实景三维北京中轴线建设及多角度应用
陈品祥 张翼然
北京市测绘设计研究院
一、建设背景
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7.8km，是统领整个老城规划格局的建筑与遗址的组合体。中轴线被誉为老城的灵魂和脊梁，蕴含着中华民族深厚的文化底蕴、哲学思想，体现了北京作为历史文化名城和国家政治文化中心的发展历程，是独一无二的历史文化遗产。目前，国家文物局已确定推荐“北京中轴线”作为我国2024年世界文化遗产申报项目，中轴线申遗保护已驶入“快车道”。
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：
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。
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。
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。
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）。
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。
数字化手段作为文化遗产保护的“大趋势”，成为遗产活化、继承与传播的新途径。中轴线申遗是老城保护的重要抓手，以数字化方式开展遗产保护、监测，强化文物保护和周边环境整治，保护、传承、利用好这份独一无二的历史遗产。依托三维技术、场景实现对中轴线区域以及核心区范围的第五立面和胡同风貌提取、建筑高度控制分析、景观视廊及管控模拟分析等，能够从更多视角进行监测与分析，支撑老城保护与历史文化名城文脉传承。
二、建设内容
1. 实景三维中轴线空间底板建设
遗产区三维地理实体制作面积约为5.9km²，建设内容主要遗产本体要素及其他要素：
1）历史建筑群：钟鼓楼、万宁桥、景山、故宫、太庙（现劳动人民文化宫）、社稷坛（现中山公园）、天安门、天安门广场及相关历史建筑群（人民英雄纪念碑、毛主席纪念堂、人民大会堂、国家博物馆）、正阳门及箭楼、天坛、先农坛。
2）历史地标：永定门历史地标。
3）历史道路（含道桥遗址）：地安门外大街、地安门内大街、前门大街、天桥南大街、永定门御道遗址。
4）其他要素：除遗产本体要素之外的房屋、道路、水系、植被等地物要素。
总体按照不同区域、不同地物类型、不同精度及精细度要求建设，技术路线如图1所示
针对历史道路、历史地标及历史建筑群中的先农坛、鼓楼等重点区域，采用地面车载、背包、推车等扫描设备进行地面点云扫描采集，采用管线探测设备对先农坛区域地下管线进行测绘采集，采用人机交互方式建设各类地物要素精细三维模型；针对天安门区域，通过向天安门管委会沟通申请，进行三维模型数据共享，然后按照本项目要求进行数据整理；针对社稷坛、太庙等其他建筑群区域，基于三维 Mesh 模型提取地物模型结构，采用实地照片拍摄方式采集模型纹理并进行贴图，建设各类地物要素的一般三维模型。
数字化采集及点云图片如图2所示，各个遗产点的精细模型如图3所示。
2. 历史文化名城资源建设
根据《北京中轴线遗产保护管理规划（2020年—2035年）》，北京中轴线遗产区及缓冲区的遗产环境保护对象主要包括历史文化街区及其他成片传统平房区，景观视廊及城市天际线，历史城廓、历史街巷、城市标志物或者标志性建筑群，历史河湖水系及水文化遗产。
图 3 实景三维中轴线——各遗产节点效果图
依据《北京历史文化名城保护条例》，北京老城涵盖明清时期北京城护城河及其遗址以内的区域，中轴线正是加强老城整体保护的突出内容。老城包含了丰富的历史文化资源，包括文物、历史建筑、历史文化街区、特色地区、地下埋藏区、传统胡同及传统地名等，如图4所示。
因此，对老城及中轴线缓冲区范围内的历史文化名城资源开展数据建设，通过沟通协调相关行业部门，充分收集现有历史文化名城保护对象信息相关资料，在整合、提取、处理现有资料的基础上，对重点区域及重要对象进行外业采集补充，建设一个保护对象空间覆盖全面、要素信息完整、空间位置准确的核心区历史文化名城保护对象空间数据集，以支撑中轴线及老城的文化遗产价值研究。
3. 中轴线数据管理平台建设
围绕中轴线遗产保护与需求，涉及大量的二三维空间数据，数据类型格式多样，需要统一的管理进行数据汇聚、管理、更新和服务。数据管理平台建设是维持数据正常运行、信息流转的基础，按照业务需求分为基础空间地理信息数据、行业专题数据等，按照数据类型分为二维数据、三维数据和非空间数据。
