基于时空信息的唐景陵文物智能监测平台设计与建立

张奋，赵裴，魏元涛，赵广杰

基于时空信息的唐景陵文物智能监测平台设计与建立

张奋，赵裴，魏元涛，赵广杰

（西安航天天绘数据技术有限公司，陕西 西安 710061）

文物是宝贵的不可再生文化资产，是人类智慧的结晶和历史进步的标志。通过利用先进的空间信息技术助力唐景陵文物智能监测平台的建设，将物联网、北斗定位、移动互联网、人工智能等信息技术应用于不可移动文物保护，实现文物的动态、全天候实时监测，是一次文物保护领域的宝贵探索与实践，对于陕西唐帝陵文物保护具有积极的推动作用。

文物；空间信息；物联网；北斗定位

1 引言

陕西是中国重要的历史和文物大省，据第三次全国文物普查表明，陕西省境内现有不可移动文物49 058处，全国重点文物保护单位235处。然而随着大规模的经济建设和城市化进程不断加快，不可移动文物及其赖以生存的环境正在面临破坏损毁、违法建设、过度开发等多方面威胁，形势不容乐观。唐代帝陵石刻是中国古代雕刻艺术的重要宝库之一，然而由于历史、自然以及人为等诸多原因导致陕西十八座唐帝陵中大多数的保护情况不容乐观。在研究唐代帝陵石刻文物现状的基础上，针对目前存在问题，构建一套完整、高效、规范的石刻文物监测体系平台，通过将精准的空间信息应用于石刻文物保护，结合物联网、移动互联网、人工智能等新兴技术，实现文物的全天候动态实时监测，并不断促进时空信息与文物保护领域的深度融合，是未来文物保护的必然趋势和重要手段。

2 唐景陵石刻文物保护现状

唐陵是陕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“关中唐帝十八陵”，是埋葬在陕西省关中地区唐京都长安（今西安）周边的唐朝十八位皇帝的陵墓，均属中国重点文物保护单位。唐代帝陵依山为陵，气势雄伟，呈扇形环绕在京都长安周围，和长安城以及宫殿群一起构成全国等级最高、密度最大的唐代文物、文化遗址景区。

目前，唐陵地面留存最珍贵的文物当数石刻。唐帝陵石雕是一部艺术版本的《资治通鉴》。唐帝陵留下的大量石刻造像，包括石虎、石狮、犀牛、石碑、石人、仗马、鸵鸟、翼马、天鹿（独角兽）、獬豸、华表、石羊等10余种。原有石刻共1 000余件，如今包括残件在内仅存不足500件。唐帝陵石刻的破坏与损毁较为严重。

以唐景陵为例，景陵作为中唐帝陵时代的一个重要缩影，是唐宪宗李纯墓，位于陕西省蒲城县，景陵依山为陵，陵区直径20 km。景陵石刻共计43处，其中北部7处，东部2处，南部32处，西部2处。由于自然及人为因素，唐景陵各个部位的石刻均有不同程度的损坏。唐景陵石刻损坏举例如图1所示。

图1 唐景陵石刻损坏举例

3 建设目标及意义

基于唐帝陵石刻文物监测保护的迫切需求，以唐景陵为试点，针对景陵石刻文物布局特点，以“天、空、地” 一体化的监测手段为支撑，采用“天上看、地上查”的监管模式，构建不可移动文物全天候实时监测平台，重点研究文物、警报、视频、巡查人员间的智能联动方式，实现石刻文物的动态监测和高效管理，并开展唐景陵石刻文物典型示范应用，进一步为唐代帝陵文物保护推广应用奠定坚实的基础。唐景陵文物智能监测平台的建设与实施将加大唐帝陵文物保护的督察力度，确保在大规模的经济建设和不断加快的城市化进程中，文物得到有力的保护。

4 平台设计及实施

4.1 平台架构设计

基于时空信息的唐景陵文物智能监测平台在高时空分辨率的地理信息基础上，实现唐景陵文物信息展示、高效管理、查询统计、智能报警、视频联动、巡查考核、实景游览等多样化应用。其总体框架设计如图2所示。

