基于SuperMap的古建文物數(shù)字化保護(hù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李士鋒 尹燕運(yùn) 杜文曉 陳 真 邵 攀

(中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

隨著測(cè)繪信息化技術(shù)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)的獲取手段越來(lái)越先進(jìn)，并且借助二三維地理信息系統(tǒng)將多源數(shù)據(jù)集成于一體，借助其二三維表達(dá)、空間管理、空間分析等強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于數(shù)字化文物、古建筑群落保護(hù)等領(lǐng)域，在文物數(shù)據(jù)采集、文物發(fā)現(xiàn)、文物保護(hù)、文物展示、文物修復(fù)、文化傳承等方面具有重要意義，有利于促進(jìn)文物保護(hù)及管理的高效化、精細(xì)化、科技化[1-2]。在古建文物保護(hù)工程逐步完善的過(guò)程中，原來(lái)以“修繕”為核心的保護(hù)工作思路，將會(huì)逐步轉(zhuǎn)移到科學(xué)、準(zhǔn)確、客觀地管理古建文物信息上來(lái)，轉(zhuǎn)移到對(duì)文物的深入挖掘、充分剖析和動(dòng)態(tài)展示上來(lái)，轉(zhuǎn)移到古建文物本體及其周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警上來(lái)，從而由原來(lái)被動(dòng)的搶險(xiǎn)性保護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極主動(dòng)的系統(tǒng)性和預(yù)防性保護(hù)[3]。因此，對(duì)古建文物數(shù)字化保護(hù)管理系統(tǒng)提出了更高的要求。

根據(jù)某古建文物數(shù)字化保護(hù)工程項(xiàng)目要求，在充分整合了古建文物保護(hù)信息資源的前提下，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合WebGIS技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，以提供古建文物的信息化管理服務(wù)和有效的科學(xué)決策手段為目標(biāo)，創(chuàng)建一個(gè)滿足時(shí)代要求的古建文物數(shù)字化保護(hù)管理平臺(tái)。本系統(tǒng)選用SuperMap作為GIS平臺(tái)，其中SuperMap iClient3D for WebGL是基于WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三維客戶端開發(fā)平臺(tái)，不僅支持SuperMap iServer提供的二三維一體化的專業(yè)GIS功能，并且采用混合開發(fā)模式，即服務(wù)器提供服務(wù)信息，部分?jǐn)?shù)據(jù)在客戶端處理，從而平衡了客戶端與服務(wù)器處理數(shù)據(jù)的能力[4]。采用當(dāng)前流行的B/S架構(gòu)，用戶只需要輸入網(wǎng)址即可登錄管理系統(tǒng)，極大地方便了用戶的訪問(wèn)以及軟件的分發(fā)，同時(shí)，通過(guò)文物保護(hù)單位的Web發(fā)布，可以讓全國(guó)乃至世界更加了解文物保護(hù)管理工作，促進(jìn)文物保護(hù)工作的交流與合作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文建立的古建文物數(shù)字化保護(hù)管理系統(tǒng)不僅要滿足用戶的實(shí)用性需求，即采用符合文物保護(hù)單位對(duì)古建文物信息管理的實(shí)際需求，充分考慮用戶計(jì)算機(jī)知識(shí)水平以及辦公習(xí)慣，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的網(wǎng)絡(luò)方案以及系統(tǒng)平臺(tái)方案，以保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行流暢，操作簡(jiǎn)單，易學(xué)易用；而且還充分利用WebGIS技術(shù)，在計(jì)算機(jī)軟硬件以及網(wǎng)絡(luò)支持下，實(shí)現(xiàn)文物信息的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

古建文物數(shù)字化保護(hù)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用三層體系架構(gòu)，即應(yīng)用接入層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)核心層，如圖1所示。系統(tǒng)采用三層體系架構(gòu)，將代碼分層、分類，使網(wǎng)站結(jié)構(gòu)更清晰，更易于擴(kuò)展和維護(hù)，并且實(shí)現(xiàn)模塊的復(fù)用，符合“高內(nèi)聚、低耦合”的開發(fā)思路[5]。應(yīng)用接入層主要提供二維地圖瀏覽、三維場(chǎng)景展示、數(shù)據(jù)接收、顯示信息，它是系統(tǒng)管理員、管理人員以及用戶獲得系統(tǒng)資源或進(jìn)行系統(tǒng)操作的界面。系統(tǒng)用戶界面是基于WEB將用戶所需要的信息或請(qǐng)求結(jié)果以網(wǎng)頁(yè)的形式返回至客戶端的瀏覽器，在提高了操作的方便性和靈活性的同時(shí)也降低了系統(tǒng)維護(hù)的成本。通過(guò)用戶界面可以直接操作和管理整個(gè)系統(tǒng)，完成管理系統(tǒng)的各項(xiàng)功能[6-7]。

