（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于边缘检测的馆藏壁画病害调查与分析研究.pdf

摘要、目录与图表索弓 摘要 随着墓葬壁画和寺观壁画的发掘，产生了大量的馆藏壁画，如中国文化遗产研 究院录属的陕西历史博物馆收藏了近2 0 座唐墓壁画，产生了总藏量约1 0 0 0 平方米 的馆藏壁画。对这些破坏严重的馆藏壁画进行病害调查，使人力不从心，更别说对 病害调查后产生的病害信息进行管理和分析，因此如何应用地理信息系统技术对馆 藏壁画进行病害调查与分析，以实现大量复杂馆藏壁画病害无损伤调查与空间分析， 成为地理信息系统在文物应用中具有重大意义的一个课题。 应用c 撑语言对a r c g i se n g i n e 开发包的支持与面向对象的标准库相结合的方法 快速高效地读取高精度正射影像数据，经配准和单位选择后建立索引关系，正射影 像存储在影像数据库中，读取数据后，进行边缘检测，得到检测后的病害区域，对 此病害区域进行人工提取后完成病害提取，形成完整闭合的病害区域，对病害区域 进行微分量算，将量算结果存入属性表，进入属性数据库。图形数据和属性数据都 获取完成后，可以对数据库中的数据进行空间分析。一方面，缓冲分析预测几年后 的病害发展情况，另一方面，叠加分析得出每幅馆藏壁画中病害的种类和数量，此 外，还能进行病害查询和统计，形成一个完整的病害调查与分析系统。 本文采用地面三维激光扫描技术获取的中国文化遗产研究院某些博物馆的馆藏 壁画正射影像数据作为实验数据，基于a r c g i se n g i n e 二次开发平台，以c j 6 f 作为开 发平台，结合a r c g i se n g i n e 制作的专用图形库，对高精度正射影像图实时交互绘制， 实现了对馆藏壁画进行高效的病害调查和空间分析，为馆藏壁画保护修复打下了坚 实的基础。 关键词：地理信息系统( g i s ) ；三维激光扫描技术；r c p 边缘检测；a r c g i se n g i n e ； 正射影像；叠加分析；缓冲区分析 摘要、目录与图表索0 a b s t r a c t w i t ht h ee x c a v a t e do fg r a v e sm u r a l sa n dt e m p l em u r a l s i ti sp r o d u c e dal a r g en u m b e r o fm u r a lp a i n t i n g ，s u c ha ss h a n g x ih i s t o r ym u s e u mw h oi ss u b o r d i n a t e dt oc h i n e s e a c a d e m yo fc u l t u r a lh e r i t a g e ( c a c h ) ，c o l l e c t e dn e a r l y2 0t a n gt o m bm u r a lp a i n t i n g s ， t h ea r e au pt o10 0 0m d i s e a s ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i so nt h en u m e r o u sc o l l e c t i o n m u r a li sah e a v yw o r k l o a d ，t h e r e f o r e ，h o wt oi n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i st h ec o l l e c t i o n m u r a ld i s e a s ea n da r r i v et on o t o u c hi n v e s t i g a t i o nt h ep e r p l e x e dc o l l e c t i o nm u r a l 。w h i c h c o m et oas i g n i f i c a n c es u b j e c ti ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) a p p l i c a t i o n t h ec 撑l a n g u a g es u p p o r tf o ra r c g i se n g i n ed e v e l o p m e n tk i ta n do b j e c t - o r i e n t e d s t a n d a r dl i b r a r ya r eu s e di nr e a d i n gp r e c i s i o nd i g i t a lo r t h o p h o t om a pf d o m ) d