許德臣　張曉東

[摘要]計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展促使人類社會步入大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)時代的到來為人類生產(chǎn)生活提供了諸多便利，同時數(shù)據(jù)的存貯查詢分析面臨一定的挑戰(zhàn)。自大數(shù)據(jù)GIS應(yīng)用到遺產(chǎn)監(jiān)測領(lǐng)域后，針對大數(shù)據(jù)規(guī)模大、種類多、生成速度快、價值巨大但密度低的特點(diǎn)，探討大數(shù)據(jù)時代GIS 技術(shù)在遺產(chǎn)監(jiān)測領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集、存儲、分析處理等應(yīng)用，為遺產(chǎn)科學(xué)監(jiān)測規(guī)范保護(hù)提供技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞] 大數(shù)據(jù);GIS;監(jiān)測預(yù)警體系;可視化

[中圖分類號]G127? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A? ? ?[文章編號]1005-3115（2017）24-0173-03

21 世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類產(chǎn)生、獲取和處理數(shù)據(jù)的方式也隨之越發(fā)容易，成本越來越低，數(shù)據(jù)的存儲和處理速度正以幾何倍數(shù)增長，數(shù)據(jù)的種類也朝著多樣性、異質(zhì)化的方向演變。在全球數(shù)據(jù)爆炸增長的時代背景下，學(xué)界和業(yè)界提出了“大數(shù)據(jù)”概念，用以形容龐大的巨型數(shù)據(jù)集合。這一概念的出現(xiàn)并非一時炒作，每天人類社會都會產(chǎn)生巨大量級的數(shù)據(jù)，其中包含了大量的非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。通過對所采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總研究，挖掘有用信息，為科學(xué)決策和準(zhǔn)確評估提供有力支撐。

由于GIS系統(tǒng)內(nèi)含三維可視化圖形引擎，可以實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)的三維瀏覽。同時可以建立虛擬地形，允許導(dǎo)入DEM（DigitalElevation Model）數(shù)據(jù)生成地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)，將航空影像或衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)投射至地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)上，形成具有三維效果的擬真地形圖像。GIS系統(tǒng)擁有動態(tài)加載圖像和自動LOD（Levels of Detail）功能，能夠在數(shù)據(jù)調(diào)取瀏覽過程中，擁有良好的體驗(yàn)感。由于GIS系統(tǒng)底層構(gòu)架已相對比較成熟，基于此用戶可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行定制開發(fā)，其自身的基本統(tǒng)計(jì)分析功能可對前端傳感器所采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析和圖形顯示，基本能夠滿足當(dāng)前遺產(chǎn)監(jiān)測管理對監(jiān)測數(shù)據(jù)的需求。

一、大數(shù)據(jù)時代GIS 面臨的挑戰(zhàn)

自Roger Tomlinson 博士于1963 年首次提出地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems）概念之后，GIS 技術(shù)一直處于快速發(fā)展階段。GIS 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、國土資源管理、城市規(guī)劃、交通運(yùn)輸、森林監(jiān)控、公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、位置服務(wù)（LBS）等領(lǐng)域，給人們的生產(chǎn)生活帶來諸多便利。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來和科技的不斷進(jìn)步， GIS 所面臨的大體量、快增長、異構(gòu)、存儲困難、分析處理復(fù)雜等矛盾，給傳統(tǒng)GIS 技術(shù)帶來新的挑戰(zhàn)。

（一）大數(shù)據(jù)時代的GIS 數(shù)據(jù)采集

大數(shù)據(jù)時代GIS 數(shù)據(jù)采集方式不再局限于全站儀、水準(zhǔn)儀、掃描儀、衛(wèi)星遙感影像等傳統(tǒng)設(shè)備與方式，而是來源于各種傳感器、街景圖片、網(wǎng)頁貼吧、視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、社會動態(tài)等復(fù)雜多樣的數(shù)據(jù)源，這給 GIS 數(shù)據(jù)的采集增加了難度。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使數(shù)據(jù)的采集較為快捷，但所采集到的數(shù)據(jù)95%以上都存在噪音和歧義，甚至是缺失的不精確數(shù)據(jù)，需對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，才能滿足遺產(chǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集要求。

