基于GIS和三維激光掃描技術(shù)的北京大學(xué)文物管理信息系統(tǒng)研究

唐琳 張通 張劍葳 唐伽拉 陳杰

摘? 要? 以燕園石刻文物為核心研究對象，采用三維激光掃描、全景攝影、近景攝影測量以及全球衛(wèi)星定位等數(shù)字化技術(shù)手段，對這些石刻文物遺存的確切分布位置、現(xiàn)狀環(huán)境、空間形態(tài)和石刻紋理信息進(jìn)行全面的研究和記錄，結(jié)合Sketch Up等軟件完成相應(yīng)數(shù)據(jù)處理和制圖工作，建立一個(gè)燕園文物數(shù)字博物館。除此之外，利用ArcGIS二次開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)燕園文物信息管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)文物保護(hù)的可視化與科學(xué)化管理。為進(jìn)一步促進(jìn)GIS三維激光掃描技術(shù)在文物管理工作中的應(yīng)用和推廣奠定了基礎(chǔ)，為文物的數(shù)字化工作帶來新的契機(jī)。

關(guān)鍵詞? GIS；三維激光掃描；燕園文物；文物管理信息系統(tǒng)

中圖分類號：G264? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）10-0008-04

Research on Cultural Relics Management Infor-mation System of Peking University Based on

GIS and 3D Laser Scanning Technology//TANG

Lin1， ZHANG Tong2， ZHANG Jianwei3， TANG Jiala1，?CHEN Jie1

Abstract? The research object of this paper is the?stone cultural relics of the Yan Garden. This paper?records the distribution location， current environ-ment， space and texture information of stone car-vings by using 3D laser scanning， close shot photo-grammetry， panoramic photography and global satellite?positioning technology. Combined with Sketch Up and other software to complete the corresponding data processing and mapping work， the Cultural Relics digital Museum of The Yan Garden is established. In?addition， using ArcGIS secondary development platform，?Cultural Relics Information Management System of The Yan Garden is designed to achieve cultural relics protection visualization and scientific management. It lays a foundation for further promoting the application and promotion of GIS 3D laser scanning technology in the management of cultural relics.

Key words? GIS; 3D laser scanning; cultural relics of?The Yan Garden; cultural relics management informa-tion system

Authors address1? Office of Cultural Relics Protection and Manage-? ?ment， Ministry of Real Estate Management， Peking?? ?University， Beijing， China， 1008712? College of Technology， Peking University， Beijing，? ?China， 1008713? College of Archaeology， Peking University， Beijing，? ?China， 100871

0? 引言

文物能夠反映一個(gè)民族的文化、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、科技等各個(gè)領(lǐng)域融合的實(shí)力，可以說是一個(gè)國家和民族的精神支柱[1]。翻尾石魚、華表、石麒麟、梅石碑……這些明清時(shí)期留存下來的圓明園石刻文物最終在燕園安了家，早已成為燕園里最為靚麗奪目的風(fēng)景。它們將昔日驚艷絕倫的“萬園之園”與北大人魂?duì)繅衾@的自由圣地緊密相連，靜靜訴說著一段段歲月變遷的故事。基于此，對文物開展一系列數(shù)字化研究以便保護(hù)和保存這份歷史記憶就顯得非常必要?；贕IS和三維激光掃描儀等現(xiàn)代信息技術(shù)條件建立的文物管理信息系統(tǒng)，形成歷史建筑屬性數(shù)據(jù)庫，同時(shí)，建立歷史建筑空間數(shù)據(jù)庫，可以幫助實(shí)現(xiàn)永久完整存檔有關(guān)文物的相關(guān)資料信息；為人類子孫后代更好地進(jìn)行共享信息和知識傳承，還可以通過信息化提供相關(guān)科技支撐，有助于文物快速修復(fù)處理或復(fù)原。

