（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于数字正射影像图的馆藏壁画病害提取和分析.pdf

嬲嬲必 摘璎 摘要 馆藏壁画是指将墓葬、石窟、寺观等形式的壁画通过壁画揭取、搬运，移至 博物馆中保存，以尽量延长壁画艺术生命、保持其艺术原貌。由于多数壁画在揭 取前已处于濒危状态，加之经抢救性揭取、搬运及修复等人为干预的影响，通常 会使壁画出现新的病变，往往要对壁画进行再修复。绝大多数情况下，对壁画的 保护修复工作要从分析其表面损坏或深层的破损情况开始，而完整详细的病害数 据是修复保护工作顺利进行的关键，它们不仅可以为壁画病害机理的研究提供全 面的信息支持，更主要的可以为文物修缮和恢复提供重要的研究分析的保证。 本文对比分析了不同阶段的壁画病害提取方法，结合馆臧壁画保护和修复的 实际需求，以馆藏壁画数字正射影像图为实验数据，提出了一套完整的壁画病害 信息提取和分析流程，实现了馆臧壁画病害的快速提取与分析；提出基于k 均 值s o b e l 的边缘检测算法，应用于提取壁画病害轮廓，并在此基础上进行病害矢 量化，实现了病害轮廓的快速高精度获取；提出面向属性归纳决策树算法，应用 于馆藏壁画病害数据分析，实现了数据简化并建立了壁画病害等级程度的决策 树，呈现了不同实验区的壁画受损情况。 本文充分利用了地理信息系统技术在空间信息的录入、管理、检索、处理、 分析和表达的优势，结合图像处理、数据挖掘等相关理论技术，使用v i s u a ls t u d i o 2 0 0 5 开发环境和a r ce n g i n e 二次开发语言编译了馆藏壁画病害信息提取分析系 统，实现对高精度馆藏壁画正射影像数据的病害边缘提取、属性录入、面积量算 统计、数据入库、知识挖掘等功能，生成了表格、线状图、饼状图、决策树等壁 画病害知识表达形式，为壁画工作者提供精确、简洁的病害统计数据，为分析壁 画病害分布规律、损坏程度、病害机理等提供了有效的决策支持，另外，病害信 息提取及分析过程中生成的相关数据可以作为档案的基础资料，为以后的馆藏壁 画记录调查和修复档案管理提供详细准确的材料。 关键词：馆臧壁画；边缘检测；面向属性归纳；决策树 a b s t r a c t a b s t r a c t c o l l e c t i o nm u r a lr e f e r st os o m ep a i n t i n g sl i k et o m b s ，t e m p l e se t ct h a ta r e p r e s e r v e di nm u s e u m sb yw a y so fe x t r a c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o nf r o mt h e i ro r i g i n a l p o s i t i o n t h eg o a l i st o p r o l o n gf r e s c o s l i v e sa n dk e e pt h e i ro r i g i n a la r t i s t i c f e a t u r e s i ti sn e c e s s a r yt or e p a i rm u r a l sa sm o s tm u r a l sh a sa l r e a d yb e e ni nd a n g e r b e f o r e s e p a r a t i n g ，a n da l w a y sg e n e r a t e d n e wl e s i o n sa f f e c t e d b y h u m a n i n t e r v e n t i o ni nt h ep r o c e s so fe x t r a c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n i nm o s te a s e s ，t h e p r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o no f m u r a l sb e g i n sa tt h ea n a l y s i so fi t ss u r f a c ed a m a g eo r d e e pd a m a g e ds i t u a t i o na n dc o m p l e t ed e t a i l e dd a t aa r et h em o s ti m p o r t a n tk e yt o c o m p l e t em u r a l sp r o t e c t i o nw o r k t h e s ed a t ac a nn o to n l yp r o v i d ec o m p r e h e n s i v e i n f o r m a t i o na b o u tm u r a ld i s e a s em e c h a