（二）大數(shù)據(jù)時代的GIS 數(shù)據(jù)存貯

數(shù)據(jù)的存儲是數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)與前提。現(xiàn)有成熟的GIS 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)多依賴關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，如 Oracle、PostGIS;但是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫由于在海量數(shù)據(jù)管理、高并發(fā)讀寫以及擴(kuò)展性等方面的限制，在大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)顯示出一定的局限性。隨著數(shù)據(jù)采集方式的多樣化，GIS 數(shù)據(jù)源呈現(xiàn)更大的多樣性，既有用結(jié)構(gòu)化方式存儲的數(shù)據(jù)，又有街景、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的 GIS 空間數(shù)據(jù)存儲方式不僅難以擴(kuò)展，而且隨著數(shù)據(jù)的激增讀寫性能存在極大瓶頸。針對GIS 大體量、多樣化的存儲問題仍需深入研究，從而尋找更加有效的解決方案。

（三）大數(shù)據(jù)時代的GIS 空間分析

一直以來，大家公認(rèn)的GIS與其他信息系統(tǒng)和電子地圖的區(qū)別在于同時具有空間數(shù)據(jù)管理能力、空間分析能力以及基于地圖的數(shù)據(jù)可視化能力。GIS系統(tǒng)能對圖面進(jìn)行精確的距離、測面和顯示，對所采集到的數(shù)據(jù)分析匯總能以餅狀圖、柱狀圖和曲線圖等多種可視化形式直觀體現(xiàn)，但不能支持高精度的三維模型數(shù)據(jù)瀏覽，不能將模型展示與GIS系統(tǒng)有效融合，致使三維模型展示只能依靠其他系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

二、嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測需求分析

嘉峪關(guān)地處西北內(nèi)陸，由于獨(dú)特的地理氣候環(huán)境，隨著時光流逝，嘉峪關(guān)及附近明長城出現(xiàn)了多種病害，墻體出現(xiàn)了風(fēng)化、酥堿、凍融、裂隙、地基沉降、傾斜、斷層空洞等問題，木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了傾斜歪閃、構(gòu)件缺失、油飾彩畫脫落、蟲蛀糟朽等問題，城壕出現(xiàn)了積沙、坍塌等一系列病害?；谘泳彶『Πl(fā)育及科學(xué)監(jiān)測規(guī)范保護(hù)的需要，需對遺產(chǎn)病害進(jìn)行系統(tǒng)全面的監(jiān)測和監(jiān)測數(shù)據(jù)科學(xué)高效管理，監(jiān)測工程實(shí)施過程中需進(jìn)行深入的需求分析。

（一）建立文化遺產(chǎn)展示系統(tǒng)

通過GIS（地理信息地圖）系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、三維建模、三維全景展示和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)建立具有時效性、交互性和開放性的嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)展示系統(tǒng)，直觀、動態(tài)地展示嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)的歷史價值、科學(xué)價值、藝術(shù)價值、軍事價值和遺產(chǎn)保存現(xiàn)狀、保護(hù)成果以及嘉峪關(guān)的基本信息、動態(tài)信息等。

（二）建立文化遺產(chǎn)檔案信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

建立嘉峪關(guān)文化遺產(chǎn)檔案信息數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，按照世界文化遺產(chǎn)和文物保護(hù)管理的要求，對浩瀚而龐雜的遺產(chǎn)檔案信息形成統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，并將這些信息（如文字、圖片、地圖、遙感圖像等非空間數(shù)據(jù)）落在同一地理參考坐標(biāo)系（GIS系統(tǒng)）下，實(shí)現(xiàn)文字和圖形的統(tǒng)一管理，便于各類用戶進(jìn)行快速檢索和全面而分門別類的動態(tài)管理，為嘉峪關(guān)遺產(chǎn)研究、保護(hù)、管理、決策提供有力支撐。

（三）建立文化遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

世界文化遺產(chǎn)保護(hù)是一個長期、動態(tài)的過程，需要全程監(jiān)控和調(diào)整，及時地掌握各種反映現(xiàn)狀的動態(tài)資料，建立嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測機(jī)制，健全預(yù)警體系，提高嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)預(yù)防風(fēng)險的等級和能力。

（四）建立文化遺產(chǎn)分析評估和綜合決策系統(tǒng)

