基于计算机信息技术的开封城墙保护.docx

基于计算机信息技术的开封城墙保护内容提要多年来,自然因素的影响、人为的破坏、过度旅游以及保护措施不力等多种因素使了我国文化遗产遭受了各种各样的损坏,同时文化旅游资源的保护与合理开发利用之间的矛盾也在不断凸显出来。古城墙遗址作为宝贵的文化遗产之一，是城市的重要标志和象征，具有极高的历史文化艺术价值，本文以开封古城墙为例，详细研究了GIS技术、虚拟现实技术 及空间数据库技术等计算机信息技术在古城墙保护工作中的优势，结果表明，计算机信息技术具有重大的理论价值和实际应用价值。关键词开封古城墙；计算机信息技术；GIS技术；虚拟现实技术；空间数据库技术1引言古文化遗址、遗存及其相关环境, 作为城市的重要标志和象征,真实记载了历史的变迁和城市的演变，具有极高的历史文化艺术价值。现存的开封城墙位于河南省开封市 ,是明洪武元年（1368年）在金代城墙基址上砌筑而成，后历经多次战祸水患，损毁严重，清代又多次修补，城墙全段虽有不同程度的破损，但全线主体连续留存，没有大段荡然无存现象，是我国目前保存较好，长度仅次于南京城墙的第二大古城垣建筑。开封古城墙空间覆盖范围大,时间跨度长,保护工作中数据类型多样,数据量极大,存在有效信息获取困难和信息分析与应用水平较低等不足。3S(地理信息系统GIS,遥感RS和全球定位系统GPS的统称)的集成运用，便可很好的解决这一问题，其中，GPS用来实时、快速提供城墙的空间定位，RS用来提供城墙及城墙周边环境的多分辨率数据、发现地表的各种变化、及时对GIS数据更新，GIS主要用于创建古城墙综合管理信息系统,实现历史文化资源的管理(CRM)和保护规划的辅助决策应用。此外，通过3S与VR(虚拟现实)技术的结合运用, 可以制造一个足以乱真的虚拟世界，实现对古城墙的浏览漫游,为深入的研究提供可视化的分析基础。这样不仅可以用于保存古城墙的现状, 避免受到破坏或流失，也可以更进一步结合历史学、考古学的研究成果再现历古城墙的原貌既虚拟重建。城墙的虚拟重建不仅可以结合现存的遗迹、遗址给予研究者和参观者更直观的对比, 更可以重现早已随历史消失的古城墙, 使得千百年前的历史画卷重现于今人眼前, 比文字和图画更生动、更有感染力, 比电影具有更高的互动性和更强的临场感。通过有效应用计算机技术，可以为开封古城墙的保护工作提供全方位的技术支持（如图1）。2城墙现状: 现存的开封城墙，上部为清代修筑，下部为明代修筑，城墙布置大致呈长方形，南北略长约3.8公里；东西稍短约3.4公里，全长14.4公里。唐宋以来，开封的城市格局基本没变，城门的位置和主要街道的分布与走向，始终是以北宋的街道为基础，尤其以南面街道为轴线的棋盘形式，建国后改建和新建的道路也始终保持着这些格局（如图2）。开封城墙为外砖内夯土结构，由外侧砖墙、内侧夯土墙体和海墁组成，现有城墙城身下部有约2-3米高度被泥沙掩埋于城下，外砖墙和夯土墙体亦遭到不同程度地破坏， 夯土墙体外壳所剩无几。夯土墙体上部为海墁，目前海墁毁坏严重，多数墙段海墁宽度小于5米。开封城墙尽管有不同程度破损，但全线主体连续留存，没有大段荡然无存现象。由于长期历史原因，城墙与其它城市用地没有完全剥离，沿线居民、单位密集，对城墙破坏较大，电线杆、配电房等各种设施沿城墙随意设置，一些垃圾中转站、公厕等也在城墙周边随意加建。1971年在城墙下修筑的人防工程，对城墙造成极大破坏，使城墙内侧大量夯土被掏空，夯土墙体外壳护坡被毁坏，除此之外，自然灾害的破坏，也使得城墙损毁严重，尽管近年来加大城墙保护和建设力度，但局部地区仍在遭受毁灭性破坏（如图3）。图2开封城墙现状平面图 图3开封城墙损坏现状3城墙稳定性分析：为了更好地开展开封古城墙的保护工作，首先，使用Geo-studio软件中的SLOPE/W对其进行稳定性分析，依据分析结果，制定相应的保护措施。3.1软件介绍:GEO-SLOPE:是加拿大公司的GeoStudio系列软件中的一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真软件，目前已经为国内外数百家企业、高校及科研院中的上百万科学研究人员、工程技术人员、教育工作者以及学生提供了无与伦比的帮助。