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GIS和RS技術(shù)在歷史文化遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用,,聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）世界遺產(chǎn)中心為文化遺產(chǎn)點管理的設(shè)計定義了四項標準： 研究（Research）: Documentation of historical and physical condition issues; 分析（Analysis）: Assessment of physical conditions, cultural significance and the social and administrative context; 響應(yīng)（Response）: Preparing conservation and management strategies. 實現(xiàn)（Implementation）: Carrying out, monitoring and evaluating management policies. 使用GIS和RS能夠輔助支持UNESCO提出的四項標準中的每一步的每一方面。使用GIS和RS作為標準工具，管理人員可以做到： Create records of relevant features in heritage sites; Assess and perceive easier the relation of a site to its natural surroundings; Simulate development plans and conservation proposals; Undertake monitoring procedures and improve management in general.,為什么在文化遺產(chǎn)保護中運用GIS和RS?,GIS和RS技術(shù)在歷史街區(qū)保護規(guī)劃中的應(yīng)用,近年來，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展、人口的增加，正日益侵蝕著歷史街區(qū)文化遺產(chǎn)賴以生存的環(huán)境； 因各種利用目標、操作觀念、技術(shù)水準等參差不一，造成了對歷史街區(qū)基礎(chǔ)資料收集的不完整，特別是在目前的歷史街區(qū)保護規(guī)劃中采用大多是傳統(tǒng)方法和手段，無法做出科學(xué)的分析和決策； 歷史街區(qū)保護是一項長期的、動態(tài)的過程，需要全過程的動態(tài)管控和調(diào)整； 20世紀90年代以來，聯(lián)合國教科文組織將GIS和RS等高新技術(shù)應(yīng)用于文化遺產(chǎn)保護規(guī)劃與管理。 目前，我國歷史街區(qū)及文化遺產(chǎn)保護和管理中， GIS和RS的應(yīng)用還不是非常成熟，特別是在編制保護規(guī)劃方面的應(yīng)用還很少見。,對歷史街區(qū)的現(xiàn)狀調(diào)查建立以GIS技術(shù)為平臺，以道路街巷為脈絡(luò)，以院落和單獨建筑單體為調(diào)查對象，人、地、房相結(jié)合的調(diào)查方法。 道路街巷調(diào)查 歷史街區(qū)的街道格局是構(gòu)成城市紋理并體現(xiàn)該地區(qū)個性的重要要素。 對歷史街區(qū)的街道格局進行調(diào)查和分析，了解和弄懂各種相關(guān)問題及其相互關(guān)系，建立歷史街區(qū)道路街巷的數(shù)據(jù)庫(包括圖形和屬性數(shù)據(jù))，在此基礎(chǔ)依據(jù)道路數(shù)據(jù)庫的屬性資料，可進行道路街巷系統(tǒng)專題分析圖的繪制。 現(xiàn)狀建筑調(diào)查 建筑調(diào)查包括建筑年代、層數(shù)、布局形式、建筑結(jié)構(gòu)、建筑風(fēng)格、建筑質(zhì)量、建筑風(fēng)貌等建筑基本屬性，以及房屋產(chǎn)權(quán)、使用功能等社會屬性。