摘要: ---摘自《嘉峪关文博》许德臣 张晓东人类社会进入21 世纪以来，随着计算机硬件技术的迅猛发展，人类产生、获取和处理数据的方式也随之越发容易，成本越来越低，数据的存储和处理速度正以几何倍数增长。数据的种类也朝着多样性、异质化的方向演变。在全球数据爆炸增长的时代背景下，学界和业界提出了“大数据”的概念，用以形容庞大的巨型数据集合。这一概念的出现并非一时的炒作，每天人类社会都会产生巨大量级的数据，其中包含了 ...

 ---摘自《嘉峪关文博》

    许德臣 张晓东

    人类社会进入21 世纪以来，随着计算机硬件技术的迅猛发展，人类产生、获取和处理数据的方式也随之越发容易，成本越来越低，数据的存储和处理速度正以几何倍数增长。数据的种类也朝着多样性、异质化的方向演变。在全球数据爆炸增长的时代背景下，学界和业界提出了“大数据”的概念，用以形容庞大的巨型数据集合。这一概念的出现并非一时的炒作，每天人类社会都会产生巨大量级的数据，其中包含了大量的非结构数据[1]。通过对所采集的大量数据进行分析汇总，发掘有用信息，为科学决策和准确评估提供有力支撑。数据量的爆发式增长促使我们快速迈入大数据时代。大数据绝不仅仅是数据量大，现在对大数据的定义还没有形成统一意见，业界通常用5V（Volume、Variety、Velocity、Veracity、Value）特征[2]来概括大数据的显著特征，即体量大、速度快、模态多样、真伪难辨、价值大等特征。

 

    1大数据时代GIS

    自Roger Tomlinson 博士于1963 年首次提出地理信息系统（Geographic Information Systems）概念之后，GIS 技术一直都在快速发展。GIS 技术现已广泛应用于环境监测、国土资源管理、城市规划、交通运输、公共基础设施管理、社交网络（SNS）、位置服务（LBS）等领域，给人们生活带来诸多便利。随着大数据时代的到来和科技的不断进步，大数据时代GIS 所面临的大体量、快速增长、异构、非结构化数据，这些数据采集不便、存储困难、分析处理复杂，给传统GIS 技术带来挑战。

    大数据时代GIS 数据采集方式不再局限于全站仪、水准仪、扫描仪、卫星遥感影像等传统设备与方式，而是来源于各种传感器、街景图片、网页贴吧、视频监测数据、历史数据、社会动态等复杂多样的数据源，凸现大数据的多样性特征，这给 GIS 数据的采集增加了难度[3]。各种传感器所采集的监测数据多为流数据，数据以毫秒甚至以微秒计源源不断快速产生。通过物联网技术，将实时监测传感器、红外感应器、全球定位系统、激光三维扫描等监测设备与网络相连接，形成物联网，其数据采集较为快捷，但大数据时代95%以上的数据都存在噪音和歧义甚至缺失的不精确数据，需对所采集的数据进行筛选处理才能满足遗产监测的数据采集要求。

    数据的存储是数据分析和数据挖掘的基础与前提。现有成熟的GIS 数据存储系统多依赖关系型数据库，如 Oracle、PostGIS；但是关系型数据库由于在海量数据管理、高并发读写以及扩展性等方面的限制，在大数据时代已经显示出一定的局限性[4]。GIS 数据源呈现更大的多样性，既有属性信息等可以用结构化方式存储的数据，又有街景、视频等非结构化数据。传统的 GIS 空间数据存储方式不但难以扩展，而且随着数据的激增读写性能存在极大瓶颈。针对GIS 大体量、多样性的空间数据存储问题仍需深入研究，从而寻找更加有效的方案。

    2 GIS在遗产监测领域的应用

    由于GIS系统内含三维可视化图形引擎，可以实现遗产的三维浏览。同时可以建立虚拟地形，允许导入DEM（DigitalElevation Model）[5]数据生成地形网格数据，将航空影像或卫星影像数据投射至地形网格数据上，形成具有三维效果的拟真地形图像。GIS系统拥有动态加载图像和自动LOD（Levels of Detail）[6]功能，能够在大数据交互浏览过程中，保持良好的体验感。

    一直以来，大家公认的GIS与其他信息系统和电子地图的区别在于同时具有空间数据管理能力、空间分析能力以及基于地图的数据可视化能力[7]。GIS系统在实现三维浏览的同时，能够进行图面积距离的实时测算和显示，显示建筑精确的地理坐标[8]以及面积量算等功能的实现，对数据的分析汇总能以饼状图、柱状图和曲线图的形式可视化直观体现。由于GIS系统底层构架已相对比较成熟，在此基础上用户可根据实际需求进行功能扩展，其自带的基本统计分析功能可对传感器所采集的海量数据进行量化分析和图形显示，基本能够满足当前的遗产监测管理需求。

