營房數(shù)字化系統(tǒng)文物保護(hù)模塊的設(shè)計(jì)與研究

萬華營

【摘 要】我國軍隊(duì)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(chǔ)管理工作薄弱、技術(shù)人才缺乏等原因，保護(hù)軍隊(duì)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(hù)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期加強(qiáng)我軍保護(hù)軍隊(duì)營區(qū)不可移動文物的能力，推動軍隊(duì)營區(qū)文物保護(hù)的規(guī)范化、法制化管理進(jìn)程。

【關(guān)鍵詞】營區(qū)文物保護(hù) 營房數(shù)字化系統(tǒng) 設(shè)計(jì)研究

我軍具有保護(hù)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(hù)文物古跡作為一項(xiàng)重要工作；建國后，特別是在文革期間和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展快速實(shí)現(xiàn)“城市化”的過程中對建筑遺產(chǎn)保護(hù)帶來的巨大沖擊中，部隊(duì)利用營區(qū)封閉管理的特點(diǎn)，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(xiàn)。然而由于當(dāng)前我軍軍隊(duì)營區(qū)文物管理中存在有基礎(chǔ)工作薄弱、技術(shù)人才缺乏等諸多問題，開展基礎(chǔ)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(gòu)設(shè)計(jì)

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(hù)模塊，可以有效實(shí)現(xiàn)對全軍營區(qū)內(nèi)文物的高效、精細(xì)化管理，同時全面提升部隊(duì)對營區(qū)內(nèi)文化遺產(chǎn)保護(hù)的能力。文物保護(hù)模塊架構(gòu)分三層設(shè)計(jì)，即：基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)支持層和應(yīng)用系統(tǒng)層。

1.1 文保中心數(shù)據(jù)庫建設(shè)

文保中心數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、點(diǎn)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(yīng)用專題數(shù)據(jù)庫等，對異構(gòu)異源的文物信息進(jìn)行統(tǒng)一存儲和管理。如圖1所示。

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

基礎(chǔ)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(diǎn)云數(shù)據(jù)庫：利用三維激光掃描技術(shù)對不可移動文物進(jìn)行全方位的掃描，以點(diǎn)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(xì)部結(jié)構(gòu)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(shí)物數(shù)據(jù)指標(biāo)、屬性描述信息、歷史沿革、文獻(xiàn)資料、調(diào)查研究報(bào)告、工程管理資料（招投標(biāo)、監(jiān)理、驗(yàn)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(diào)查記錄、鑒定評估、保護(hù)級別、保護(hù)范圍及建設(shè)控制地帶等文書；保護(hù)人員、保護(hù)機(jī)構(gòu)等文書；保護(hù)規(guī)劃、保護(hù)法規(guī)等文書；相關(guān)建設(shè)工程的審批等文書。

圖像數(shù)據(jù)庫：包括實(shí)物拍攝照片、實(shí)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(shè)計(jì)圖、地形圖、工程地質(zhì)圖、正射影像數(shù)據(jù)等。

應(yīng)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(shè)控制網(wǎng)，保證相鄰站點(diǎn)數(shù)據(jù)掃描在同一控制網(wǎng)內(nèi)至少存在3個以上公共控制點(diǎn)；設(shè)置掃描站點(diǎn)并在規(guī)劃圖上標(biāo)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(shè)置的掃描站點(diǎn)架設(shè)三維激光掃描儀；在掃描對象上安置或粘貼靶標(biāo)；通過三維激光掃描儀掃描控制軟件設(shè)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(diǎn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將儀器移至下一站點(diǎn)開始掃描工作；對于點(diǎn)云預(yù)處理過程中無法拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要再到現(xiàn)場補(bǔ)充掃描。

