營房數(shù)字化系統(tǒng)文物保護模塊的設計與研究

萬華營

（北京昊峰東方科技有限公司，北京 100094）

營房數(shù)字化系統(tǒng)文物保護模塊的設計與研究

萬華營

（北京昊峰東方科技有限公司，北京 100094）

我國軍隊建筑遺產(chǎn)中存在著多類具有特殊文化價值的建筑遺產(chǎn)，但是由于基礎管理工作薄弱、技術人才缺乏等原因，保護軍隊營區(qū)不可移動文物面臨這巨大的困難，為此，本文對營房數(shù)字化系統(tǒng)文物保護模塊進行設計研究，以期加強我軍保護軍隊營區(qū)不可移動文物的能力，推動軍隊營區(qū)文物保護的規(guī)范化、法制化管理進程。

營區(qū)文物保護 營房數(shù)字化系統(tǒng) 設計研究

我軍具有保護文化遺產(chǎn)的優(yōu)良傳統(tǒng)，早在戰(zhàn)爭時期，我軍就把保護文物古跡作為一項重要工作；建國后，特別是在文革期間和經(jīng)濟高速發(fā)展快速實現(xiàn)“城市化”的過程中對建筑遺產(chǎn)保護帶來的巨大沖擊中，部隊利用營區(qū)封閉管理的特點，受外界擾動小，使保存文物古跡免遭毀壞，為文物古跡的安全傳承做出了重要貢獻。然而由于當前我軍軍隊營區(qū)文物管理中存在有基礎工作薄弱、技術人才缺乏等諸多問題，開展基礎工程戰(zhàn)略面臨著巨大的困難和挑戰(zhàn)。

1　系統(tǒng)模塊的架構設計

采用信息化手段，通過建立數(shù)字化營房管理系統(tǒng)文物保護模塊，可以有效實現(xiàn)對全軍營區(qū)內文物的高效、精細化管理，同時全面提升部隊對營區(qū)內文化遺產(chǎn)保護的能力。文物保護模塊架構分三層設計，即：基礎支撐層、數(shù)據(jù)支持層和應用系統(tǒng)層。

1.1文保中心數(shù)據(jù)庫建設

文保中心數(shù)據(jù)庫建設包括系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫、基礎地理信息數(shù)據(jù)庫、點云數(shù)據(jù)庫、三維模型數(shù)據(jù)庫、正射影像數(shù)據(jù)庫、二維圖形數(shù)據(jù)庫、圖像數(shù)據(jù)庫、文字資料數(shù)據(jù)庫、應用專題數(shù)據(jù)庫等，對異構異源的文物信息進行統(tǒng)一存儲和管理。如圖1所示。

系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫：系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫包含了系統(tǒng)運行所需的所有表、視圖、存儲過程等。

基礎地理信息數(shù)據(jù)庫：主要包括衛(wèi)星影像、航空照片、矢量地圖等。

點云數(shù)據(jù)庫：利用三維激光掃描技術對不可移動文物進行全方位的掃描，以點云的形式描述該物體。

三維模型數(shù)據(jù)庫：包括建筑、院墻、牌坊、廊廡、碑刻及細部結構的三維模型及三維場景數(shù)據(jù)。

聲像信息數(shù)據(jù)庫：主要存放歷史視頻、聲音、動畫等流媒體資料。

文字資料數(shù)據(jù)庫：包括實物數(shù)據(jù)指標、屬性描述信息、歷史沿革、文獻資料、調查研究報告、工程管理資料（招投標、監(jiān)理、驗收等管理資料）、使用信息（使用單位情況、開放經(jīng)營狀況、觀眾、收入數(shù)據(jù)等）；法規(guī)信息：調查記錄、鑒定評估、保護級別、保護范圍及建設控制地帶等文書；保護人員、保護機構等文書；保護規(guī)劃、保護法規(guī)等文書；相關建設工程的審批等文書。

圖像數(shù)據(jù)庫：包括實物拍攝照片、實測圖、歷史照片等圖像數(shù)據(jù)。

二維矢量數(shù)據(jù)庫：包括各種數(shù)字CAD線劃圖、工程設計圖、地形圖、工程地質圖、正射影像數(shù)據(jù)等。

應用專題數(shù)據(jù)庫：專題符號數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、營區(qū)數(shù)據(jù)等。

1.2不可移動文物三維數(shù)據(jù)采集及后期處理

（1）前期規(guī)劃。掃描工作開始前，掃描人員先要踏勘現(xiàn)場；并根據(jù)現(xiàn)場情況布設控制網(wǎng)，保證相鄰站點數(shù)據(jù)掃描在同一控制網(wǎng)內至少存在3個以上公共控制點；設置掃描站點并在規(guī)劃圖上標記，最終編制出臺采集方案。

