GIS和遥感在历史文化遗产保护中的应用省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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应用保护中应用第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）: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提出四项标准中每一步每首先。使用GIS和RS作为标准工具，管理人员能够做到：l Create records of relevant features in heritage sites;l Assess and perceive easier the relation of a site to its natural surroundings;l Simulate development plans and conservation proposals;l Undertake monitoring procedures and improve management in general.为何在文化遗产保护中利用为何在文化遗产保护中利用GISGIS和和RS?RS?第2页GISGIS和和RSRS技术在历史街区保护规划中应用技术在历史街区保护规划中应用l近年来，伴随经济快速发展、人口增加，正日益侵蚀着历史街区文化遗产赖以生存环境；l因各种利用目标、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搜集不完整，尤其是在当前历史街区保护规划中采取大多是传统方法和伎俩，无法做出科学分析和决议；l历史街区保护是一项长久、动态过程，需要全过程动态管控和调整；l20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当前，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极少见。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、房相结合调查方法。道路街巷调查道路街巷调查 历史街区街道格局是组成城市纹理并表达该地域个性主要要素。对历史街区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数据库(包含图形和属性数据)，在此基础依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。现实状况建筑调查现实状况建筑调查 建筑调查包含建筑年代、层数、布局形式、建筑结构、建筑格调、建筑质量、建筑风貌等建筑基本属性，以及房屋产权、使用功效等社会属性。对现实状况建筑进行综合价值评定价值评定，调查与建筑价值评价相关多个因子数据多个因子数据。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。人口信息调查人口信息调查 历史街区人口信息除了解一些总信息，如人口数量、年纪结构、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详细人口分布信息，建立人口信息与建筑关联。GISGIS技术在历史街区现实状况调查中应用技术在历史街区现实状况调查中应用第4页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，实现在历史街区现实状况调查过程中建筑、人口信息和土地利用性质相关联调查方法。与历史风貌相关构筑物调查与历史风貌相关构筑物调查 与历史风貌相关构筑物，如古井、桥、古树等，调查时按点状地物来对待，在调查图上绘出这些构筑物位置，并进行编号和拍照，相关属性数据调查按与历史风貌相关构筑物调查表内容填写。经过编号实现图形数据与属性数据和图像数据关联，组成完整空间数据库。建筑与人口信息、建筑信息、建筑图像数据关联GISGIS技术在历史街区现实状况调查中应用技术在历史街区现实状况调查中应用 GIS GIS含有拓扑结构分析和强大空间分析功效，能完成历史街区现实状含有拓扑结构分析和强大空间分析功效，能完成历史街区现实状况调查资料输入、存放、管理和利用现实状况数据库绘制历史街区保护况调查资料输入、存放、管理和利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。析。第5页GISGIS技术在历史街区保护规划编制中应用技术在历史街区保护规划编制中应用 GIS能够在多源数据集成基础上，进行综合评价和判断综合评价和判断，防止因为认识不足所造成保护规划失误，并给决议者提供各种保护方案，从而提升历史街区保护规划结果科学性和综合性。绘制现实状况专题分析图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数据库属性数据可方便快捷地生成专题图和属性分析图。CAD显然是难以完成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分调查研究基础上，提出针对每一幢建筑适宜保护与整改方式针对每一幢建筑适宜保护与整改方式。依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，经过实地调查，录入指标数据，制作各指标专题图，进行专题分析，实现多因子综合评定；在综合评定中，采取多源数据可提升价值评定科学性和准确性。第6页GISGIS技术在历史街区保护规划编制中应用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相关多学科资料，评价不一样保护规划方案保护等级范围边界效果，应用GIS空间迭加分析功效，取得不一样方案下各种分析资料，依据这些分析数据做出评价，提出正确保护等级边界。保护规划中各种数据分析和汇总保护规划中各种数据分析和汇总 在历史街区保护规划中，经常需要进行一些专题数据统计分析工作，如各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公共基础设施规划中应用 规划一些基础设施，如停车场、消防栓、管网管线等，应用GIS给出历史街区现实状况公共设施分布情况与容量综合评价,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有利于提升预算规划准确性。