（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理前需要將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出至數(shù)據(jù)處理工作站上，然后通過專業(yè)點(diǎn)云預(yù)處理軟件，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)做去噪與平滑、配準(zhǔn)拼接、數(shù)據(jù)精簡等預(yù)處理工序后，生成的完整點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過將設(shè)定距離值內(nèi)每相鄰三點(diǎn)構(gòu)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(diǎn)云預(yù)處理工序之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在建立三維模型前需要先將建模對象的點(diǎn)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(diǎn)云形狀手工建模、材質(zhì)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(xué)、幾何與制圖特征的圖種，基于原始彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)和建好的三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過影像配準(zhǔn)后便制作成正射影像，改進(jìn)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(shí)景彩色圖像。4）二維矢量圖。利用掃描點(diǎn)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(gòu)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)不可移動文物信息的輸入輸出、查詢統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量檢查、數(shù)據(jù)更新、安全管理以及歷史數(shù)據(jù)管理。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理：將點(diǎn)云數(shù)據(jù)上傳至點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫中，可按日期、點(diǎn)云名稱查詢檢索點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并提供點(diǎn)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(hù)、應(yīng)用、研究專題數(shù)據(jù)的存儲、查詢、預(yù)覽和更新的管理功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

3.1 地面三維激光掃描測量子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及集成

研究固定球公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換方法、改進(jìn)ICP算法和測量設(shè)備絕對定位方法解決多站掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)問題；改進(jìn)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(shù)對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配的準(zhǔn)確度、可信度和效率，為被掃描對象實(shí)體提供有效高分辨率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、衛(wèi)星定位終端等測量硬件設(shè)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?shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、數(shù)碼相機(jī)圖像數(shù)據(jù)、三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的一致性關(guān)聯(lián)。

3.2 海量地理相關(guān)數(shù)據(jù)的處理、融合、管理技術(shù)

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(shè)計(jì)與施工資料及其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)，格式、結(jié)構(gòu)、屬性區(qū)別較大，在國標(biāo)、軍標(biāo)基礎(chǔ)上，研究專用的數(shù)據(jù)交換格式，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化過濾與整合。應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)前沿技術(shù)，以及面向?qū)ο蠹夹g(shù)，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(yīng)用系統(tǒng)的文件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)無法進(jìn)行組織管理。以數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫、面向?qū)ο蠹夹g(shù)為基礎(chǔ)，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(chǔ)，構(gòu)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(shù)

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

3.4 大規(guī)模復(fù)雜場景實(shí)時虛擬漫游技術(shù)

三維場景景觀模型建立后，對這些模型的有效管理是進(jìn)行實(shí)時渲染、交互漫游甚至空間分析的基礎(chǔ)。常見的文件方式有2D GIS附加圖像文件、關(guān)系數(shù)據(jù)庫甚至對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行各類三維數(shù)據(jù)的管理，但因其自身關(guān)系模型的限制，在表達(dá)三維模型的組織結(jié)構(gòu)、模型間的復(fù)雜關(guān)系時顯得力不從心。由于軍隊(duì)不可移動文物大規(guī)模場景景觀所涉及的實(shí)體類型豐富、數(shù)據(jù)種類較多、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，采用面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化場景數(shù)據(jù)管理方式，能體現(xiàn)建模實(shí)體所固有的空間特性，并能有效實(shí)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(jié)構(gòu)來體現(xiàn)場景的組合關(guān)系和層次關(guān)系，這種分層結(jié)構(gòu)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(gòu)造方法重構(gòu)一個模型對象，因而能較好地描述軍隊(duì)建筑遺產(chǎn)現(xiàn)場場景的組織結(jié)構(gòu)，適合在虛擬漫游時按視點(diǎn)對場景進(jìn)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(shí)時交互漫游要求，并能高效實(shí)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(shù)

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

4 結(jié)語

建立營房數(shù)字化管理系統(tǒng)的文保模塊有利于加強(qiáng)營區(qū)內(nèi)文物的建檔入庫實(shí)現(xiàn)文物的數(shù)字化留存保護(hù)，強(qiáng)化管理職能對營區(qū)內(nèi)文物遺址等的維護(hù)修繕實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、精細(xì)化。在營房數(shù)字化系統(tǒng)中建立軍隊(duì)營區(qū)文物保護(hù)模塊有利于推動軍隊(duì)營區(qū)文物保護(hù)的規(guī)范化、法制化管理進(jìn)程，最終實(shí)現(xiàn)對軍隊(duì)營區(qū)文物文物的長遠(yuǎn)保護(hù)。