基于時空信息的唐景陵文物智能監測平臺設計與建立

張奮，趙裴，魏元濤，趙廣杰

基于時空信息的唐景陵文物智能監測平臺設計與建立

張奮，趙裴，魏元濤，趙廣杰

（西安航天天繪數據技術有限公司，陜西 西安 710061）

文物是寶貴的不可再生文化資產，是人類智慧的結晶和歷史進步的標志。通過利用先進的空間信息技術助力唐景陵文物智能監測平臺的建設，將物聯網、北斗定位、移動互聯網、人工智能等信息技術應用于不可移動文物保護，實現文物的動態、全天候實時監測，是一次文物保護領域的寶貴探索與實踐，對于陜西唐帝陵文物保護具有積極的推動作用。

文物；空間信息；物聯網；北斗定位

1 引言

陜西是中國重要的歷史和文物大省，據第三次全國文物普查表明，陜西省境內現有不可移動文物49 058處，全國重點文物保護單位235處。然而隨著大規模的經濟建設和城市化進程不斷加快，不可移動文物及其賴以生存的環境正在面臨破壞損毀、違法建設、過度開發等多方面威脅，形勢不容樂觀。唐代帝陵石刻是中國古代雕刻藝術的重要寶庫之一，然而由于歷史、自然以及人為等諸多原因導致陜西十八座唐帝陵中大多數的保護情況不容樂觀。在研究唐代帝陵石刻文物現狀的基礎上，針對目前存在問題，構建一套完整、高效、規范的石刻文物監測體系平臺，通過將精準的空間信息應用于石刻文物保護，結合物聯網、移動互聯網、人工智能等新興技術，實現文物的全天候動態實時監測，并不斷促進時空信息與文物保護領域的深度融合，是未來文物保護的必然趨勢和重要手段。

2 唐景陵石刻文物保護現狀

唐陵是陜西文化中特色最突出、最具有代表性的文物。唐代帝陵主要是指“關中唐帝十八陵”，是埋葬在陜西省關中地區唐京都長安（今西安）周邊的唐朝十八位皇帝的陵墓，均屬中國重點文物保護單位。唐代帝陵依山為陵，氣勢雄偉，呈扇形環繞在京都長安周圍，和長安城以及宮殿群一起構成全國等級最高、密度最大的唐代文物、文化遺址景區。

目前，唐陵地面留存最珍貴的文物當數石刻。唐帝陵石雕是一部藝術版本的《資治通鑒》。唐帝陵留下的大量石刻造像，包括石虎、石獅、犀牛、石碑、石人、仗馬、鴕鳥、翼馬、天鹿（獨角獸）、獬豸、華表、石羊等10余種。原有石刻共1 000余件，如今包括殘件在內僅存不足500件。唐帝陵石刻的破壞與損毀較為嚴重。

以唐景陵為例，景陵作為中唐帝陵時代的一個重要縮影，是唐憲宗李純墓，位于陜西省蒲城縣，景陵依山為陵，陵區直徑20 km。景陵石刻共計43處，其中北部7處，東部2處，南部32處，西部2處。由于自然及人為因素，唐景陵各個部位的石刻均有不同程度的損壞。唐景陵石刻損壞舉例如圖1所示。

圖1 唐景陵石刻損壞舉例

3 建設目標及意義

基于唐帝陵石刻文物監測保護的迫切需求，以唐景陵為試點，針對景陵石刻文物布局特點，以“天、空、地” 一體化的監測手段為支撐，采用“天上看、地上查”的監管模式，構建不可移動文物全天候實時監測平臺，重點研究文物、警報、視頻、巡查人員間的智能聯動方式，實現石刻文物的動態監測和高效管理，并開展唐景陵石刻文物典型示范應用，進一步為唐代帝陵文物保護推廣應用奠定堅實的基礎。唐景陵文物智能監測平臺的建設與實施將加大唐帝陵文物保護的督察力度，確保在大規模的經濟建設和不斷加快的城市化進程中，文物得到有力的保護。

4 平臺設計及實施

4.1 平臺架構設計

基于時空信息的唐景陵文物智能監測平臺在高時空分辨率的地理信息基礎上，實現唐景陵文物信息展示、高效管理、查詢統計、智能報警、視頻聯動、巡查考核、實景游覽等多樣化應用。其總體框架設計如圖2所示。