a t a , w h i c h i st h ef i r s ts t e po fr e g i s t r a t i o n t h e nc r e a t ei n d e xb e t w e e nd o ma n dm a p c o n t r 0 1 i tc a l lg e t d i s e a s er e g i o na n dd i s e a s ea r e aa f t e rr e a d i n gt h ed o mw h i c hi sm e m o r i z e di ni m a g e d a t a b a s e ，t h r o u g he d g ed e t e c t i o ng e taa p p r o x i m a t ee d g e ，a n df e a t u r ee x t r a c t i o nw i t h s i m p l em o d i f i c a t i o no nt h ea p p r o x i m a t ee d g e w ec a ng e taf u l lc l o s u r ed i s e a s er e g i o n v i a c a l c u l a t et h ec l o s u r ed i s e a s er e g i o n ，w ec a ng e tt h ed i s e a s ei n f o r m a t i o n ，w h i c hw i l lb e t a k e ni n t op r o p e r t yd a t a b a s e u n t i ln o w , w eh a v et h es p a t i a ld a t a b a s e w h i c hc a l la c h i e v e f u n c t i o n si n c l u d ed i s e a s ei n q u i r y ，d i s e a s es t a t i s t i c sa n dd i s e a s el a y e r so v e r l a ya n a l y s i s ， d i s e a s el a y e rb u f f e ra n a l y s i s s of a rt h e r ei sa ni n t e g r a t e ds y s t e mo fc o l l e c t i o nm u r a l d i s e a s ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s t h ee x p e r i m e n ts y s t e mi s d e v e l o p e di nc 襻p r o g r a ml a n g u a g e ，a r c o l se n g i n e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o n na n ds y m b o ll i b r a r yb a s e do ng i s s o m ec o l l e c t i o nm u r a l d o mw h i c hi sg e tf r o mt h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rt e c h n o l o g yi nam u s e u mw h oi s s u b o r d i n a t e dt oc h i n e s ea c a d e m yo fc u l t u r a lh e r i t a g ef c a c h ) a r eu s e di n t h i s e x p e r i m e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a to u rm e t h o dc a nn o to n l yr e a l i z er e a l t i m e r e n d e r i n gf o rp r e c i s i o nd i g i t a lo r t h o p h o t om a p ( d o m ) d a t a b u ta l s oe a s ya c c e s st o c o l l e c t i o nm u r a ld i s e a s ei n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s t h o s ea r et h eg r o u n d sf o rp r e s e r v a t i o n a n dr e s t o r a t i o no fc o l l e c t i o nm u r a l 。 