通過監(jiān)測、預(yù)警、評估、反饋，對監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)、分析，并對遺產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化管理，為遺產(chǎn)的科學(xué)保護(hù)、規(guī)范管理提供決策依據(jù)。通過各類圖形和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，掌握文化遺產(chǎn)的變化趨勢，并綜合各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，對文化遺產(chǎn)保存現(xiàn)狀做出綜合評估。

三、遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警體系設(shè)計(jì)及監(jiān)測實(shí)施情況

（一）嘉峪關(guān)遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警體系設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)采用微軟.net技術(shù)開發(fā)，B/S結(jié)構(gòu)，使用ORACLE數(shù)據(jù)庫，基于四層的體系架構(gòu)搭建嘉峪關(guān)文化遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警信息系統(tǒng)。平臺系統(tǒng)由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、系統(tǒng)應(yīng)用層四個層次組成。

嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測基于GIS構(gòu)建世界遺產(chǎn)數(shù)字化監(jiān)測預(yù)警平臺，建立多尺度空間數(shù)據(jù)庫，將有精確坐標(biāo)定位的空間數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)與框架，承載嘉峪關(guān)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理功能方面，通過前端采集設(shè)備和傳輸中介，對輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動歸類、存儲、分發(fā)、套用模型分析處理。通過綜合運(yùn)用地理信息系統(tǒng)空間可視化分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)等多種手段，提升監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化程度，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)和計(jì)算模型分析結(jié)果以圖形、圖像形式清晰呈現(xiàn)，甚至可以模擬出虛擬動態(tài)的三維遺產(chǎn)現(xiàn)場。

構(gòu)建遺產(chǎn)監(jiān)測要素分類、監(jiān)測規(guī)范、預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)、遺產(chǎn)評估、跨部門協(xié)同工作規(guī)范五大規(guī)范體系，建立遺產(chǎn)信息、遺產(chǎn)GIS、監(jiān)測預(yù)警、決策支持和公共信息五大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)監(jiān)測信息共享、保護(hù)為先、有效管理和科學(xué)決策。

其一，監(jiān)測中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。嘉峪關(guān)遺產(chǎn)監(jiān)測中心實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成、資源整合、信息共享，完成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定、數(shù)據(jù)庫建立、數(shù)據(jù)交換平臺搭建、數(shù)據(jù)評估，實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布和資源共享。遺產(chǎn)監(jiān)測中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)包括遺產(chǎn)監(jiān)測指揮中心建設(shè)設(shè)計(jì)、遺產(chǎn)展示多媒體服務(wù)功能設(shè)計(jì)、遺產(chǎn)監(jiān)測中心人員配置和嘉峪關(guān)遺產(chǎn)監(jiān)測規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定。

其二，遺產(chǎn)監(jiān)測信息傳輸及安全設(shè)計(jì)。遺產(chǎn)監(jiān)測信息傳輸及安全設(shè)計(jì)包含遺產(chǎn)監(jiān)測中心網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺建設(shè)、信息安全建設(shè)和數(shù)據(jù)存儲建設(shè)等。網(wǎng)絡(luò)傳輸以構(gòu)建遺產(chǎn)監(jiān)測中心為核心節(jié)點(diǎn)，呈星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)存儲平臺設(shè)計(jì)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的永久保存，增量更新，需要建設(shè)大容量存儲系統(tǒng)以存儲數(shù)據(jù)。動態(tài)信息數(shù)據(jù)定期保存歸檔，視頻數(shù)據(jù)可保存特定時間段內(nèi)數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)則需要長期保存，為決策分析時應(yīng)能及時調(diào)用。

其三，遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警管理平臺設(shè)計(jì)原則。為實(shí)現(xiàn)嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測工作的科學(xué)高效開展、監(jiān)測成果的充分展示、及時掌握文物本體的保存現(xiàn)狀和病害情況及各類基礎(chǔ)資料和信息資源采集、傳輸、存儲、管理和服務(wù)的數(shù)字智能化，嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心根據(jù)遺產(chǎn)要素實(shí)際確立了大遺產(chǎn)、大保護(hù)、大科技的監(jiān)測保護(hù)理念，依靠科技創(chuàng)新，高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)地構(gòu)建西部夯土長城監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系和監(jiān)測預(yù)警管理信息平臺，監(jiān)測預(yù)警管理平臺設(shè)計(jì)遵循實(shí)用性、規(guī)范性、可靠性、安全性、擴(kuò)容性等原則，統(tǒng)籌負(fù)責(zé)全市境內(nèi)各級不可移動文物的日常監(jiān)測，并在將來實(shí)現(xiàn)國家、省和遺產(chǎn)地監(jiān)測信息的三級互聯(lián)。

