前沿：河北省测绘学会策划“创新测绘技术应用”专题栏目，聚焦测绘科技应用前沿。本栏目将展示测绘与AI、遥感等融合的创新实践，涵盖气象监测、生态保护、地理信息服务、农作物估产及文化遗产保护等领域。通过案例剖析，探讨测绘技术如何助力社会管理与可持续发展。
现代空间信息技术赋能线性文化遗产数字化保护
引言：大运河是世界上建造最早、距离最长、规模最大的运河，于2014年6月入选世界文化遗产名录。其中北运河，是京杭大运河的最北段,流经北京通州区、河北省香河县、天津市武清区,全长186公里,流域面积5300平方公里。作为典型的跨区域线性文化遗产，加强北运河线性文化遗产保护，对于传承运河文化，挖掘运河价值，推动经济沟通和社会发展具有重要意义。
空间信息技术是20年纪60年代兴起的一门新兴技术，主要包括RS、GIS、GNSS理论技术，同时结合计算机技术和通讯技术，进行空间数据的采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用等。随着空间信息技术的不断发展，尤其是倾斜摄影测量、三维激光扫描、三维建模等现代空间信息技术的发展，更是为文化遗产保护提供了强大的技术支撑。
本文以北运河香河段为研究对象，融合应用倾斜摄影测量、三维激光扫描、实景三维建模等现代空间信息技术，开展线性文化遗产数字化保护研究，建立地理空间信息数据库，实现线性文化遗产的展览展示、信息查询、空间分析等，为北运河香河段线性文化遗产的保护传承、虚拟修复、防汛指挥等提供支撑。
1 北运河香河段概况 根据全国重点文物保护单位名录和河北省文物局大运河河北段文化遗产目录，北运河香河段线性文化遗产主要包括北运河、红庙村金门闸遗址（1974年废弃，同年新修土门楼泄洪闸，位于金门闸北侧）。两处全国文保单位，凤港减河、牛牧屯引河、青龙湾减河三处水工遗产，宝庆寺1处县级文物保护单位。 综合各类遗产的历史、科学、文化、社会价值，结合实际，选取北运河、宝庆寺、金门闸以及土门楼高价值遗产构成点、线、面相串联的北运河香河段线性文化遗产主体。 图1 北运河香河段线性文化遗产空间分布 2 技术方法 基于倾斜摄影测量、三维激光扫描、三维建模等现代空间信息技术对北运河香河段进行数据采集、信息提取和管理表达，从而实现数字化保护，技术路线如图2所示。 图2 技术路线 （1）利用航空倾斜摄影测量与地面三维激光扫描进行空地协同的多源数据采集，从而在宏观上获取完备的地物信息，微观上获取丰富的细节和高精度的定位信息。 （2）融合三维扫描点云数据与多角度影像密集匹配（DIM）点云数据，构建精细三角网模型，通过纹理映射高分辨率影像贴图，得到精细实景三维模型。 （3）基于大场景实景三维模型提取正射影像、数字线划图、等高线图、数字高程模型、土地利用现状图。基于典型建筑的精细化模型，进行建筑信息提取，获取历史建筑图件。 （4）将二维地理信息、三维真实场景与遗产信息进行地理信息数据库建库管理，在此基础上进行功能开发应用。 3 应用实践 01 数据采集 采用大疆M300 RTK平台搭载202S全画幅、五镜头倾斜摄影相机，采用170米高度进行倾斜摄影测量，航向和旁向重叠度为80%，地面分辨率为2cm，获取北运河香河段面积约为7.8平方千米的带状多角度影像，共获取相片16288张。 采用大疆精灵Phantom4RTK，设置50米高度进行倾斜摄影，重叠度为80%，地面分辨率为1cm，获取金门闸和附近的土门楼水利工程设施的多角度影像，获取相片10877张。 为获取宝庆寺精细的建筑模型，对于屋顶部分，采用大疆M300RTK设备，设置30米高度进行倾斜摄影测量，重叠度为80%，地面分辨率为8mm，共获取相片847张。对于近地面，采用FARO Focus Plus350进行三维激光扫描，设站为21站，通过扫描仪自带软件进行拼接后，生成*.las格式点云数据，点云数为2331307。此外，对于房檐下沿，采用环绕飞行补拍相片，获取相片213张。 