孫運(yùn)豪

(國信司南(北京)地理信息技術(shù)有限公司, 北京 100048)

0 引言

“文物承載燦爛文明,傳承歷史文化,維系民族精神,是老祖宗留給我們的寶貴遺產(chǎn),是加強(qiáng)社會主義精神文明建設(shè)的深厚滋養(yǎng),保護(hù)文物功在當(dāng)代、利在千秋[1]?！秉h的十八大以來,習(xí)近平總書記對文化遺產(chǎn)保護(hù)高度重視,多次對文物工作作出重要指示。

南京城墻是我國現(xiàn)存最具代表性的文化遺產(chǎn),其巨大的規(guī)模和良好的保存狀況舉世罕見,具有重要的歷史、科技、藝術(shù)價(jià)值[2]。隨著時(shí)間的推移,城磚不可避免地受到了自然、人為等因素的影響,大量的磚文正在風(fēng)化、消失,為了搶救性保護(hù)南京城墻磚文的珍貴歷史信息,2018年南京城墻管理中心啟動“南京城墻本體磚文信息采集項(xiàng)目”,計(jì)劃用3年時(shí)間完成城墻銘文磚數(shù)字化采集、建庫等工作,實(shí)現(xiàn)城墻城磚的精細(xì)化管理,完整精確地記錄了每塊銘文磚的空間位置、銘文內(nèi)容、產(chǎn)地等信息,保留遺產(chǎn)的真實(shí)性與完整性。

1 研究目的

南京城墻長達(dá)25 km,且高度在14～21 m之間,散落在城墻上的銘文磚數(shù)量龐大、范圍廣、磚文清晰程度不一致、文字內(nèi)容不易辨認(rèn)。并且由于長期受到自然、人為因素影響,城磚銘文受到不同程度的破壞與風(fēng)化,許多珍貴的銘文信息正在逐漸消失,給南京古城墻保護(hù)[3]與磚文信息管理工作帶來很大的難題。

通過開展地理信息技術(shù)在南京城墻銘文磚數(shù)字化工作中的研究和應(yīng)用,全面支撐城墻銘文磚查找、采集、解譯、分析、管理等應(yīng)用的全過程,形成一套在組織形式、存儲命名、編碼關(guān)聯(lián)等方面具有統(tǒng)一規(guī)格的城磚銘文電子資料庫,全面支撐磚文信息管理應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)銘文城磚的數(shù)字化保護(hù)工作[4],銘文磚數(shù)字化成果如圖1所示。

圖1 銘文磚數(shù)字化成果圖

2 總體思路和技術(shù)架構(gòu)

2.1 總體思路

在對南京城墻銘文磚實(shí)施數(shù)字化采集與保護(hù)管理的過程中,本研究依據(jù)城墻的特點(diǎn),設(shè)計(jì)研究了以無人機(jī)攝影測量技術(shù)為基礎(chǔ),獲取城墻多維時(shí)空數(shù)據(jù),同時(shí),綜合利用各種數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢,完成對南京城墻二、三維場景數(shù)據(jù)的建立,實(shí)現(xiàn)了南京城墻銘文磚精確定位測量、拍照攝像和銘文釋讀,建立可供查詢利用的資料庫建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2],實(shí)現(xiàn)對南京城墻銘文磚的“測繪定量”。通過“測繪定量+文物定性”的方式實(shí)現(xiàn)了南京城墻銘文磚的“電子身份證”管理,構(gòu)建城墻銘文磚“空間+屬性”多維度地理信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)南京城墻銘文磚的科學(xué)、精細(xì)化管理。

2.2 總體技術(shù)架構(gòu)

