大數據時代GIS與遺產監測

許德臣　張曉東

[摘要]計算機網絡和物聯網的飛速發展促使人類社會步入大數據時代，大數據時代的到來為人類生產生活提供了諸多便利，同時數據的存貯查詢分析面臨一定的挑戰。自大數據GIS應用到遺產監測領域后，針對大數據規模大、種類多、生成速度快、價值巨大但密度低的特點，探討大數據時代GIS 技術在遺產監測領域數據采集、存儲、分析處理等應用，為遺產科學監測規范保護提供技術支持。

[關鍵詞] 大數據;GIS;監測預警體系;可視化

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

21 世紀以來，隨著計算機硬件技術的迅猛發展，人類產生、獲取和處理數據的方式也隨之越發容易，成本越來越低，數據的存儲和處理速度正以幾何倍數增長，數據的種類也朝著多樣性、異質化的方向演變。在全球數據爆炸增長的時代背景下，學界和業界提出了“大數據”概念，用以形容龐大的巨型數據集合。這一概念的出現并非一時炒作，每天人類社會都會產生巨大量級的數據，其中包含了大量的非結構數據。通過對所采集的大量數據進行分析匯總研究，挖掘有用信息，為科學決策和準確評估提供有力支撐。

由于GIS系統內含三維可視化圖形引擎，可以實現遺產的三維瀏覽。同時可以建立虛擬地形，允許導入DEM（DigitalElevation Model）數據生成地形網格數據，將航空影像或衛星影像數據投射至地形網格數據上，形成具有三維效果的擬真地形圖像。GIS系統擁有動態加載圖像和自動LOD（Levels of Detail）功能，能夠在數據調取瀏覽過程中，擁有良好的體驗感。由于GIS系統底層構架已相對比較成熟，基于此用戶可根據實際需求進行定制開發，其自身的基本統計分析功能可對前端傳感器所采集的大量數據進行量化分析和圖形顯示，基本能夠滿足當前遺產監測管理對監測數據的需求。

一、大數據時代GIS 面臨的挑戰

自Roger Tomlinson 博士于1963 年首次提出地理信息系統（Geographic Information Systems）概念之后，GIS 技術一直處于快速發展階段。GIS 技術已廣泛應用于環境監測、國土資源管理、城市規劃、交通運輸、森林監控、公共基礎設施建設、位置服務（LBS）等領域，給人們的生產生活帶來諸多便利。隨著大數據時代的到來和科技的不斷進步， GIS 所面臨的大體量、快增長、異構、存儲困難、分析處理復雜等矛盾，給傳統GIS 技術帶來新的挑戰。

（一）大數據時代的GIS 數據采集

大數據時代GIS 數據采集方式不再局限于全站儀、水準儀、掃描儀、衛星遙感影像等傳統設備與方式，而是來源于各種傳感器、街景圖片、網頁貼吧、視頻監測數據、歷史數據、社會動態等復雜多樣的數據源，這給 GIS 數據的采集增加了難度。通過物聯網技術，使數據的采集較為快捷，但所采集到的數據95%以上都存在噪音和歧義，甚至是缺失的不精確數據，需對所采集的數據進行篩選處理，才能滿足遺產監測的數據采集要求。

（二）大數據時代的GIS 數據存貯

數據的存儲是數據分析和數據挖掘的基礎與前提。現有成熟的GIS 數據存儲系統多依賴關系型數據庫，如 Oracle、PostGIS;但是關系型數據庫由于在海量數據管理、高并發讀寫以及擴展性等方面的限制，在大數據時代已經顯示出一定的局限性。隨著數據采集方式的多樣化，GIS 數據源呈現更大的多樣性，既有用結構化方式存儲的數據，又有街景、視頻等非結構化數據。傳統的 GIS 空間數據存儲方式不僅難以擴展，而且隨著數據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）大數據時代的GIS 空間分析