k e y w o r d s ：g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，t h r e e d i m e n s i o n a ll a s e r t e c h n o l o g y , r e g i s t r a t i o nc o n t r o lp o i n t ( r c p ) ，e d g ed e t e c t i o n ，a r c g i se n g i n e ( a e ) ， d i g i t a lo r t h o p h o t om a p ( d o m ) ，o v e r l a ya n a l y s i s ，b u f f e ra n a l y s i s 摘要、目录与图表索 图索引 图2 1 中国文化遗产研究院馆藏的大昭寺经堂壁画7 图2 2 陕西历史博物馆馆藏的唐朝壁画8 图2 3 基于a r c g i se n g i n e 技术的病害调查与分析流程图1 2 图2 4 基于一阶微分的边缘检测1 4 图2 5 拉普拉斯算子1 5 ， 图2 6l o g 算子的模板1 5 图2 7 经典边缘检测结果1 8 图2 8 改进后s o b e l 算子模板18 图2 9 八领域符号定义1 8 图2 1 0 改进后s o b e l 算法的实验结果：1 9 图3 1 总技术路线图2 1 图3 2 数据结构抽象图2 4 图4 1 原型系统总体设计技术路线图2 9 图4 2 登录界面3 0 图4 3 原型系统主界面3 0 图4 4 影像配准界面3 2 图4 5 线状病害符号的调用3 2 图4 6 面状病害符号的调用3 3 图4 。7 病害提取界面3 4 图4 8 病害量算界面3 5 图4 9 病害查询界面3 6 图4 1o 病害统计界面3 6 图4 1l 胶污染统计图折线图3 7 图4 1 2 胶污染专题图饼状图3 7 图4 1 3 缓冲区分析界面3 7 图4 1 4 缓冲区分析成果图3 8 图4 1 5 叠置分析界面3 8 图4 1 6 叠置分析结果图3 9 v 摘要、目录与幽表索， 公式和表索引 表格1 原型系统环境配置表2 8 表格2 正射影像的获取方法。3 1 公式l 梯度向量的大小1 2 公式2 梯度向量的近似大小1 3 公式3 梯度图形二值化1 3 公式4r o b e r t s 算子的计算公式j 1 3 公式5p r e w i t t 算子的计算公式。1 3 公式6s o b e l 算子的计算公式1 3 公式7 拉普拉斯算子的离散表示1 4 公式8 高斯公式1 5 公式9 改进后s o b e l 函数19 公式1 0 平移量2 2 公式11 缩放因子2 2 公式1 2 长度计算公式- 2 3 公式1 3 面积元计算公式2 3 公式1 4 不规则总面积计算公式2 3 、，j 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鍪塑堡 日期：m 汐年弓月弓日 第一审：绪论 第1 章绪论 1 1研究依据及意义 随着新科技手段在墓葬壁画和寺观壁画发掘中的使用和人们对国家文物重视程 度的提高，出现了大量馆藏壁画，如陕西博物馆馆藏近2 0 座唐墓的壁画，藏量约1 0 0 0 平方米的唐朝壁画，河南洛阳古代艺术博物馆馆藏了墓葬壁画1 6 幅，面积5 0 余平 方米。在我国，馆藏壁画数量大且破坏严重，对馆藏壁画病害区域面积量算和病害 管理，以及进一步分析查询和统计是急迫需要解决的问题，也是对馆藏壁画的修复 和保护的重要前提。本文的选题就是针对这些问题，运用边缘检测技术、地理信息 系统二次开发技术相关技术，对大量高精度馆藏壁画病害提取和病害量算，进而实 现馆藏壁画病害空间数据库的建立，这样就可以对数据库中的数据进行病害的查询 与统计，更为重要的是可以对空间数据库的数据进行叠置分析和缓冲区分析。 本文的选题依据可以从必要性和可行性两个方面来阐述。 1 ) 从必要性看，我国现存的馆藏壁画主要为墓葬壁画和部分寺观壁画【1 1 ，面积 约5 0 0 0 平方米。由于大部分墓葬壁画地仗为粘土材料，易吸收墓葬中的水分软化， 丧失强度，使其在揭取之前已处于濒危状念；壁画经过抢救性揭取、迁移、修复， 要经历许多人为干预过程，不同时期所用保护修复材料和工艺的局限，导致壁画在 新的保存环境中又出现新的病变：加之缺乏馆藏壁画保存环境的有效监控，使馆藏 壁画病害面临迅速增长的危险。 而对馆藏壁画的保护和修复，首先要分析其表面损坏情况，而分析馆藏壁画损 坏情况，需要有详细完整的病害数据，从而得到精确的病害调查图，这样不仅可以 为馆藏壁画的保护和修复提供重要的数据，更主要的是可以为馆藏壁画的保护提供 宏观数据支持和直观感觉。 