GIS和遥感在历史文化遗产保护中的应用公开课获奖课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,GIS,和,RS,技术在历史文化遗产保护中应用,第1页,联合国教科文组织（UNESCO）世界遗产中心为文化遗产点管理设计定义了四项原则：,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;,响应（Response）:Preparing conservation and management strategies.,实现（Implementation）:Carrying out,monitoring and evaluating management policies.,使用GIS和RS可以辅助支持UNESCO提出四项原则中每一步每首先。使用GIS和RS作为原则工具，管理人员可以做到：,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.,为何在文化遗产保护中运用GIS和RS?,第2页,GIS,和,RS,技术在历史街区保护规划中应用,近年来，伴随经济迅速发展、人口增长，正日益侵蚀着历史街区文化遗产赖以生存环境；,因多种运用目旳、操作观念、技术水准等参差不一，导致了对历史街区基础资料搜集不完整，尤其是在目前历史街区保护规划中采用大多是老式措施和手段，无法做出科学分析和决策；,历史街区保护是一项长期、动态过程，需要全过程动态管控和调整；,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应用还不是非常成熟，尤其是在编制保护规划方面应用还很少见。,第3页,对历史街区现实状况调查建立以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、房相结合调查措施。,道路街巷调查,历史街区街道格局是构成都市纹理并体现该地区个性重要要素。对历史街区街道格局进行调查和分析，理解和弄懂多种有关问题及其互相关系，建立历史街区道路街巷数据库(包括图形和属性数据)，在此基础根据道路数据库属性资料，可进行道路街巷系统专题分析图绘制。,现实状况建筑调查,建筑调查包括建筑年代、层数、布局形式、建筑构造、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。对现实状况建筑进行综合价值评估，调查与建筑价值评价有关多种因子数据。,对地块和建筑进行编号，实现图形数据、属性数据和图像关联。,人口信息调查,历史街区人口信息除理解某些总信息，如人口数量、年龄构造、性别构造、受教育程度、和职业等状况外，更需要懂得每一种院落和独立建筑单体详细人口分布信息，建立人口信息与建筑关联。,GIS,技术在历史街区现实状况调查中应用,第4页,土地运用调查,根据都市用地分类与规划建设用地原则对街区内各类用地进行划分。应用GIS分析技术，实目前历史街区现实状况调查过程中建筑、人口信息和土地运用性质有关联调查措施。,与历史风貌有关构筑物调查,与历史风貌有关构筑物，如古井、桥、古树等，调查时按点状地物来看待，在调查图上绘出这些构筑物位置，并进行编号和拍照，有关属性数据调查按与历史风貌有关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关联，构成完整空间数据库。,建筑与人口信息、建筑信息、建筑图像数据关联,GIS,技术在历史街区现实状况调查中应用,GIS具有拓扑构造分析和强大空间分析功能，能完毕历史街区现实状况调查资料输入、寄存、管理和运用现实状况数据库绘制历史街区保护规划所需要现实状况分析图，实现图形与属性数据双向查询、检索、分析。,第5页,GIS,技术在历史街区保护规划编制中应用,GIS可以在多源数据集成基础上，进行综合评价和判断，防止由于认识局限性所导致保护规划失误，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科学性和综合性。,绘制现实状况专题分析图,在历史街区保护规划编制过程中，需要绘制大量现实状况分析图，应用GIS数据库属性数据可以便快捷地生成专题图和属性分析图。CAD显然是难以完毕现实状况专题分析图制作。,历史街区建筑保护与整改方式中应用,历史街区建筑保护与整改要在对现实状况建筑充足调查研究基础上，提出针对每一幢建筑合适保护与整改方式。