数据管理平台实现了数据汇聚、展示、更新、备份等功能，并提供数据接口，解决数据管理与对接的问题，保持高效的处理和持续更新，为遗产保护与监测提供数据支撑（见图5）。
三、创新应用
1. 接入动态感知体系的中轴线遗产保护
建设北京中轴线遗产保护体系，真实反映中轴线保存现状及影响因素，准确分析遗产状态、提出必要的预警及防范动作，是提高遗产管理、决策的重要依据，进而保证中轴线的突出普遍性、真实性和完整性不受到破坏。
以实景三维为空间底座搭建中轴线遗产保护体系，借助信息化、数字化的技术手段实现空天地一体化监测。搭载在实景三维底板上的遗产本体监测、遗产格局监测，能够以更精细、全面、立体的角度实现遗产要素的全面实时展示、智能化保护。此外，空间保护体系中实现视频、交通压力、人口等信息，实现动态感知和实时探测，逐渐形成以预防为主、动态保护的科学保护模式。
2. 面向专家、公众的中轴线数字化展陈
基于实景三维中轴线数字化成果，实现各遗产点的多视角、全方位的浏览查看，转化出多方式、多效果的数字化展呈方案。
在北京展览馆党的二十大成就展北京展区，“实景三维中轴线”成果作为“数字中轴线”互动展项内容，共设“云游中轴、中轴对望、多彩中轴、历史中轴线、十年申遗路”五个主题。通过PAD端交互、屏幕播放展示等多种方式，实现与观展人员零距离互动，呈现了首都北京在历史文化名城保护方面的突出成就、凸显了中轴线在全国文化中心建设的重要地位（见图6）。
在首都博物馆“纪念北京建都870周年特展——‘辉煌中轴’特展”中，以实景三维数字化成果为依托转化出的超大比例中轴线遗产区及周边沙盘，精准地复刻出遗产区房屋建筑、道路格局、水系关系等，直观地呈现出左右对称的老城布局，彰显中轴线统
领全局的格局地位。在多媒体艺术效果的衬托下，观众能够深入了解和感受中轴线文化遗产蕴藏的智慧，如图7所示。
3. 借助多源测绘技术手段实现信息挖掘
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，北京市测绘设计研究院探究出消失近90年天桥原址的精确位置，并搭建三维效果还原其历史场景；随南中轴考古，同步开展了测绘、地下雷达探测、三维信息扫描，并尝试贴近摄影测量技术在考古遗址发掘中的运用，探索出“边考古、边测绘”的模式，多场景、多业务、全方位地支撑中轴线申遗相关工作。
一方面，通过长时间序列的数据比对，研究中轴线历经时代变迁发生的空间演变，挖掘数据背后的遗产价值，为中轴线文化遗产区保护研究提供数据支持。另一方面，采集三维点云信息，为考古现场留下了完整的三维信息。在考古遗址回填后，便于继续分析与研究（见图8）。
4. 辅助规划——模拟重点项目降层调整的前后效果
中轴线遗产及环境区的大型建设项目，均通过实景三维场景全方位浏览、分析，对规划方案的建筑与周边环境协调性进行比对，确保新建建筑与北京中轴线的传统风貌协调，确保景观视廊内视线通畅与景观协调，维护平缓开阔的城市空间形态，突出中轴线的统领地位。
模拟反映出重点管控区域及重点建筑的调整前后效果，辅助呈现整治前后中轴线重要景观对望视廊的真实效果（见图9）。
四、推广价值
实景三维中轴线成果是继实景三维天安门项目后，聚焦首都功能核心区主要功能和规划定位，持续打造和推广的精品、示范工程。
1. 建设实景三维中轴线，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、三维立体的空间底板，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。
2. 参与搭建中轴线遗产保护平台，在遗产保护与预防监测方面取得效果
积极探索测绘地理信息技术与遗产保护业务的融合，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。
3. 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，探究出消失近90年天桥原址的精确位置，并搭建三维效果还原其历史场景。正在开展的天桥遗址考古挖掘工作中，受到文物局委托，积极筹备快速响应，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。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，我院同步开展了测绘、地下雷达探测、三维信息扫描，并尝试贴近摄影测量技术在考古遗址发掘中的运用，为考古现场留下了精确、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、研究中，多场景、多业务、全方位地支撑中轴线申遗相关工作。