對現(xiàn)狀建筑進行綜合的價值評定，調(diào)查與建筑價值評價相關(guān)多個因子的數(shù)據(jù)。 對地塊和建筑進行編號，實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和圖像的關(guān)聯(lián)。 人口信息的調(diào)查 歷史街區(qū)的人口信息除了解一些總的信息，如人口的數(shù)量、年齡結(jié)構(gòu)、性別結(jié)構(gòu)、受教育程度、和職業(yè)等情況外，更需要知道每一個院落和獨立建筑單體的具體人口分布信息，建立人口信息與建筑的關(guān)聯(lián)。,GIS技術(shù)在歷史街區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查中的應(yīng)用,土地利用調(diào)查 依據(jù)《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標準》對街區(qū)內(nèi)各類用地進行劃分。應(yīng)用GIS分析技術(shù)，實現(xiàn)在歷史街區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查過程中建筑、人口信息和土地利用性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的調(diào)查方法。 與歷史風(fēng)貌相關(guān)的構(gòu)筑物調(diào)查 與歷史風(fēng)貌相關(guān)的構(gòu)筑物，如古井、橋、古樹等，調(diào)查時按點狀地物來對待，在調(diào)查圖上繪出這些構(gòu)筑物的位置，并進行編號和拍照，相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)調(diào)查按與歷史風(fēng)貌相關(guān)的構(gòu)筑物調(diào)查表內(nèi)容填寫。 通過編號實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，構(gòu)成完整的空間數(shù)據(jù)庫。,建筑與人口信息、建筑信息、建筑圖像數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián),GIS技術(shù)在歷史街區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查中的應(yīng)用,GIS具有拓撲結(jié)構(gòu)分析和強大的空間分析功能，能完成歷史街區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查資料的輸入、存儲、管理和利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫繪制歷史街區(qū)保護規(guī)劃所需要現(xiàn)狀分析圖，實現(xiàn)圖形與屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢、檢索、分析。,GIS技術(shù)在歷史街區(qū)保護規(guī)劃編制中的應(yīng)用,GIS能夠在多源數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，進行綜合評價和判斷，避免由于認識局限性所造成的保護規(guī)劃失誤，并給決策者提供多種保護方案，從而提高歷史街區(qū)保護規(guī)劃成果的科學(xué)性和綜合性。 繪制現(xiàn)狀專題分析圖 在歷史街區(qū)的保護規(guī)劃編制過程中，需要繪制大量的現(xiàn)狀分析圖，應(yīng)用GIS數(shù)據(jù)庫的屬性數(shù)據(jù)可方便快捷地生成專題圖和屬性的分析圖。CAD顯然是難以完成現(xiàn)狀專題分析圖的制作。 歷史街區(qū)建筑保護與整治方式中的應(yīng)用 歷史街區(qū)建筑的保護與整治要在對現(xiàn)狀建筑充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，提出針對每一幢建筑適宜的保護與整治方式。 