一直以來，大家公認的GIS與其他信息系統和電子地圖的區別在于同時具有空間數據管理能力、空間分析能力以及基于地圖的數據可視化能力。GIS系統能對圖面進行精確的距離、測面和顯示，對所采集到的數據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，但不能支持高精度的三維模型數據瀏覽，不能將模型展示與GIS系統有效融合，致使三維模型展示只能依靠其他系統來實現。

二、嘉峪關世界文化遺產監測需求分析

嘉峪關地處西北內陸，由于獨特的地理氣候環境，隨著時光流逝，嘉峪關及附近明長城出現了多種病害，墻體出現了風化、酥堿、凍融、裂隙、地基沉降、傾斜、斷層空洞等問題，木結構出現了傾斜歪閃、構件缺失、油飾彩畫脫落、蟲蛀糟朽等問題，城壕出現了積沙、坍塌等一系列病害。基于延緩病害發育及科學監測規范保護的需要，需對遺產病害進行系統全面的監測和監測數據科學高效管理，監測工程實施過程中需進行深入的需求分析。

（一）建立文化遺產展示系統

通過GIS（地理信息地圖）系統、物聯網技術、三維建模、三維全景展示和虛擬現實等技術建立具有時效性、交互性和開放性的嘉峪關世界文化遺產展示系統，直觀、動態地展示嘉峪關世界文化遺產的歷史價值、科學價值、藝術價值、軍事價值和遺產保存現狀、保護成果以及嘉峪關的基本信息、動態信息等。

（二）建立文化遺產檔案信息數據管理系統

建立嘉峪關文化遺產檔案信息數據管理系統，按照世界文化遺產和文物保護管理的要求，對浩瀚而龐雜的遺產檔案信息形成統一的分類標準，并將這些信息（如文字、圖片、地圖、遙感圖像等非空間數據）落在同一地理參考坐標系（GIS系統）下，實現文字和圖形的統一管理，便于各類用戶進行快速檢索和全面而分門別類的動態管理，為嘉峪關遺產研究、保護、管理、決策提供有力支撐。

（三）建立文化遺產監測預警系統

世界文化遺產保護是一個長期、動態的過程，需要全程監控和調整，及時地掌握各種反映現狀的動態資料，建立嘉峪關世界文化遺產監測機制，健全預警體系，提高嘉峪關世界文化遺產預防風險的等級和能力。

（四）建立文化遺產分析評估和綜合決策系統

通過監測、預警、評估、反饋，對監測數據采集、統計、分析，并對遺產進行數字化管理，為遺產的科學保護、規范管理提供決策依據。通過各類圖形和歷史監測數據分析，掌握文化遺產的變化趨勢，并綜合各類監測數據，對文化遺產保存現狀做出綜合評估。

三、遺產監測預警體系設計及監測實施情況

（一）嘉峪關遺產監測預警體系設計

監測系統采用微軟.net技術開發，B/S結構，使用ORACLE數據庫，基于四層的體系架構搭建嘉峪關文化遺產監測預警信息系統。平臺系統由系統網絡層、數據資源層、應用支撐層、系統應用層四個層次組成。

嘉峪關世界文化遺產監測基于GIS構建世界遺產數字化監測預警平臺，建立多尺度空間數據庫，將有精確坐標定位的空間數據作為基礎與框架，承載嘉峪關各類監測數據和現狀數據。在數據處理功能方面，通過前端采集設備和傳輸中介，對輸入系統的數據進行自動歸類、存儲、分發、套用模型分析處理。通過綜合運用地理信息系統空間可視化分析、計算機圖形學、圖像處理技術等多種手段，提升監測數據可視化程度，使得監測數據和計算模型分析結果以圖形、圖像形式清晰呈現，甚至可以模擬出虛擬動態的三維遺產現場。

構建遺產監測要素分類、監測規范、預警標準、遺產評估、跨部門協同工作規范五大規范體系，建立遺產信息、遺產GIS、監測預警、決策支持和公共信息五大基礎數據庫，實現遺產監測信息共享、保護為先、有效管理和科學決策。