在深入研究城墻遺產(chǎn)構(gòu)成、遺產(chǎn)價(jià)值以及遺產(chǎn)保護(hù)管理現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,運(yùn)用無人機(jī)[5]、三維激光掃描等技術(shù)[6],根據(jù)城墻所處環(huán)境特點(diǎn),獲取城墻不同尺度的傾斜攝影+貼近攝影航片,建立城墻高精細(xì)的實(shí)景三維模型,在模型上查找、搜索提取磚文的尺寸等地理空間信息,然后形成可視化的銘文磚分布圖,實(shí)現(xiàn)“測繪空間定量”。同時(shí),研究建立磚文釋讀“解譯標(biāo)志”知識庫,作為提取每塊銘文磚的文字詳細(xì)信息的“解譯標(biāo)志”,實(shí)現(xiàn)“文物屬性定性”,構(gòu)建“空間+屬性”磚文電子身份信息平臺,為南京城墻銘文磚的管理、保護(hù)、研究提供了基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)[7],總體技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體技術(shù)架構(gòu)

2.3 研究了磚文“空間”信息采集的技術(shù)方法

本研究解決了在數(shù)以億計(jì)的城磚中快速全面地搜索、查找出有銘文的城磚的難題,針對南京城墻城長墻高等特點(diǎn),設(shè)計(jì)了以無人機(jī)傾斜攝影測量為主的技術(shù)方法[8],構(gòu)建了城墻銘文磚快速信息采集方法,解決了銘文磚的搜索、定位、拍攝、釋讀等技術(shù)難點(diǎn)。研究了一種采用帶狀傾斜攝影+貼近攝影的技術(shù)方法,獲取城墻及城墻內(nèi)、外側(cè)無人機(jī)航空影像數(shù)據(jù),通過將多種不同尺度的航空影像數(shù)據(jù)融合,建立了精細(xì)的南京城墻實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)[9],以精細(xì)三維模型為基礎(chǔ),提取銘文磚相關(guān)地理空間屬性信息。突破了傳統(tǒng)測繪對城墻立面測量的局限性。解決了傳統(tǒng)測繪磚文信息采集難,成本高、工作量大、精度低、周期長、實(shí)施難等技術(shù)難點(diǎn)。

2.3.1 基于無人機(jī)貼近攝影[10]的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

傳統(tǒng)的近景攝影測量方式一般是人工手持或者安裝腳架進(jìn)行拍攝、測量,這樣具有極大的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),并且無法拍攝到高空的立面場景。利用多旋翼無人機(jī)起降靈活,可在空中自由懸停等特點(diǎn),特殊的飛行能力賦予了多旋翼無人機(jī)在各種地理環(huán)境中輕松采集高空影像數(shù)據(jù)的能力,成為文物立面貼近影像采集的得力助手,貼近攝影測量采用“由粗到細(xì)”的影像采集策略,特別適合于大體量的不可移動文物的數(shù)字化采集工作,有效地解決了無人機(jī)飛行安全以及飛行難度的問題,同時(shí)極大地提升了數(shù)據(jù)采集的分辨率。

通過實(shí)時(shí)動態(tài)(real time kinematic,RTK)差分技術(shù)提供的精準(zhǔn)定位信息和高精度成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)達(dá)厘米級的平面精度和高程精度,貼近攝影測量技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 貼近攝影測量技術(shù)流程圖

2.3.2 基于實(shí)景三維模型的銘文城磚空間坐標(biāo)采集技術(shù)

對于城墻兩側(cè)的銘文磚,主要采用無人機(jī)獲取不同高度的城墻影像數(shù)據(jù),利用傾斜攝影測量方法制作高精度城墻三維模型[11],并利用三維模型成果,渲染城墻兩側(cè)高分辨率立面圖,內(nèi)業(yè)人員在立面圖上進(jìn)行銘文磚查找、標(biāo)記、編號等工作,外業(yè)人員利用內(nèi)業(yè)查找數(shù)據(jù)作為工作依據(jù),進(jìn)行外業(yè)圖像采集與核查工作。最后,依據(jù)外業(yè)采集與核查的銘文磚數(shù)據(jù),在三維模型中獲取銘文磚坐標(biāo)以及尺寸信息[12]。