根據(jù)歷史街區(qū)建筑保護價值綜合評價的影響因素，建立現(xiàn)狀建筑保護價值的綜合評價指標；在此基礎(chǔ)上，通過實地調(diào)查，錄入指標數(shù)據(jù)，制作各指標的專題圖，進行專題分析，實現(xiàn)多因子的綜合評定；在綜合評定中，采用多源數(shù)據(jù)可提高價值評定的科學(xué)性和準確性。,GIS技術(shù)在歷史街區(qū)保護規(guī)劃編制中的應(yīng)用,輔助劃定歷史街區(qū)保護等級范圍邊界 歷史街區(qū)現(xiàn)狀專題分析圖和綜合評價分析圖能反映出相關(guān)的多學(xué)科資料，評價不同保護規(guī)劃方案保護等級范圍邊界效果，應(yīng)用GIS的空間迭加分析功能，獲得不同方案下各種分析資料，依據(jù)這些分析的數(shù)據(jù)做出評價，提出正確的保護等級邊界。,保護規(guī)劃中各種數(shù)據(jù)的分析和匯總 在歷史街區(qū)保護規(guī)劃中，經(jīng)常需要進行一些專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析工作，如各種保護與整治方式下建筑的占地面積和建筑面積。 公共基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃中的應(yīng)用 規(guī)劃一些基礎(chǔ)設(shè)施，如停車場、消防栓、管網(wǎng)管線等，應(yīng)用GIS給出歷史街區(qū)現(xiàn)狀公共設(shè)施分布狀況與容量的綜合評價,為公共設(shè)施空間布局規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。 預(yù)算規(guī)劃 GIS有助于提高預(yù)算規(guī)劃的準確性。通過比較土地費用，評價出具體項目的費用/效率比。,現(xiàn)狀每個消防栓的覆蓋范圍,規(guī)劃后每個消防栓的覆蓋范圍,GIS技術(shù)在歷史街區(qū)日常保護和管理中的應(yīng)用,GIS應(yīng)用于歷史街區(qū)的管理，將為歷史街區(qū)日常的保護和管理控制提供技術(shù)支撐平臺，深化和完善歷史街區(qū)的保護和管理工作，實現(xiàn)歷史街區(qū)的動態(tài)、現(xiàn)時的管理和控制。 快速的信息查詢 基于GIS的歷史街區(qū)保護管理信息系統(tǒng)可以為管理人員提供一種快速查詢的可視化方法，可快速獲得現(xiàn)狀和規(guī)劃的圖形、圖像和文字等信息。 修復(fù)和維護計劃 使用GIS系統(tǒng)中數(shù)據(jù)能夠很容易地判別出建筑物保護和維修的優(yōu)先級別。一個建筑物總的重要性評價，需要建立一個多因子綜合評價公式。從建筑物各組成部分的真實性和狀況得出優(yōu)先級別，制定保護和維修的計劃。 監(jiān)視建筑狀況 為了監(jiān)視歷史街區(qū)建筑狀況，每隔一定時間，對歷史街區(qū)所有建筑進行調(diào)查。掌握不同時期的信息，實現(xiàn)對歷史街區(qū)建筑動態(tài)的、現(xiàn)時的管理和控制。 與公眾信息的交流 GIS用作與公眾交流保護策略及促進與相關(guān)政府部門合作的工具。對公眾和政策制定者顯示分析結(jié)果、保護區(qū)和保護政策的最新信息。,三維激光掃描與歷史文物遺產(chǎn)保護,三維激光掃描技術(shù)的基本原理,三維激光掃描技術(shù)特點 三維激光掃描系統(tǒng)是目前國際上最先進的獲取地面空間多目標三維數(shù)據(jù)的長距離影像的測量技術(shù)。 該技術(shù)具有非接觸測量、數(shù)據(jù)采樣率高、主動發(fā)射掃描光源、具有高分辨率、高精度、數(shù)字化采集和結(jié)構(gòu)緊湊等特點。 三維激光掃描技術(shù)的基本原理,三維激光掃描儀主要采用TOF脈沖測距法(Time of Flight)。 基本原理：根據(jù)發(fā)射出去的激光束的水平方向角度和垂直方向角度，由發(fā)射到反射被接收的時間計算掃描點到儀器的距離，確定掃描點的三維空間坐標；根據(jù)反射的激光強度對點進行顏色灰度的匹配。