GeoStudio包括：SEEP/W（地下水渗流分析软件）、SIGMA/W（岩土应力变形分析软件）、QUAKE/W（地震响应分析软件）、TEMP/W（地热分析软件）、CTRAN/W（地下水污染物传输分析软件）、AIR/W（空气流动分析软件）、VADOSE/W（综合渗流蒸发区和土壤表层分析软件）、Seep3D（三维渗流分析软件）等子软件。Geo-Slope软件中的Slope/W模块中的将有限元计算的应力结果与极限平衡法相结合的边坡稳定性分析方法对均质土坡和非均质土坡都适用,而且Geo-Slope软件中的Slope/W模块还可以同时导入地震分析模块Quake/W所计算的结果进行地震工况下的稳定性分析和安全系数的计算。 3.2算法简介:结合Geo-Slope软件中的有限元计算模块Sigma/W和刚体极限平衡计算模块Slope/W,将Sigma/W模块中计算所得到的结果导入Slope/W模块,考虑土体的应力-应变关系,利用极限平衡法的概念计算边坡的稳定安全系数并确定最危险滑动面1;通过经典算例分析,在极限平衡法中引入有限元计算得应力结果计算边坡的安全系数的方法是可行的,且对均质和非均质的土坡均适用。3.3城墙稳定性分析采用专业稳定性分析软件Geo-slope，根据极限平衡法中各种方法，进行稳定性计算，得出相应的安全系数，为城墙的稳定性分析提供依据。经计算得出的安全系数如表1所示。剖 面 方法通用极限平衡法毕肖普法詹布简化法摩根斯坦普赖斯法1-1剖面1.3161.3601.3111.3842-2剖面1.0441.0761.0681.0763-3剖面0.8900.9010.9010.902表1 相应的安全系数 图4 1-1剖面稳定性分析图 图5 1-1剖面强度与距离关系如图4、5所示：绿色区域为计算所得最不稳定圆弧滑动面，灰色线条为城墙失稳时可能出现的不同的滑动面，即潜在滑动面，通过计算，城墙的安全系数在1.3以上，城墙是安全的。3.4结论开封古城墙受自然风化、雨蚀、植物根系作用以及人为因素的破坏比较明显，城墙周围多生长有大树，根系十分发育，对城墙的危害性也比较大，现在急需对城墙进行加固和修复。 4、GIS技术的应用上世纪60年代兴起的地理信系统是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。在严格的意义上, 这是一个具有集中、存储、操作和显示地理参考信息的计算机系统，是一种分析和处理海量空间数据的技术2。城墙的保护与展示需要计算机技术对其进行相关的机器语言的转化，而这种机器语言转化需要地理信息系统进行当中语言编辑器的强大转化。GIS可以对大跨越区域内的地理信息进行逻辑语言的汇编，并进行机器语言的相关转化，再通过集成分装到遗址保护与展示数据库技术当中，所以开封古城墙的保护工作对计算机信息技术要求非常高。具体的技术路线如下3：1使用 ArcGIS 软件建立开封市 DEM 模型，辅助古城墙遗址形态判读，对开封古城墙遗址的总体格局有一个整体、精确的认识。 2 整合、挖掘考古资料数据，为进一步文物保护工作制定方向，且有助于认识和管理城市建设规划问题。3评估的科学性、客观性、有效性，直接决定着相应保护方案制定的合理、操作的可能，从而也决定着古城墙遗址及其全部价值的真实性、完整性能否得到有效保护。应用 GIS 技术，为开封古城墙遗址保护的评估工作建立空间数据库，综合多源多比例尺的数据，有效衔接评估结果和专项规划，进一步为规划工作提供数据的支撑。4使用ArcGIS 软件平台实现了数据库与矢量地图的空间信息对应链接，实现空间数据与属性数据一体化。以此为基础，通过空间分析、专题制图等功能制作规范的评估图、分析图。5虚拟现实技术的应用文物不可再生，也不能永生，为了应对文化遗产的褪化，就要抓数字化，为国家永存这份宝贵信息。在这种情况下，数字文化遗产应运而生，数字文化遗产是利用当代测绘遥感和计算机虚拟现实技术,以数字化的方式将文化遗产的全部动产和不动产真实地、完整地存储到计算机网络,实现真三维数字存档,供保护、修复、复原以及考古研究和文化交流使用。