2 ) 从可行性看，馆藏壁画的电子版保存最佳的就是f 射影像图。j 下射影像图是 影像的一种特殊形式，所以完全可以用成熟的影像分割、检测和提取技术来提高馆 藏壁画病害获取的效率，解放劳动力。此外，馆藏壁画的保护管理涉及大量空间信 息，而对空问信息的录入、管理、检索、处理、分析和表达正是地理信息系统技术 的优势所在，因此，采用基于地理信息系统技术的馆臧壁画保护管理信息系统构建 方案，可大大加强系统对空l 、日j 数据的处理与操作能力，系统功能更为完善，实用化 北京矬筑t 程学院测绘学院颂i ：毕业论义 第一章：绪论 程度得以进一步提高。然而，纯粹使用地理信息系统的大型软件，会使馆藏壁画病 害调查与分析系统显得很笨重，速度也会减慢。自从2 0 0 5 年，a r c g i se n g i n e 的发 布，大大简化了地理信息系统的二次丌发1 2 】。综上所述，影像检测技术、地理信息二 次开发技术就具备了开发基于边缘检测的馆减壁画病害调查与分析系统的条件。 本论文主要研究采用无接触的影像边缘检测和配准技术以及地理信息系统二次 开发语言a r c g i se n g i n e 新技术，利用地面三维激光扫描技术获取的正射影像数据为 馆藏壁画的修复和保护提供数据支持和决策支持。 本论文选题的意义可以简单概况为以下几点： 第一、传统的馆藏壁画病害调查方法效率低，而且调查过程中都是要接触壁画， 这样容易对馆藏壁画造成次破坏。本文使用的三维激光扫描技术、影像边缘检测和 地理信息技术都是无接触的，避开以上弊端，不但效率高而且不会带来次破坏，符 合濒危馆藏壁画抢救的指导宗旨和基本目标。 第二、本文在各个边缘检测算法中寻找出较适合馆藏壁画病害边缘检测的s o b e l 算法的改进算法，为影像技术在馆藏壁画中的应用打下很好的基础。 第三、对空间数据和属性进行研究和存档，为文物的修复和加固等提供可靠的 信息源。另外，获取及时、准确的信息能够使文物工作者更好的理解遗址并有效的 管理遗产资源。 第四、建立面向馆藏壁画病害调查和分析的专用小型g i s 系统，实现馆藏壁画 的“文化遗产数字技术化”，为文物遗产的数字化信息化，有利于提高我国文物遗产 保护的科技水平，也有利于地理信息系统及相关技术的推广与应用。 1 2国内外研究现状 通过自查、检索出该课题涉及领域的数篇极具参考价值的资料，从近年来馆藏壁 画病害现状调查中用到的三维激光扫描技术、边缘检测技术、地理信息系统技术出 发，对这些材料进行如下分析。 三维激光扫描技术是利用激光传递不变性通过三维激光扫描仪获取点云、处理点 云、配准建模、纹理映射最后得到f 射影像和其他相应可视化成果的一种新兴技术【3 j 1 4 j 。这种新技术的优点就在于它和近景摄影测量一样，是一种无接触的测量技术，而 且精度能达到毫米级别，适用于大型古建筑物的测量。近年来随着扫描仪的发展， 出现了针对某个墙、某个汽车模型的扫描仪，继承了原来的无接触性的特点，而且 精度得到很好的提升。三维激光技术目前己逐渐在馆藏壁画中得到应用，如北京建 北京建，a 丁程学院铡绘学院坝i j 毕业论殳 2 第一章：绪论 筑工程学院与中国文化遗产研究院合作对其馆藏的三幅古代壁画进行扫描，无接触 高效率的完成了壁画的扫描，进而得到高精度的正射影像。 边缘检测技术是计算机视觉、图像处理等领域最基本的技术，如何快速、精确的 提取图像边缘信息一直是国内外研究的热点。经典算法如边缘算子法、模板匹配法、 曲面拟合法【5 】等。这些经典算法的计算简单，运行速度快，稳定性好。随后又出现了 基于数学理论和人工智能的小波变换和小波包的边缘检测法等方法，补充和完善了 边缘检测技术在各个领域中的应用【6 】。故从理论上对颜色丰富的馆藏壁画进行边缘检 测也是可行的。 地理信息系统是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的边缘学 科【7 l ，经过3 0 多年的发展，理论和技术同趋成熟，其应用已涉及到测绘、土地、电力、 交通、环境、设施管理和城市规划等所有与空间信息相关的领域。它可以在历史建 筑、古遗址、历史地区及其背景环境保护监督与管理中发挥作用，实现分析结果的 准确、快速和高效。从微观上说，馆藏壁画的表面是由各个不同内容组成，如宣武 图中左上角是青龙，右下角是白虎，每个图案都有其坐标值，这显然是一个与空间 信息相关的壁画。所以，将地理信息技术引入到馆藏壁画的病害调查中，完全可行。 2 0 世纪9 0 年代中后期，国内外已相继建成了一些有关文物保护的管理信息系统， 国内利用g i s 技术进行的文物保护和管理研究自2 0 0 0 年以后逐渐增多，系统功能包 括信息的录入、修改、整理、备份、浏览、检索、提取、输出等。国外像美国之类 的地理信息系统强国，因为其历史发展的有限性，所以在专项用于馆藏壁画较少， 用于普通壁画的较多【8 】。