業(yè)務(wù)邏輯層是本系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)WEB服務(wù)器發(fā)布服務(wù)，GIS服務(wù)器提供系統(tǒng)程序需要的GIS功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的各種請(qǐng)求和系統(tǒng)操作的響應(yīng)，從而完成業(yè)務(wù)邏輯處理、業(yè)務(wù)流程控制以及業(yè)務(wù)管理等功能。

數(shù)據(jù)核心層主要負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理。系統(tǒng)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和UDB空間數(shù)據(jù)引擎管理古建筑文物屬性數(shù)據(jù)、檔案資料以及多源GIS數(shù)據(jù)[8]。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主界面包括基礎(chǔ)管理、檔案管理、三維管理、變形數(shù)據(jù)管理、文保宣傳、統(tǒng)計(jì)查詢、系統(tǒng)管理等七個(gè)子系統(tǒng)，主要功能模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 基礎(chǔ)管理

基礎(chǔ)管理子系統(tǒng)主要是對(duì)古建筑文物的專題圖和平立剖圖的管理，其中古建文物的專題圖包括文保綜合地圖、古建文物保護(hù)范圍圖、地質(zhì)勘探圖、物探專題圖等二維地圖。平立剖圖包含了各個(gè)古建筑物的平面圖、立面圖、剖面圖。本功能模塊實(shí)現(xiàn)了古建筑文物從本體信息到周圍地理空間信息、地質(zhì)環(huán)境信息的全面拓展。

二維地圖使用SuperMap iDesktop軟件進(jìn)行制作，生成地圖瓦片后利用SuperMap iServer在服務(wù)器上發(fā)布地圖服務(wù)。同時(shí)，SuperMap iServer提供了客戶端GIS功能開發(fā)工具包SuperMap iClient Classic。通過(guò)調(diào)用開發(fā)工具包中SuperMap.Map,addLayer 方法，可以實(shí)現(xiàn)地圖圖層的加載顯示，效果如圖3所示。另外通過(guò)調(diào)用腳本開發(fā)庫(kù)中相關(guān)方法，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)二維地圖的放大、縮小、移動(dòng)等瀏覽方式，實(shí)現(xiàn)測(cè)距、測(cè)面積、地圖保存等基礎(chǔ)功能以及實(shí)現(xiàn)二維地圖上的信息查詢功能等。古建文物的平立剖圖以PDF格式的文檔形式在網(wǎng)頁(yè)上顯示。

圖3 二維地圖顯示效果

2.2 檔案管理

檔案管理子系統(tǒng)管理數(shù)字化的檔案信息，主要包括古建筑修繕檔案以及文物巡查記錄檔案。通過(guò)實(shí)現(xiàn)檔案記錄的增加、刪除、修改、更新、導(dǎo)出等功能，方便文物保護(hù)單位的日常檔案管理工作。

2.3 三維管理

三維管理子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心功能模塊。通過(guò)三維GIS技術(shù)手段，對(duì)古建文物進(jìn)行更加直觀、形象的管理。三維管理子系統(tǒng)主要包括三維地圖、BIM模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、全景照片等四種展示形式，對(duì)古建文物進(jìn)行全方位的三維管理。