n i s m ，b u tc a np r o v i d eas e c u r es u p p l yf o r c u l t u r a lr e l i c sp r o t e c t i o na n dr e n o v a t i o n t h i sa r t i c l ec o m p a r e da n da n a l y z e de x t r a c t i o nm e t h o d si nd i f f e r e n ts t a g e s i n c o n s i d e r a t i o no ft h ea c t u a ln e e d sf o rm u r a lp r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o n ，t h i sp a p e r p r o p o s e das e t o fc o m p l e t ee x t r a c t i n ga n da n a l y t i c a l p r o c e s so fm u r a ld i s e a s e s i n f o r m a t i o n ，w h ic hu s e dm u r a ld i g i t a lo r t h o p h o t om a p ( d o m ) a se x p e r i m e n t a l d a t a ，t or e a l i z et h er a p i de x t r a c t i o na n da n a l y s i so fm u r a ld i s e a s ei n f o r m a t i o n k m e a n ss o b e le d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mi sp u tf o r w a r da n da p p l i e dt od r a w o u t l i n e so fm u r a ld i s e a s e s o nt h a t b a s i s ，w e c a na c q u i r e h i g h - p r e c i s i o n i n f o r m a t i o no fm u r a ld i s e a s e sr a p i d l yt h r o u g hv e c t o r i z a t i o n a t t r i b u t e o r i e n t e d i n d u c t i v ed e c i s i o nt r e ea l g o r i t h mi sg i v e nt or e d u c ed a t aa n dad e c i s i o nt r e ea b o u t s e v e r i t yo fm u r a ld i s e a s e s i se s t a b l i s h e dt os h o wd i f f e r e n tm u r a l sd a m a g ei n d i f f e r e n te x p e r i m e n t a lp l o t t h i s p a p e r m a d ef u l lu s eo f a d v a n t a g eo f g i st e c h n o l o g y i n r e c o r d ， m a n a g e m e n t ，r e t r i e v a l ，p r o c e s s i n g ，a n a l y s i sa n de x p r e s s i o no fs p a c ei n f o r m a t i o n c o m b i n e dw i t hi m a g ep r o c e s s i n ga n dd a t am i n i n gt e c h n o l o g y , w ec o m p i l e dam u r a l i v a b s t r a c t d i s e a s ei n f o r m a t i o ne x t r a c t i o na n da n a l y s i ss y s t e mw i t ha r ce n g i n ei n v i s u a l s t u d i o2 0 0 5e n v i r o n m e n t ，w h i c hr e a l i z e de d g ee x t r a c t i o no fm u r a ld i s e a s ef r o m h i g h p r e c i s i o nd o m ，i n p u t t i n ga t t r i b u t e s ，m e a s u r i n ga n dc a l c u l a t i n gd i s e a