例如费城研发的基于w e b 的地理信息系统( g i s ) 应用技术 ( w e b d ub o i s ，2 0 0 8 年) ，北京西城规划管理信息中心研制丌发的西城区文物资 源综合分析系统( 景涛、周新宇、高丽军等，2 0 0 4 年) ；南阳师范学院环境科学与旅 游学院研制的南阳市文物保护信息系统( 杨念，徐恒升等，2 0 0 6 年) ：上海的“藏品 编目图像管理系统 等等，但如何对馆臧壁画病害调查和分析，目前还没有得到很 好的解决。 1 3本文的研究内容与研究目标 1 3 1 研究内容 本论文主要研究内容包括高精度f 射影像的读写、数据模型组织、病害边缘检 测与提取、馆藏壁画病害调查量算、病害的缓冲分析和叠置分析等几个方面。它们 大致可以分为两个大部分内容，一是馆减壁画病害边缘检测与提取，也就是病害调 北京建筑丁程学院测绘学院烦j j 毕业论义 3 第一帝：绪论 查，二是病害的空间分析，主要是缓冲分析和叠置分析，这种分法也体现在本文的 章节安排之中。在进行以上几个方面的理论研究后，通过我实验室与中国文化遗产 研究院、陕西历史博物馆的实际示范工程项目数据及实验原型系统的研发来检验理 论方法的可行性和优越性。 1 3 2 研究目标 本论文在馆藏壁画原有调查方法的基础上，选用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 和m a t l a b 等平台，分析常用边缘检测的理论并用计算机实现，最后从检测效果和检测速度分 析选用改进的s o b e l 算子进行边缘检测。有了检测结果，人工提取形成病害区域，选 用a r c g i se n g i n e 开发包，对病害区域微分求解面积和长度等病害信息，完成病害信 息的提取、量算和录入数据库，最后实现馆臧壁画病害的查询、统计和空问分析。 本文以大召寺馆藏的经堂壁画为例，采用影像边缘检测技术和g i s 技术，预期 达到以下的目标： 1 ) 实现对馆藏壁画面状病害、线状病害的影像提取，寻找最适用于馆藏壁画病害检 测的算子，实现对馆藏壁画病害信息的高速、高效提取，减少人工矢量化的工作量。 2 ) 建立包含数据读入、空问参考、病害提取、病害量算、病害数据管理、病害数据 分析的纵向功能和数据删除、数据修改、数据添加、数据统计的横向功能的小型地 理信息系统，实现基于影像边缘检测的馆藏壁画病害调查与分析，也便于对馆藏壁 画数据进行整理，输入和更新。 3 ) 利用a r c g i se n g i n e 二次丌发技术，实现对馆藏壁画的空间分析。馆藏壁画的空 间分析主要包括叠置分析和缓冲分析，一方面得到每个区域中各个病害的种类、数 量和严重程度，从宏观上对馆藏壁画有一个量的定位；另一方面，对通过现有的数 据和资料，预测经过一段时间后壁画病害的演变情况，给文物保护者个“新增区 域的定位。 1 4论文的组织与安排 根据本论文的主要研究内容，共分为五章，其组织结构安排如下所示： 第一章：绪论。本章主要介绍论文选题的依掘与意义，国内外研究现状，最后 说明论文的组织结构安排情况。 第二章：病害特征与影像边缘特征提取技术。本章比较分析馆藏壁画病害、边 缘和边缘检测等几个基本概念，在馆藏壁画病害调查现有的方法上，提出的基于边 缘检测的病害调查与分析的构建和管理思想。 北京矬筑t 程学院测绘学院帧i ：毕业论义 第一章：绪论 第三章：基于边缘检测的馆藏壁画病害调查与分析。本章首先对基于边缘检测 的馆藏壁画病害的技术路线进行了总结，让读者对基于边缘检测的馆藏壁画病害的 实现过程与方法有一个整体的了解。在详细分析了基于边缘检测的馆藏壁画病害的 两大主要支撑技术：基于r c p 的影像配准技术、基于边缘检测的病害提取技术的使 用的。最后介绍了按照f i f o 策略进行内存和外存数据按页面交换和调度。 第四章：实验原型系统的设计与实现。分别将实验原型系统的总体设计及技术路线 予以说明，应用实际正射影像数据对软件实现的主要功能和特点进行说明。 第五章：结论与展望。对本论文作最后总结，并提出进一步的研究思路。 北京建筑1 _ 程学院测绘学院帧l 毕业论义 第二章：稿害牲秆与边缘特征提取技术 第2 章病害特征与影像边缘特征提取技术 2 1基本概念 2 1 1 馆藏壁画病害调查 纸张出现以前，绘画艺术的主要载体是石壁和石崖。随着人类社会的发展，出 现了石窟壁画、建筑壁画和宫廷壁画，随后又有了墓室壁画憎3 。壁画的种类和数量自 古就很多，这些壁画随着时间的累积受到自然界的破坏逐渐严重，另一方面，很多 盗墓者等不法分子为了自己一时的私利，不顾对壁画的破坏强行移出壁画，所以为 了更好的保护壁画，墓室壁画和其它壁画被文物专家馆藏在博物馆中。馆藏壁画是 通过壁画揭取、搬运到达各就近的博物馆中的，其中壁画揭取是将壁画从其后背的 石壁或砖墙支撑体上分离下来，然后再将其安装在新的支撑体上。以上是馆藏壁画 的来历，当馆藏壁画到达博物馆后，按合适的温度、湿度进行中央空调式得保存。 