其一，監測中心網絡基礎設施設計。嘉峪關遺產監測中心實現系統集成、資源整合、信息共享，完成標準規范制定、數據庫建立、數據交換平臺搭建、數據評估，實現信息發布和資源共享。遺產監測中心網絡基礎設施設計包括遺產監測指揮中心建設設計、遺產展示多媒體服務功能設計、遺產監測中心人員配置和嘉峪關遺產監測規范標準制定。

其二，遺產監測信息傳輸及安全設計。遺產監測信息傳輸及安全設計包含遺產監測中心網絡傳輸平臺建設、信息安全建設和數據存儲建設等。網絡傳輸以構建遺產監測中心為核心節點，呈星型拓撲網絡。數據存儲平臺設計各種監測數據的永久保存，增量更新，需要建設大容量存儲系統以存儲數據。動態信息數據定期保存歸檔，視頻數據可保存特定時間段內數據，監測數據則需要長期保存，為決策分析時應能及時調用。

其三，遺產監測預警管理平臺設計原則。為實現嘉峪關世界文化遺產監測工作的科學高效開展、監測成果的充分展示、及時掌握文物本體的保存現狀和病害情況及各類基礎資料和信息資源采集、傳輸、存儲、管理和服務的數字智能化，嘉峪關世界文化遺產監測中心根據遺產要素實際確立了大遺產、大保護、大科技的監測保護理念，依靠科技創新，高起點、高標準地構建西部夯土長城監測預警指標體系和監測預警管理信息平臺，監測預警管理平臺設計遵循實用性、規范性、可靠性、安全性、擴容性等原則，統籌負責全市境內各級不可移動文物的日常監測，并在將來實現國家、省和遺產地監測信息的三級互聯。

（二）嘉峪關遺產監測實施情況

嘉峪關自修建以來歷經600多年風雨侵蝕而出現了各種病害，針對墻體出現的沉降、開裂、傾斜、酥堿等病害，進行應力、裂縫、傾斜、鹽分水分等監測，針對木結構出現的傾斜、油飾彩繪脫落等，進行風速、溫濕度、紫外線及氣象環境等監測，通過相應的實時監測設備將監測數據源源不斷的傳輸到監測預警管理平臺上，以便監測研究人員進行分析研究。

嘉峪關遺產要素豐富且遺產分布范圍廣（嘉峪關境內明長城全長43.617公里，腹里沿邊境外墩臺共計39座），為了彌補實時監測覆蓋面小、監測成本高的不足，遺產監測中心根據實際監測需求從國內外采購了一批監測精度高、操作簡便、性能先進的無損監測設備，確保所采集的監測數據精準可靠，并根據監測設備使用情況制訂了科學合理的監測方式方法及監測頻率。

除實時監測和定期監測之外，通過移動巡查終端來開展遺產地所有監測對象的日常巡查工作，確保新出現病害能被及時發現并有效處理，如遇到地震、暴雨、大風等突發狀況，則及時開展反應性監測，確保監測全面覆蓋、不留死角。

在監測系統工程實施過程中，嘉峪關世界文化遺產監測中心形成了“一中心”、“四站”的監測架構。在監測管理體制上協同各遺產點管理單位，形成以關城為核心輻射全市的橫向監測網絡和監測中心主監測遺產地主巡查的縱向監測管理機制，建立完善合理的日常監測、定期監測、反應性監測三級預警管理體制，實現及時反應、及時處理、科學應對的監測預警管理機制。

四、總結

構建遺產監測預警體系應遵循以下幾個方面：相對于源源不斷增長的數據，需要可擴展的數據存儲架構，以滿足數據無限增長的需要;對遺產監測所產生的超大規模數據進行高效管理，實時處理和分析，并能任意調取歷史數據;針對大數據噪音多及數據不確定性大的特性，需要在監測預警管理平臺建設過程中重點考慮數據去噪、預警參數設置、數據分析處理等問題;面對數據庫所有數據，需要開發適合的數據算法，高效地展示和分析超大規模的數據，挖掘大量數據背后所隱藏的價值。

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