南京城墻磚文信息獲取關鍵技術研究及應用

孫運豪

(國信司南(北京)地理信息技術有限公司, 北京 100048)

0 引言

“文物承載燦爛文明,傳承歷史文化,維系民族精神,是老祖宗留給我們的寶貴遺產,是加強社會主義精神文明建設的深厚滋養,保護文物功在當代、利在千秋[1]。”黨的十八大以來,習近平總書記對文化遺產保護高度重視,多次對文物工作作出重要指示。

南京城墻是我國現存最具代表性的文化遺產,其巨大的規模和良好的保存狀況舉世罕見,具有重要的歷史、科技、藝術價值[2]。隨著時間的推移,城磚不可避免地受到了自然、人為等因素的影響,大量的磚文正在風化、消失,為了搶救性保護南京城墻磚文的珍貴歷史信息,2018年南京城墻管理中心啟動“南京城墻本體磚文信息采集項目”,計劃用3年時間完成城墻銘文磚數字化采集、建庫等工作,實現城墻城磚的精細化管理,完整精確地記錄了每塊銘文磚的空間位置、銘文內容、產地等信息,保留遺產的真實性與完整性。

1 研究目的

南京城墻長達25 km,且高度在14～21 m之間,散落在城墻上的銘文磚數量龐大、范圍廣、磚文清晰程度不一致、文字內容不易辨認。并且由于長期受到自然、人為因素影響,城磚銘文受到不同程度的破壞與風化,許多珍貴的銘文信息正在逐漸消失,給南京古城墻保護[3]與磚文信息管理工作帶來很大的難題。

通過開展地理信息技術在南京城墻銘文磚數字化工作中的研究和應用,全面支撐城墻銘文磚查找、采集、解譯、分析、管理等應用的全過程,形成一套在組織形式、存儲命名、編碼關聯等方面具有統一規格的城磚銘文電子資料庫,全面支撐磚文信息管理應用,實現銘文城磚的數字化保護工作[4],銘文磚數字化成果如圖1所示。

圖1 銘文磚數字化成果圖

2 總體思路和技術架構

2.1 總體思路

在對南京城墻銘文磚實施數字化采集與保護管理的過程中,本研究依據城墻的特點,設計研究了以無人機攝影測量技術為基礎,獲取城墻多維時空數據,同時,綜合利用各種數字化技術的優勢,完成對南京城墻二、三維場景數據的建立,實現了南京城墻銘文磚精確定位測量、拍照攝像和銘文釋讀,建立可供查詢利用的資料庫建設提供基礎數據[2],實現對南京城墻銘文磚的“測繪定量”。通過“測繪定量+文物定性”的方式實現了南京城墻銘文磚的“電子身份證”管理,構建城墻銘文磚“空間+屬性”多維度地理信息系統,實現南京城墻銘文磚的科學、精細化管理。

2.2 總體技術架構

在深入研究城墻遺產構成、遺產價值以及遺產保護管理現狀的基礎上,運用無人機[5]、三維激光掃描等技術[6],根據城墻所處環境特點,獲取城墻不同尺度的傾斜攝影+貼近攝影航片,建立城墻高精細的實景三維模型,在模型上查找、搜索提取磚文的尺寸等地理空間信息,然后形成可視化的銘文磚分布圖,實現“測繪空間定量”。同時,研究建立磚文釋讀“解譯標志”知識庫,作為提取每塊銘文磚的文字詳細信息的“解譯標志”,實現“文物屬性定性”,構建“空間+屬性”磚文電子身份信息平臺,為南京城墻銘文磚的管理、保護、研究提供了基礎資料數據[7],總體技術架構如圖2所示。