,根据历史街区建筑保护价值综合评价影响原因，建立现实状况建筑保护价值综合评价指标；在此基础上，通过实地调查，录入指标数据，制作各指标专题图，进行专题分析，实现多因子综合评估；在综合评估中，采用多源数据可提高价值评估科学性和精确性。,第6页,GIS,技术在历史街区保护规划编制中应用,辅助划定历史街区保护等级范围边界,历史街区现实状况专题分析图和综合评价分析图能反应出有关多学科资料，评价不一样样保护规划方案保护等级范围边界效果，应用GIS空间迭加分析功能，获得不一样样方案下多种分析资料，根据这些分析数据做出评价，提出正保证护等级边界。,保护规划中多种数据分析和汇总,在历史街区保护规划中，常常需要进行某些专题数据记录分析工作，如多种保护与整改方式下建筑占地面积和建筑面积。,公共基础设施规划中应用,规划某些基础设施，如停车场、消防栓、管网管线等，应用GIS给出历史街区现实状况公共设施分布状况与容量综合评价,为公共设施空间布局规划提供科学根据。,预算规划,GIS有助于提高预算规划精确性。通过比较土地费用，评价出详细项目旳费用/效率比。,现实状况每个消防栓覆盖范围,规划后每个消防栓覆盖范围,第7页,GIS技术在历史街区平常保护和管理中应用,GIS应用于历史街区管理，将为历史街区平常保护和管理控制提供技术支撑平台，深化和完善历史街区保护和管理工作，实现历史街区动态、现时管理和控制。,迅速信息查询,基于GIS历史街区保护管理信息系统可认为管理人员提供一种迅速查询可视化措施，可迅速获得现实状况和规划图形、图像和文字等信息。,修复和维护计划,使用GIS系统中数据可以很轻易地鉴别出建筑物保护和维修优先级别。一种建筑物总重要性评价，需要建立一种多因子综合评价公式。从建筑物各构成部分真实性和状况得出优先级别，制定保护和维修计划。,监视建筑状况,为了监视历史街区建筑状况，每隔一定期间，对历史街区所有建筑进行调查。掌握不一样样时期信息，实现对历史街区建筑动态现时管理和控制。,与公众信息交流,GIS用作与公众交流保护方略及增进与有关政府部门合作工具。对公众和政策制定者显示分析成果、保护区和保护政策最新信息。,第8页,三维激光扫描与历史文物遗产保护,第9页,三维激光扫描技术基本原理,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获取地面空间多目旳三维数据长距离影像测量技术。,该技术具有非接触测量、数据采样率高、积极发射扫描光源、具有高辨别率、高精度、数字化采集和构造紧凑等特点。,三维激光扫描技术基本原理,三维激光扫描仪重要采用TOF脉冲测距法(Time of Flight)。,基本原理：根据发射出去激光束水平方向角度和垂直方向角度，由发射到反射被接受时间计算扫描点到仪器距离，确定扫描点三维空间坐标；根据反射激光强度对点进行颜色灰度匹配。,测量点坐标计算,第10页,生产厂家,Optech,Leica,Mensi,产品,ILRIS-36D,HDS3000,GX RD200+,激光安全性,Class 1 1500nm,Class 3,Class 3 532 nm,距离精度,7mm100m,单点,4mm50m,单点,7mm100m,定位精度,8mm100m,6mm50m,单点,12mm100m,最小测量距离,1.5 m,1 m,1 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,110V360H,270V360H,60V360H,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/Inspector,Cyclone,Realworks,建模精度,3mm,2mm,2mm,经典地面三维激光扫描仪中远距离毫米级仪器,第11页,近距离毫米级仪器装备,KINICA MINOLTA VIVID9i,扫描范围0.52.5m；,有可变换望远、中焦、广角镜头，合用大小不一样样物体，可获得850m测量精度；,物体形状测量通过三角测量，转换为3D网格图而获得，同步采集表面形态和颜色数据。,FARO三维激光扫描测量臂(Laser ScanArm),1.2m长度测量臂可获25 m50 m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。,第12页,老式离散点测量数据很难重建目旳原态三维模型，三维激光扫描技术实现了目旳原形从三维到三维直接转化；,三维激光扫描系统可以深入到任何复杂现场环境及空间中，可以直接将多种大型、复杂、不规则、原则或非原则等实体或实景三维数据完整采集到电脑中，进而迅速晕构出目旳三维实体模型；,三维激光扫描技术所包括应用，不是简朴商业问题，而是深刻应用技术跨越。