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中国大运河(北京段)文化遗产数字化展示与遥感监测评估

时间:2020-09-15

自2018年3月北京市委常委会审议通过《北京市大运河文化带保护建设规划》以来,北京市大运河文化带建设的各项工作都在加速推进中,包括景区规划建设、河道清淤通航、绿道建设、重点文物腾退等。为实现对运河北京段文化带多维度的文化传播与定量监测,提升大运河这一典型古代漕运文化的公众认知度,中国科学院空天信息创新研究院与北京市测绘设计研究院联合开展了中国大运河(北京段)的遥感监测与数字化保护相关研究工作。该项研究受北京市科学委员会“中国大运河(北京段)文化遗产遥感监测系统平台研发”重点课题资助,中国科学院空天信息创新研究院、联合国教科文组织国际自然与文化遗产空间技术中心(HIST) 陈富龙研究员任课题负责人,北京市测绘设计研究院为联合参与单位。
该课题围绕大运河(北京段)文化带数字化保护的现实需求,从”史鉴”、“数说”、”遥看”、”文创”四个维度,开展大运河景观廊道文化遗产数字存档、虚拟重建、动态监测与利用评估全链条的关键技术研发,并提出了针对运河文化带监测的生态景观、水质、微形变三类遥感评估指标。研究表明:近年运河水体浊度总体改善;生态景观复杂度提升(在通州和昌平区段尤为显著)并同配套设施建设相关;通州区运河涵养带地表沉降减缓甚至局部反弹。
从“史鉴”维度,通过收集整理古地图资料与历史影像数据,课题组制作了元、明、清、20-40年代、50-60年代、70-80年代、90-00年代、2007-2017年的系列大运河廊道历史数据集,呈现出大时间跨度下运河廊道三维景观以及河道的变迁过程。

图1 20-40年代张家湾和运河河道
从“数说”维度,针对纳入《北京市大运河文化带保护建设规划》中的40处物质文化遗产地,课题组完成了其中满足实地数据采集条件的23处遗产地三维精细建模,以及15处古运河场景的三维虚拟重建。该项工作为现存大运河物质文化遗产的数字记录和存档提供了高精度数据资料,并通过虚拟再现的方式复原了古代京城漕运文化,为增强大众对运河遗产的认知度,以及运河遗产的保护与旅游开发提供了第一手科学资料。
 
图2张家湾码头通运桥实景三维建模效果图

图3 万宁桥·闸虚拟三维重建效果图
从“遥看”维度,课题组利用中/高分辨率的光学和雷达卫星数据,开展了水环境要素、景观生态、地表微形变和地表覆盖类型四个方面的遥感监测研究。针对水环境的监测,分析了从2019年8月至2020年6月各区段水环境要素的变化,包括叶绿素A浓度、悬浮物浓度、浊度、透明度、营养状态等。对比研究表明,近年来运河水体浊度总体呈现下降趋势。此外,基于运河沿线的高精度数字地面模型,绘制出了大运河(北京段)河道的水位流向图,结合从北至南的各区段典型水域的浊度图(如图4),可以看到水体浊度从上游至下游呈现逐渐增大的总体趋势。该项成果为运河遗产管理部门提供了河道水体污染的总体扩散路径和方向,为运河水体的治理和维护提供了科学依据。

图4 2019年春季试验点水质-浊度反演图
针对运河沿线生态状况监测,课题组探索建立了一套运河文化带生态与景观评价指标。图5为2017-2019年大运河(北京段)沿线1公里缓冲区生态变化示意图。在该专题图基础上经统计分析表明,近年运河文化带的植被覆盖度较为平稳,不同区县的植被覆盖度差异较大,精细空间尺度层面上通州区的植被覆盖度波动最为明显。此外,通过对2017-2019年运河沿线地表覆盖类型的变化监测分析,结果表明运河沿线整体上地表覆盖变化较小,变化趋势主要体现植被到建筑区,通州和昌平变化相对更为显著,主要与市政建设和配套设施修建等因素密切相关。此外,不同区县的景观破碎度和景观复杂度差异显著。综合生态与景观两个方面的对比分析,一致说明了在大运河文化带规划中,应针对不同区县的实地情况因地制宜的制定运河建设和可持续发展方案。

图5  2017-2019年大运河(北京段)沿线植被覆盖度变化情况(如左下角色标所示,不同颜色表示不同年份的植被长势占主导,亮度代表植被覆盖大小,比如红色代表该区域2017年植被长势最好,优于2018、2019年;黄色代表该区域在2017、2018年两年的植被长势优于2019年;白色表示该区域在2017、2018、2019三年的植被长势都比较好)
针对地表覆盖类型,获取了大运河(北京段)文化带的2017-2019年的地表覆盖数据,分析表明三年期间的主要地类变化为从种植土地、林草覆盖类型变化为建筑类型(包括房屋建筑、道路和构筑物),其中通州段的变化尤为显著,这与通州副中心的市政建设情况相吻合。

图6 大运河通州段2019年地表覆盖类型分布图(局部)
结合以上研究成果,课题组研发构建了中国大运河(北京段)数字化展示与遗产遥感动态监测平台(如图7),为运河遗产管理部门提供了遗产记录、监测保护与可持续发展的科学支撑。同时,课题组还将推出中国大运河(北京段)数字化展示应用APP(如图8)和大运河(北京段)科普宣传网站,旨在面向公众宣传展示中国运河文化,同时为运河遗产的旅游开发提供数据和平台支持。此外,课题组结合遗产单体实景建模的数据成果和运河文化带全线测绘产品,进行了运河文创产品的设计和开发(如图9)。

图7 中国大运河(北京段)数字化展示与遗产遥感动态监测平台

图8 中国大运河(北京段)数字化展示应用APP

图9  3D打印土桥镇水兽(左)和大运河手绘地图(右)
本项目在申请和执行过程中,得到了北京市规划和自然资源委员会、中国文化遗产研究院、运河沿线北京六区(通州、海淀、西城、东城、朝阳、昌平)文保单位的大力支持。参与本课题研究工作的科技骨干有中国科学院空天信息创新研究院陈富龙、周伟、李俊生、时丕龙、李利伟和刘健等,北京市测绘设计研究院陈品祥、祝晓坤、刘艺、张翼然、甄一男等。北京天溯科技有限公司与北京控网科技有限公司为本项目提供了平台和网站建设方面的技术支持。

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