1? 研究方法

對文物數(shù)據(jù)進(jìn)行全面準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的數(shù)字采集傳輸和智能處理是推動數(shù)字化文物保護(hù)的基本前提保證和現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。采用高精度鋼尺和水準(zhǔn)儀量取文物平面、立面或垂直剖面特征點(diǎn)位置以及對應(yīng)的特征線的直線距離等，進(jìn)而直接利用這些幾何關(guān)系繪出線性特征圖，這是目前測繪領(lǐng)域使用到的一個(gè)主要繪圖方法與手段[2]。隨著科技日益發(fā)展，各種以高精度為目標(biāo)的測繪新型信息科技產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，如GPS、全站儀、測量機(jī)器人和近景攝影測量等，但仍無法滿足文物全面高精度普查的需求。

三維激光掃描技術(shù)是目前最新的影像前沿技術(shù)之一，使用范圍廣泛。有研究利用無人機(jī)載激光雷達(dá)遙感技術(shù)測量植被結(jié)構(gòu)[3]。在文物數(shù)據(jù)采集中，通過激光雷達(dá)利用主動遙感技術(shù)實(shí)時(shí)獲取激光掃描產(chǎn)生的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，收集文物表面結(jié)構(gòu)信息[4]，與Sketch Up等軟件相結(jié)合，生成文物三維空間模型。該技術(shù)不接觸歷史建筑表面，采樣率高、精度高、體積小、防護(hù)能力強(qiáng)，不會對文物造成損害。

GIS（Geographic Information System）即以系統(tǒng)工程和信息科學(xué)作為核心理論，通過管理和分析空間地理數(shù)據(jù)來提供技術(shù)系統(tǒng) [5]，主要集中應(yīng)用于地形測繪[6]等領(lǐng)域。近年來，數(shù)字化文化遺產(chǎn)檔案建設(shè)、數(shù)字化傳播等方面的研究已成為熱點(diǎn)，如敦煌數(shù)字化項(xiàng)目順利完成了數(shù)字化保護(hù)信息系統(tǒng)構(gòu)建[7]，但文物保護(hù)研究中如何綜合高效運(yùn)用各種數(shù)字化技術(shù)等方面的研究還不夠深入。

GIS和三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合建立的文物管理信息系統(tǒng)不僅能夠完整、精確地記錄文物本身的空間結(jié)構(gòu)，還能記錄文物周邊的環(huán)境信息等屬性信息；既能讓用戶達(dá)到身臨其境的效果，也可以為后續(xù)的研究和修復(fù)提供依據(jù)，更好地?fù)?dān)負(fù)起建立文物保護(hù)方案的任務(wù)。目前，在文物保護(hù)和管理需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的背景下，本文綜合運(yùn)用GIS以及三維激光掃描技術(shù)，以此建立文物數(shù)據(jù)庫和保護(hù)管理系統(tǒng)，并以北京大學(xué)文物管理為案例解析該數(shù)據(jù)庫和管理系統(tǒng)構(gòu)建的基本思路和流程，為其他高校和一些地區(qū)的文物保護(hù)和管理工作提供一定的參考與借鑒。

2? 研究區(qū)概況

北京大學(xué)上承太學(xué)傳統(tǒng)，是中國幾千年文脈得以延續(xù)、發(fā)展且不斷追求與時(shí)俱進(jìn)的精神文化象征。燕園作為今日北大的主校區(qū)，有著極其深遠(yuǎn)和豐富的文化內(nèi)涵和歷史底蘊(yùn)以及不勝枚舉的歷史文物。其中，共計(jì)各種石雕、石碑及石構(gòu)件文物42件。