4.1.1 感知层

完成多类型数据信息的采集，主要包括动态数据采集和时空信息采集。其中，动态数据采集包括高清视频、压力传感器、温湿度传感器、手持巡查终端等数据采集；时空信息采集主要是通过无人机、地面移动测量系统、遥感卫星等手段获取和制作平台底图和二三维地形图。

图2 总体框架设计

4.1.2 数据层

通过引入数据存储管理和资源调度技术，对基础地理数据、视频监控数据、压力监测数据、温湿度监测数据、文物专题数据等进行统一、高效、安全的接入，并进行规范化处理、组织、存储和管理，为服务层提供数据支撑。

4.1.3 服务层

在统一的服务支撑框架下，为应用层提供数据服务和功能服务支撑。包括GIS服务引擎、数据分析服务、北斗位置服务、可视化服务、智能识别服务、智能报表服务等。

4.1.4 应用层

面向不同权限的用户，提供文物监测、文物信息展示、文物管理、智能报警、视频联动、巡查考核、虚警排除、实景游览等多样化应用。

4.2 平台功能设计

基于时空信息的唐景陵文物智能监测平台根据石刻文物布局，以最优化、集约化、高效化为准则，构建文物全天候实时监测体系功能，主要由7部分功能组成：①监测数据接入功能。实现视频监测数据、压力传感数据、温湿度传感数据等在线监测数据的接入、规范化处理和质量监测，为数据查询展示、空间分析、设备故障诊断、巡查任务派发等提供数据支撑。②监测数据处理功能。实现对接入的监测数据进行规范化处理功能，包括数据解析、格式转换、归一化处理、坐标转换等操作。③数据一体化管理功能。实现对监测数据、文物专题数据、业务运行数据等数据资源的统一管理，包括资源目录管理、数据编辑、查询统计、数据归档等数据管理功能。④文物信息可视化展示功能。能够叠加不同的图层进行显示，实现文物专题产品、遥感影像、地形数据、高程模型数据等信息的叠加显示。⑤阈值智能判断功能。能够实现对压力传感监测数据、温湿度监测数据、视频监测数据等进行智能化分析，判断监测数据的合法、合规、合理性。⑥报警联动功能。平台能够根据监测数据，以设定的阈值为限，自动启动报警并联动视频监控系统，视频监控系统根据报警的精确位置信息，自动启动最近视频设备转动方向对报警现场进行数据采集与抓拍，实现报警信息的远程查看与排除。⑦监测设备管理功能。实现对视频设备、压力传感设备、温湿度传感设备等文物监测设备的高效管理，实现监测设备在地图上的精准定位和可视化展示，支持设备详细信息的查询浏览。⑧巡查任务管理功能。实现对巡查任务的下发、巡查人员管理、任务综合考核评价、巡查路线轨迹回放等。

4.3 平台流程设计

基于时空信息的唐景陵文物智能监测平台以文物在线监测数据为支撑，自动化对接入的数据进行预处理、判断、预警、联动等一系列处理操作，实现文物的全天候实时监测，其流程设计如图3所示。

5 平台实施

5.1 监测硬件体系构建

5.1.1 压力监测

在唐景陵43处石刻下全部安装压力感应装置，通过实时监测石刻对地下压力的变化，实现石刻动态监测。

5.1.2 摄像头监测

在唐景陵西部、北部、东部各竖立1个监控摄像头，南部树立2个监控摄像头，以实现对石刻和周边环境的实时监测，监控是否存在毁坏文物或故意破坏监测设备的行为，查看压力传感器是否遭到破坏，巡查工作人员是否按时进行现场巡查等。

图3 平台流程设计

5.2 基于北斗监测底图制作

利用无人机航摄系统，获取唐景陵测区范围内的原始像片，结合地面像控测量成果，通过处理软件进行空三加密，得到每张像片的外方位元素，形成立体像对，为之后DOM生产做准备；在全数字摄影测量工作站上导入空三成果，对数字影像做相关定向建模后，生成核线影像，对影像进行预处理、匹配、编辑，获取数字正射影像图。

