营房数字化系统文物保护模块的设计与研究

万华营

【摘 要】我国军队建筑遗产中存在着多类具有特殊文化价值的建筑遗产，但是由于基础管理工作薄弱、技术人才缺乏等原因，保护军队营区不可移动文物面临这巨大的困难，为此，本文对营房数字化系统文物保护模块进行设计研究，以期加强我军保护军队营区不可移动文物的能力，推动军队营区文物保护的规范化、法制化管理进程。

【关键词】营区文物保护 营房数字化系统 设计研究

我军具有保护文化遗产的优良传统，早在战争时期，我军就把保护文物古迹作为一项重要工作；建国后，特别是在文革期间和经济高速发展快速实现“城市化”的过程中对建筑遗产保护带来的巨大冲击中，部队利用营区封闭管理的特点，受外界扰动小，使保存文物古迹免遭毁坏，为文物古迹的安全传承做出了重要贡献。然而由于当前我军军队营区文物管理中存在有基础工作薄弱、技术人才缺乏等诸多问题，开展基础工程战略面临着巨大的困难和挑战。

1 系统模块的架构设计

采用信息化手段，通过建立数字化营房管理系统文物保护模块，可以有效实现对全军营区内文物的高效、精细化管理，同时全面提升部队对营区内文化遗产保护的能力。文物保护模块架构分三层设计，即：基础支撑层、数据支持层和应用系统层。

1.1 文保中心数据库建设

文保中心数据库建设包括系统运行数据库、基础地理信息数据库、点云数据库、三维模型数据库、正射影像数据库、二维图形数据库、图像数据库、文字资料数据库、应用专题数据库等，对异构异源的文物信息进行统一存储和管理。如图1所示。

系统运行数据库：系统运行数据库包含了系统运行所需的所有表、视图、存储过程等。

基础地理信息数据库：主要包括卫星影像、航空照片、矢量地图等。

点云数据库：利用三维激光扫描技术对不可移动文物进行全方位的扫描，以点云的形式描述该物体。

三维模型数据库：包括建筑、院墙、牌坊、廊庑、碑刻及细部结构的三维模型及三维场景数据。

声像信息数据库：主要存放历史视频、声音、动画等流媒体资料。

文字资料数据库：包括实物数据指标、属性描述信息、历史沿革、文献资料、调查研究报告、工程管理资料（招投标、监理、验收等管理资料）、使用信息（使用单位情况、开放经营状况、观众、收入数据等）；法规信息：调查记录、鉴定评估、保护级别、保护范围及建设控制地带等文书；保护人员、保护机构等文书；保护规划、保护法规等文书；相关建设工程的审批等文书。

图像数据库：包括实物拍摄照片、实测图、历史照片等图像数据。

二维矢量数据库：包括各种数字CAD线划图、工程设计图、地形图、工程地质图、正射影像数据等。

应用专题数据库：专题符号数据、使用数据、营区数据等。

1.2 不可移动文物三维数据采集及后期处理

（1）前期规划。扫描工作开始前，扫描人员先要踏勘现场；并根据现场情况布设控制网，保证相邻站点数据扫描在同一控制网内至少存在3个以上公共控制点；设置扫描站点并在规划图上标记，最终编制出台采集方案。

（2）现场扫描。依据采集方案设置的扫描站点架设三维激光扫描仪；在扫描对象上安置或粘贴靶标；通过三维激光扫描仪扫描控制软件设置扫描参数；记录扫描日志，做好现场注释；扫描仪完成单站扫描后即可生成该站点的三维点云数据，将仪器移至下一站点开始扫描工作；对于点云预处理过程中无法拼接的点云数据，需要再到现场补充扫描。

（3）数据预处理。数据预处理前需要将扫描的点云数据导出至数据处理工作站上，然后通过专业点云预处理软件，对点云数据做去噪与平滑、配准拼接、数据精简等预处理工序后，生成的完整点云数据可用于三维建模等后处理工作。

（4）数据后处理。1）三角网模型。以点云数据为基础，通过将设定距离值内每相邻三点构成一个平面的方式，软件能够自动建立起被测物体的三角网模型。2）三维模型。经过点云预处理工序之后的点云数据，在建立三维模型前需要先将建模对象的点云数据分割出来，之后通过3dmax、maya等专业三维建模软件，由建模人员根据点云形状手工建模、材质编辑、纹理贴图。3）数字正射影像。数字正射影像是一种既具有像片影像特征同时又具有线划地图数学、几何与制图特征的图种，基于原始彩色点云数据和建好的三维模型数据，经过影像配准后便制作成正射影像，改进了传统数字正射影像制作的手段，向用户展示一个完全的实景彩色图像。4）二维矢量图。利用扫描点云数据和建好的三维模型数据，可以通过CAD专业绘图软件生成不可移动文物及其构件任意角度的平面图、立面图、剖面图、等值线图等，为文物测量、修缮、改建、重建提供专业的图形资料。