2018年12月，北京大學(xué)文物保護(hù)與管理辦公室與考古文博學(xué)院聯(lián)合組建了北京大學(xué)石刻文物數(shù)字化工作坊，分兩期陸續(xù)對校內(nèi)的華表、翻尾石魚等共60余件重要石刻文物進(jìn)行了全數(shù)字化的采集。2020年5月，初步建成線上的燕園文物數(shù)字博物館，向全校師生開放，取得良好反饋。后期計(jì)劃分批對校內(nèi)現(xiàn)有的一些文物建筑等進(jìn)行數(shù)字化資料采集并將成果更新到燕園文物數(shù)字博物館，服務(wù)全校師生。

3? 文物數(shù)據(jù)采集

文物信息數(shù)字化是指將空間和屬性信息有機(jī)地結(jié)合起來。以實(shí)地考察、查詢文物檔案館、搜索文獻(xiàn)三個(gè)方法，對現(xiàn)有的文物屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析。主要搜集的數(shù)據(jù)屬性應(yīng)包括文物名稱、文物年代、保護(hù)級別、保存位置、歷史信息、所屬類別、現(xiàn)狀信息等，其他重要數(shù)據(jù)屬性包括文本、線圖和圖片等?？臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括空間柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)兩部分，兩者的區(qū)別主要表現(xiàn)在空間矢量數(shù)據(jù)是以單個(gè)地學(xué)實(shí)體為主要獨(dú)立信息單元，利用點(diǎn)、線、面等平面幾何圖形要素就可以精確、定量地表達(dá)出建筑物的邊界特征和其內(nèi)部體元[8]。

使用三維激光掃描等現(xiàn)代技術(shù)對北京大學(xué)石刻文物的主要分布位置、現(xiàn)狀環(huán)境、空間形態(tài)和結(jié)構(gòu)紋理信息分別進(jìn)行記錄。主要可分為這幾個(gè)步驟：

1）采用三維激光掃描獲取數(shù)字化對象的一些基本幾何信息，形成供留檔的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為攝影建模提供基本控制點(diǎn)；

2）采用攝影建模獲取數(shù)字化對象的三維紋理模型，形成供留檔的三維模型數(shù)據(jù)和展示用模型數(shù)據(jù)；

3）通過處理三維紋理模型，獲取數(shù)字化對象主要面的正射影像，形成下一步紋樣提取的基礎(chǔ)；

4）通過rtk測量和全景拍攝，記錄文物點(diǎn)的地理坐標(biāo)和周邊環(huán)境，并結(jié)合三維紋理模型形成線上管理系統(tǒng)，配合相關(guān)文獻(xiàn)和歷史圖片的錄入，全方位記錄和顯示散落文物點(diǎn)的信息。

經(jīng)過以上室外測量和室內(nèi)作業(yè)工作，石刻文物的三維結(jié)構(gòu)特征、屬性特征和保存環(huán)境得以完整呈現(xiàn)，形成了燕園文物數(shù)字博物館（http：//relics.pku.edu.cn/）。燕園文物三維模型可以面向師生全方位、交互性地展示，形成了一個(gè)開放性、共享化的虛擬交互平臺。

4? 文物管理信息系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

在燕園文物數(shù)字博物館的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步更加高效、精確、全面地實(shí)現(xiàn)各種文物信息數(shù)據(jù)的科學(xué)化管理，試圖建立一套“燕園文物管理信息系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)對不同類型的文物保護(hù)信息數(shù)據(jù)的收集、存儲與科學(xué)管理。ArcGIS是由ESRI公司搭建的一個(gè)開發(fā)平臺，內(nèi)含一組可供嵌入的GIS邏輯，可用于快速構(gòu)建定制應(yīng)用[9]。在此平臺上進(jìn)行“燕園文物管理信息系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)開發(fā)。應(yīng)用嵌入式的ArcGIS組件構(gòu)成整個(gè)嵌入式軟件系統(tǒng)，可以用來支撐專業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)輸出、查詢分析等的功能。系統(tǒng)功能框架如圖1所示。