经过比较土地费用，评价出详细项目标费用/效率比。现实状况每个消防栓覆盖范围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规划后每个消防栓覆盖范围第7页GISGIS技术在历史街区日常保护和管理中应用技术在历史街区日常保护和管理中应用 GIS应用于历史街区管理，将为历史街区日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。快速信息查询 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快速查询可视化方法，可快速获得现状和规划图形、图像和文字等信息。修复和维护计划 使用GIS系统中数据能够很轻易地判别出建筑物保护和维修优先级别。一个建筑物总重要性评价，需要建立一个多因子综合评价公式。从建筑物各组成部分真实性和状况得出优先级别，制订保护和维修计划。监视建筑状况 为了监视历史街区建筑状况，每隔一定时间，对历史街区全部建筑进行调查。掌握不一样时期信息，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策略及促进与相关政府部门合作工具。对公众和政策制订者显示分析结果、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当前国际上最先进获取地面空间多目标三维数据长距离影像测量技术。该技术含有非接触测量、数据采样率高、主动发射扫描光源、含有高分辨率、高精度、数字化采集和结构紧凑等特点。三维激光扫描技术基本原理三维激光扫描技术基本原理 三维激光扫描仪主要采取TOF脉冲测距法(Time of Flight)。基本原理：基本原理：依据发射出去激光束水平方向角度和垂直方向角度，由发射到反射被接收时间计算扫描点到仪器距离，确定扫描点三维空间坐标；依据反射激光强度对点进行颜色灰度匹配。测量点坐标计算测量点坐标计算第10页生产厂家生产厂家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1500,1000,80080%40%20%DR型 2600m300m90%134m18%200m-90%350m扫描角度110V360H270V360H60V360H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经典地面三维激光扫描仪中远距离毫米级仪器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近距离毫米级仪器装备KINICA MINOLTA VIVID9il扫描范围0.52.5m；l有可变换望远、中焦、广角镜头，适用大小不一样物体，可取得850m测量精度；l物体形状测量经过三角测量，转换为3D网格图而取得，同时采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测量精度;l通惯用于如彩俑头、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n传统离散点测量数据极难重建目标原态三维模型，三维激光扫描技术实现了目标原形从三维到三维直接转化；n三维激光扫描系统能够深入到任何复杂现场环境及空间中，能够直接将各种大型、复杂、不规则、标准或非标准等实体或实景三维数据完整采集到电脑中，进而快速晕构出目标三维实体模型；n三维激光扫描技术所包括应用，不是简单商业问题，而是深刻应用技术跨越。三维激光扫描技术优点三维激光扫描技术优点第13页地面三维激光扫描技术优缺点地面三维激光扫描技术优缺点优点优点l速度快，现场节约时间，测量完整、准确，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，尤其是表面复杂物体外形测量，而且能够色彩还原；l能标注和测量模型相关数据，或创建各种复杂几何形状；l能将3D模型转换到CAD系统或不一样软件数据格式，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10倍，扫描易，处理难；l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；l三维建模有一定主观性，非专业人士常受到虚拟动画视觉迷惑，忽略了三维模型可量测和科学性。第14页n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，城市三维可视化模型建立，变形监测等领域均取得了应用结果。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。三维激光扫描技术发展为考古测量提供了崭新伎俩。三维激光扫描系统应用领域三维激光扫描系统应用领域n这方面较完整应用有：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第15页数据采集流程数据采集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开启扫描仪监视扫描进程完成此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踏勘，包含目标范围、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选取：扫描站点设计和大地坐标参考点选取：合理布置不一样扫描站点位置能够对后期点云数据拼接精度有一定提升；合理布置大地坐标参考点对坐标匹配转换也有着主要影响。第16页 三维实体扫描及处理完整过程包含点云数据获取、数据预处理、点云数据获取、数据预处理、实体模型建立、数据结果输出实体模型建立、数据结果输出等步骤。n三维点云预处理三维点云预处理 因为扫描仪在现场使用中工作环境复杂，比如：施工机械运动、人员走动、树木、建筑物遮挡、施工浮尘及扫描目标本身反射性不均匀等影响，将会造成扫描获取点云数据不稳定点和噪音点，需要修正或剔除。n点云数据拼接点云数据拼接 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组成完整图幅。