,測量點坐標計算,典型的地面三維激光掃描儀中遠距離毫米級儀器,近距離的毫米級儀器裝備,KINICA MINOLTA VIVID9i 掃描范圍0.5—2.5m； 有可變換的望遠、中焦、廣角鏡頭，適用大小不同的物體，可獲得850μm的測量精度； 物體形狀的測量通過三角測量，轉(zhuǎn)換為3D網(wǎng)格圖而獲得，同時采集表面形態(tài)和顏色數(shù)據(jù)。 FARO三維激光掃描測量臂(Laser ScanArm) 1.2m長度測量臂可獲25 μm～50 μm的測量精度; 通常用于如彩俑頭、佛頭、青銅器、御璽等國寶級文物進行微米級精細掃描及建模。,傳統(tǒng)的離散點測量數(shù)據(jù)很難重建目標原態(tài)的三維模型，三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)了目標原形從三維到三維的直接轉(zhuǎn)化； 三維激光掃描系統(tǒng)可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中，可以直接將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標準或非標準等實體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的采集到電腦中，進而快速暈構(gòu)出目標的三維實體模型； 三維激光掃描技術(shù)所涉及的應(yīng)用，不是簡單的商業(yè)問題，而是深刻的應(yīng)用技術(shù)跨越。,三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點,地面三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)缺點,優(yōu)點 速度快，現(xiàn)場節(jié)約時間，測量完整、精確，可多視角觀察可視化三維點云模型； 不需要接觸被測物體，光線昏暗甚至黑夜均可作業(yè)，特別是表面復(fù)雜的物體外形測量，并且能夠色彩還原； 能標注和測量模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，或創(chuàng)建各種復(fù)雜幾何形狀； 能將3D模型轉(zhuǎn)換到CAD系統(tǒng)或不同軟件的數(shù)據(jù)格式，進行三維建模。 缺點 地面掃描儀是個黑箱系統(tǒng)，難以檢校，且儀器昂貴； 掃描數(shù)據(jù)后處理時間可達數(shù)據(jù)采集所需時間的10倍，掃描易，處理難； 掃描數(shù)據(jù)拼接軟件價格昂貴，不完善，各廠家自成一體，互不兼容； 三維建模有一定的主觀性，非專業(yè)人士常受到虛擬動畫的視覺迷惑，忽視了三維模型的可量測和科學(xué)性。,三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域：建筑與文物保護，地面景觀形體測定，城市三維可視化模型的建立，變形監(jiān)測等領(lǐng)域均取得了應(yīng)用成果。 大型考古測量要綜合利用空間遙感信息，諸如航空攝影、衛(wèi)星照片、多光譜衛(wèi)星遙感影像、機載雷達影像等，對地面考古遺址開展無損探測和識別。三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展為考古測量提供了嶄新的手段。,三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域,這方面較完整的應(yīng)用有：館藏大型遺址——秦兵馬俑二號坑三維建模，故宮太和殿古建筑保存及修繕測量，長城資源調(diào)查，以及鳥巢和國家體育館測定等。,兵馬俑二號坑6000m2一整體三維數(shù)字模型,數(shù)據(jù)采集的流程,外業(yè)數(shù)據(jù)采集,選定掃描基站，安裝設(shè)備，開機,配置PDA無線網(wǎng)絡(luò)3D控制軟件,PDA連接掃描儀并配置掃描儀相機,PDA上獲取目標影像,定義掃描區(qū)域和掃描設(shè)置,啟動掃描儀監(jiān)視掃描進程,完成本次掃描,站點掃描完成,關(guān)閉掃描儀,,,,,,,,,踏勘：在掃描工作前一定要對場地進行詳細的踏勘，包括目標范圍、規(guī)模、地形起伏、交通情況等。 