4.1.1 感知層

完成多類型數據信息的采集，主要包括動態數據采集和時空信息采集。其中，動態數據采集包括高清視頻、壓力傳感器、溫濕度傳感器、手持巡查終端等數據采集；時空信息采集主要是通過無人機、地面移動測量系統、遙感衛星等手段獲取和制作平臺底圖和二三維地形圖。

圖2 總體框架設計

4.1.2 數據層

通過引入數據存儲管理和資源調度技術，對基礎地理數據、視頻監控數據、壓力監測數據、溫濕度監測數據、文物專題數據等進行統一、高效、安全的接入，并進行規范化處理、組織、存儲和管理，為服務層提供數據支撐。

4.1.3 服務層

在統一的服務支撐框架下，為應用層提供數據服務和功能服務支撐。包括GIS服務引擎、數據分析服務、北斗位置服務、可視化服務、智能識別服務、智能報表服務等。

4.1.4 應用層

面向不同權限的用戶，提供文物監測、文物信息展示、文物管理、智能報警、視頻聯動、巡查考核、虛警排除、實景游覽等多樣化應用。

4.2 平臺功能設計

基于時空信息的唐景陵文物智能監測平臺根據石刻文物布局，以最優化、集約化、高效化為準則，構建文物全天候實時監測體系功能，主要由7部分功能組成：①監測數據接入功能。實現視頻監測數據、壓力傳感數據、溫濕度傳感數據等在線監測數據的接入、規范化處理和質量監測，為數據查詢展示、空間分析、設備故障診斷、巡查任務派發等提供數據支撐。②監測數據處理功能。實現對接入的監測數據進行規范化處理功能，包括數據解析、格式轉換、歸一化處理、坐標轉換等操作。③數據一體化管理功能。實現對監測數據、文物專題數據、業務運行數據等數據資源的統一管理，包括資源目錄管理、數據編輯、查詢統計、數據歸檔等數據管理功能。④文物信息可視化展示功能。能夠疊加不同的圖層進行顯示，實現文物專題產品、遙感影像、地形數據、高程模型數據等信息的疊加顯示。⑤閾值智能判斷功能。能夠實現對壓力傳感監測數據、溫濕度監測數據、視頻監測數據等進行智能化分析，判斷監測數據的合法、合規、合理性。⑥報警聯動功能。平臺能夠根據監測數據，以設定的閾值為限，自動啟動報警并聯動視頻監控系統，視頻監控系統根據報警的精確位置信息，自動啟動最近視頻設備轉動方向對報警現場進行數據采集與抓拍，實現報警信息的遠程查看與排除。⑦監測設備管理功能。實現對視頻設備、壓力傳感設備、溫濕度傳感設備等文物監測設備的高效管理，實現監測設備在地圖上的精準定位和可視化展示，支持設備詳細信息的查詢瀏覽。⑧巡查任務管理功能。實現對巡查任務的下發、巡查人員管理、任務綜合考核評價、巡查路線軌跡回放等。

4.3 平臺流程設計

基于時空信息的唐景陵文物智能監測平臺以文物在線監測數據為支撐，自動化對接入的數據進行預處理、判斷、預警、聯動等一系列處理操作，實現文物的全天候實時監測，其流程設計如圖3所示。

5 平臺實施

5.1 監測硬件體系構建

5.1.1 壓力監測

在唐景陵43處石刻下全部安裝壓力感應裝置，通過實時監測石刻對地下壓力的變化，實現石刻動態監測。

5.1.2 攝像頭監測

在唐景陵西部、北部、東部各豎立1個監控攝像頭，南部樹立2個監控攝像頭，以實現對石刻和周邊環境的實時監測，監控是否存在毀壞文物或故意破壞監測設備的行為，查看壓力傳感器是否遭到破壞，巡查工作人員是否按時進行現場巡查等。