s ea r e a ， s t o r i n gd a t ai nd a t a b a s e ，k n o w l e d g ed i g g i n g a n do t h e rf u n c t i o n s w ec a ng e t k n o w l e d g ee x p r e s s i o nf o r m sl i k et a b l e s ，l i n e a rf i g u r e s ，p i ec h a r t s ，d e c i s i o nt r e e s m u r a l sd i s e a s e se t cw i t ht h i ss y s t e m ，w h i c hc a nn o to n l yp r o v i d ep r e c i s ea n d c o n c i s ed i s e a s es t a t i s t i c sf o rm u r a l sw o r k e r ，b u tp r o v i d ee f f e c t i v ed e c i s i o ns u p p o r t f o ra n a l y z i n gd i s e a s e sd i s t r i b u t i o n s ，d a m a g e dc o n d i t i o na n dd i s e a s em e c h a n i s m i n a d d i t i o n ，t h er e l a t e dd a t ag e n e r a t e di nt h ep r o c e s so f d i s e a s ei n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n a n da n a l y s i sc a nb eu s e da st h eb a s i sa r c h i v e si no r d e rt op r o v i d ed e t a i l e da c c u r a t e m a t e r i a l sf o rm u r a ld i s e a s e si n v e s t i g a t i o na n dr e p a i r k e y w o r d s ：m u r a lc o l l e c t i o n ，e d g e d e t e c t i o n ，a t t r i b u t e o r i e n t e di n d u c t i o n ， d e c i s i o nt r e e v 北京建筑工程学院士学位论文原创性声明 北京建筑工程学院硕士学位论文使用授权书 摘要i a b s t r a c t i1 7 目录v i 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 本文的研究内容3 1 3 论文的组织与安排4 第2 章馆藏壁画病害调查介绍5 2 1 馆藏壁画介绍5 2 2 馆藏壁画病害调查方法6 2 2 1 传统的馆藏壁画病害调查方法7 2 2 2 基于a u t o c a d 的方法7 2 2 3 基于地理信息系统的方法8 2 2 4 基于边缘检测的馆藏壁画病害信息提取8 2 3 馆藏壁画病害信息提取流程9 2 4 本章小结1o 第3 章基于k m e a n ss o b e l 算法的馆藏壁画病害信息提取1 1 3 1 图像边缘检测技术1 1 3 1 1 基于一阶微分的边缘检测1 1 3 1 2 基于二阶微分的边缘检测13 3 1 3c a n n y 算子14 3 1 4 灰度形态学15 3 1 5 病害提取效果1 7 3 2k m e a n ss o b e l 的边缘检测算法18 3 2 1 算法提出18 3 2 2 基本思想19 v l f 1 习电 曼舅皇量曼皇皇曼曼曼曼曼! 曼曼皇舅曼曼曼曼曼曼皇皇! ! 曼皇曼苎曼苎! 曼曼ii 皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼篡曼鼍曼曼曼曼曼曼篁鼍 3 2 3 算法步骤2 0 3 2 4 实验结果i 2 1 3 3 馆藏壁画病害边缘检测算法评定2 1 3 3 1 病害识别百分比2 2 3 3 2 边缘连续性2 3 3 4 本章小结2 4 第4 章面向属性归纳决策树的馆藏壁画病害调查2 6 4 1 面向属性归纳技术概述2 6 4 2 决策树概述2 6 4 3 面向属性归纳决策树的馆藏壁画病害调查方法2 9 4 3 1 算法提出2 9 4 3 2 基本思想3 0 4 3 3 算法代码3 1 4 3 4 实验步骤及结果3 2 4 4 本章小结3 5 第5 章实验系统的设计与实现3 7 5 1 系统总体设计3 7 5 1 1 系统总体结构3 7 5 1 2 系统界面设计3 7 5 1 3 系统功能设计3 8 5 2 系统主要功能实现3 9 5 2 1 影响配准3 9 5 2 2 馆藏壁画病害提取4 0 5 2 3 属性录入4 1 5 2 4 病害信息查询统计及表达4 2 5 2 5 病害专题图设计4 5 5 3 本章小结4 6 结论4 8 本文总结4 8 研究展望4 8 参考文献5 0 v i l 开录 攻读硕士学位期间发表的论文和科研情况5 3 致谢5 4 v i i i 箔l 审绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 中国古代壁画是祖国优秀文化遗产的重要组成部分，也是人类共同的财 富。