石窟寺数字化工程数据管理系统设计与实现

位再成，胡云岗，侯妙乐

(北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京　100044)



石窟寺数字化工程数据管理系统设计与实现

位再成*，胡云岗，侯妙乐

(北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京100044)

摘要：石窟寺数字化工程中获取了大量的数据，包括：点云数据、三维模型、纹理数据以及各种图件等。针对这些数据的管理，本文提出基于文件与数据库的混合管理方法，设计并实现了具有普适性的石窟寺数字化工程数据管理系统。该系统目前已经应用在宝顶山大佛湾石刻数字化工程中。实践结果表明，采用文件与数据库混合管理方法可以有效地管理石窟寺数字化工程数据，同时，系统的应用能够提高数据的查询和使用效率。

关键词：石窟寺；三维激光扫描技术；数据管理

1引言

敦煌莫高窟、云冈石窟等我国具有代表性的石窟寺具有极高的历史、艺术和科学价值。然而受到自然以及人为因素影响，石窟寺中的壁画、雕塑等文物不可避免地会产生许多病害，如风化、霉变、开裂等[1]。文物保护部门提出可以通过数字化的方式来更好地保护这些文物[2]。

随着测绘技术的不断发展，三维激光扫描技术为石窟寺的数字化提供了有力的技术支撑。与传统测量手段相比，三维激光扫描技术在获取空间数据方面具有非接触性、无损性、高精度、高效率以及全天候作业等诸多优势[3]。通过三维激光扫描仪获取文物的点云数据与纹理数据，构建逼真且可量测的三维模型，这对于文物的保护、修复及研究具有重要意义。目前，这项技术已经在大足千手观音、敦煌莫高窟、龙门石窟等许多石窟寺数字化工程中得到成功运用[4，5，6]。

但是，三维激光扫描仪的高精度高分辨率的数据采集方式使得获取的点云数据的数据量非常大，再加上数据处理后生成的三维模型等数据，可以说数字化工程的数据是海量的。如何对这些数据进行有效管理，是目前需要解决的问题。

2数字化工程数据管理总体思路

2.1数据内容

石窟寺数字化工程数据是海量的，数据量通常以TB甚至PB为单位。通过对数据的分析，包括数据的来源、用户以及重要性等方面，将数字化工程中需要管理的数据进行分类，如表1所示。

2.2总体思路

对于数据的管理目前通常采用文件管理方法或数据库管理方法。文件管理方法是指将数据直接存储在磁盘中，通过维护目录树结构的方式来管理数据。这种方法完全依赖于文件系统，在管理海量数据时会暴露出如数据可信度降低、数据间关联难以体现、数据查询耗时严重等问题[7]。数据库管理方法随着数据库技术的不断完善而兴起，它要求数据需要存储到数据库中，通过专业的数据管理系统进行数据管理。然而，这种方法在管理海量石窟寺数字化工程数据时，尚有不少困难需要解决。首先，为了实现空间数据的存储，数据库中通常会加入所谓的暗盒、数据刀片等附件，如Oracle数据的Oracle Spatial接口、DB2数据库的空间数据存储模块Spatial Extender等，这些附件在结构上较为复杂，运行效率也不高[8]。其次，点云数据的众多数据格式中只有.ptx、.xyz等一小部分是公开的，可以直接存储其内部信息，而对于那些非公开的数据格式，人们对数据的内部信息并不可知，虽然可以通过二进制大对象(BLOB)的方式进行存储，但读写效率较低[9]。最后，TB级甚至PB级数据量的数据存储在数据库中，大大延长数据库操作的响应时间，直接降低了数据库的性能和效率。

基于以上分析，本文在管理石窟寺数字化工程数据上的总体思路是采用文件与数据库混合管理方法，将数据以文件的形式存储在磁盘中，提取出其元数据存储于数据库中，可以通过石窟寺数字化工程数据管理系统来管理元数据进而达到管理磁盘中数据的目的。这种管理方法有以下优势：第一，各大计算机操作系统在其文件系统方面都运用了大量的技术和资源，比如Windows操作系统的NTFS，这足可以保证数据的存储效率；第二，数据库中只存储元数据，使得数据库表的容量较小，可以提高数据库的访问效率；第三，元数据可以作为查询数据的条件，增强了数据的可信度。