    3嘉峪关遗产监测与GIS

    3.1嘉峪关文化遗产监测需求分析

    嘉峪关地处西北内陆，由于独特的地理气候环境，随着时光流逝，嘉峪关及附近明长城出现了相应的病害，墙体出现了风化，酥碱，冻融，裂隙，地基沉降，倾斜，断层空洞，木结构出现了倾斜，油饰彩画脱落，虫蛀糟朽，城壕出现了积沙等一系列病害，基于延缓病害发育及科学监测规范保护的需要，需对遗产病害进行系统全面的监测和监测数据科学高效管理，监测工程实施过程中需进行深入的需求分析。

    3.1.1需建立文化遗产展示系统

    通过GIS（地理信息地图）系统、三维全景展示和虚拟现实等技术，直观、动态地展示嘉峪关世界文化遗产的保护现状以及嘉峪关的基本信息、动态信息等。

    3.1.2需建立遗产档案信息数据管理系统

    建立嘉峪关文化遗产档案信息数据管理系统，按照世界文化遗产和文物保护管理的要求，对浩瀚而庞杂的遗产档案信息形成统一的分类标准，并将这些信息（如文字、图片、地图、遥感图像等非空间数据）落在同一地理参考坐标系（GIS系统）下，实现文字和图形的统一管理，便于各类用户进行快速检索和全面而分门别类的动态管理，为嘉峪关遗产研究、保护、管理、决策提供有力支撑。

    3.1.3需建立文化遗产监测预警系统

    世界文化遗产保护是一个长期的、动态的过程，需要全过程的监控和调整，及时地掌握各种反映现状的动态资料，建立嘉峪关世界文化遗产的监测机制，健全预警体系，可以提高嘉峪关世界文化遗产预防风险的等级和能力。在嘉峪关周边环境布设监测站（尽可能利用各部门现有的监测站，全面覆盖所有嘉峪关的文保点），监测内容包括保护对象监测、环境要素监测、人为活动影响状况监测、保障体系监测等；监测频率：日常监测、定期或不定期监测，并对监测结果进行统计、分析形成监测报告。

    3.1.4需建立遗产分析评估和综合决策系统

    通过监测、预警、评估、反馈，对监测数据采集、统计、分析并对遗产进行数字化管理，为遗产的科学保护、规范管理提供决策依据。通过各类图形和历史监测数据分析，掌握文化遗产的变化趋势，并综合各类监测数据，对文化遗产保存现状做出综合评估。

    3.2遗产监测预警体系设计情况

    3.2.1监测中心网络基础设施设计

    嘉峪关遗产监测中心实现系统集成、资源整合、信息共享，完成标准规范制定、数据库建立、数据交换平台搭建、数据评估，实现信息发布和资源共享。遗产监测中心网络基础设施设计包括：遗产监测指挥中心建设设计、遗产展示多媒体服务功能设计、遗产监测中心人员配置和嘉峪关遗产监测规范标准制定。

    3.2.2遗产监测信息传输及安全设计

    遗产监测信息传输及安全设计包含遗产监测中心网络传输平台建设、信息安全建设和数据存储建设等。网络传输以构建遗产监测中心为核心节点，呈星型拓扑网络。数据存储平台设计各种监测数据的永久保存，增量更新，需要建设大容量存储系统以存储数据。动态信息数据定期保存归档，视频数据可保存特定时间段内数据，监测数据则需要长期保存，为决策分析时应能及时调用。

    3.2.3遗产监测预警管理平台设计

    嘉峪关世界文化遗产监测基于GIS（地理信息系统）构建世界遗产数字化监测预警平台，建立多尺度空间数据库，将有精确坐标定位的空间数据作为基础与框架，承载嘉峪关各类监测数据和现状数据。在数据处理功能方面，通过前端采集设备和传输中介，对输入系统的数据进行自动归类、存储、分发、套用模型分析处理。通过综合运用地理信息系统空间可视化分析、计算机图形学、图像处理技术等多种手段提升监测数据可视化程度，使得监测数据和计算模型分析结果以图形、图像形式清晰呈现，甚至可以模拟出虚拟动态的三维遗产现场。

    3.3嘉峪关遗产监测实施情况

    3.3.1日常监测实施情况

    嘉峪关自修建以来历经600多年风雨侵蚀而出现了各种病害，针对墙体出现的沉降、开裂、倾斜、雨蚀、酥碱等病害进行应力、裂缝、倾斜、降雨、盐分水分等监测，针对木结构出现的倾斜、油饰彩绘脱落等进行风速、温湿度、紫外线及气象环境等监测，通过相应的实时监测设备将监测数据源源不断的传输到监测预警管理平台上，以便监测研究人员进行分析研究。