2.4 構(gòu)建了城墻銘文磚銘文“屬性”參考知識庫

為解決銘文釋讀人員專業(yè)知識不足的問題,建立了基于銘文 “知識庫”的解決辦法。蘊(yùn)藏著豐富歷史信息的城磚銘文,是研究南京城墻重要的基礎(chǔ)文獻(xiàn)資料,具有極大的歷史、科技、藝術(shù)等研究價(jià)值。銘文磚的釋讀是一個(gè)比較專業(yè)的工作,需要對明初官府等級、書法藝術(shù)等具有一定專業(yè)知識才能進(jìn)行銘文的釋讀工作,為了解決銘文釋讀人員專業(yè)知識的不足的問題,采用了地理信息行業(yè)參考“解譯標(biāo)志”的思維模式,建立了銘文磚 屬性“知識庫”解譯模型。構(gòu)建了已知的銘文磚產(chǎn)地涉及的州府、縣、工部、軍隊(duì)衛(wèi)所以及明初官府等級知識庫,為銘文的正確、高效釋讀奠定基礎(chǔ)。

2.4.1 銘文磚屬性解譯知識庫模型構(gòu)建

在燒制明城磚的過程中,為了確保城磚的質(zhì)量,明朝政府建立了一整套自上而下的生產(chǎn)責(zé)任制,城磚銘文具有府州縣各級提調(diào)官和本職和姓名,也有農(nóng)村各級基層人員與具體燒制人員的姓名,責(zé)任人最多的達(dá)到11級,同時(shí),從書法的角度來說,南京明城墻磚文包含了篆書、隸書、楷書、行書、草書,因此對磚文的釋讀具有較高的專業(yè)知識要求,為了解決銘文釋讀人員專業(yè)知識的不足的問題,采用了地理信息行業(yè)參考“解譯標(biāo)志”的思維模式,建立了銘文磚屬性“文字庫”解譯知識模型。構(gòu)建了已知的銘文磚產(chǎn)地涉及的州府、縣、工部、軍隊(duì)衛(wèi)所以及明初官府等級知識庫,為銘文的正確、高效釋讀奠定基礎(chǔ)。

2.4.1.1建立“解譯標(biāo)志”

針對城墻銘文磚數(shù)量龐大、解譯難度高、對工作人員文字釋讀能力要求高等具體問題,提出了建立銘文釋讀“解譯標(biāo)志”建立輔助作業(yè)人員解譯的思路,以歷史記載資料與館藏銘文磚樣本數(shù)據(jù)庫的建立為例,建立銘文解譯樣本標(biāo)志,方便銘文釋讀人員進(jìn)行準(zhǔn)確釋義。

2.4.1.2構(gòu)建銘文磚產(chǎn)地知識庫

營造南京城墻所用城磚的產(chǎn)地分布于不同的府縣以及工部、軍隊(duì)衛(wèi)所[13]等,根據(jù)已掌握的信息構(gòu)建了已知的銘文磚產(chǎn)地知識庫,如表1所示。

表1 銘文磚產(chǎn)地知識庫

續(xù)表序號所屬省(市)燒造府(直隸州)燒造縣(散州)323334353637湖南省長沙府長沙縣、善化縣、湘陰縣、湘潭縣、瀏陽縣、醴陵縣、寧鄉(xiāng)縣岳州府岳州、臨湘縣、華容縣常德府武陵縣澧州府澧陽縣永州府零陵縣衡州府38工部工部工部左窯、工部右窯、工部正中、工部前窯、工部后窯、官前窯、官中窯、官后窯39軍隊(duì)系統(tǒng)軍隊(duì)衛(wèi)所水軍右衛(wèi)右所、水軍右衛(wèi)左所、水軍右衛(wèi)中所、水軍右衛(wèi)前所、水軍右衛(wèi)后所、飛熊衛(wèi)左所、飛熊衛(wèi)右所、飛熊衛(wèi)中所、飛熊衛(wèi)前所、飛熊衛(wèi)后所

