宋紅霞 ，侯妙樂，胡云崗

(北京建筑大學(xué)，北京 100044)

1 引 言

文物保護工程中，運用三維激光掃描技術(shù)獲取文物的空間信息，可以對文物的幾何信息進行精確的三維量算、根據(jù)虛擬現(xiàn)實及相關(guān)技術(shù)為文物的修復(fù)提供有效的輔助手段［1，2］，還可以根據(jù)需要制作文物的數(shù)字正射影像圖、數(shù)字線劃圖、等值線圖等各種圖件。隨著數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)的發(fā)展，文物保護工程中涉及的數(shù)據(jù)量越來越大，數(shù)據(jù)類型也越來越多，面對“數(shù)據(jù)膨脹”，目前工程中采用的文件管理方式已日益顯示出不足。因此，如何解決海量數(shù)據(jù)庫的存儲管理，已成為目前亟待解決的問題［3］。

2 數(shù)據(jù)管理利弊分析

2.1 文件管理利弊

文物保護工程中運用激光掃描儀獲取文物三維點云空間信息，對所采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)重組織與調(diào)度、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)去噪與精簡、數(shù)據(jù)分割與分類、三維模型構(gòu)建、紋理映射、成果數(shù)據(jù)輸出等處理，生成工程中需要的各類成果數(shù)據(jù)。目前使用的三維點云數(shù)據(jù)處理軟件，如Geomagic Studio、Cyclone 等都是針對特定格式的數(shù)據(jù)，所以以文件的形式管理數(shù)據(jù)，有利于數(shù)據(jù)處理。

在實際操作中，隨著工程中數(shù)據(jù)的日益增長，數(shù)據(jù)格式的不斷增加，在數(shù)據(jù)管理和查詢方面，文件管理已越來越顯示出其不足:

(1)數(shù)據(jù)的完整性問題。數(shù)據(jù)的完整性是指數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性［4］。工程中涉及的所有數(shù)據(jù)都缺乏其對應(yīng)的元數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)缺乏，造成文物信息留取不完整，數(shù)據(jù)可信度降低。

(2)數(shù)據(jù)孤立，數(shù)據(jù)獲取困難。對于數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，文件系統(tǒng)仍缺乏有效的管理手段。對于表示同一位置的不同類型數(shù)據(jù)，不能互相查找，如不能通過某只手的點云數(shù)據(jù)，迅速找到其對應(yīng)位置的模型數(shù)據(jù)或紋理數(shù)據(jù)。如圖1(a)是千手觀音某只手的模型數(shù)據(jù)，圖1(b)是同一只手的數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)文件管理模式下，無法實現(xiàn)這兩種數(shù)據(jù)間的互相查找。

圖1 千手觀音某只手的模型數(shù)據(jù)與數(shù)字線劃圖

(3)數(shù)據(jù)存儲不規(guī)范。由于數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理的分散性，數(shù)據(jù)沒有按照一定的規(guī)則或存儲規(guī)范存放，導(dǎo)致數(shù)據(jù)查詢困難。

(4)數(shù)據(jù)假丟失。由于數(shù)據(jù)存儲雜亂無章，無命名規(guī)則和存儲路徑規(guī)范，導(dǎo)致原本存在的數(shù)據(jù)，因忘記文件名稱或存儲路徑而無法找到。

(5)數(shù)據(jù)重復(fù)存儲。數(shù)據(jù)存儲中，為了安全起見，往往對數(shù)據(jù)進行備份，由于數(shù)據(jù)多次備份造成一定的存儲空間浪費。

2.2 數(shù)據(jù)庫管理優(yōu)勢

數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化，共享性高，冗余度低，易擴充，數(shù)據(jù)獨立性高等優(yōu)點。對于文章擬采用的文件與數(shù)據(jù)庫結(jié)合管理文物保護工程中數(shù)據(jù)的方法，更具有以下優(yōu)點:

(1)數(shù)據(jù)文件采用文件管理模式管理。對數(shù)據(jù)存儲路徑和數(shù)據(jù)命名進行規(guī)范化，制定命名規(guī)則和存儲方案，便于理解數(shù)據(jù)之間的層次關(guān)系，為數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)庫設(shè)計提供條件，而且此種存儲方法不破壞數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，仍可采用先進的三維點云數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理。

(2)數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)文件間的關(guān)系并補充完善其屬性數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)編程語言，編寫合適的查詢界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的屬性查詢，存儲位置查詢等，提高數(shù)據(jù)查詢使用效率。

3 數(shù)據(jù)文件管理

由于文物保護工程中文物范圍很大，為了數(shù)據(jù)采集方便，需根據(jù)工程特點及實際操作便利程度將文物進行分區(qū)，對文物信息進行分區(qū)域數(shù)據(jù)采集，另外需要將文物中具有代表性特點的對象進行單獨的數(shù)據(jù)采集和存儲。據(jù)此可以將文物三維數(shù)字化工程在文件管理中按照整體、區(qū)域、對象進行分類，若對象較多且復(fù)雜，可再根據(jù)工程需要分為若干子對象。

以大足石刻千手觀音虛擬修復(fù)工程為例，根據(jù)千手觀音的整體結(jié)構(gòu)特征，將其劃分為9 行11 列，共99 個區(qū)域，各區(qū)域以“行號－列號”命名(如圖2);將具有代表性的對象進行分類，分為主尊、肋侍、手、法器，并以此命名文件夾。根據(jù)各對象特點，各肋侍命名為肋侍1、肋侍2、肋侍3、肋侍4，手以“所屬區(qū)域行號－所屬區(qū)域列號－手編號”的方式命名，法器以其類別名稱命名。

圖2 工程分區(qū)及主尊、肋侍對象示意圖

根據(jù)劃分區(qū)域、對象的提取及各文件夾命名，千手觀音虛擬修復(fù)工程數(shù)據(jù)的文件管理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 千手觀音虛擬修復(fù)工程文件管理結(jié)構(gòu)

該工程中涉及的數(shù)據(jù)類型有紋理數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、真三維模型數(shù)據(jù)、正射影像圖、數(shù)字線劃圖、剖面圖，在整理好的文件管理結(jié)構(gòu)各個子文件中存儲該對象或區(qū)域的各類數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)庫主要存儲上述文件管理結(jié)構(gòu)，對于工程中涉及的各類空間數(shù)據(jù)，需存儲各類數(shù)據(jù)間的關(guān)系及數(shù)據(jù)屬性信息。

4.1 文件結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)庫中的實現(xiàn)

該工程中的文件管理結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)庫中主要通過編碼的方法實現(xiàn)，即按目錄層次編碼，每層2 位編碼，則每個目錄最多有99 個子目錄，由于千手觀音有近1 000只手，所以在手?jǐn)?shù)據(jù)目錄層編碼設(shè)置3 位，可以存儲999 個子目錄，可滿足工程需要。上述文件結(jié)構(gòu)編碼如圖4所示:

圖4 文件結(jié)構(gòu)各層編碼示意圖

在數(shù)據(jù)庫中，該文件結(jié)構(gòu)可由表1實現(xiàn)，記錄各文件目錄Id 及名稱，父目錄名稱，所屬層級及編碼號，在查詢文件結(jié)構(gòu)時，可根據(jù)父目錄名稱查詢該文件夾下的文件夾名稱和數(shù)目，也可以根據(jù)編碼查詢文件結(jié)構(gòu)。

表1 文件層次關(guān)系表

4.2 數(shù)據(jù)類型管理

利用三維激光掃描儀器獲取文物的三維信息，根據(jù)點云數(shù)據(jù)的基本處理流程，工程中的四類基本數(shù)據(jù)類型為:點云數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、真三維模型數(shù)據(jù)。