圖2 總體技術架構

2.3 研究了磚文“空間”信息采集的技術方法

本研究解決了在數以億計的城磚中快速全面地搜索、查找出有銘文的城磚的難題,針對南京城墻城長墻高等特點,設計了以無人機傾斜攝影測量為主的技術方法[8],構建了城墻銘文磚快速信息采集方法,解決了銘文磚的搜索、定位、拍攝、釋讀等技術難點。研究了一種采用帶狀傾斜攝影+貼近攝影的技術方法,獲取城墻及城墻內、外側無人機航空影像數據,通過將多種不同尺度的航空影像數據融合,建立了精細的南京城墻實景三維模型數據[9],以精細三維模型為基礎,提取銘文磚相關地理空間屬性信息。突破了傳統測繪對城墻立面測量的局限性。解決了傳統測繪磚文信息采集難,成本高、工作量大、精度低、周期長、實施難等技術難點。

2.3.1 基于無人機貼近攝影[10]的數據采集技術

傳統的近景攝影測量方式一般是人工手持或者安裝腳架進行拍攝、測量,這樣具有極大的作業風險,并且無法拍攝到高空的立面場景。利用多旋翼無人機起降靈活,可在空中自由懸停等特點,特殊的飛行能力賦予了多旋翼無人機在各種地理環境中輕松采集高空影像數據的能力,成為文物立面貼近影像采集的得力助手,貼近攝影測量采用“由粗到細”的影像采集策略,特別適合于大體量的不可移動文物的數字化采集工作,有效地解決了無人機飛行安全以及飛行難度的問題,同時極大地提升了數據采集的分辨率。

通過實時動態(real time kinematic,RTK)差分技術提供的精準定位信息和高精度成像系統實現達厘米級的平面精度和高程精度,貼近攝影測量技術流程如圖3所示。

圖3 貼近攝影測量技術流程圖

2.3.2 基于實景三維模型的銘文城磚空間坐標采集技術

對于城墻兩側的銘文磚,主要采用無人機獲取不同高度的城墻影像數據,利用傾斜攝影測量方法制作高精度城墻三維模型[11],并利用三維模型成果,渲染城墻兩側高分辨率立面圖,內業人員在立面圖上進行銘文磚查找、標記、編號等工作,外業人員利用內業查找數據作為工作依據,進行外業圖像采集與核查工作。最后,依據外業采集與核查的銘文磚數據,在三維模型中獲取銘文磚坐標以及尺寸信息[12]。

2.4 構建了城墻銘文磚銘文“屬性”參考知識庫

為解決銘文釋讀人員專業知識不足的問題,建立了基于銘文 “知識庫”的解決辦法。蘊藏著豐富歷史信息的城磚銘文,是研究南京城墻重要的基礎文獻資料,具有極大的歷史、科技、藝術等研究價值。銘文磚的釋讀是一個比較專業的工作,需要對明初官府等級、書法藝術等具有一定專業知識才能進行銘文的釋讀工作,為了解決銘文釋讀人員專業知識的不足的問題,采用了地理信息行業參考“解譯標志”的思維模式,建立了銘文磚 屬性“知識庫”解譯模型。構建了已知的銘文磚產地涉及的州府、縣、工部、軍隊衛所以及明初官府等級知識庫,為銘文的正確、高效釋讀奠定基礎。

2.4.1 銘文磚屬性解譯知識庫模型構建

在燒制明城磚的過程中,為了確保城磚的質量,明朝政府建立了一整套自上而下的生產責任制,城磚銘文具有府州縣各級提調官和本職和姓名,也有農村各級基層人員與具體燒制人員的姓名,責任人最多的達到11級,同時,從書法的角度來說,南京明城墻磚文包含了篆書、隸書、楷書、行書、草書,因此對磚文的釋讀具有較高的專業知識要求,為了解決銘文釋讀人員專業知識的不足的問題,采用了地理信息行業參考“解譯標志”的思維模式,建立了銘文磚屬性“文字庫”解譯知識模型。構建了已知的銘文磚產地涉及的州府、縣、工部、軍隊衛所以及明初官府等級知識庫,為銘文的正確、高效釋讀奠定基礎。

2.4.1.1建立“解譯標志”

針對城墻銘文磚數量龐大、解譯難度高、對工作人員文字釋讀能力要求高等具體問題,提出了建立銘文釋讀“解譯標志”建立輔助作業人員解譯的思路,以歷史記載資料與館藏銘文磚樣本數據庫的建立為例,建立銘文解譯樣本標志,方便銘文釋讀人員進行準確釋義。