,三维激光扫描技术长处,第13页,地面三维激光扫描技术优缺陷,长处,速度快，现场节省时间，测量完整、精确，可多视角观测可视化三维点云模型；,不需要接触被测物体，光线灰暗甚至黑夜均可作业，尤其是表面复杂物体外形测量，并且可以色彩还原；,能标注和测量模型有关数据，或创立多种复杂几何形状；,能将3D模型转换到CAD系统或不一样样软件数据格式，进行三维建模。,缺陷,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；,三维建模有一定主观性，非专业人士常受到虚拟动画视觉困惑，忽视了三维模型可量测和科学性。,第14页,三维激光扫描系统应用领域：建筑与文物保护，地面景观形体测定，都市三维可视化模型建立，变形监测等领域均获得了应用成果。,大型考古测量要综合运用空间遥感信息，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，对地面考古遗迹开展无损探测和识别。三维激光扫描技术发展为考古测量提供了崭新手段。,三维激光扫描系统应用领域,这方面较完整应用有：馆藏大型遗迹秦兵马俑二号坑三维建模，故宫太和殿古建筑保留及修缮测量，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,6000m,2,一,整体,三,维数字模型,第15页,数据采集流程,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上获取目旳影像,定义扫描区域和扫描设置,启动扫描仪监视扫描进程,完毕本次扫描,站点扫描完毕,关闭扫描仪,踏勘：在扫描工作前一定要对场地进行详细踏勘，包括目旳范围、规模、地形起伏、交通状况等。,扫描站点设计和大地坐标参照点选用：合理布置不一样样扫描站点位置可以对后期点云数据拼接精度有一定提高；合理布置大地坐标参照点对坐标匹配转换也有着重要影响。,第16页,三维实体扫描及处理完整过程包括点云数据获取、数据预处理、实体模型建立、数据成果输出等环节。,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：施工机械运动、人员走动、树木、建筑物遮挡、施工浮尘及扫描目旳自身反射性不均匀等影响，将会导致扫描获取点云数据不稳定点和噪音点，需要修正或剔除。,点云数据拼接,对于多站点扫描，每个扫描图幅都是以扫描仪位置为零点局部坐标系，必须将这些点云数阵据转换到同一坐标系里构成完整图幅。,初始点云数据同名点重叠操作与否理想，将影响搜索计算工作。,模型重建,点云数据拼接匹配好后，模型重建有两种措施:一是三维点云数据表面模型重建；二是几何模型重建。,三维点云数据处理,第17页,模型重建,表面模型重建,就是将上述得到出于同一坐标系里点云数据自动而迅速地生成三角面片。三角面片间隔可由顾客自行指定。,模型输出格式在软件中提供了包括*.dxf、*.igs、.*.obj、*.pol、*.wrl 等11 种，以便在如AuotCAD、3DMAX 等软件中进行数据调用等操作。,几何模型重建,重要是在点云中或者数据模型中，运用几何体如点、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。,模型渲染,一种是采用颜色渐变，表达某种变化过程，如工程应用中数字高程模型中高程变化。另一种方式是采用纹理贴图方式，通过照片几何校正映射到三维模型表面。,三维点云数据处理,第18页,激光扫描技术误差影响分析,三维激光扫描系统扫描过程中，误差大体可分为三类:仪器系统误差、与扫描目旳有关误差及外界环境导致误差。,仪器系统误差,包括系统内轴系之间互相旋转等引起测距和测角误差，激光测距信号在处理各个环节都会带来一定误差，尤其是光学电子、电路中激光脉冲回波信号处理时引起误差。,扫描角度引起误差是扫描镜镜面平面角误差、扫描镜转动微小震动、扫描电机非均匀转动控制等综合影响。,扫描目旳有关误差,三维激光扫描点云精度与物体表面粗糙程度有亲密关系。由于三维激光回波信号有多值性特点，将导致测量位置偏差。,外界环境条件影响导致误差,环境条件对激光扫描影响重要体现为温度变化对仪器细微影响、扫描过程中风对仪器导致微动、激光在空气中传播方向等。,第19页,基于激光遥感三维建模与设计,激光点云,激光点云与影像叠加,基于点云建模成果,逆向建模得到工程图第20页,福州至今还保留相称一部分自唐宋以来形成坊巷，成为历史名城重要标志之一。