壁画的构造通常由支撑体、狄泥层、白狄层和颜色层构成n 们，馆藏壁画一般仅 揭耿3 0 5 0 c m 左右的壁画层，所以主要由狄泥层、白狄层和颜色层，以及少量的支 撑体组成，馆藏壁画的破坏也是从外到里的，所以最普遍的破坏主要在颜色层，可 分为两类，一类是表面的划痕、起甲、裂隙以及动物和植物破坏，这类病害只是最 表层的病害，最普遍面积一般也较大；另一类是整个颜色层的脱落，概括为颜色层 脱落。除了颜色层存在的破坏，还有灰泥层和支撑体的损坏，这些病害根据病害的 形状，根据情况分为不同的病害种类，如横面小纵断面深的人工切缝，大面积脱落 的地仗脱落。每个馆减壁画的病害种类和数量是不同的，到2 0 0 9 年为止，国家文物 局概括最常见的1 6 种病害，整理成规范文件，附录a 中仅整理病害的种类图。 馆藏壁画的病害如此之多，如果只是按合适的温度湿度进行保存，那么多不了 多久，壁画特别是濒临馆藏壁画( 如图2 一l 和图2 - 2 所示) 还是会面目全非，慢慢 就消失了，所以对馆藏壁画上的病害进行现状调查，并针对馆藏壁画病害的分析与 管理，是亟待解决的，也是为馆藏壁画的修复提供了重要的数据依据。 北京建筑t 程学院测绘学院颂1 j 毕业论义 圈2 - i 中担文化遗产研究院馆藏的大赠寺经堂壁画 北京建筑t 栏学院翻缭学院蛳i 牛n 论史 第一：捣崭蚌征q 边绦特r 播瞅拉术 田2 - 2 陕西历史博钧馆馆墨的眉科壁 2 1 2 正射影像图边缘特征提取 用正射像片编制的带有公里格网、图廓内外整饰和注记的平面图称为正射影像 图。其中，f 射像片又称j 下射影像，是具有正射投影性质的遥感影像，随着三维激 光技术和近景摄影测量技术的发展正射影像的获取不仅有遥感方式。还有三维激 光和近景摄影方式”。正射影像制作主要采用j 下射投影装置等专用设备来进行，如 p l a n i c o m pz 2 等数控解析j 下射投影仪。正射影像因为其其有正射的特点，所以可直 接用于影像判读、量测和专题制图。为资源与环境调查研究服务。 正射影像是影像的一种特殊的重要的形态，正射影像的边缘是指图像中像素扶 度有阶跃变化或屋顶变化的邢些像素的集合。这些边缘反应在实物上就是一个物体 与另一个物体的交界处，一个而与另一个面的交界线或者一个特征与另一个特征的 分界线。所谓的边缘检测就是为了简化图像分析减少待处理点并同时保留物体边 界结构信息的过程，所以边缘检测的结果是得到蹑后的线状单位。而其中重要的一 个步骤是特征提取。特征提取是指使用i i 算机提取图像信包决定每个图像的点是 否属于一个图像特征，其结果是把图像上的点分为不同的子集，这些子集往往属于 孤立的点、连续的曲线或者连续的区域。 北扁业咀t 枉学院翻维学院碰i # n 论丘 第二二帝：嫡害特 下j 边缘特钶提取技术 2 2馆藏病害调查方法 2 2 1 馆藏壁画病害的形成 我国现存的馆藏壁画主要为墓葬壁画和部分寺观壁画。这些壁画年代久远，外 界条件缓慢发生变化，导致这些壁画受到严重的破坏，文物保护者将这些墓葬壁画 和寺观壁画揭耿后转移到就近的博物馆进行收藏，故称为馆藏壁画。馆藏壁画的损 坏，也就是馆藏壁画的病害形成原因，既包含壁画原有的常见损坏形式，也包含壁 画揭取和揭取所用材料以及壁画所处保存陈列环境恶化所引发的损坏，并且这些损 坏是由多种类型复合而成的n 剃。 l 。馆减壁画表面修复方法不当 随着科学技术的发展，馆藏壁画表面修复方法不当虽然对壁画的损坏是逐年减 少，但却是不可避免的。如采用不适当的贴面操作和材料、馆藏壁画的保护中经常 会使用高浓度的贴面粘结剂难以清洗干净、从不平整的墙壁上揭取后放在了一个平 坦的支撑面等，都会产生馆藏壁画的病害汪3 。 2 过渡层选用不当或缺少过渡层 过渡层是当壁画必须再一次被修复时，可采用物理等方法，使用过渡层使壁画能 从支撑层上分离。在许多情况下，尤其是馆藏壁画面积较大的时，在应用过渡层时， 都没有测试他们的效果，所以往往达不到预期的要求。在过渡层材料中性能最劣的是 石膏层和软木层，他们无法在不损伤画层的情况下实现壁画与支撑体的分离汹1 ，从而 导致了馆藏壁画病害的产生。 3 错误选用支撑材料 现在可用的支撑材料主要有木质框架、帆布、复合木制支撑层和蜂窝材料制的 支撑体，但是每种采用都有其优缺点，如选用不当，就会产生馆藏壁画病害。 4 陈列和保存环境的影响 国内外已被揭取的馆藏壁画数量巨大，而且大部分缺少最佳保存条件。馆藏壁 画保存在具有中央空调的环境中，其环境具有较低的相对湿度和较高的温度，可能 会引起壁画起甲和鳞片状脱落。馆藏壁画在保存在高湿环境中，会导致微生物的大 量生长。馆藏壁画保存在过分干燥的坏境中，会使壁面材料脱水从而产生如灰泥层 失去内聚强度等内聚力降低的问题，导致壁画损坏。因此，从这个角度，对馆藏壁 画的保存和陈列环境的控制，对于馆藏壁画的保护具有重要意义。 北京矬筑丁程学院测绘学院倾j j 毕业论义 钙二节：瘸害特行r 勺边纺特秆提埘越术 2 2 2 馆藏壁画病害的种类 馆藏壁画出于受到多种外界条件和自身因素的影响，会产生各种病害。