2 数据管理系统

主要功能包括：点云数据管理、模型数据管理、声像数据管理、二维图像数据管理、二维图形数据管理、文字资料管理和专题数据管理的软件，以实现不可移动文物信息的输入输出、查询统计、质量检查、数据更新、安全管理以及历史数据管理。

点云数据管理：将点云数据上传至点云数据库中，可按日期、点云名称查询检索点云数据，并提供点云数据更新操作功能。

模型数据管理：提供单个三维模型的上传、查询、浏览功能。

声像数据管理：对部分采用声音、视频形式的不可移动文物资料提供上传与更新。

二维图形数据管理：提供不可移动文物的立面图、剖面图、正视图、俯视图、透视图等二维图形的上传、更新管理功能。

二维图像数据管理：提供不可移动文物图片数据的管理功能。

文字资料管理：提供不可移动文物的文字、历史资料管理功能。

专题资料管理：提供不可移动文物修缮、维护、应用、研究专题数据的存储、查询、预览和更新的管理功能。

3 关键技术及解决途径

3.1 地面三维激光扫描测量子系统关键技术及集成

研究固定球公共点转换方法、改进ICP算法和测量设备绝对定位方法解决多站扫描数据配准技术问题；改进综合Fuzzy·c-means（FCM）算法、ICP算法、Chen-Medioni算法、Procrustes方法、最小二乘方法等技术对海量点云数据进行处理，提高海量点云数据匹配的准确度、可信度和效率，为被扫描对象实体提供有效高分辨率基础数据。对三维激光扫描仪、数码相机、卫星定位终端等测量硬件设施，研究其硬件接口控制指令和数据传输格式，通过硬件接口控制数据传输底层软件编程实现卫星定位数据、数码相机图像数据、三维激光扫描点云数据的坐标转换的一致性关联。

3.2 海量地理相关数据的处理、融合、管理技术

系统数据来源自三维激光扫描、数码拍摄图像、原有GIS数据、设计与施工资料及其他系统数据，格式、结构、属性区别较大，在国标、军标基础上，研究专用的数据交换格式，对各类数据进行规范化过滤与整合。应用地理信息系统的混合数据结构与一体化数据结构前沿技术，以及面向对象技术，解决栅格/矢量数据的融合问题。系统信息种类庞杂，数据海量，应用系统的文件和数据库技术无法进行组织管理。以数据文件、数据库、面向对象技术为基础，建立大比例尺三维空间数据库管理系统；以格网或四叉树为基础，构建空间索引，可有效解决系统海量数据的组织管理问题。

3.3 三维建模仿真技术

军队建筑遗产现场地形、地物及其内部结构很复杂，对其三维建模是场景显示的基础。对于地形，数字高程模型（DEM）的两种表达方式矩形格网（Grid）和地形三角网TIN混合建模进行解决。对于地物及其内部结构，主要应用三维激光扫描点云数据和地物设计或施工数据，开发相应的建模工具或开发模型导入接口软件，将3D Max、VIZ等商业建模软件中建好的模型导入主系统，以此解决建（构）筑物（群）及其内部结构的建模问题。

3.4 大规模复杂场景实时虚拟漫游技术

三维场景景观模型建立后，对这些模型的有效管理是进行实时渲染、交互漫游甚至空间分析的基础。常见的文件方式有2D GIS附加图像文件、关系数据库甚至对象关系数据库来进行各类三维数据的管理，但因其自身关系模型的限制，在表达三维模型的组织结构、模型间的复杂关系时显得力不从心。由于军队不可移动文物大规模场景景观所涉及的实体类型丰富、数据种类较多、空间结构复杂、数据量大等特点，采用面向对象的结构化场景数据管理方式，能体现建模实体所固有的空间特性，并能有效实现大场景数据管理。有向无环树状场景图数据管理模式，采用树状层次结构来体现场景的组合关系和层次关系，这种分层结构既可以使用自顶向下的方法将一个模型对象分解，也可以使用自底向上的构造方法重构一个模型对象，因而能较好地描述军队建筑遗产现场场景的组织结构，适合在虚拟漫游时按视点对场景进行动态的视景体提取和地形地物的动态简化，提高系统渲染速度，满足实时交互漫游要求，并能高效实现场景的切换和“沉浸式、高临场感”漫游。

3.5 三维场景空间分析技术

三维空间分析相对于二维来说更加复杂，首先要通过坐标系统转换运算，将二维平面所显示三维场景中所选中的三维坐标求解出来，然后才能进行基本的三维空间地理因子运算，如坡度、距离、面积等。结合军队建筑遗产专题，对各种地理因素进行分析。

4 结语

建立营房数字化管理系统的文保模块有利于加强营区内文物的建档入库实现文物的数字化留存保护，强化管理职能对营区内文物遗址等的维护修缮实现专业化、精细化。在营房数字化系统中建立军队营区文物保护模块有利于推动军队营区文物保护的规范化、法制化管理进程，最终实现对军队营区文物文物的长远保护。