这些坊巷中最为著名是“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十条坊巷简称。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，目前保留实际只有二坊五巷。,福州三坊七巷三维激光扫描,在这个历史悠久居民区内，保留着丰富文物古迹，保留一批名人故居和明清时代建筑。在这居民区内，坊巷纵横，石板铺地；白墙青瓦，构造严谨；房屋精致，匠艺奇巧，集中体现了闽越古城民居特色，是闽江文化荟萃之所，被建筑界喻为一座规模庞大明清古建筑博物馆。,第21页,由福州市规划设计院组织，武汉大学数字都市研究中心参与，采用三维激光扫描技术队“三坊七巷”古建筑院落进行了试验扫描工作。,在到处具有代表性古建筑院落进行了试点测绘工作；,在“三坊七巷”周围楼顶上设站扫描，采集了工作区屋顶三维点云数据和数字影像数据。,扫描过程,扫描目旳现场勘测,匹配点布设和控制点坐标测量,站点扫描数据获取和影像数据获取,匹配点精扫描,扫描数据及影像数据预处理,室内扫描工作现场,福州三坊七巷三维激光扫描,第22页,欧阳花厅侧面正射影像,对正射影像测绘,转换到,CAD,测量,欧阳花厅侧面测绘,欧阳花厅是欧阳氏民居一部分，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，公布为省级文物保护单位，年被公布为全国重点文物保护单位。,第23页,福州市三坊七巷历史街区整体扫描,扫描现场,拼接后扫描点云,第24页,福州孔庙简介：位于福州市圣庙路，唐大历七年（772）观测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。现存庙宇，为咸丰元年（1851）12月至四年（1854）6月重建。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,三维激光扫描现场,拼接后激光三维点云图,第25页,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新时代，其富丽雄浑、画风豪放，绘画层次繁多，与中华民族老式审美情趣大相径庭，实在是中国陶瓷史上一朵奇葩。具有很高艺术和历史价值。,青花瓷,云点图,三维建模,第26页,史前猿人头盖骨激光三维扫面,第27页,洛阳龙门石窟,龙门石窟位于河南省洛阳市南郊13公里处伊河两岸，是国家重点文物保护单位和国家风景名胜区。，UNESCO将龙门石窟列入世界文化遗产名目。,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作品。,第28页,车载激光扫描系统,LYNX(,加拿大,),加拿大Optech企业新公布LYNX（山猫）系统是当今世界上最先进车载Lidar数据采集系统，除各项参数指标远远高于其他车载系统外，尚有无需检校、通用性好、迅速、高效、安全等一系列特点。,车速快，测速快，后处理快；,直接获取点云数据，可贴纹理图像；,360度获取，没有死角。,车载激光扫描系统,第29页,Lynx Mobile Mapper,山猫移动测图系统,V100,V200,可配激光传感器头数量,1-21-2,数码相机,支持，,2,2,百万像素,支持，,2,5,百万像素,最大测距能力,100m20%,反射率,200m20%,反射率,测距精度,8mm,，,1,8mm,，,1,绝对精度,5cm,，（,1,）,1,，,2,5cm,，（,1,）,1,，,2,激光发射频率,100kHz,75,100,200kHz,速度可调,屡次回波探测能力,4,次回波信息，,12Bit,自动增益,4,次回波信息，,12Bit,自动增益,扫描频率,150Hz,80-200Hz,可调,4,扫描视野,360,全方位扫描,360,全方位扫描,电力需求,12VDC,最大,30A,12VDC,最大,30A,作业温度,-10到+40（范围能够扩大）3,-10到+40（范围能够扩大）3,存放温度,-40,到,+60,-40,到,+60,激光安全等级,IEC/CDRH Class 1,眼安全,IEC/CDRH Class 1,眼安全,载车需求,全部汽车均可兼容,全部汽车均可兼容,1、指GPS观测质量良好状况。卫星高度角10时PDOP值不不小于等于3。,2、精度可通过数据后处理深入提高；3、指不安装数码相机状况下；4、4800-1转/分钟,加拿大,山猫移动测图系统,技术指标,第30页,沿街建筑立面点云图,车载激光扫描,沿街建筑三维建模,第31页,车载激光扫描,天津市,第32页,车载激光扫描,天津市,第33页,