圖3 平臺流程設計

5.2 基于北斗監測底圖制作

利用無人機航攝系統，獲取唐景陵測區范圍內的原始像片，結合地面像控測量成果，通過處理軟件進行空三加密，得到每張像片的外方位元素，形成立體像對，為之后DOM生產做準備；在全數字攝影測量工作站上導入空三成果，對數字影像做相關定向建模后，生成核線影像，對影像進行預處理、匹配、編輯，獲取數字正射影像圖。

5.3 數據建庫

平臺涉及結構化數據、文本數據、多媒體數據等多種類型文物相關數據，建設邏輯統一、架構合理、易擴展的文物監測數據庫。重點包括以下三類數據庫。

5.3.1 基礎地理信息數據庫

構建了基礎地理信息數據庫，采用空間數據庫實現景陵基礎地理信息數據的存儲與管理，主要包括正射影像圖DOM、數字線劃圖DLG、數字高程模型DEM、三維模型數據等基礎地理信息數據，為文物監測平臺提供基礎的地理環境支撐。

5.3.2 監測數據庫

監測數據庫存儲與管理的數據主要由高清視頻數據、北斗定位智能監測數據、溫濕度數據等數據組成，主要采用文件系統進行監測數據的存儲與管理，便于大量非結構化的監測數據快速檢索與查詢。

5.3.3 文物專題數據庫

文物專題數據庫包括文物基本信息數據、傳感器基本數據、攝像頭預置點數據，巡查終端管理數據與巡查業務數據等，這些通常是結構化數據，主要采用關系型數據庫存儲。

5.4 平臺軟件構建

根據唐景陵文物智能監測平臺總體框架及功能設計要求，搭建基于時空信息的唐景陵文物智能監測平臺的軟件系統，主要包括數據接入、數據管理、數據分析、報警聯動、設備管理、任務管理、系統管理、智能巡查APP軟件、文物識別、數據展示十大功能模塊。平臺組成如圖4所示。

圖4 平臺組成

6 創新性

6.1 視頻動態聯動監測

將文物監測軟硬件、前后臺連接起來，形成在線監測系統、智能報警系統、高清視頻系統間的快速聯動機制，從而為全面掌握文物狀態、文物變化快速報警響應提供有力支撐。平臺接入北斗定位智能監測數據，經數據處理、數據分析，生成文物報警信息，將報警信息入庫和攝像頭轉動到預置點，縮放聚焦到報警終端，實現文物報警信息和文物視頻監控聯動。

6.2 虛警遠程智能排除

平臺監測到北斗定位智能終端故障時，視頻聯動到報警終端，可以通過平臺遠程查看文物狀態。同時平臺自動向報警終端下發查詢令，終端立即采集并上報監測數據，平臺第二次判斷終端是否故障，當判斷非故障時，平臺虛警遠程智能排除，從而減少文物巡查的人工成本。

6.3 文物智能識別

通過集成人工智能算法實現文物的智能識別。在平臺軟件開發中集成了TensorFlow和DeepLab v3深度學習算法，通過對大量不可移動文物（古建筑、古遺址、石窟寺及石刻等）模型進行訓練，根據模型智能識別不可移動文物，并結合文物空間位置矢量數據為文物變化監測提供標準影像數據及參考依據。該方法大大提高了不可移動文物的識別速度及精度，后續為行業的推廣提供了極大的便利。

7 結束語

基于時空信息的文物智能監測平臺已在唐代帝陵之景陵文物保護區順利實施與應用，通過將地理信息、物聯網、移動互聯網、人工智能等技術與文物保護進行深度融合，大幅提升了唐景陵石刻文物保護的力度，為陜西文物保護起到了示范推動作用。后續將進一步提升文物智能識別精度、優化虛警智能排除方法、加強文物監測設備故障智能排查等，不斷提升和完善文物保護體系，提高文物保護效能，從而更好地服務于文物保護領域。

［1］孫炎.唐代石刻藝術［M］.西安：三秦出版社，2012.

［2］薛曉軒.基于三維激光掃描的文物管理系統的建立［J］.測繪與空間地理信息，2014，37（2）：99-101.

［3］王如梅.基于GIS的北京市文物資源系統建設項目設計與研究［J］.硅谷，2011（14）：54-56.

TU-87

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.038

2095－6835（2019）13－0091－03

張奮（1987—），女，中級工程師，研究方向為地理信息集成與服務。

〔編輯：張思楠〕