初始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 点云数据拼接匹配好后，模型重建有两种方法:一是三维点云数三维点云数据表面模型重建据表面模型重建；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第17页n模型重建模型重建表面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快速地生成三角面片。三角面片间隔可由用户自行指定。模型输出格式在软件中提供了包含*.dxf、*.igs、.*.obj、*.pol、*.wrl 等11 种，方便在如AuotCAD、3DMAX 等软件中进行数据调用等操作。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；能够输出三维图形格式或AutoCAD 格式等。n模型渲染模型渲染 一种是采取颜色渐变颜色渐变，表示某种改变过程，如工程应用中数字高程模型中高程改变。另一个方式是采取纹理贴图纹理贴图方式，经过照片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第18页激光扫描技术误差影响分析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，误差大致可分为三类:仪器系统仪器系统误差误差、与扫描目标相关误差扫描目标相关误差及外界环境造成误差外界环境造成误差。仪器系统误差仪器系统误差 包含系统内轴系之间相互旋转等引发测距和测角误差，激光测距信号在处理各个步骤都会带来一定误差，尤其是光学电子、电路中激光脉冲回波信号处理时引发误差。扫描角度引发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。扫描目标相关误差扫描目标相关误差 三维激光扫描点云精度与物体表面粗糙程度有亲密关系。因为三维激光回波信号有多值性特点，将造成测量位置偏差。外界环境条件影响造成误差外界环境条件影响造成误差 环境条件对激光扫描影响主要表现为温度改变对仪器细微影响、扫描过程中风对仪器造成微动、激光在空气中传输方向等。第19页基于激光遥感三维建模与设计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结果逆向建模得到工程图第20页 福州至今还保留相当一部分自唐宋以来形成坊巷，成为历史名城主要标志之一。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。因为吉庇巷、杨桥巷和光禄坊改建为马路，现在保留实际只有二坊五巷。福州三坊七巷三维激光扫描福州三坊七巷三维激光扫描 在这个历史悠久居民区内，保留着丰富文物古迹，保留一批名人旧居和明清时代建筑。在这居民区内，坊巷纵横，石板铺地；白墙青瓦，结构严谨；房屋精巧，匠艺奇巧，集中表达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，武汉大学数字城市研究中心参加，采取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。l在四处含有代表性古建筑院落进行了试点测绘工作；l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。扫描过程扫描过程l扫描目标现场勘测l匹配点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匹配点精扫描l扫描数据及影像数据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福州市孔庙三维激光扫描三维激光扫描现场三维激光扫描现场拼接后激光三维点云图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，与中华民族传统审美情趣大相径庭，实在是中国陶瓷史上一朵奇葩。含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史前猿人头盖骨激光三维扫面第27页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它车载系统外，还有没有需检校、通用性好、快速、高效、安全等一系列特点。l车速快，测速快，后处理快；l直接获取点云数据，可贴纹理图像；l360度获取，没有死角。车载激光扫描系统车载激光扫描系统第29页Lynx Mobile Mapper山猫移动测图系统山猫移动测图系统V100V200可配激光传感器头数量可配激光传感器头数量1-21-2数码相机数码相机支持，2 2 百万像素支持，2 5 百万像素最大测距能力最大测距能力100m20%反射率200m20%反射率测距精度测距精度8mm，18mm，1绝对精度绝对精度5cm，（1）1，25cm，（1）1，2激光发射频率激光发射频率100kHz75,100,200kHz,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自动增益扫描频率扫描频率150Hz80-200Hz,可调4扫描视野扫描视野360全方位扫描360全方位扫描电力需求电力需求12VDC,最大30A12VDC,最大30A作业温度作业温度-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激光安全等级激光安全等级IEC/CDRH Class 1 眼安全IEC/CDRH Class 1 眼安全载车需求载车需求全部汽车均可兼容全部汽车均可兼容1 1、指、指GPSGPS观察质量良好情况。卫星高度角观察质量良好情况。卫星高度角1010时时PDOPPDOP值小于等于值小于等于3 3。2 2、精度可经过数据后处理深入提升；、精度可经过数据后处理深入提升；3 3、指不安装数码相机情况下；、指不安装数码相机情况下；4 4、4800-14800-1转转/分钟分钟加拿大加拿大山猫移动测图系统山猫移动测图系统技术指标技术指标第30页沿街建筑立面点云图车载激光扫描车载激光扫描沿街建筑三维建模第31页车载激光扫描车载激光扫描天津市天津市第32页车载激光扫描车载激光扫描天津市天津市第33页