壁画作为古代文化信息的物质体现，有着极高的历史、艺术和科学价值。 古代壁画原本存在于它所处的寺观、墓葬和建筑物内，它存在的最佳位置理应 在它原本存在的环境【2 】。但由于受自然因素、人为因素等多方面影响，往往需 要对壁画进行移植保护，最常用的方式为通过壁画揭取、搬运，将墓葬壁画、 石窟壁画、寺观壁画等形式的壁画移至博物馆中保存，此类壁画称之为馆藏壁 画。但是，许多壁画在在揭取前已处于濒危状态，加之经抢救性揭取、搬运及 修复等人为干预的影响，通常会使壁画出现新的病变。即便保存过程当中，也 会使壁画出现不同类型的病害，如馆藏壁画保存环境湿度过大，会导致微生物 的生长；温度较高的环境，容易引起壁画起甲；在干燥的坏境中，壁画表面材 料会出现脱水现象。 瓣篓譬询燃糊一匕剖 裂隙 b 馆 雾 - _ 一嚼灰i i 釜躯f ：? j 藏 雾- 一土i 潋o ；选川4 i 壁 囊 迪i 蓁 _ 一 i i , i 凌j l l ，乏j 窖f i ：i 飞缀缓鬻豁裁!_ _ 住f i j ，j 蜒影i 帕 舒俞仓 7 、q 7 、 ，j i l i f i ir i 蜴辅：譬 7 ，则令f ( m ，n ) = 2 5 5 ，如果s ( m ， n ) 蠹哆型陋鹭型 ：数据搜集一数据概化 主要归纳关系表生成- 决策树生成! l 一一一一 一一、一一一一，一一一一o ，属性概化， 图4 5 面向属性归纳决策树算法流程 f i g 4 - 5p r o c e s so fa t t r i b u t e - o r i e n t e di n d u c t i v ed e c i s i o nt r e ea l g o r i t h m 4 3 3 算法代码 假设n 为统计出的属性表总数，n 为每张属性表中的属性字段总数，则算 法伪代码如下： 属性概化过程 b e g i n f o r ( 每一张属性表s i ，( 1 i n ) ) f o r ( 每一个属性字段a j ，( 1 j e n d 4 3 4 实验步骤及结果 将面向属性归纳决策树算法应用于壁画面状病害信息的提取，主要步骤如 下： 1 、数据搜集：本文实验数据为内蒙古大昭寺花变主题佛壁画三个实验区 的壁画数字正射影像图，从中统计出7 种面状病害。利用实验系统对壁画j 下射 影像图经过配准、矢量化等操作步骤共获取二十个病害信息属性表，9 5 5 条记 录( 如表4 2 ) 。 表4 2 馆藏壁画病害数量统计表( 单位：个) t a b l e4 2s t a t i s t i c a lc h a r to fm u r a ld i s e a s e s 2 、数据概化：馆藏壁画实验区的病害信息属性表中( 如图4 6 ) 都包含了 系统自带的f i d 、s h a p e 字段和用户创建的名称、类型编号、备注等字段，其 中有很多字段与最后的特征规则形成无关或属性值的形式不适合进行特征规则 的提取，需要进行概化。概化的方式可以是属性删除，也可以是属性概化【27 1 。 可以进行属性删除的字段是名称、类型编号和备注等，f i d 和s h a p e 为系统自 带字段无法删除。可以进行属性概化的是面积字段，概化方式为将面积字段每 行的记录值加和，统计总面积，并将其汇总到一张表格。 3 2 筇4 章f i i f 向属忭归纳决策树的馆藏带两瘸害调奄 誊馐篙鬈篓鬻躞缢铭缓然黪缫纛缀黪缓獭溺瀚澎缪粥鬻缫鹬黪缵辫笏嬲缓渗零黪辫笼蒸雾鬻正 f i o s h a p e i o 蝴e 一，面积长度 一，宣蚌二 一 一 h t 一 ：0 i e s r t g e e m e tr y ij l l o l1 6 1 6 3 9 5 5 2 5 4 9 一 一+ 。： 一。+ 。： 一 。一 ；1 1 e 5 r l g e c m e t r y 21 j 1 1 0 24 5 7 硒l 牾；3 g 2 2 4 2 0 4 一 2 21 e s r i g e c m e tr y 3：j l l 、8 1 7 2 1 3 0 9 1 2 7 3 2 1 8 0 5 3i e s r l 6 e c m e tr y 4 】1 1 0 48 1 8 1 5 2 舛：3 8 2 7 9 ：4l 笛r 蚯啷e t 叶 5：3 1 1 0 5 1 5 2 9 9 2 5 2i 8 2 6 2 0 0 5 6 5 6 r i g e o , , e t 叶_ 一：一 6 ：3 1 1 0 6l i 5 7 1 7；1 9 1 5 8 2 4 8 7 1 j 1 2 0 1；1 7 4 3 蛇6 i g 7