根據(jù)這四類基本數(shù)據(jù)，還可以得到一些其他類型的數(shù)據(jù)，為了滿足日后數(shù)據(jù)管理的需要，在數(shù)據(jù)庫中設(shè)計數(shù)據(jù)類型管理表，用來管理工程中涉及的各類數(shù)據(jù)，表2列出了該工程中的4 種數(shù)據(jù)類型，由于各工程中的數(shù)據(jù)類型不止這4 種，所以可以根據(jù)需要，向數(shù)據(jù)類型管理表中繼續(xù)添加數(shù)據(jù)類型。

表2 數(shù)據(jù)類型管理表

數(shù)據(jù)類型管理實體與各類數(shù)據(jù)類型實體之間是分類管理的關(guān)系，四類基本數(shù)據(jù)類型來源及關(guān)系總結(jié)如下:點云數(shù)據(jù)通過三維激光掃描儀獲取;紋理數(shù)據(jù)利用高分辨率數(shù)碼相機獲取;模型數(shù)據(jù)是由點云數(shù)據(jù)經(jīng)配準(zhǔn)、去噪、融合、建模等處理得到的數(shù)據(jù)，所以點云數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)是多對一的關(guān)系;模型數(shù)據(jù)經(jīng)紋理貼圖后得到真三維模型數(shù)據(jù)，所以真三維模型數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)是一對一的關(guān)系，與紋理數(shù)據(jù)是一對多的關(guān)系。數(shù)據(jù)類型管理實體與各類數(shù)據(jù)的關(guān)系及各類數(shù)據(jù)之間的關(guān)系可表示為圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)類型與各類數(shù)據(jù)之間關(guān)系

在千手觀音虛擬修復(fù)工程中，利用這四類基本數(shù)據(jù)生成了正射影像圖、數(shù)字線劃圖、剖面圖三類數(shù)據(jù)。該工程中涉及的這三類數(shù)據(jù)來源為:正射影像圖由多張紋理圖數(shù)據(jù)經(jīng)軟件糾正所得，所以正射影像圖與紋理數(shù)據(jù)是一對多的關(guān)系;數(shù)字線劃圖是正射影像圖經(jīng)軟件描繪提取得到的，所以數(shù)字線劃圖與正射影像圖是一對一的關(guān)系;剖面圖是利用三維模型，經(jīng)軟件剖切獲得的，由于剖面可以有不同的方位，所以剖面圖與模型數(shù)據(jù)是多對一的關(guān)系。

在實體關(guān)系中，有一對一和多對一的關(guān)系。對于關(guān)系中，一對一的關(guān)系，在其中一個實體表中設(shè)置外鍵，如紋理數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)關(guān)系中，可在紋理數(shù)據(jù)表格中設(shè)置圖像數(shù)據(jù)編號外鍵，實現(xiàn)兩者一對一的關(guān)系;多對一的關(guān)系，在前者表中設(shè)置外鍵，如紋理數(shù)據(jù)與真三維模型數(shù)據(jù)是多對一的關(guān)系，在紋理數(shù)據(jù)表格中設(shè)置真三維模式數(shù)據(jù)編號外鍵，以此實現(xiàn)兩者多對一的關(guān)系。數(shù)據(jù)類型實體屬性及關(guān)系設(shè)置如圖6(E－R 圖)所示:

圖6 數(shù)據(jù)類型及關(guān)系設(shè)計(E－R)圖

4.3 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

根據(jù)上述數(shù)據(jù)庫關(guān)系模型圖，設(shè)計各數(shù)據(jù)表格和數(shù)據(jù)模式，將表的字段表示為數(shù)據(jù)庫支持的數(shù)據(jù)類型。

利用Oracle 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在User 表空間下，創(chuàng)建Spatial 用戶，并創(chuàng)建各表數(shù)據(jù)，建立各表之間的關(guān)系。

數(shù)據(jù)加載方式有多種，本次實驗中，已有表格數(shù)據(jù)利用SQL developer 導(dǎo)入Excel 數(shù)據(jù)，部分實驗數(shù)據(jù)采用手工錄入方式，其他數(shù)據(jù)采用程序開發(fā)的方式導(dǎo)入。