5.3 数据建库

平台涉及结构化数据、文本数据、多媒体数据等多种类型文物相关数据，建设逻辑统一、架构合理、易扩展的文物监测数据库。重点包括以下三类数据库。

5.3.1 基础地理信息数据库

构建了基础地理信息数据库，采用空间数据库实现景陵基础地理信息数据的存储与管理，主要包括正射影像图DOM、数字线划图DLG、数字高程模型DEM、三维模型数据等基础地理信息数据，为文物监测平台提供基础的地理环境支撑。

5.3.2 监测数据库

监测数据库存储与管理的数据主要由高清视频数据、北斗定位智能监测数据、温湿度数据等数据组成，主要采用文件系统进行监测数据的存储与管理，便于大量非结构化的监测数据快速检索与查询。

5.3.3 文物专题数据库

文物专题数据库包括文物基本信息数据、传感器基本数据、摄像头预置点数据，巡查终端管理数据与巡查业务数据等，这些通常是结构化数据，主要采用关系型数据库存储。

5.4 平台软件构建

根据唐景陵文物智能监测平台总体框架及功能设计要求，搭建基于时空信息的唐景陵文物智能监测平台的软件系统，主要包括数据接入、数据管理、数据分析、报警联动、设备管理、任务管理、系统管理、智能巡查APP软件、文物识别、数据展示十大功能模块。平台组成如图4所示。

图4 平台组成

6 创新性

6.1 视频动态联动监测

将文物监测软硬件、前后台连接起来，形成在线监测系统、智能报警系统、高清视频系统间的快速联动机制，从而为全面掌握文物状态、文物变化快速报警响应提供有力支撑。平台接入北斗定位智能监测数据，经数据处理、数据分析，生成文物报警信息，将报警信息入库和摄像头转动到预置点，缩放聚焦到报警终端，实现文物报警信息和文物视频监控联动。

6.2 虚警远程智能排除

平台监测到北斗定位智能终端故障时，视频联动到报警终端，可以通过平台远程查看文物状态。同时平台自动向报警终端下发查询令，终端立即采集并上报监测数据，平台第二次判断终端是否故障，当判断非故障时，平台虚警远程智能排除，从而减少文物巡查的人工成本。

6.3 文物智能识别

通过集成人工智能算法实现文物的智能识别。在平台软件开发中集成了TensorFlow和DeepLab v3深度学习算法，通过对大量不可移动文物（古建筑、古遗址、石窟寺及石刻等）模型进行训练，根据模型智能识别不可移动文物，并结合文物空间位置矢量数据为文物变化监测提供标准影像数据及参考依据。该方法大大提高了不可移动文物的识别速度及精度，后续为行业的推广提供了极大的便利。

7 结束语

基于时空信息的文物智能监测平台已在唐代帝陵之景陵文物保护区顺利实施与应用，通过将地理信息、物联网、移动互联网、人工智能等技术与文物保护进行深度融合，大幅提升了唐景陵石刻文物保护的力度，为陕西文物保护起到了示范推动作用。后续将进一步提升文物智能识别精度、优化虚警智能排除方法、加强文物监测设备故障智能排查等，不断提升和完善文物保护体系，提高文物保护效能，从而更好地服务于文物保护领域。

［1］孙炎.唐代石刻艺术［M］.西安：三秦出版社，2012.

［2］薛晓轩.基于三维激光扫描的文物管理系统的建立［J］.测绘与空间地理信息，2014，37（2）：99-101.

［3］王如梅.基于GIS的北京市文物资源系统建设项目设计与研究［J］.硅谷，2011（14）：54-56.

TU-87

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.038

2095－6835（2019）13－0091－03

张奋（1987—），女，中级工程师，研究方向为地理信息集成与服务。

〔编辑：张思楠〕