4.1? 文物多元展示

這是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最基本的可視化功能。在該系統(tǒng)中，可以通過利用對燕園的三維模型管理以及可視化等一系列技術(shù)手段，為校內(nèi)師生和各類專家提供新的研究平臺和觀摩途徑。文物單位的地理位置和平面結(jié)構(gòu)信息能夠更直接反映給使用者，提高師生的文物保護(hù)意識和文化自信。

4.2? 信息綜合查詢

利用數(shù)據(jù)庫管理功能實(shí)現(xiàn)文物的基本信息查詢。除了基本的“關(guān)鍵詞查詢”和“高級查詢”功能之外，用戶往往需要篩查空間位置，然后再查看屬性及其他信息。在手機(jī)移動版平臺應(yīng)用地圖框選查詢功能可以給文物保護(hù)管理人員的日常工作帶來更多便利，促進(jìn)文物保護(hù)工作有效開展。

4.3? 空間統(tǒng)計(jì)分析

文物信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析具有十分廣泛的作用，工作人員可以將各種文物的保護(hù)級別、保護(hù)類別、保護(hù)區(qū)、文物年代等統(tǒng)計(jì)項(xiàng)作為重點(diǎn)篩選依據(jù)并統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果通常是以列表和統(tǒng)計(jì)圖的方式呈現(xiàn)，即文物部分與整體之間的數(shù)量關(guān)系、各種文物數(shù)量的數(shù)目、文物數(shù)據(jù)的變化趨勢等情況能夠更直觀地呈現(xiàn)。這些功能對文物保護(hù)與管理辦公室進(jìn)行燕園文物的下一步規(guī)劃和科學(xué)保護(hù)具有輔助作用。

4.4? 文物現(xiàn)狀評估

通過歷史文獻(xiàn)資料和實(shí)時(shí)空間數(shù)據(jù)的比較分析，研究燕園文物發(fā)展軌跡，對現(xiàn)狀進(jìn)行評估，對文物歷史價(jià)值、文化價(jià)值、藝術(shù)價(jià)值等作出剖析并區(qū)別分類，分析和研究文物的歷史與現(xiàn)實(shí)的環(huán)境變化，從而有針對性地提出不同文物保護(hù)的具體方案并深入地對其進(jìn)行安全監(jiān)測。

4.5? 文物復(fù)原修復(fù)

通過文物管理信息系統(tǒng)提供的數(shù)字虛擬環(huán)境，根據(jù)空間和屬性數(shù)據(jù)庫，對已經(jīng)破損的或者是在細(xì)部出現(xiàn)殘缺變形的文物進(jìn)行修復(fù)和保存。將文物的主要屬性信息與采集的歷史數(shù)據(jù)二者相結(jié)合，對文物要素進(jìn)行科學(xué)比較和系統(tǒng)專業(yè)分析，構(gòu)建文物的復(fù)原評價(jià)系統(tǒng)，對一些細(xì)部和外部殘缺或已經(jīng)受到破壞的重要文物進(jìn)行科學(xué)復(fù)原修復(fù)。

5? 結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，可以利用非接觸式測量方法，在不損害文物的情況下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，滿足文物保護(hù)的核心訴求。將GIS技術(shù)結(jié)合三維激光掃描技術(shù)用在文物保護(hù)工作中，可以巧妙地將二者的優(yōu)勢結(jié)合起來。一方面，三維激光掃描技術(shù)在采集數(shù)據(jù)時(shí)具有準(zhǔn)確度較高的優(yōu)勢；另一方面，GIS技術(shù)在處理數(shù)據(jù)時(shí)具有精確、快捷的優(yōu)勢，將此技術(shù)融合應(yīng)用于“燕園數(shù)字化博物館”和“燕園文物管理信息系統(tǒng)”中，從而實(shí)現(xiàn)燕園文物數(shù)據(jù)直觀、多元化的展示和綜合、高效率管理，提升文物的信息管理水平，將燕園文物保護(hù)推向真正的智慧化管理階段。

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