1 工程概况
3000多年建城史、800多年建都史，为首都北京留下了丰富的文物古迹和厚重的文化遗产。作为首批国家历史文化名城，一直以来，北京市委市政府高度重视文化名城的整体保护工作，制定并施行了“北京历史文化名城保护条例”，将历史文化名城的范围覆盖到北京市全部行政区域，实施老城整体格局保护和历史环境整治，着力提升居民生活品质，推动实现全民共建共享，特别是通过推进中轴线申遗保护，延续并彰显平缓开阔、壮美有序的空间秩序和城市历史景观。2021年在福州举办的世界文化遗产大会上，与会专家一致认为，申遗是手段及抓手，目的是带动整个北京老城的保护，北京中轴线的申遗工作，将促进北京在城市历史景观保护上的探索。
北京中轴线北端为钟鼓楼，南端为永定门，纵贯老城南北，全长 7.8公里，是统领整个老城规划格局的建筑与遗址的组合体。北京中轴线始建于元代，形成、完善于明清至近现代，历经700余年，是中国现存规模最为恢宏、保存最为完整的传统都城中轴线，是中国都城中轴线规划发展至成熟阶段的典范之作。
北京中轴线是由一系列古代皇家宫苑建筑、古代皇家祭祀建筑、古代城市管理设施、国家礼仪和公共建筑及居中道路遗存共同构成的富于层次和秩序性的城市空间综合体。北京中轴线的遗产构成要素如下：1)古代皇家宫苑建筑：
1)古代皇家宫苑建筑：展现中国古代都城规划、皇家礼仪传统、建筑形式与建筑建造技艺的明清皇家宫城与御苑，代表性物证包括景山、故宫、端门。 2)古代皇家祭祀建筑：展现北京中轴线对称规划格局并承载了中国古代皇家祭祀礼仪的明清皇家坛庙建筑，代表性物证包括太庙、社稷坛、天坛、先农坛。 3)古代城市管理设施：承担明清城市计时、报时功能的管理设施和构成北京城廓格局的城门建筑，代表性物证包括钟鼓楼、正阳门、永定门。 4)国家礼仪和公共建筑：延续北京中轴线规划设计理念、展现公众化进程的公共建筑，代表性物证包括天安门、外金水桥、天安门广场及建筑群（含人民英雄纪念碑、毛主席纪念堂、中国国家博物馆、人民大会堂）。 5)居中道路遗存：自元代始建并沿用至今的、勾勒北京中轴线走向及位置的居中交通设施与道路遗存，代表性物证包括万宁桥、中轴线南段道路遗存。
为加强中轴线申遗，推动老城整体保护，利用车载、背包、站式、推车、手持等多种高精度设备，结合地面扫描、三维建模、管线探测、贴近摄影、视频流地图等多种技术，精确测定出中轴线遗产点位置，并对中轴线皇家宫殿建筑、古代城市管理设施、居中道路等系列遗产点进行了精细三维建模，为中轴线申遗提供了高精度、高精细、三维立体的空间数据底板，从展陈宣传、规划管控、考古复原、环境整治、监测保护等方面助力中轴线的精细治理和科学保护。北京中轴线保护区划如下图所示。
北京中轴线保护区划
2 解决的关键问题 2.1 全要素地面采集及多源点云融合
中轴线位于首都功能核心区的核心位置，空域管制十分严格，难以进行低空倾斜摄影。针对首都核心区空域限制区域数据采集需要，研发了全要素地面采集及多源点云联合三维建模技术，解决了站式、推车式、背包式、车载、手持扫描仪等全类型地面扫描数据获取及多源点云数据融合、建模的技术难题，从仪器设备的使用范围、设备参数、拼接规则、工作流程等方面提出解决方案。
同时，针对不同仪器设备采集精度不一致情况，通过制定控制点布设、点云精度取舍等规则，解决多源点云数据融合问题；通过制定多源激光点云数据降噪、分类、融合的数据处理标准，辅助开展自主知识产权的工具研发，以提高多源点云数据建模效率；根据制定不同地物要素的建模规则与标准，以建立超精细实景三维数据。
推车式激光点云扫描仪扫描示意图
车载激光扫描仪在广场周边道路扫描路线示意图
2.2 车速限制下的地面超高精度数据获取
针对长安街车速限制下高精度数据采集以及天安门广场地砖的高精度数据获取要求，研发了车载超高分辨率影像采集系统，将工作状态下曝光速度提高至0.3秒/张，车速提高到55公里/小时，解决了车速限制下地面超高精度数据采集的技术难点，极大地提高了工作效率。
设计并集成了一套车载超高分辨率影像采集系统，该系统可以实现毫米级地面分辨率影像获取。在现有车载三维激光建模测量系统的基础上增加超高分辨率照相机，对相机拍摄角度和高度进行多次优化设计，使其满足设计要求，为道路养护、道路病害和地面正射影像快速生成提供一种方法。车载超高分辨率影像工作示意图如下图所示。
车载超高分辨率影像工作示意图
项目实现了高分辨率鱼眼相机的精密时间同步和单机标定，创新性的将高精度北斗授时系统接入车载超高分辨率影像采集系统的每个传感器时钟中，确保与各传感器的精确时间同步。同时，使用高分辨率鱼眼相机扩大视场角，提高了作业效率。因鱼眼相机精确畸变改正非常困难，因此，提出了基于鱼眼相机的改正模型，研发了基于鱼相机的标定与畸变改正软件，该模型中不仅包含k1,k2,k3,p1,p2畸变参数，还包含b1,b2,k4,k5参数。高精度时间同步和鱼眼相机标定技术，既可以保证获取视场范围又可以保证数据的精度。鱼眼相机标定场地图如下图所示。