虚拟文化遗产已经在自然和文化遗产的保护、保存和解译等方面变得日渐重要。近年来,数字化技术的高速发展给虚拟文化遗产指明了新的发展方向4。虚拟现实技术是综合计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、人机交互技术、网络技术、立体显示技术以及仿真技术等多种技术,科学技术综合发展起来的计算机领域的最新技术,也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用5，虚拟现实技术结构如图6所示。将虚拟现实技术应用于开封古城墙遗址复原、虚拟漫游和动态展示等方面，可以较好地满足上述应用高精度、大规模、受众广、交互性强等方面的实际需求,从而有效缓解古城墙保护与利用的矛盾，增大文化资源受众面,为文物保护及历史资源合理应用提供高科技支撑。嗅觉身体三维建模虚拟环境交互式控制系统人传感器现实世界手脚听觉视觉语言图6 虚拟现实技术结构首先,利用虚拟现实技术可有效提高古城墙保护的技术水平。应用虚拟现实技术可模拟出古城墙修复后的影像,用于检验修复技术、手段的可行性,考察修复过程中各项环节,修复后耐久性等,有效提高文物修复的精度和预先判断、选取采用的保护手段,同时可缩短修复工期。其次,虚拟现实技术可突破时空限制发挥文物的价值。利用其采集的数据信息,可将考古研究数据和文献记载进行汇总, 充分使用计算机语言对城墙的地理环境进行相对分析和编纂，通过相关软件把建筑模型中的外形、材质、纹理等信息导入渲染系统中，模拟地展示已经湮灭了的古城墙遗址,多方位,多视角地向世界传播中华文化。5.1三维数据获取虚拟现实技术室以庞大的数据量为依托，所以，要想在虚拟场景中展示出逼真的古城墙原貌，给人以身临其境的感觉，那么，通过各种测量手段获取高精度的三维信息是必不可少的,也就是说，三维信息获取是实现虚拟仿真的第一步。5.1.1建立三维模型要获取的数据类型：1 各段古城墙的三维坐标；2 各段古城墙的高度信息；3 古城墙的纹理信息，主要包括外侧砖墙、内侧夯土墙体、海墁以及城门的纹理信息； 4 模型所处区域的地形起伏状况，一般是DEM数据。5.1.2三维信息获取途径随着科学技术的发展，航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与 GPS 等传感器采集数据的分辨率和准确性都有了明显的提高，特别是近十年迅速发展起来的激光雷达新兴遥感技术和计算机视觉的摄影测量技术为三维信息快速获取与行业应用注入了新的活力。目前，三维信息获取的途径可大致分为：基于地图的方法、基于图像的方法、基于点群的方法6。1、基于地图的方法基于地图的方法是，利用开封市已有 的GIS 数据、纸质地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型。我们要做的最重要的工作就是建立微地貌 DEM 和建筑物 DEM，然后在 GIS 软件系统中合成为古城墙三维模型。2、 基于图像的方法基于立体像对的方法是建立获取古城墙三维信息和建立三维立体模型的最基本的方法，也是目前最为常用的方法。它的发展与计算机技术、遥感技术相互交叉渗透，形成了现代摄影测量技术。这种方法的数据来源主要有：航天航空立体像对、近景摄影测量、单张照片上提取信息、基于三线阵 CCD 的数据获取。3、基于点群的方法基于点群的方法，就是应用激光雷达和激光扫描仪快速获得的大量开封古城墙三维点群数据，这些点群数据就是相对系统坐标系的城墙三维坐标。这种方法的数据来源主要有：基于机载三维成像仪数据获取、移动测绘系统数据获取、先进的三维激光测距技术。只有依靠多种信息获取技术的综合应用和相互配合，才能全方位地获取开封古城墙遗址中各种类型地物目标的三维信息。5.2三维虚拟环境建模一个完整的虚拟现实系统可以分解为视觉、听觉、触觉等子系统,三维虚拟环境模型的数字重建是实现虚拟现实的重中之重7，也是古城墙文化遗址数字化展现的基础，模型的好坏将直接影响到运行的效果和场景的逼真度。按照虚拟场景的构建方式的不同,三维虚拟场景的建模方法可以分为如下两类:一种是利用建模软件实现的几何建模方式;另一种是基于图形图像的建模技术8。