根据( w w t0 0 0 1 - - 2 0 0 7 ) 古代壁画的病害和图式的统计，共有2 7 种病害。这些病害 根据引起的外界因素和病害的形状，可将病害分为起甲、泡状起甲、粉化、颜料层 脱落、点状脱落、疱疹、龟裂、裂隙、划痕、覆盖、涂写、烟熏、盐霜、酥碱、空 鼓、地仗脱落、褪色、变色、水渍、泥渍、动物损害、植物损害、微生物损害、粘 纸、人工切缝、胶污染、磨损等共计2 7 种。如起甲是指壁画的底色层或颜料层发生 龟裂，进而呈鳞片状卷翘，病害实例见附录a ，病害相关定义见附录d 。 2 2 3 馆藏壁画病害调查方法 针对馆藏壁画的病害调查各国起步都较晚，到目前为止，大致可分为两大类： 一类是传统馆藏壁画病害调查方法，另一类是采用高端技术的病害调查，目前比较 认可的是利用三维激光扫描技术和地理信息技术进行病害调查。 2 2 3 i 传统馆藏壁画病害调查方法 传统馆藏壁画病害调查方法主要有透明方格法和c a d 法。透明方格法，即用边 长为i m r n 的透明方格计算纸蒙在欲测面积的病害上，统计出病害内完整的方格数， 再将病害内不完整的方格数两格折算成一格，两者相加乘以每个小方格所代表的面 积即得图上面积。这种方法存在着诸如工作量大、误差大、人为因素多等缺点【1 1 。 c a d 方法是在计算机上利用a u t o c a d 绘图软件制作病害分布图，并计算病害 面积，然后利用e x c e l 电子表格进行分类统计汇总。这种方法虽然比手工量算和统计 有了很大进步，但仍然需要人工填写e x c e l 电子表格等高强度人为因素干预的工作， 而且很难生成专题图，也没有数据库功能。 2 2 3 2 基于地理信息系统的方法 基于地理信息系统方法充分利用地理信息系统在空间数据处理、空间数据库和空 间统计分析方面的优势，能对病害信息进行精确的空间统计信息查询。这种调查方 法不仅工作量小，分类统计自动化，而且符号库的设计简单，不会对馆藏壁画造成 损害。从量算和统计的精度，误差及效率分析，这种调查方法明显优于传统常规的 调查方法。但这种方法存在着成本高、操作复杂的缺点。一方面是购买地理信息系 统软件的成本很高，如e r s i 公司生产的a r c g i s 软件，仅购买核心部分就需要6 9 8 8 北京矬筑t 程学院测绘学院顶l j 毕业论义 第二+ 审：t b 寸特衍j 边哆特竹犍取，e 术 万。对于大部分的文物单位购买这类软件还是很没必要的。另一方面，地理信息软 件操作复杂。地理信息软件属于专业软件，学会这套软件需要大二本科生学历半学 期全日制的学习，这无疑加大了文物工作者的工作量，从而增加了该方法的成本。 正是由于上述原因，制约了地理信息系统在馆减壁画病害调查中的推广应用。 2 2 3 3 基于边缘检测的馆藏壁画病害调查与分析 本文首次将地理信息系统二次丌发软件和影像技术应用到馆藏壁画病害调查与 分析中。从可行性看，a r c g i se n g i n e 是e s r i 公司在a r c g i s9 上新增加的基于a o 的开发包，利用a r c g i se n g i n e 进行g i s 应用开发，完全脱离了a r c g i s 桌面平台。 用a r c g i s e n g i n e 开发出来的g i s 软件使用时只需要获得a r c g i se n g i n e 的运行包 即可。a r c g i se n g i n e 拥有大型a r c g i s 软件的核心功能和稳定性，又能满足馆藏壁 画病害调查与分析的需要。随着a r c g i se n g i n e 的推广和中国计算机编程的发展，以 中国目前程序员的平均劳动力来看，一个g i s 研究生加一个一般的程序员只要花一 个星期就可以做出一个这样的g i s 系统。另外，影像技术由于其无接触等特征，技 术发展越来越纯熟，现有较经典的算法就有如r o b e r t 、p e r w i t t 、s o b e l 和p a l a c e 、小 波算法等，对于彩色的f 射影像的提取都是可用适用的。综上所述，将地理信息系 统二次开发软件和影像技术应用到馆藏壁画病害调查与分析中是可行的。 从必要性看，本文使用的新调查方法能解决目前馆藏壁画病害调查与分析解放 生产力的需求。我国现存的馆藏壁画面积约5 0 0 0 平方米，由于大部分壁画地仗为粘 土材料，易吸收墓葬中的水分软化，丧失强度，使其在揭取之前己处于濒危状态， 如果采用传统方法，工作量强度大，难度也很大。如果采用这种新的调查方法不仅 能解放馆藏壁画病害调查与分析的大量劳动力，而且成本相对低，更不用运行速度 等问题。所以，新调查方法的使用对濒危的馆藏壁画是很必要的。 这种运用地理信息系统二次丌发软件和影像技术实现馆藏壁画病害调查与分析 的技术路线如图2 3 所示：首先将馆臧壁画的数字正射影像图，存放在统一的正射影 像图数据库，作为数据源存放。