02 信息提取 对于北运河、金门闸、土门楼，采用Context Capture软件对多角度影像进行处理，经过空中三角测量、影像密集匹配、构建三角网、纹理映射生成实景三维模型,见图3a,c,d。 对宝庆寺，将倾斜摄影测量获取的847张相片与补拍的213张照片采用Context Capture进行处理，生成密集匹配（DIM）点云，将拼接后的三维激光扫描点云与DIM点云配准融合，创建实景三维模型，见图3b。 图3 三维模型 (a)北运河；（b）金门闸；(c)宝庆寺；（d）土门楼 根据图3a实景三维模型输出高分辨率正射影像图。根据正射影像图结合三维模型，借助EPS软件，对该区域内的要素进行数字化，生成数字线划图，从中获取遗产要素的位置分布信息，大运河位置分布以及周围环境信息，包括植被信息，交通信息，此外通过EPS的计算面积功能，计算该区域内不同用地类型所占面积，获取土地利用信息见表1。根据实景三维模型数据进行特征点、线采集,构建三角网，生成DEM。 采用极坐标法检查模型的平面中误差和高程中误差。北运河、宝庆寺、金门闸、土门楼的平面检查点和高程检查点，模型的平面中误差，高程中误差分别如表所示。可见，多源数据融合建模的宝庆寺三维模型精度明显高于其他模型精度。 表1 三维模型精度检测统计表 基于密集匹配点云和激光三维扫描点云进行配准融合后，进行分割切片，将切片的点云模型利用Autodesk Recap软件转换为.rcs 格式文件。将.rcs文件采用FARO As-Built导入到AutoCAD软件中，作为绘制平立剖面图的底图绘制建筑平面图、立面图和剖面图。 表2 北运河香河段周围区域不同用地类型所占面积 03 管理应用 使用Arcscene软件进行集成，主要包括： 1) 数字线划图、建筑物平立剖以及详图的矢量数据； 2) 正射影像、高程、坡度、土地利用等栅格数据； 3) 实景三维模型数据，包括北运河、宝庆寺、土门楼、金门闸； 4) 除了建筑物中使用的材料之外，提供关于建筑物历史的相关信息的描述性数据，如保存状态等。 数据导入Arcscene后，既保留了高视觉质量和细节水平，又体现了周围信息如地形特征、交通网络、植被覆盖以及其他信息。 在此基础上建立北运河文化遗产一体化展示平台，实现流畅的空间场景展示，实现对建筑构筑物的单体化、信息化、可视化查询。文保相关人员可以利用相关数据对文物本体的潜在危险进行更深一步的分析。实现大运河的动态淹没分析，实现运河航道视野调节与视觉分析，以及分析功能等，从而为北运河的景观建设、运河防汛提供服务。 4 结论 针对线性文化遗产保护的实际需求，提出了基于倾斜摄影测量、三维激光扫描等现代空间信息技术的线性文化遗产数字化保护技术方案，并在北运河香河段为研究进行了应用验证，主要结论如下： （1）结合无人机倾斜影像技术和三维激光扫描技术进行空地联合数据采集，形成了北运河、宝庆寺、金门闸以及土门楼组成的点、线、面串联的数字化表达形式，突出了北运河香河段线性文化遗产价值。 （2）区域尺度上基于三维模型数据提取正射影像图、数字线划图、土地利用信息等，本体尺度上基于三维点云数据提取平立剖面信息，从而形成完整的数字化产品，更好的体现了北运河香河段线性文化遗产特点。 （3）对提取的数据进行二三维数据集成组织管理建立数据库，既包括二维数据，又包括三维数据，既包括平面图件，又包括三维模型，既包括宏观数据，又包括微观数据，将北运河香河段具有高价值的文化遗产融为了一体，并进行虚拟展示。 当前技术方案仅在县级尺度上开展进行，后续工作将继续探索在大运河河北段省级尺度上开展。为进一步提高线性文化遗产保护力度，未来应综合考虑历史数据和现势数据，加强对大运河沿线水利工程、历史建筑等主要线性文化遗产的监测工作。在现有本体数据和环境数据基础上融合水文气象等自然灾害数据，加强对对大运河沿线水利工程、历史建筑等主要线性文化遗产的自然灾害风险评估工作。
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