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)記者跟隨北京市測繪院中軸線測繪團(tuán)隊(duì)，實(shí)地測繪天壇公園，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)地測繪。這是歷史上首次對中軸線遺產(chǎn)點(diǎn)開啟大范圍的測繪工作，通過數(shù)字測繪技術(shù)，高精度還原了中軸線上35座古建筑及其周邊場地，為規(guī)劃審批、環(huán)境整治、科學(xué)考古、遺產(chǎn)監(jiān)測提供了扎實(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，兩位北京市測繪院測繪工作人員開始了對皇乾殿的測繪。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。“就像咱們中國的工筆畫，精細(xì)到每一根頭發(fā)絲都原樣描繪出來。”北京市測繪院首都功能核心區(qū)部副部長安智明說。

　　皇乾殿外，另一位測繪工程師陳曦正背著背包式三維激光掃描儀測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)。可移動的背包掃描儀獲取數(shù)據(jù)范圍更大，主要負(fù)責(zé)建筑物以外的場地測繪，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繪。“每次作業(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。”陳曦說。

　　對安智明和他的團(tuán)隊(duì)而言，天壇已經(jīng)是他們本次測繪的尾聲了。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)地測繪。這是歷史上首次對中軸線遺產(chǎn)點(diǎn)開啟大范圍的測繪工作，數(shù)字測繪工作完成后，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

　　從事測繪工作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，而且只能測出空間位置，而如今的激光掃描儀一次擺站就能測到上萬個(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繪，那時(shí)還需要搭腳手架，人工使用皮尺測量，再繪制到圖紙上，精度是以厘米乃至分米為單位的。”安智明說。

　　技術(shù)發(fā)展帶來最直觀的變化就是精度的不斷提升。中軸線上建筑物測繪精度可以達(dá)到毫米級，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，對于中軸線遺產(chǎn)點(diǎn)的場地他們也會精細(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)，測繪人員的勞動強(qiáng)度大大降低，測繪工作也從二維手工向著三維自動化、智能化方向轉(zhuǎn)變。若是早先搭建腳手架人工測量，僅僅祈年殿建筑本體測繪就需要一個(gè)月左右，而如今整個(gè)天壇公園的建筑物及場地測繪僅需10天到12天即可完成，大大提升了測繪效率。

　　技術(shù)的加持大大便利了測繪工作，真正考驗(yàn)測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。“每一個(gè)地方我們都會從不同的角度去擺站，像祈年殿下三層漢白玉圓臺，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，我們會擺二十多個(gè)，就是要考慮部件完整度。”

　　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)。“如同拼圖，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。”北京市測繪院享受國務(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，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。“景山鼓樓互眺、天安門正陽門互眺”“永定門的雪景”這些平日難得一見的場景通過屏幕展現(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，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)也消失在歷史長河中。本次中軸線測繪過程中，通過三維測繪地理信息技術(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。“這次我們靈機(jī)一動，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，測繪形成的實(shí)景三維數(shù)據(jù)將會為遺產(chǎn)監(jiān)測提供扎實(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)測系統(tǒng)，通過對遺產(chǎn)保存的空間格局和本體狀況、自然和社會環(huán)境狀況等方面的監(jiān)測，提升預(yù)防性保護(hù)管理水平。

　　中軸線測繪將是建立遺產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)基底。安智明介紹，中軸線遺產(chǎn)監(jiān)測平臺分為本體監(jiān)測和風(fēng)貌監(jiān)測兩方面。本體監(jiān)測針對文物本身，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，為后期的管理和修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。“掃描獲得的三維模型精度達(dá)到毫米級，比航飛獲得的模型精度只能達(dá)到厘米級更能監(jiān)測出遺產(chǎn)本體細(xì)微的變化。”安智明說，除了文物本體監(jiān)測信息，實(shí)景三維技術(shù)還能加入道路監(jiān)測信息、人口監(jiān)測信息等，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>