方面，按正射影像与实际馆藏壁画的比例关系进 行r c p 粗配准和三角形相似精配准后导入m a pc o n t r o l 容器中，另一方面，运用最 适用于馆减壁画的改进后s o b e l 算法对馆藏壁画正射影像进行边缘检测，得到检测后 的影像，检测后的影像可用直接进行人工边缘提取得到闭合完整的病害区域。调用 处理好的属性表和符号库，同时量算病害的面积或长度等，这样病害的图形和属性 北京建筑下程学院测绘学院颁l ：毕业论义 镕= e ：“* 峙“地# _ ”辫 ”十 都获取了将获取的属性信息和圈形信息存 馆臧壁画病毒调查与分析的窄间数据 库。这个空间数据库一方面可以进行查询统计、更新等常规功能，另一方面还能 进行缓冲去分析和叠簧分析等空问分析功能。 鲥2 3 基于a r c g i $ e n g i n e 技术的崭害调盎与分析淡程罔 2 3 影像边缘检测技术 2 3 i 基于一阶微分的边缘检测 基于一阶微分的边缘检测算法是堆早提出的一种边缘检测算法目前应用比较多 的，它是用梯度算予柬计算的“”，如r o b e r t s 算子、p r e w i t t 算子和s o b e l 算子、k i r s c h 算子。 设f ( x ，y ) 包含扶度变化信息f ( x y ) 在( x ，y ) 处的梯度为个向量v f 表示为 v r = ( 簧，等) 。向量v r 的大小用向量问的大小来表示即 6 ： 厢+ 公式i 摊班向量的大小 j 匕京4 扭 控学院捌绘学院l * 业论i 第二审：瓶年特仃j 边纾特抓提取技术 当向量值很小时，近似可耿 g 限l + 融i g m a x 公式2 梯度向量的近似大小 为了检测边缘点，选取适当的阂值t ，对梯度图形进行二值化，则有： 鼬川= 器凳茗”列 公式3 梯度图形二值化 根据f ( x ，y ) 的模板大小以及阈值的不同，人们提出了各种梯度算子。最简单的梯 度算子是r o b e r t s 算子，它是一个2 2 模板，利用局部差分检测比较陡峭的边缘，但 对于噪声点较敏感，经常会出现孤立点和离散点，算子的模板见图2 4 ( a ) ，基本公 式为： = l f 1 ，y + 1 ) - f ( x - 1 ，y - 1 | 写= l f ( 一1 ，y + 1 ) _ f ( x + 1 ，r 1 ) l 公式4r o b e r t s 算子的计算公式 后来，人们又研究出了p r e w i t t 算子和s o b e l 算子，它是一个3 3 模板。这两 种算子的基本思想类似，都是在求梯度之前，首先进行邻域平均或加权平均，然后进 行微分，因为先进行平均就抑制了噪声点的作用，也因为进行了平均丢失了很多的细 节，也很容易出现边缘模糊现象，算子的模板见图2 - 4 ( b ) 和( c ) ，p r e w i t t 算子 的计算公式为公式2 - 5 ，s o b e l 算子的计算公式为公式2 - 6 。 = i f ( x + 1 ，y - 1 ) + f ( x + 1 ，y ) + f ( x + l ，y + 1 ) - f ( x - l ，y - 1 ) - f ( x - i ，y ) 吖( 1 ，y + 1 1 = l f ( 卜l ，y + 1 ) + f 仗y + 1 ) + f ( x + 1 ，y + 1 ) - f ( x - 1 ，y - 1 ) - f ( x , y - 1 ) - f ( x + l ，y - 1 ) l 公式5p r e w i t t 算子的计算公式 = l f ( x + 1 ，y - 1 ) + 2 f ( x + 1 ，y ) + f ( x + 1 ，y + 1 ) - f ( x - 1 ，y 一1 ) 掰( x - 1 ，y ) 百( x - 1 ，y + 1 1 = i f ( x - i ，y + 1 ) 十2 f y + 1 ) + f 时1 ，y + 1 ) 一f ( r l ，y 1 ) 2 f y q ) - f ( x + 1 ，y - 1 j 公式6s o b e l 算子的计算公式 针对细节丢失的问题，后人又研究了k i r s c h 算子，它也是一个3 3 模板，用不等权的8 个3 3 循环平均梯度算子分别对图像进行三次卷 积，取其中的最大值输出，它可以检测各个方向上的边缘，减少了由于平 北京建筑- t 程学院测绘学院颂i ：毕业论义 第二章：俩害特秆与边缘特仃提取 术 均而造成的细节丢失。因为模板由8 个3 3 循环并分别卷积，所以同时 增加了计算量，运行速度慢，该算子的模板见图2 4 ( d ) 。 ( 三二 ( 三三) 三- ；1i 0 三0 。三0 ，三0 1 。! ll - 1 0 0 享； 墨三墨 蔓三三 蔓三三 三三莒亨 莒 莒莒三茎 ( 三三蔓 三三三三 图2 - 4 基于一阶微分的边缘检测 基于一阶微分的边缘检测的特点是仅计算相邻像素的狄度差，计算速度快。对 噪声比较敏感，无法抑止噪声的影响。 2 3 2 基于二阶微分的边缘检测 一阶微分组成的梯度是一种矢量，不但