2.4.1.2構建銘文磚產地知識庫

營造南京城墻所用城磚的產地分布于不同的府縣以及工部、軍隊衛所[13]等,根據已掌握的信息構建了已知的銘文磚產地知識庫,如表1所示。

表1 銘文磚產地知識庫

續表序號所屬省(市)燒造府(直隸州)燒造縣(散州)323334353637湖南省長沙府長沙縣、善化縣、湘陰縣、湘潭縣、瀏陽縣、醴陵縣、寧鄉縣岳州府岳州、臨湘縣、華容縣常德府武陵縣澧州府澧陽縣永州府零陵縣衡州府38工部工部工部左窯、工部右窯、工部正中、工部前窯、工部后窯、官前窯、官中窯、官后窯39軍隊系統軍隊衛所水軍右衛右所、水軍右衛左所、水軍右衛中所、水軍右衛前所、水軍右衛后所、飛熊衛左所、飛熊衛右所、飛熊衛中所、飛熊衛前所、飛熊衛后所

2.4.1.3構建明初官府等級知識庫

在燒制明城磚的過程中,為了確保城磚的質量,明朝政府建立了一整套自上而下的生產責任制,城磚銘文既有府州縣各級提調官和本職和姓名,也有農村各級基層人員與具體燒制人員的姓名,責任人最多的達到11級。基于責任人的不同等級,構建了明初官府等級知識庫,按照等級自上到下如表2所示。

表2 明初官府等級知識庫

2.4.2銘文譯讀

在建立銘文城磚檔案之前，對城磚銘文進行譯讀，解譯出銘文信息，經過相關城磚領域專家審核，確認無誤后，根據南京城墻銘文城磚檔案錄入規范要求對文件的命名、格式、組織方式等相關要求進行數據成果整理，最終形成銘文城磚檔案資料留存。

2.5 搭建了城墻銘文磚“空間+屬性”地理信息管理系統

本次工作建立了磚文磚空間位置與磚文段落雙重識別的分類編碼方案,分析了銘文磚產地、建造段落、城墻建設時期的關聯關系,構建了南京城墻銘文磚的“電子身份證”信息,為銘文磚的高效查詢、歷史文化研究等奠定基礎,構建了通用的磚文地理信息描述模型,有效解決了城磚所處段落與空間位置的表達問題,構建了銘文磚專屬電子身份信息模型,實現了南京城墻銘文磚的“電子身份證”管理,開發了城墻銘文磚本體空間身份識別一體化地理信息管理系統[14-15],解決了館藏城磚和城墻城磚兩大類數據應用與展示需求。

3 應用效益

本次研究是南京城墻歷史上第一次系統地對城墻銘文磚進行全面的搜索以及數字化采集工作,該工作得到央視新聞頻道、央視財經頻道、央視中文國際頻道、中國國際廣播電臺等30多家新聞媒體的專題報道,具有較大的社會影響。該研究夯實了“中國明清城墻”聯合申遺的基礎工作,為南京城墻的保護、研究、申遺打下了堅實的基礎并起到積極的推動作用。同時,促進了南京城墻的科學保護與精細化管理,有利于拓展南京城墻營造研究的廣度與深度,通過研究,探討南京城墻整體修筑工程的供料及營造模式,甚至可以類比明代其他各類城墻的建設模式,這將極大地拓展明代建筑史和社會史的研究。

4 結束語

該研究是國內首次借助當前先進的北斗定位、無人機傾斜攝影、貼近攝影、三維激光掃描儀等技術手段,對城墻磚文進行數字化采集與保護的成功嘗試,在大遺址保護方面具有重要的開拓性、創新性和示范性,對其他城市城墻的保護和利用具有重要的借鑒意義,促進了地理信息技術與文物保護的深度融合。

在本次銘文釋讀工作中,主要采用人工釋讀的方法,效率較低,隨著計算機人工智能的發展,針對文字釋讀、磚文搜索等工作,可以考慮進一步開展機器學習方法的研究,輔助人工判讀,提高自動化的程度,提升銘文數字化的效率。