3数据目录树结构建立

文件与数据库混合管理方法需要解决的主要问题是文件系统与数据库系统的一致性问题，也就是数据表中的数据与磁盘中的文件是否能够相互匹配。针对这一问题，本文首先通过对元数据的分析，将数据进行组织，然后建立起适合于存储石窟寺数字化工程数据的目录树结构，最后将这一目录树结构转换为数据表，通过数据库对目录树结构进行实时维护。

3.1元数据

元数据是关于数据的数据，是对石窟寺数字化工程数据的描述。通用的元数据有数据名、数据位置、数据类型、数据格式等，对于表1中每一类数据，除了通用元数据，它们还有各自的元数据。表2和表3分别列出原始点云数据和纹理数据的部分元数据。

3.2目录树结构

在对计算机中的文件进行分类时，人们通常根据描述文件的某个重要字段将文件有序地组织起来。在组织石窟寺数字化工程数据时，也可以借鉴这种方法。通过对每类数据的元数据进行分析，选择出了每类数据的元数据中一个比较重要的字段，如表4所示。表中的时间是指原始点云数据的采集时间，文物是指数据对应的文物名称。

根据数据的组织结果，可以建立如图1所示的目录树结构。

3.3目录树结构转化为数据表

为了保证文件系统与数据库系统的一致性，需要通过数据库来控制目录树结构，因此，图1所示的目录树结构可以转化为表5所示的数据表，假设数据采集n天，对应文物有m个。

4数据库设计

4.1概念模型设计

概念模型的用途是建立信息世界的模型，它是现实世界到信息世界的第一次概括，也是数据库设计者与用户之间沟通的语言[10]。实体-联系方法(Entity-Relationship Approach)是概念模型众多表示方法中较为常用的一种，它通过E-R图来描述，把现实世界的信息结构转化为实体、实体间联系以及它们的属性[11]。如图2所示。

4.2逻辑模型设计

逻辑模型直接面向数据库，是现实世界的第二层次概括。关系模型是逻辑模型中的一种，它的建立是根据关系代数、笛卡尔积等一系列严格的数学概念[10]。通过E-R图可以转化为关系模型图，如图3所示。

图2E-R图

5系统设计与实现

根据目录树结构以及设计完成的数据，开发了石窟寺数字化工程数据管理系统，并应用于宝顶山大佛湾石刻数字化工程中。

5.1开发环境与工具

系统为Windows应用程序，能够在操作系统为Windows XP及以上版本的计算机上运行。系统开发环境如表6所示。

5.2系统功能设计

系统主要包含四个功能模块，分别是用户管理模块、工程管理模块、数据管理模块以及数据查询模块。

(1)用户管理模块的作用是管理允许登录到系统中的所有用户的信息，主要功能包括添加用户、删除用户等。出于对系统安全性的考虑，将系统中的敏感信息进行了DES加密，如用户密码等。

(2)工程管理模块的主要功能是工程新建和工程维护。工程新建功能允许用户根据数字化工程的具体情况来建立目录树结构以及数据库，工程维护功能可以使用户对已经存在的目录树结构以及数据库进行修改或删除。

(3)数据管理模块是系统的核心模块，提供元数据的录入、修改和删除功能。

(4)数据查询模块是系统的主要业务模块，主要提供数据查询功能，通过对数据库中元数据的查询，可以精确找到磁盘中对应的源数据。

5.3应用于宝顶山大佛湾石刻数字化工程

宝顶山大佛湾石刻，位于重庆市大足区龙岗街道东北 15 km处，始凿于南宋。在其数字化工程中，仅原始点云数据和纹理数据的文件总数就多达数万个，数据量约 2.2 TB。采用文件管理方法或数据库管理方法都难以进行数据管理。在应用本系统之后，根据宝顶山大佛湾石刻数字化工程的具体情况，通过工程新建功能建立了宝顶山大佛湾石刻数字化工程数据目录树结构以及数据库，有效地对数据进行组织。在查询数据时，系统根据数据库中存储的元数据可以提供丰富的查询条件(如图4所示)，提高了数据的查询效率。

