面向四合院保护规划研究的三维地理信息系统设计与实现

2014-08-16冯学兵贾光军

测绘通报 2014年3期

李扬，冯学兵，贾光军，颜涯

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2. 北京市规划委员会,北京 100045 )

一、引言

北京作为八百年古都，其历史文化的构成有两个方面：帝王文化和市井文化。帝王文化的载体是故宫和众多坛、庙、陵、园、府，而市井文化的载体是胡同、四合院。同时，北京胡同、四合院也是我国唯一幸存的帝王时代首都的民居建筑，是八百年古都北京市井文化的载体[1]。由此，文物部门发出“四合院的保护与故宫保护同等重要”的强音。四合院如此重要，但目前的状况却令人堪忧。据称，北京至少有90%以上的四合院沦为大杂院[1]。大杂院内一般居住着几户，甚至十几户人家，各家纷纷加建小房子，堆放杂物，挤占空间，部分大杂院已完全看不出原始院落格局。同时，部分建筑破损严重，修缮也不采用传统工艺。

四合院杂乱的现状给管理和规划带来了很多困扰，现有的管理手段已不能全面解决这些问题，主要困难如下：

1) 违法建设管理困难。目前，发现违法建设后，多采用文字与照片相结合的方式进行记录。由于违法建设的任意性，执法人员很难用语言准确记录违法建设的位置和建设形态。而照片往往因摄像空间有限，取景区域狭窄，无法反映违法建设的整体形态，导致事后难以追溯违法建设在发现时的位置和状态。

2) 整体展现保护区内院落和胡同风貌情况困难。目前，反映保护区内风貌的手段主要有影像、实地拍摄的照片和风貌分类色块(即基于对院落和建筑风貌的分类，用不同颜色色块表现各院落和建筑风貌情况)，但各种手段都无法让规划研究人员和决策者直观全面了解各院落的真实情况。对于影像，由于树木的遮挡和飞行高度的限制，不能清楚反映各院落的肌理；对于实地拍摄的照片，因为数量有限，只能反映部分代表性院落的情况；对于风貌分类色块，因为分类有限，无法全面描述各个院落复杂的情况。

4) 规划效果表达困难。目前，规划方案的审核多采用规划效果图的方式，但由于四合院的环境复杂，规划效果图制作人员往往很难在效果图中还原建设项目现状，以及周边院落和临近胡同的现状情况，导致效果图和实施后效果差别较大。

针对以上问题，本文对利用三维地理信息系统辅助四合院保护的方法和思路进行探索和研究，并将相关成果在“东四南历史文化保护区保护规划”和“钟鼓楼广场恢复整治”项目中推广应用。

二、技术路线

结合目前四合院管理、保护、规划中存在的各种困难和历史文化名城保护区保护规划研究的需求，本文提出了一套利用三维地理信息系统辅助四合院保护的思路。

基于多时期、多分辨率大比例尺地形图、影像图，以及文物保护专题数据、规划专题数据、房产专题数据、风貌普查数据，构建二三维一体化的现状库、历史库和规划库，并以此为基础，搭建旧城历史文化保护区三维规划管理系统，为在三维环境下研究四合院的生长与沿革，探讨四合院的规划和保护，直观呈现四合院的未来创造条件,见图1。

图1 技术路线

三、现状、历史、规划数据库的建立

1.现状三维库的建立

按照《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012)[2]的分类，以四合院为主体的历史文化保护区现状三维库中主要包括：建筑要素模型、交通要素模型、植被要素模型、场地要素模型和其他要素模型。

主流的三维建模手段包括：基于航空摄影测量、基于实地外业测量和三维激光扫描[3-10]。由于历史文化保护区多集中于空域管制严格的二环以内，因此基于航空摄影测量和机载三维激光扫描进行三维建模均不可行。本文采用了基于大比例尺地形图，结合地面三维激光扫描技术、航空摄影测量等多手段采集建筑物高程的方法进行三维建模。

为支撑保护规划研究和四合院管理，各建筑需拥有相关的属性，其中包括：建筑建成年代、产权登记情况、建筑风貌和院落风貌所属类别等信息，具体表结构见表1。

2．历史三维库的建立

历史三维库的建设拟在反映不同年代历史文化保护区内四合院肌理和风貌的变迁，选择有重大变化的时间节点是反映四合院变迁的关键。

表1 现状三维建筑信息表结构

回顾新中国成立至今的几十年间旧城范围内四合院的发展变化，不同时期的行为都有着鲜明的时代特色。20世纪50年代，土地房屋国有化，许多大型住宅院落被分割,分给多户居民使用[11]。50年代至60年代，经历了一个大规模拆改的时期。60年代，整个城墙被拆除。1976 年唐山大地震后 ,市民纷纷在院落中间搭建临时的抗震棚 ,这些建筑并未在危险解除后及时拆除[12]。到了80和90年代，大杂院的情况愈演愈烈。同时，这段时期是我国住房制度、房地产制度发生变化的时期，大规模的开发带来了全国范围的开发性破坏。2000年以来，北京市政府加强了对历史文化名城的保护，2002年10月正式批准了《北京市历史文化名城保护规划》，并在2005年发布的《北京市城市总体规划(2004—2020)》中指出：停止大拆大建，坚持小规模渐进式有机更新。基于以上分析，每10年选择一个年份制作历史三维库是比较具有代表性的。

信息是互联网的强项，互联网可以最大程度解决过去旅游信息不对称的现象。“互联网+”时代的到来伴随移动4G网络和WIFI的普及，游客出行依靠互联网和移动互联网的程度越来越大，许多实证研究都得出网络已成为游客获取旅游信息的首选媒介。

为反映四合院基本格局、外形和尺度的演变，历史三维模型的制作要素主要包括建筑要素模型和交通要素模型。

从资料收集情况来看，能够完整全面记录四合院变迁历史的资料不多。其中，北京市测绘设计研究院收集的50年代至今的1∶500比例尺地形图是数据质量最好、最可靠的依据。据《北京市测绘处三十年来业务的基本情况》记载：“50年代—70年代地形图上的地物点对邻近解析图根点的点位中误差不超过：主要地物点±0.4毫米，次要地物点±0.6毫米”，这与2011年发布的《城市测量规范》(CJJ/T 8—2011)要求一致，说明历史地形图精度足以满足历史三维建模的要求。

与现状三维建筑信息相比，历史三维建筑属性信息获取相对困难，为辅助四合院格局历史变迁的研究，历史三维建筑信息需包括各建筑的产生和消亡年代，具体表结构见表2。

表2 历史三维建筑信息表结构

3. 规划三维库的建立

规划三维模型的制作要素应包括建筑和景观两大类。

对于不同保护原则的四合院，三维模型制作工艺也不尽相同。对于以修缮维修为主的院落，规划三维模型应保留现状三维模型的坐落位置和主体结构，制作主要依据设计方案对现状三维模型进行修改。对于新建及完全改造的四合院，应按照规划设计总平图、立面图和效果图制作规划三维模型。对于部分改造的四合院，规划模型制作需结合现状三维模型和规划总平图共同制作。

规划三维建筑信息应包括规划院落对应的模型生产日期、整治原则、设计单位、模型制作单位、方案名称和规划方案的经济指标，如容积率、绿地率、建筑面积、用地面积等信息，具体表结构见表3。