鱼眼相机标定场地图
此外，项目还研发了影像交替曝光采集控制系统，通过搭载三个相机的方式进行交替曝光，并记录每个相机的精确同步时间，且将曝光速度提高至0.3s/张，5米曝光间距情况下，将车速从20km/h提高到了55km/h，实现了地面及道路两侧精细纹理的快速获取，为长安街等城市主干路和天安门广场地砖超精细化实景三维建设提供了精确数据源。
2.3 多源高精度数据联合三维建模
项目提出了一套高密度点云生成高分辨率DEM模型方法，新耦合了车载影像和点云超精细正射影像纹理自动生成算法，实现了超高分辨率影像与生成的DEM自动匹配。开发了超精细正射影像纹理自动生成软件，并完成了大范围的正射影像生成，验证了程序的可行性及高效率。
自主研发了针对不同地物的自动提取算法，在基于点云几何特征提取的基础上，融合二、三维深度学习目标检测和语义分割的先进技术，充分发挥点云和影像两种数据源的各自特点和优势，实现了车载激光测量数据的多源提取和冗余提取，提高了系统的自动后处理成功率，能够快速准确的提取道路及周边地物的轮廓及精确位置，为实现真正的实景复制提供了快速有效的技术手段。
自主研发了基于点云的地砖自动化建模工具。针对天安门广场地砖建模的需求，有针对性的开发了基于点云数据的地砖自动化建模工具，有效的解决了地砖高程赋值与迭代平差、自动纹理生成与校核等难题，完成了天安门广场25万余块地砖的超精细建模工作。
影像数据处理流程
总体技术路线图
2.4 精细化组织实施
中轴线区域地处首都核心区域，地区敏感度高、涉及部门众多，这给项目的组织开展带来较大难度。仅以天安门地区为例，辖区内相关单位多达三十余家，且政府对于安全、舆情等十分重视，为确保项目的顺利开展和如期完成，项目由天安门管委会统一协调组织，项目承担单位统筹生产、技术和质量，组建工作专班，与管委会专班密切沟通，对接辖区内三十余家单位，实施周例会制度，细化每日工作计划，按照“实施计划到天、进场工作到小时”模式开展工作，确保项目安全有序开展。同时，参与项目的人员全部通过公安部门政审，对舆情影响较大的工作如地下管线探测等均安排在夜间进行。
北京中轴线遗产监测平台
3 展望 3.1 测绘在中轴线申遗工作中发挥重大作用
中轴线申遗是北京建设全国文化中心的重点任务。在北京市“加强老城整体保护，推动中轴线申遗”的要求下，积极用测绘地理信息服务多源技术，多个角度服务支撑北京中轴线申遗。 一是建设了实景三维中轴线，搭建了精细的空间数据底板。结合新型基础测绘实景三维建设的要求，在实景天安门工作的基础上进行推广，搭建了遗产区精准、三维立体的空间底版，并依托实景三维场景开展场景模拟、风貌研究，辅助决策支撑；基于中轴线成果转化的互动展呈面向社会公众、专家学者、政府行政人员等，取得了丰富的展呈效果，也以多种方式凸显了中轴线在全国文化中心建设的重要地位。 二是参与谋划中轴线遗产监测平台，在遗产保护与预防监测方面取得效果。建设完成的中轴线遗产监测平台是申遗的重要加分项，积极探索测绘地理信息技术与遗产保护、监测业务的融合，接入动态感知信息，深入挖掘时空大数据在中轴线总体格局监测、遗产风貌监测等方面的应用。将实景三维技术运用到遗产保护领域是一项创新性的举措，我院力争打造全国遗产监测的标杆和典范。 三是借助多源测绘技术手段实现信息挖掘。2021年，借助长时间序列的历史地图资源挖掘、多手段时空信息探测技术，探究出了消失近90年天桥原址的精确位置，并搭建了三维效果还原其历史场景。在开展天桥遗址考古挖掘工作中，进行了天桥考古现场的测绘、三维扫描、深入到地下排水管线探测，获取了一手资料。在正阳桥考古遗址、永定门考古遗址、珠市口地下沟渠遗址考古过程中，同步开展了测绘、地下雷达探测、三维信息扫描等工作，并尝试利用贴近摄影测量技术在考古遗址发掘中的运用，为考古现场留下精确、详细的空间记录。可以说，“边考古、边测绘”的模式已经初步形成，并且深度应用于南中轴多处考古遗址的挖掘和研究中，多场景、多业务、全方位的支撑中轴线申遗相关工作。 3.2 多元测绘技术支撑中轴线申遗工作 在北京中轴线测绘各个阶段中遇到了众多的技术问题，尤其是全地面扫描的作业方式和高精度的作业要求给外业数据采集和内业数据处理都带来了很大的挑战，中轴线测绘运行了最先进的测量仪器和技术，发挥了各种测量方法的优势，克服了重重困难，技术路线和生产经验可为今后国内大规模历史文化遗产测绘提供实用的参考价值。随着新一代信息技术的发展，特别是人工智能、机器学习、智能提取等技术在测绘行业的应用越来越深入，不久的将来，传统的三维立体化采集技术、建模技术定会发生根本性的变革。
参考文献：大国工程测量技术，第二部/宋超智，陈翰新，李清泉，西安：西安地图出版社，2024.8
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