掃描站點設(shè)計和大地坐標參考點的選?。汉侠淼牟贾貌煌瑨呙枵军c位置能夠?qū)笃邳c云數(shù)據(jù)的拼接精度有一定的提高；合理的布置大地坐標參考點對坐標匹配轉(zhuǎn)換也有著重要的影響。,三維實體掃描及處理的完整過程包括點云數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、實體模型建立、數(shù)據(jù)結(jié)果的輸出等步驟。 三維點云預(yù)處理 由于掃描儀在現(xiàn)場使用中工作環(huán)境復(fù)雜，例如：施工機械的運動、人員走動、樹木、建筑物遮擋、施工浮塵及掃描目標本身反射性的不均勻等影響，將會造成掃描獲取的點云數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定點和噪音點，需要修正或剔除。 點云數(shù)據(jù)的拼接 對于多站點掃描，每個掃描圖幅都是以掃描儀位置為零點的局部坐標系，必須將這些點云數(shù)陣據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標系里組成完整的圖幅。 初始的點云數(shù)據(jù)同名點重合操作是否理想，將影響搜索計算工作。 模型重建 點云數(shù)據(jù)的拼接匹配好后，模型重建有兩種方法: 一是三維點云數(shù)據(jù)表面的模型重建；二是幾何模型重建。,三維點云數(shù)據(jù)處理,模型重建 表面的模型重建 就是將上述得到的出于同一坐標系里的點云數(shù)據(jù)自動而快速地生成三角面片。三角面片的間隔可由用戶自行指定。 模型的輸出格式在軟件中提供了包括*.dxf、 *.igs、.*.obj、*.pol、*.wrl 等11 種， 方便在如AuotCAD、3DMAX 等軟件中進行數(shù)據(jù)的調(diào)用等操作。 幾何模型重建 主要是在點云中或者數(shù)據(jù)模型中，利用幾何體如點、線、面、柱體、四面體等對物體進行擬合； 可以輸出三維圖形格式或AutoCAD 格式等。 模型的渲染 一種是采用顏色的漸變，表示某種變化過程，如工程應(yīng)用中的數(shù)字高程模型中高程的變化。另一種方式是采用紋理貼圖的方式，經(jīng)過照片的幾何校正映射到三維模型表面。,三維點云數(shù)據(jù)處理,激光掃描技術(shù)的誤差影響分析,三維激光掃描系統(tǒng)掃描過程中，誤差大致可分為三類: 儀器系統(tǒng)誤差、與掃描目標相關(guān)的誤差及外界環(huán)境導(dǎo)致的誤差。 儀器系統(tǒng)誤差 包括系統(tǒng)內(nèi)軸系之間的相互旋轉(zhuǎn)等引起的測距和測角誤差，激光測距信號在處理的各個環(huán)節(jié)都會帶來一定的誤差， 特別是光學(xué)電子、電路中激光脈沖回波信號處理時引起誤差。 掃描角度引起的誤差是掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描鏡轉(zhuǎn)動的微小震動、掃描電機的非均勻轉(zhuǎn)動控制等的綜合影響。 掃描目標相關(guān)的誤差 三維激光掃描點云的精度與物體表面的粗糙程度有密切關(guān)系。由于三維激光回波信號有多值性特點，將造成測量位置偏差。 外界環(huán)境條件影響導(dǎo)致的誤差 環(huán)境條件對激光掃描的影響主要表現(xiàn)為溫度變化對儀器的細微影響、掃描過程中風(fēng)對儀器造成的微動、激光在空氣中傳播的方向等。,基于激光遙感的三維建模與設(shè)計,激光點云,激光點云與影像疊加,基于點云建模成果,逆向建模得到的工程圖,福州至今還保存相當一部分自唐宋以來形成的坊巷，成為歷史名城的重要標志之一。這些坊巷中最為著名的是“三坊七巷”街區(qū)。 三坊七巷地處市中心，占地約40公頃，現(xiàn)居民3678戶，人口14000余人。三坊七巷是南后街兩旁從北到南依次排列的十條坊巷的簡稱。三坊是：衣錦坊、文儒坊、光祿坊；七巷是楊橋巷、郎官巷、塔巷、黃巷、安民巷、宮巷、吉庇巷。由于吉庇巷、楊橋巷和光祿坊改建為馬路，現(xiàn)在保存的實際只有二坊五巷。