數(shù)據(jù)庫查詢:利用創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)工程需要，查詢文物信息采集狀況、成果數(shù)據(jù)完成情況等，如某區(qū)域數(shù)據(jù)是否進行數(shù)據(jù)采集，是否符合工程標(biāo)準(zhǔn);還可利用線劃圖數(shù)據(jù)名稱查找相關(guān)正射影像圖數(shù)據(jù)等。

5 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

為了方便日常數(shù)據(jù)管理，便于無數(shù)據(jù)庫相關(guān)基礎(chǔ)知識人員對數(shù)據(jù)進行相關(guān)查詢，設(shè)計如下數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行簡單查詢調(diào)用。

本系統(tǒng)以Microsoft visual studio 2010 為開發(fā)平臺，利用c#開發(fā)語言，ADO．NET 連接Oracle 數(shù)據(jù)庫。Oracle 數(shù)據(jù)連提供程序是．NET Framework 的一個插件，提供了訪問Oracle 數(shù)據(jù)的功能［6］。

為了方便數(shù)據(jù)錄入，編寫數(shù)據(jù)入庫界面實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)的導(dǎo)入操作。

各項數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫后，可根據(jù)需要進行各項數(shù)據(jù)查詢，方便數(shù)據(jù)管理，提高管理效率。

另外，為方便無數(shù)據(jù)庫知識背景人員對數(shù)據(jù)進行查詢，設(shè)計了數(shù)據(jù)查詢界面(如圖7所示)，可實現(xiàn)特定數(shù)據(jù)類型的通過數(shù)據(jù)對象名稱進行的查詢。

圖7 數(shù)據(jù)庫查詢界面設(shè)計

6 結(jié) 語

本文分析總結(jié)了文物三維數(shù)字化工程中涉及的各類數(shù)據(jù)關(guān)系，以大足石刻千手觀音虛擬修復(fù)工程為例，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效管理和查詢，主要成果如下:

(1)根據(jù)該工程特點及文物三維數(shù)字化工程采集處理數(shù)據(jù)的共性，對該工程涉及的各類數(shù)據(jù)進行了整理，在文件管理模式下，規(guī)范了存儲路徑和命名規(guī)則，使數(shù)據(jù)在文件管理模式下更加規(guī)范，節(jié)省了存儲空間;

(2)對工程中涉及的多源數(shù)據(jù)關(guān)系及屬性數(shù)據(jù)進行整理，設(shè)計數(shù)據(jù)庫實體與實體關(guān)系，利用oracle 數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫工具，通過程序開發(fā)的方式將各類數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，提高了數(shù)據(jù)查詢效率和安全性;

(3)設(shè)計并開發(fā)了簡單的數(shù)據(jù)庫操作系統(tǒng)，方便無數(shù)據(jù)庫知識背景的工作人員對數(shù)據(jù)進行查詢，提高了工程中數(shù)據(jù)的查詢使用效率。

［1］Min Lu，Bo Zheng，Jun Takamastsu．Ko Nishino and Katsushi Ikeuchi．2011．3D shape restoration via matrix recovery［J］．Lecture Notes in Computer Science，2011，Volume 6469/2011，306 ～315．

［2］萬惠玲．3D 虛擬技術(shù)文物虛擬還原展示——以蚌埠雙墩1 號墓器物修復(fù)為例［J］．湖北經(jīng)濟學(xué)院學(xué)報·人文社會科學(xué)學(xué)報，2013，10(1):29 ～30．

［3］明智勇．?dāng)?shù)據(jù)庫技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，12(1):80 ～81．

［4］萬常選，廖國瓊，吳京慧等．?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理與設(shè)計［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2011:2 ～8．

［5］郭明．海量精細(xì)空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究［D］．武漢:武漢大學(xué)，2011．

［6］YingBai．C#數(shù)據(jù)庫編程實戰(zhàn)經(jīng)典［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2011:78 ～87．