2.4.1.3構(gòu)建明初官府等級知識庫

在燒制明城磚的過程中,為了確保城磚的質(zhì)量,明朝政府建立了一整套自上而下的生產(chǎn)責(zé)任制,城磚銘文既有府州縣各級提調(diào)官和本職和姓名,也有農(nóng)村各級基層人員與具體燒制人員的姓名,責(zé)任人最多的達(dá)到11級?；谪?zé)任人的不同等級,構(gòu)建了明初官府等級知識庫,按照等級自上到下如表2所示。

表2 明初官府等級知識庫

2.4.2銘文譯讀

在建立銘文城磚檔案之前，對城磚銘文進(jìn)行譯讀，解譯出銘文信息，經(jīng)過相關(guān)城磚領(lǐng)域?qū)＜覍徍?，確認(rèn)無誤后，根據(jù)南京城墻銘文城磚檔案錄入規(guī)范要求對文件的命名、格式、組織方式等相關(guān)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)成果整理，最終形成銘文城磚檔案資料留存。

2.5 搭建了城墻銘文磚“空間+屬性”地理信息管理系統(tǒng)

本次工作建立了磚文磚空間位置與磚文段落雙重識別的分類編碼方案,分析了銘文磚產(chǎn)地、建造段落、城墻建設(shè)時(shí)期的關(guān)聯(lián)關(guān)系,構(gòu)建了南京城墻銘文磚的“電子身份證”信息,為銘文磚的高效查詢、歷史文化研究等奠定基礎(chǔ),構(gòu)建了通用的磚文地理信息描述模型,有效解決了城磚所處段落與空間位置的表達(dá)問題,構(gòu)建了銘文磚專屬電子身份信息模型,實(shí)現(xiàn)了南京城墻銘文磚的“電子身份證”管理,開發(fā)了城墻銘文磚本體空間身份識別一體化地理信息管理系統(tǒng)[14-15],解決了館藏城磚和城墻城磚兩大類數(shù)據(jù)應(yīng)用與展示需求。

3 應(yīng)用效益

本次研究是南京城墻歷史上第一次系統(tǒng)地對城墻銘文磚進(jìn)行全面的搜索以及數(shù)字化采集工作,該工作得到央視新聞?lì)l道、央視財(cái)經(jīng)頻道、央視中文國際頻道、中國國際廣播電臺等30多家新聞媒體的專題報(bào)道,具有較大的社會影響。該研究夯實(shí)了“中國明清城墻”聯(lián)合申遺的基礎(chǔ)工作,為南京城墻的保護(hù)、研究、申遺打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)并起到積極的推動作用。同時(shí),促進(jìn)了南京城墻的科學(xué)保護(hù)與精細(xì)化管理,有利于拓展南京城墻營造研究的廣度與深度,通過研究,探討南京城墻整體修筑工程的供料及營造模式,甚至可以類比明代其他各類城墻的建設(shè)模式,這將極大地拓展明代建筑史和社會史的研究。

4 結(jié)束語

該研究是國內(nèi)首次借助當(dāng)前先進(jìn)的北斗定位、無人機(jī)傾斜攝影、貼近攝影、三維激光掃描儀等技術(shù)手段,對城墻磚文進(jìn)行數(shù)字化采集與保護(hù)的成功嘗試,在大遺址保護(hù)方面具有重要的開拓性、創(chuàng)新性和示范性,對其他城市城墻的保護(hù)和利用具有重要的借鑒意義,促進(jìn)了地理信息技術(shù)與文物保護(hù)的深度融合。

在本次銘文釋讀工作中,主要采用人工釋讀的方法,效率較低,隨著計(jì)算機(jī)人工智能的發(fā)展,針對文字釋讀、磚文搜索等工作,可以考慮進(jìn)一步開展機(jī)器學(xué)習(xí)方法的研究,輔助人工判讀,提高自動化的程度,提升銘文數(shù)字化的效率。