,福州三坊七巷三維激光掃描,在這個歷史悠久的居民區(qū)內(nèi)，保留著豐富的文物古跡，保存一批名人故居和明清時代的建筑。在這居民區(qū)內(nèi)，坊巷縱橫，石板鋪地；白墻青瓦，結(jié)構(gòu)嚴謹；房屋精致，匠藝奇巧，集中體現(xiàn)了閩越古城的民居特色，是閩江文化的薈萃之所，被建筑界喻為一座規(guī)模龐大的明清古建筑博物館。,由福州市規(guī)劃設(shè)計院組織，武漢大學(xué)數(shù)字城市研究中心參與，采用三維激光掃描技術(shù)隊“三坊七巷”古建筑院落進行了實驗掃描工作。 在四處具有代表性的古建筑院落進行了試點測繪工作； 在“三坊七巷”周邊的樓頂上設(shè)站掃描，采集了工作區(qū)屋頂?shù)娜S點云數(shù)據(jù)和數(shù)字影像數(shù)據(jù)。 掃描過程 掃描目標現(xiàn)場的勘測 匹配點的布設(shè)和控制點坐標測量 站點掃描數(shù)據(jù)獲取和影像數(shù)據(jù)獲取 匹配點的精掃描 掃描數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理,室內(nèi)掃描工作現(xiàn)場,福州三坊七巷三維激光掃描,歐陽花廳的側(cè)面正射影像,對正射影像的測繪,轉(zhuǎn)換到CAD測量,歐陽花廳側(cè)面的測繪,歐陽花廳是歐陽氏民居的一部分，歐陽氏民居精刻巧雕，鬼斧神工，精妙無比，堪稱古建筑中上乘的藝術(shù)珍品。該民居1988年列為鼓樓區(qū)文物保護單位，1992年由福州市人民政府掛牌保護，2005年公布為省級文物保護單位，2006年被公布為全國重點文物保護單位。,福州市三坊七巷歷史街區(qū)整體掃描,掃描現(xiàn)場,拼接后的掃描點云,福州孔廟介紹：位于福州市圣廟路，唐大歷七年（772）觀察使李奇從城西北移建于此。宋太平興國時期（976-983）正式改學(xué)宮為孔廟。后經(jīng)宋熙寧、明洪武和清咸豐三度大火，原廟范圍縮小?，F(xiàn)存的廟宇，為咸豐元年（1851）12月至四年（1854）6月重建的。中軸有欞星門、儀門廳、大成殿、兩側(cè)有廊廡、官廳、鄉(xiāng)賢祠等。大成殿為重檐九脊頂，高踞于月臺上，為福州城最雄偉的一座殿宇。殿內(nèi)石柱4根，每根約3.2萬斤。,福州市孔廟三維激光掃描,三維激光掃描現(xiàn)場,拼接后的激光三維點云圖,元代青花瓷激光三維掃描,元青花瓷開辟了由素瓷向彩瓷過渡的新時代，其富麗雄渾、畫風(fēng)豪放，繪畫層次繁多，與中華民族傳統(tǒng)的審美情趣大相徑庭，實在是中國陶瓷史上的一朵奇葩。具有很高的藝術(shù)和歷史價值。,青花瓷,云點圖,三維建模,史前猿人頭蓋骨激光三維掃面,洛陽龍門石窟,龍門石窟位于河南省洛陽市南郊13公里處的伊河兩岸，是國家重點文物保護單位和國家風(fēng)景名勝區(qū)。2000年，UNESCO將龍門石窟列入《世界文化遺產(chǎn)名錄》。 龍門石窟開鑿于北魏孝文帝遷都洛陽之際（公元493年），嗣后歷經(jīng)西魏、東魏、北齊、隋、唐、五代、宋、明諸朝，現(xiàn)存兩千余座窟龕和十萬余尊造像，多數(shù)為北魏和盛唐兩個時期的作品。,車載激光掃描系統(tǒng)–LYNX (加拿大),加拿大Optech公司新發(fā)布的LYNX（山貓）系統(tǒng)是當今世界上最先進的車載Lidar數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，除各項參數(shù)指標遠遠高于其它車載系統(tǒng)外，還有無需檢校、通用性好、快速、高效、安全等一系列特點。 車速快，測速快， 后處理快； 直接獲取點云數(shù)據(jù)，可貼紋理圖像； 360度獲取，沒有死角。,車載激光掃描系統(tǒng),1、指GPS觀測質(zhì)量良好的情況。衛(wèi)星高度角10°時PDOP值小于等于3。 2、精度可通過數(shù)據(jù)后處理進一步提高；3、指不安裝數(shù)碼相機的情況下；4、4800-12000轉(zhuǎn)/分鐘,加拿大山貓移動測圖系統(tǒng)技術(shù)指標,沿街建筑立面點云圖,車載激光掃描,沿街建筑三維建模,車載激光掃描—天津市,車載激光掃描—天津市,