5.2.1基于儿何建模的场景建模技术以计算机图形学为基础的几何建模技术是传统的建模方法，其首先是对真实场景进行数据抽象,用各类多边形构建古城墙在虚拟场景中的三维模型,同时添加相应的材质,通过参数设定进行纹理映射,然后使用三维软件进行建模,再根据浏览用户所在的空间位置坐标、光线的照射程度、加上使用消隐技术，就可以渲染出虚拟的古城墙画面,也就实现了在整个虚拟环境中的漫游。5.2.2基于图像的场景建模技术基于图像的建模技术是使用现实世界的具体图片数据来代替传统的建模技术,并且使用图片的空间变换来达到渲染的效果,它是以计算机机器视觉和计算机图像处理等学科的理论和方法为基础的。基于图像的场景渲染技术相比于传统的几何建模方式,其在构建场景的真实感方面和渲染速度上,具有独特的优势,已经成为近年来图形学方面的一个热点,尤其在虚拟场景的开发方面具有良好的发展空间。5.2.3基于图形与图像的混合建模技术基于几何的建模方法和基于图像的建模方法各有优缺点,如果将两者混合使用,则能平衡虚拟场景图像的和交互性之间的冲突,混合建模的思想是在虚拟环境中先利用几何建模法构建出古城墙的轮廓,然后利用图像建模方法引入纹理贴图,是实体的外观具有逼真的效果,对于需要发生交互的地方,用几何建模进行精细建模,添加相应的交互模块,这种方法在增加场景逼真度的同时还保证了用户浏览的实时性与交互性高度结合,做到了真正意义上的沉浸。5.3核心技术实时三维计算机图形技术:关键是实时生成不同光照条件下各种物体的精确图像。广角(宽视野)的立体显示技术:在VR系统中,用户带上特殊的眼镜后,一只眼睛只能看到奇数帧图像,另一只眼睛只能看到偶数帧图像,奇、偶帧之间的不同也就是视差产生了立体感。立体声播放技术:人能够很好地判定声源的方向。触觉与力觉反馈:在手套内层安装一些可以振动的触点来模拟触觉。语音输入输出:使用人的自然语言作为计算机输入。6、空间数据库技术的应用空间数据库的建设能改善开封古城墙保护中由于遗址地域范围广、时间跨度长而带来的信息利用问题。古城墙保护相关数据内容可划分为空间数据和专业数据两大类9。空间数据包含用于GIS可视化和空间分析、三维可视化等应用的,带有明显地理空间位置信息的数据,以及用于遗址周边土地利用变化、范围演变和背景环境变迁研究的多尺度、多源遥感影像数据。专业数据主要包括与遗址相关的各类文物内容,依据不同的数据性质,分为遗址本体信息、遗址环境数据、遗址相关文物主体信息和相关专题文档及资料。6.1开封古城墙文化遗产保护空间数据库的实际应用6.1.1数据的存储、编辑、更新与管理开封古城墙文化遗产保护空间数据库实现了对地理空间数据、专业数据、调查资料及测绘数据的统一存储和管理。数据库具有很强的可扩展性,其版本控制和长事务管理机制还可以实现对古城墙空间数据库的并行操作和管理。6.1.2支持各类专题研究古城墙保护涉及到各个领域,包括历史、考古、环境和城市规划等。可以根据不同的研究及应用目的,分析和应用数据库所管理的各式数据。6.1.3对各类应用系统的支持以所建立的古城墙文化遗产保护空间数据库为基础,开发单机或网络环境下的各类应用系统以支持古城墙的研究、保护和管理需求。7结论开封城墙,是河南省现存规模最大的一处古代城垣建筑,也是仅次于南京城墙的全国第二大古代城墙,系国务院1996 年11月公布的第四批全国重点文物保护单位10，具有极高的历史文化艺术价值和考古研究价值，GIS技术，虚拟现实技术、空间数据库技术等计算机信息技术的广泛应用，给开封古城墙的保护工作提供了强大的技术支撑，使文物保护工作可以高效率高质量的进行。1、GIS 技术依托其强大的空间分析功能，为开封古城墙保护工作中海量数据的深入分析与图形表达提供强大的技术支撑，节省了大量的时间和精力，通过图形数据和属性数据的叠加分析，可以更精准、更规范、更科学的对保护区进行研究分析，从而提高古城墙保护方案的科学性和可靠性。2、利用虚拟现实技术可有效提高开封古城墙保护的技术水平，在虚拟场景中再现古城墙原貌，可为城墙修复工作提供参考依据，其浸沉感、交互性和构想性的显著特点，可以给进入虚拟环境的游览者以身临其境的感觉。3、建立开封古城墙文化遗产保护空间数据库,实