥巷、郎官巷、 塔巷、黄巷、安民巷、宫巷、吉庇巷。由于吉庇巷、杨桥巷和光禄坊 改建为马路

25、，现在保存的实际只有二坊五巷。 福州三坊七巷三维激光扫描福州三坊七巷三维激光扫描 在这个历史悠久的居民区内， 保留着丰富的文物古迹，保存一 批名人故居和明清时代的建筑。 在这居民区内，坊巷纵横，石板 铺地；白墙青瓦，结构严谨；房 屋精致，匠艺奇巧，集中体现了 闽越古城的民居特色，是闽江文 化的荟萃之所，被建筑界喻为一 座规模庞大的明清古建筑博物馆。 由福州市规划设计院组织，武汉大学数字城市研究中心参与， 采用三维激光扫描技术队“三坊七巷”古建筑院落进行了实验扫描 工作。 l 在四处具有代表性的古建筑院落进行了试点测绘工作； l 在“三坊七巷”周边的楼顶上设站扫描，采集了工作区屋顶的三 维点云数

26、据和数字影像数据。 扫描过程扫描过程 l 扫描目标现场的勘测 l 匹配点的布设和控制点坐标测量 l 站点扫描数据获取和影像数据获取 l 匹配点的精扫描 l 扫描数据及影像数据的预处理 室内扫描工作现场室内扫描工作现场 福州三坊七巷三维激光扫描福州三坊七巷三维激光扫描 欧阳花厅的侧面正射影像对正射影像的测绘 转换到cad测量 欧阳花厅侧面的测绘欧阳花厅侧面的测绘 欧阳花厅是欧阳氏民居的一部分， 欧阳氏民居精刻巧雕，鬼斧神工，精妙 无比，堪称古建筑中上乘的艺术珍品。 该民居1988年列为鼓楼区文物保护单位， 1992年由福州市人民政府挂牌保护， 2005年公布为省级文物保护单位，2006 年被公布

27、为全国重点文物保护单位。 福州市三坊七巷历史街区整体扫描福州市三坊七巷历史街区整体扫描 扫描现场拼接后的扫描点云 福州孔庙介绍：福州孔庙介绍：位于福州市圣庙路，唐大历七年（772）观察使李奇从 城西北移建于此。宋太平兴国时期（976-983）正式改学宫为孔庙。后经 宋熙宁、明洪武和清咸丰三度大火，原庙范围缩小。现存的庙宇，为咸丰 元年（1851）12月至四年（1854）6月重建的。中轴有棂星门、仪门厅、 大成殿、两侧有廊庑、官厅、乡贤祠等。大成殿为重檐九脊顶，高踞于月 台上，为福州城最雄伟的一座殿宇。殿内石柱4根，每根约3.2万斤。 福州市孔庙三维激光扫描福州市孔庙三维激光扫描 三维激光扫描现

28、场三维激光扫描现场拼接后的激光三维点云图拼接后的激光三维点云图 元代青花瓷激光三维扫描元代青花瓷激光三维扫描 元青花瓷开辟了由素瓷向彩瓷过渡的新时代，其富丽雄浑、画风豪 放，绘画层次繁多，与中华民族传统的审美情趣大相径庭，实在是中国 陶瓷史上的一朵奇葩。具有很高的艺术和历史价值。 青花瓷云点图三维建模 史前猿人头盖骨激光三维扫面史前猿人头盖骨激光三维扫面 洛阳龙门石窟洛阳龙门石窟 龙门石窟位于河南省洛阳市南郊13公 里处的伊河两岸，是国家重点文物保护单 位和国家风景名胜区。2000年，unesco将 龙门石窟列入世界文化遗产名录。 龙门石窟开凿于北魏孝文帝迁都洛阳 之际（公元493年），嗣后历经西魏、东魏、 北齐、隋、唐、五代、宋、明诸朝，现存 两千余座窟龛和十万余尊造像，多数为北 魏和盛唐两个时期的作品。 车载激光扫描系统lynx