（2）現(xiàn)場掃描。依據(jù)采集方案設置的掃描站點架設三維激光掃描儀；在掃描對象上安置或粘貼靶標；通過三維激光掃描儀掃描控制軟件設置掃描參數(shù)；記錄掃描日志，做好現(xiàn)場注釋；掃描儀完成單站掃描后即可生成該站點的三維點云數(shù)據(jù)，將儀器移至下一站點開始掃描工作；對于點云預處理過程中無法拼接的點云數(shù)據(jù)，需要再到現(xiàn)場補充掃描。

（3）數(shù)據(jù)預處理。數(shù)據(jù)預處理前需要將掃描的點云數(shù)據(jù)導出至數(shù)據(jù)處理工作站上，然后通過專業(yè)點云預處理軟件，對點云數(shù)據(jù)做去噪與平滑、配準拼接、數(shù)據(jù)精簡等預處理工序后，生成的完整點云數(shù)據(jù)可用于三維建模等后處理工作。

（4）數(shù)據(jù)后處理。1）三角網(wǎng)模型。以點云數(shù)據(jù)為基礎，通過將設定距離值內每相鄰三點構成一個平面的方式，軟件能夠自動建立起被測物體的三角網(wǎng)模型。2）三維模型。經(jīng)過點云預處理工序之后的點云數(shù)據(jù)，在建立三維模型前需要先將建模對象的點云數(shù)據(jù)分割出來，之后通過3dmax、maya等專業(yè)三維建模軟件，由建模人員根據(jù)點云形狀手工建模、材質編輯、紋理貼圖。3）數(shù)字正射影像。數(shù)字正射影像是一種既具有像片影像特征同時又具有線劃地圖數(shù)學、幾何與制圖特征的圖種，基于原始彩色點云數(shù)據(jù)和建好的三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過影像配準后便制作成正射影像，改進了傳統(tǒng)數(shù)字正射影像制作的手段，向用戶展示一個完全的實景彩色圖像。4）二維矢量圖。利用掃描點云數(shù)據(jù)和建好的三維模型數(shù)據(jù)，可以通過CAD專業(yè)繪圖軟件生成不可移動文物及其構件任意角度的平面圖、立面圖、剖面圖、等值線圖等，為文物測量、修繕、改建、重建提供專業(yè)的圖形資料。

2　數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

主要功能包括：點云數(shù)據(jù)管理、模型數(shù)據(jù)管理、聲像數(shù)據(jù)管理、二維圖像數(shù)據(jù)管理、二維圖形數(shù)據(jù)管理、文字資料管理和專題數(shù)據(jù)管理的軟件，以實現(xiàn)不可移動文物信息的輸入輸出、查詢統(tǒng)計、質量檢查、數(shù)據(jù)更新、安全管理以及歷史數(shù)據(jù)管理。

點云數(shù)據(jù)管理：將點云數(shù)據(jù)上傳至點云數(shù)據(jù)庫中，可按日期、點云名稱查詢檢索點云數(shù)據(jù)，并提供點云數(shù)據(jù)更新操作功能。模型數(shù)據(jù)管理：提供單個三維模型的上傳、查詢、瀏覽功能。聲像數(shù)據(jù)管理：對部分采用聲音、視頻形式的不可移動文物資料提供上傳與更新。

二維圖形數(shù)據(jù)管理：提供不可移動文物的立面圖、剖面圖、正視圖、俯視圖、透視圖等二維圖形的上傳、更新管理功能。

二維圖像數(shù)據(jù)管理：提供不可移動文物圖片數(shù)據(jù)的管理功能。文字資料管理：提供不可移動文物的文字、歷史資料管理功能。專題資料管理：提供不可移動文物修繕、維護、應用、研究專題數(shù)據(jù)的存儲、查詢、預覽和更新的管理功能。

3　關鍵技術及解決途徑

3.1地面三維激光掃描測量子系統(tǒng)關鍵技術及集成

研究固定球公共點轉換方法、改進ICP算法和測量設備絕對定位方法解決多站掃描數(shù)據(jù)配準技術問題；改進綜合Fuzzy·c-means（FCM）算法、ICP算法、Chen-Medioni算法、Procrustes方法、最小二乘方法等技術對海量點云數(shù)據(jù)進行處理，提高海量點云數(shù)據(jù)匹配的準確度、可信度和效率，為被掃描對象實體提供有效高分辨率基礎數(shù)據(jù)。對三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、衛(wèi)星定位終端等測量硬件設施，研究其硬件接口控制指令和數(shù)據(jù)傳輸格式，通過硬件接口控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)讓榆浖幊虒崿F(xiàn)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、數(shù)碼相機圖像數(shù)據(jù)、三維激光掃描點云數(shù)據(jù)的坐標轉換的一致性關聯(lián)。