    3.3.2定期监测实施情况

    由于实时监测覆盖面小监测成本高无法全面覆盖嘉峪关境内所有的遗产（嘉峪关境内明长城全长43.58km，腹里沿边境外墩台共计39座），遗产监测中心根据实际监测需求从国内外采购了一批监测精度高、操作简便、性能先进的无损监测设备，对重点部位及病害多发部位开展定期监测，并根据监测设备使用情况制订了科学合理的监测方式方法及监测频率。通过定期监测基本全面覆盖了嘉峪关境内所有遗产点。

    3.3.3反应性监测实施情况

    除日常监测和定期监测之外，通过移动巡查终端来开展遗产地所有监测对象的日常巡查工作，确保新出现的病害能及时发现有效处理，如遇到地震、暴雨、大风等特殊及突发状况则及时开展反应性监测，实现“及时反应、及时处理、科学应对”的监测预警机制。

    3.3.4监测预警管理平台搭建及数据库建设情况

 

    图1 嘉峪关世界文化遗产监测预警体系架构图

    监测系统采用微软.net技术开发，B/S结构，使用ORACLE数据库，基于四层的体系架构搭建嘉峪关文化遗产监测预警信息系统。平台系统由系统网络层、数据资源层、应用支撑层、系统应用层四个层次组成。

    构建遗产监测要素分类、监测规范、预警标准、遗产评估、跨部门协同工作规范五大规范体系，建立遗产信息、遗产GIS、监测预警、决策支持和公共信息五大基础数据库，实现遗产监测信息共享、保护为先、有效管理和科学决策，监测预警管理平台共分为档案、监测、分析、指标、系统设置和GIS地理信息地图、公众参与、三维展示8个部分共计31个功能子系统：实现了档案存储检索、监测数据查询及分析、监测指标设置、遗产要素、监测点位的GIS标注定位、预警处理、物联传感数据展示、公众参与遗产监测与保护等主要功能。

    4结论

    目前嘉峪关遗产监测工作在管理体制上协同各遗产点管理单位，形成以关城为核心辐射全市的横向监测网络和监测中心主监测遗产地主巡查的纵向监测管理机制，各遗产点管理单位负责开展日常巡查和管理工作，定期监测和反应性监测则由监测中心专职监测人员来完成，建立完善合理的日常监测、定期监测、反应性监测三级预警管理体制。已逐步形成了预警平台自动监测、便携式监测设备定期监测和人工巡查相结合的系统化监测形式，各种监测方式互相补充，组成了一个较为科学严谨的监测体系。通过嘉峪关监测预警体系建设过程中的不断探索，建议在构建遗产监测预警体系应遵循以下几个方面：

    1）可扩展的存储架构，相对于源源不断增长的数据，需要可扩展的数据存储架构，以满足数据无限增长的需要。

    2）对遗产监测所产生的超大规模数据进行高效管理，实时处理和分析，并能任意调取历史数据。

    3）针对大数据噪音多及数据不确定性大的特性，需要在预警平台建设过程中重点考虑数据去噪、预警参数设置、数据计算等问题。

    4）面对数据库所有数据，需要开发适合的数据算法，高效地展示和分析超大规模的数据，发掘大量数据背后所隐藏的价值。

    5）监测项目实施前需对监测设备选型、数据传输方式、平台底层架构等进行充分的需求调研。

      参考文献：

    [1]鲁鹏等. GIS 考古研究综述与前景展望[J]. 中原文物, 2008(2):104-108.

    [2] 李映，焦李成.基于核Fisher 判别分析的目标识别[J].西安电子科技大学学报(自然科学版)，2003，4（2）：179-182.

    [3]孟晓峰等. 社会计算：大数据时代的机遇与挑战[J]. 计算机研究与发展，2013(12):2483-2491.

    [4]沈松雨，大数据环境下GIS技术发展研究，科技创新与应用，2015年第10期，35-36

    [5]覃雄派等. 大数据分析—— lmBMS 与MapReduce 的竞争与共生宰[J]. 软件学报,

    2013(1):32-45.

    [6]李清泉，杨必胜，史文中等.三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M].武汉：武汉大学出版社，2003

    [7]李清泉，李德仁.大数据GIS[J].武汉大学学报（信息科学版），2014,6（39）：641-644

    [8]张引等.大数据的应用现状与展望[J].计算机研究与发展，2013（suppl）:216-233

    作者简介：许德臣，汉族，1989年6月生，甘肃环县人，大学学历，助理工程师，现任嘉峪关丝路（长城）文化研究院文化遗产监测中心负责人。2013年毕业于兰州理工大学，自参加工作以来一直在文化遗产监测中心工作，主要负责监测系统工程的管理、文化遗产日常监测、关城监测站管理等工作，先后在《中国文物报》、《甘肃科技》、《丝绸之路》等刊物发表学术论文6篇，参与《嘉峪关世界文化遗产监测技术需求研究》省级课题相关内容的研究。

来源：《嘉峪关文博》