古建文物的三維信息包含傾斜攝影模型、精細(xì)模型、BIM(建筑信息模型)、點(diǎn)云等多源數(shù)據(jù)。其中，精細(xì)模型與BIM模型分別利用3d Max和Revit軟件制作完成，然后通過(guò)SuperMap提供的插件導(dǎo)出UDB格式的建筑模型；傾斜攝影模型是通過(guò)無(wú)人機(jī)外業(yè)采集再結(jié)合內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理而生成的三維數(shù)據(jù)模型；點(diǎn)云數(shù)據(jù)是使用三維激光掃描儀采集的基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，是描述古建筑文物空間大小、形態(tài)最為準(zhǔn)確的直接測(cè)量數(shù)據(jù)[9-10]。建筑模型、傾斜攝影模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以在SuperMap iDesktop軟件中制作成三維場(chǎng)景，并且生成場(chǎng)景緩存，即三維切片緩存(*.s3m)格式的數(shù)據(jù)文件，以便SuperMap iServer發(fā)布成三維服務(wù)，實(shí)現(xiàn)Web網(wǎng)絡(luò)資源共享。同時(shí)，利用SuperMap iServer提供的SuperMap iClient3D for WebGL腳本庫(kù)中Scene.addS3MTilesLayerByScp方法，調(diào)用發(fā)布的三維服務(wù)，將三維切片緩存數(shù)據(jù)加載到客戶端，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的顯示，并且建筑模型可以根據(jù)關(guān)聯(lián)ID與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)接口實(shí)現(xiàn)屬性信息查詢的功能，效果如圖4所示。調(diào)用腳本庫(kù)中相關(guān)函數(shù)可以實(shí)行二三維聯(lián)動(dòng)、BIM模型圖層控制、動(dòng)畫演示等效果。

圖4 三維管理的屬性查詢

2.4 變形數(shù)據(jù)管理

變形數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要是對(duì)變形基準(zhǔn)數(shù)據(jù)成果的展示，其中變形監(jiān)測(cè)分為水平位移監(jiān)測(cè)、沉降位移監(jiān)測(cè)、傾斜位移監(jiān)測(cè)以及應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)。點(diǎn)擊地圖上分布變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在彈窗中顯示監(jiān)測(cè)值隨時(shí)間的變化形成監(jiān)測(cè)成果變化曲線圖；監(jiān)測(cè)成果可以進(jìn)行導(dǎo)出，供用戶下載。根據(jù)監(jiān)測(cè)成果對(duì)古建筑文物的修繕提出合理的建議。

2.5 文保宣傳

文保宣傳子系統(tǒng)分為宣傳視頻和文保紀(jì)念品展示兩項(xiàng)功能。宣傳視頻是通過(guò)視頻資料記錄、傳播古建筑文物的歷史沿革、建筑特征、文化價(jià)值等。文保紀(jì)念品可進(jìn)一步挖掘古建筑文物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，擴(kuò)大古建筑文物的文化影響力。

2.6 統(tǒng)計(jì)查詢

統(tǒng)計(jì)查詢子系統(tǒng)分為檔案統(tǒng)計(jì)、建筑群統(tǒng)計(jì)、建筑物統(tǒng)計(jì)、病害統(tǒng)計(jì)、變形統(tǒng)計(jì)、BIM單體統(tǒng)計(jì)、建筑物部件統(tǒng)計(jì)等。其中，檔案統(tǒng)計(jì)、建筑群統(tǒng)計(jì)、建筑物統(tǒng)計(jì)、變形統(tǒng)計(jì)的功能界面，表格記錄與二維地圖中的要素相關(guān)聯(lián)；病害統(tǒng)計(jì)、BIM單體統(tǒng)計(jì)、建筑物部件統(tǒng)計(jì)與三維場(chǎng)景中的對(duì)象相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)圖表互動(dòng)的功能(見圖5)。用戶可以更加直觀地了解古建文物相關(guān)信息，便于對(duì)古建文物綜合管理。

圖5 圖表互動(dòng)效果

2.7 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理子系統(tǒng)分為用戶管理、角色管理以及數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)等功能。用戶管理實(shí)現(xiàn)用戶的添加、刪除、分配角色等功能。角色管理實(shí)現(xiàn)角色的添加、刪除、以及分配系統(tǒng)權(quán)限等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄增、刪、改、查及導(dǎo)入導(dǎo)出等功能。

3 結(jié)論

根據(jù)古建文物保護(hù)管理實(shí)際工作需要，以古建文物保護(hù)為核心，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將與古建文物相關(guān)的地理空間信息及文字資料等有機(jī)結(jié)合起來(lái)，基于SuperMap提出古建文物數(shù)字化保護(hù)管理系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)通過(guò)深入的系統(tǒng)需求分析，數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、功能模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、內(nèi)部測(cè)試、用戶試運(yùn)行、實(shí)施與維護(hù)等階段工作。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)古建筑文物信息的輸入、存儲(chǔ)、檢索、修改與更新，二三維展示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)查詢以及圖形輸出等功能進(jìn)行了詳細(xì)的開發(fā)，以便更加及時(shí)準(zhǔn)確反映古建筑文物保護(hù)的現(xiàn)狀，為古建文物的保護(hù)決策提供科學(xué)、規(guī)范、有效的數(shù)據(jù)支持。