3.2海量地理相關數(shù)據(jù)的處理、融合、管理技術

系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源自三維激光掃描、數(shù)碼拍攝圖像、原有GIS數(shù)據(jù)、設計與施工資料及其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)，格式、結構、屬性區(qū)別較大，在國標、軍標基礎上，研究專用的數(shù)據(jù)交換格式，對各類數(shù)據(jù)進行規(guī)范化過濾與整合。應用地理信息系統(tǒng)的混合數(shù)據(jù)結構與一體化數(shù)據(jù)結構前沿技術，以及面向對象技術，解決柵格/矢量數(shù)據(jù)的融合問題。系統(tǒng)信息種類龐雜，數(shù)據(jù)海量，應用系統(tǒng)的文件和數(shù)據(jù)庫技術無法進行組織管理。以數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫、面向對象技術為基礎，建立大比例尺三維空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；以格網(wǎng)或四叉樹為基礎，構建空間索引，可有效解決系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的組織管理問題。

3.3三維建模仿真技術

軍隊建筑遺產(chǎn)現(xiàn)場地形、地物及其內部結構很復雜，對其三維建模是場景顯示的基礎。對于地形，數(shù)字高程模型（DEM）的兩種表達方式矩形格網(wǎng)（Grid）和地形三角網(wǎng)TIN混合建模進行解決。對于地物及其內部結構，主要應用三維激光掃描點云數(shù)據(jù)和地物設計或施工數(shù)據(jù)，開發(fā)相應的建模工具或開發(fā)模型導入接口軟件，將3 D Max、VIZ等商業(yè)建模軟件中建好的模型導入主系統(tǒng)，以此解決建（構）筑物（群）及其內部結構的建模問題。

3.4大規(guī)模復雜場景實時虛擬漫游技術

三維場景景觀模型建立后，對這些模型的有效管理是進行實時渲染、交互漫游甚至空間分析的基礎。常見的文件方式有2D GIS附加圖像文件、關系數(shù)據(jù)庫甚至對象關系數(shù)據(jù)庫來進行各類三維數(shù)據(jù)的管理，但因其自身關系模型的限制，在表達三維模型的組織結構、模型間的復雜關系時顯得力不從心。由于軍隊不可移動文物大規(guī)模場景景觀所涉及的實體類型豐富、數(shù)據(jù)種類較多、空間結構復雜、數(shù)據(jù)量大等特點，采用面向對象的結構化場景數(shù)據(jù)管理方式，能體現(xiàn)建模實體所固有的空間特性，并能有效實現(xiàn)大場景數(shù)據(jù)管理。有向無環(huán)樹狀場景圖數(shù)據(jù)管理模式，采用樹狀層次結構來體現(xiàn)場景的組合關系和層次關系，這種分層結構既可以使用自頂向下的方法將一個模型對象分解，也可以使用自底向上的構造方法重構一個模型對象，因而能較好地描述軍隊建筑遺產(chǎn)現(xiàn)場場景的組織結構，適合在虛擬漫游時按視點對場景進行動態(tài)的視景體提取和地形地物的動態(tài)簡化，提高系統(tǒng)渲染速度，滿足實時交互漫游要求，并能高效實現(xiàn)場景的切換和“沉浸式、高臨場感”漫游。

3.5三維場景空間分析技術

三維空間分析相對于二維來說更加復雜，首先要通過坐標系統(tǒng)轉換運算，將二維平面所顯示三維場景中所選中的三維坐標求解出來，然后才能進行基本的三維空間地理因子運算，如坡度、距離、面積等。結合軍隊建筑遺產(chǎn)專題，對各種地理因素進行分析。

4　結語

建立營房數(shù)字化管理系統(tǒng)的文保模塊有利于加強營區(qū)內文物的建檔入庫實現(xiàn)文物的數(shù)字化留存保護，強化管理職能對營區(qū)內文物遺址等的維護修繕實現(xiàn)專業(yè)化、精細化。在營房數(shù)字化系統(tǒng)中建立軍隊營區(qū)文物保護模塊有利于推動軍隊營區(qū)文物保護的規(guī)范化、法制化管理進程，最終實現(xiàn)對軍隊營區(qū)文物文物的長遠保護。