（二）嘉峪關(guān)遺產(chǎn)監(jiān)測實(shí)施情況

嘉峪關(guān)自修建以來歷經(jīng)600多年風(fēng)雨侵蝕而出現(xiàn)了各種病害，針對墻體出現(xiàn)的沉降、開裂、傾斜、酥堿等病害，進(jìn)行應(yīng)力、裂縫、傾斜、鹽分水分等監(jiān)測，針對木結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的傾斜、油飾彩繪脫落等，進(jìn)行風(fēng)速、溫濕度、紫外線及氣象環(huán)境等監(jiān)測，通過相應(yīng)的實(shí)時監(jiān)測設(shè)備將監(jiān)測數(shù)據(jù)源源不斷的傳輸?shù)奖O(jiān)測預(yù)警管理平臺上，以便監(jiān)測研究人員進(jìn)行分析研究。

嘉峪關(guān)遺產(chǎn)要素豐富且遺產(chǎn)分布范圍廣（嘉峪關(guān)境內(nèi)明長城全長43.617公里，腹里沿邊境外墩臺共計(jì)39座），為了彌補(bǔ)實(shí)時監(jiān)測覆蓋面小、監(jiān)測成本高的不足，遺產(chǎn)監(jiān)測中心根據(jù)實(shí)際監(jiān)測需求從國內(nèi)外采購了一批監(jiān)測精度高、操作簡便、性能先進(jìn)的無損監(jiān)測設(shè)備，確保所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠，并根據(jù)監(jiān)測設(shè)備使用情況制訂了科學(xué)合理的監(jiān)測方式方法及監(jiān)測頻率。

除實(shí)時監(jiān)測和定期監(jiān)測之外，通過移動巡查終端來開展遺產(chǎn)地所有監(jiān)測對象的日常巡查工作，確保新出現(xiàn)病害能被及時發(fā)現(xiàn)并有效處理，如遇到地震、暴雨、大風(fēng)等突發(fā)狀況，則及時開展反應(yīng)性監(jiān)測，確保監(jiān)測全面覆蓋、不留死角。

在監(jiān)測系統(tǒng)工程實(shí)施過程中，嘉峪關(guān)世界文化遺產(chǎn)監(jiān)測中心形成了“一中心”、“四站”的監(jiān)測架構(gòu)。在監(jiān)測管理體制上協(xié)同各遺產(chǎn)點(diǎn)管理單位，形成以關(guān)城為核心輻射全市的橫向監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心主監(jiān)測遺產(chǎn)地主巡查的縱向監(jiān)測管理機(jī)制，建立完善合理的日常監(jiān)測、定期監(jiān)測、反應(yīng)性監(jiān)測三級預(yù)警管理體制，實(shí)現(xiàn)及時反應(yīng)、及時處理、科學(xué)應(yīng)對的監(jiān)測預(yù)警管理機(jī)制。

四、總結(jié)

構(gòu)建遺產(chǎn)監(jiān)測預(yù)警體系應(yīng)遵循以下幾個方面：相對于源源不斷增長的數(shù)據(jù)，需要可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)，以滿足數(shù)據(jù)無限增長的需要;對遺產(chǎn)監(jiān)測所產(chǎn)生的超大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，實(shí)時處理和分析，并能任意調(diào)取歷史數(shù)據(jù);針對大數(shù)據(jù)噪音多及數(shù)據(jù)不確定性大的特性，需要在監(jiān)測預(yù)警管理平臺建設(shè)過程中重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)去噪、預(yù)警參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析處理等問題;面對數(shù)據(jù)庫所有數(shù)據(jù)，需要開發(fā)適合的數(shù)據(jù)算法，高效地展示和分析超大規(guī)模的數(shù)據(jù)，挖掘大量數(shù)據(jù)背后所隱藏的價值。

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