6结语

针对石窟寺数字化工程中的数据管理，在对数字化工程数据总结归纳后，通过分析数据管理的现状，提出采用文件与数据库混合管理方法进行数据管理，主要成果如下：

(1)总结了数字化工程数据的元数据，通过对数据进行组织，建立了适合于存储石窟寺数字化工程数据的目录树结构；

(2)对数据之间的联系进行整理，设计了数据库概念模型和逻辑模型；

(3)设计并实现石窟寺数字化工程数据管理系统，用图形化的形式给用户提供了直观的操作界面。

系统开发完成之后，在宝顶山大佛湾石刻数字化工程中得到了初步应用，应用结果表明采用文件与数据库混合管理方法能够使数字化工程数据得到有效管理，石窟寺数字化工程数据管理系统的使用可以在一定程度上提高数据查询和使用效率。

参考文献

[1]石玉成. 石窟文物病害成因分析及其对策研究[J]. 自然灾害学报，1997(1)：106～112.

[2]吴健. 石窟寺文物数字化的内涵——融学术、技术、艺术于一体[J]. 敦煌研究，2015(2)：125～129.

[3]张会霞，朱文博. 三维激光扫描数据处理理论及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2014.

[4]胡云岗，陶涛，吴育华等. 大足石刻千手观音造像三维展示系统设计与实现[J]. 文物保护与考古科学，2015(S1)：71～76.

[5]刘刚，张俊，刁常宇. 敦煌莫高窟石窟三维数字化技术研究[J]. 敦煌研究，2005(4)：104～109.

[6]李兴隆. 三维扫描技术在龙门石窟研究中的应用[J]. 石窟寺研究，2013：326～333.

[7]宋红霞，侯妙乐，胡云岗. 文物保护中海量点云数据库设计与开发[J]. 城市勘测，2014(1)：89～93.

[8]郭明. 海量精细空间数据管理技术研究[D]. 武汉：武汉大学，2011.

[9]杨勇. 数据库系统中BLOB对象的管理[J]. 微电子学与计算机，2006(7)：147～149.

[10]王珊，萨师煊. 数据库系统概论(第4版)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[11]杨晓光. 数据库原理及应用技术教程[M]. 北京：清华大学出版社，2014.

[12]侯妙乐，吴育华，胡云岗等. 石质文物三维信息留取技术及应用[M]. 北京：大地出版社，2015.

Design and Implementation of the Management System for the Digital Engineering Data of the Cave Temple

Wei Zaicheng，Hu Yungang，Hou Miaole

(School of Geomatics and Urban Information，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044，China)

Key words：cultural relics of the cave temple；3D laser scanning technology；data management

Abstract：A large number of data are obtained in the digital engineering of the cave temple， including point clouds data， 3D models， texture data and all kinds of maps， etc. Aiming at the management of these data， a hybrid management mode based on file and database is proposed， and a widely applicable management system for the digital engineering data of the cave temple is designed and further realized. This system has been applied in the BaoDing FoWan stone carving digital engineering. The practice results show that， the digital engineering data of the cave temple can be managed effectively by using the hybrid management mode of file and database， at the same time， the application of the system can improve the query and use of the data efficiently.

文章编号：1672-8262(2016)03-15-05

中图分类号：P208.1

文献标识码：A

*收稿日期：2016—02—01

作者简介：位再成(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为文化遗产数字化保护。 通讯作者：胡云岗(1975—)，男，博士，副教授，主要从事基础地理数据处理与更新及测绘科学技术在文物保护与考古方面的应用与研究。

基金项目：国家重点基础研究发展计划(2012CB725300)