论文部分内容阅读
[摘要]计算机网络和物联网的飞速发展促使人类社会步入大数据时代，大数据时代的到来为人类生产生活提供了诸多便利，同时数据的存贮查询分析面临一定的挑战。自大数据GIS应用到遗产监测领域后，针对大数据规模大、种类多、生成速度快、价值巨大但密度低的特点，探讨大数据时代GIS 技术在遗产监测领域数据采集、存储、分析处理等应用，为遗产科学监测规范保护提供技术支持。
[关键词] 大数据;GIS;监测预警体系;可视化
[中图分类号]G127 [文献标识码]A [文章编号]1005-3115（2017）24-0173-03
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”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。通过对所采集的大量数据进行分析汇总研究，挖掘有用信息，为科学决策和准确评估提供有力支撑。
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）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）功能，能够在数据调取浏览过程中，拥有良好的体验感。由于GIS系统底层构架已相对比较成熟，基于此用户可根据实际需求进行定制开发，其自身的基本统计分析功能可对前端传感器所采集的大量数据进行量化分析和图形显示，基本能够满足当前遗产监测管理对监测数据的需求。
一、大数据时代GIS 面临的挑战
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 技术一直处于快速发展阶段。GIS 技术已广泛应用于环境监测、国土资源管理、城市规划、交通运输、森林监控、公共基础设施建设、位置服务（LBS）等领域，给人们的生产生活带来诸多便利。随着大数据时代的到来和科技的不断进步， GIS 所面临的大体量、快增长、异构、存储困难、分析处理复杂等矛盾，给传统GIS 技术带来新的挑战。
（一）大数据时代的GIS 数据采集
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，这给 GIS 数据的采集增加了难度。通过物联网技术，使数据的采集较为快捷，但所采集到的数据95%以上都存在噪音和歧义，甚至是缺失的不精确数据，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。
（二）大数据时代的GIS 数据存贮
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。随着数据采集方式的多样化，GIS 数据源呈现更大的多样性，既有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仅难以扩展，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、多样化的存储问题仍需深入研究，从而寻找更加有效的解决方案。
（三）大数据时代的GIS 空间分析
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。GIS系统能对图面进行精确的距离、测面和显示，对所采集到的数据分析汇总能以饼状图、柱状图和曲线图等多种可视化形式直观体现，但不能支持高精度的三维模型数据浏览，不能将模型展示与GIS系统有效融合，致使三维模型展示只能依靠其他系统来实现。
二、嘉峪关世界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多种病害，墙体出现了风化、酥碱、冻融、裂隙、地基沉降、倾斜、断层空洞等问题，木结构出现了倾斜歪闪、构件缺失、油饰彩画脱落、虫蛀糟朽等问题，城壕出现了积沙、坍塌等一系列病害。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。
（一）建立文化遗产展示系统
通过GIS（地理信息地图）系统、物联网技术、三维建模、三维全景展示和虚拟现实等技术建立具有时效性、交互性和開放性的嘉峪关世界文化遗产展示系统，直观、动态地展示嘉峪关世界文化遗产的历史价值、科学价值、艺术价值、军事价值和遗产保存现状、保护成果以及嘉峪关的基本信息、动态信息等。
（二）建立文化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。
（三）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、动态的过程，需要全程监控和调整，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监测机制，健全预警体系，提高嘉峪关世界文化遗产预防风险的等级和能力。
（四）建立文化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。
三、遗产监测预警体系设计及监测实施情况
（一）嘉峪关遗产监测预警体系设计
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。
嘉峪关世界文化遗产监测基于GIS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。
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。
其一，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。
其二，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。
其三，遗产监测预警管理平台设计原则。为实现嘉峪关世界文化遗产监测工作的科学高效开展、监测成果的充分展示、及时掌握文物本体的保存现状和病害情况及各类基础资料和信息资源采集、传输、存储、管理和服务的数字智能化，嘉峪关世界文化遗产监测中心根据遗产要素实际确立了大遗产、大保护、大科技的监测保护理念，依靠科技创新，高起点、高标准地构建西部夯土长城监测预警指标体系和监测预警管理信息平台，监测预警管理平台设计遵循实用性、规范性、可靠性、安全性、扩容性等原则，统筹负责全市境内各级不可移动文物的日常监测，并在将来实现国家、省和遗产地监测信息的三级互联。
（二）嘉峪关遗产监测实施情况
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、酥碱等病害，进行应力、裂缝、倾斜、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。
嘉峪关遗产要素丰富且遗产分布范围广（嘉峪关境内明长城全长43.617公里，腹里沿边境外墩台共计39座），为了弥补实时监测覆盖面小、监测成本高的不足，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，确保所采集的监测数据精准可靠，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。
除实时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，确保新出现病害能被及时发现并有效处理，如遇到地震、暴雨、大风等突发状况，则及时开展反应性监测，确保监测全面覆盖、不留死角。
在监测系统工程实施过程中，嘉峪关世界文化遗产监测中心形成了“一中心”、“四站”的监测架构。在监测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，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，实现及时反应、及时处理、科学应对的监测预警管理机制。
四、总结
构建遗产监测预警体系应遵循以下几个方面：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;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;针对大数据噪音多及数据不确定性大的特性，需要在监测预警管理平台建设过程中重点考虑数据去噪、预警参数设置、数据分析处理等问题;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，挖掘大量数据背后所隐藏的价值。
[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]覃雄派等. 大數据分析—— lmBMS 与MapReduce 的竞争与共生宰[J]. 软件学报，2013，（1）：32～45.
[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[J].科技创新与应用，2015，（10）：35～36.
[5]李清泉，李德仁.大数据GIS[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，（6）：641～644.
[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.
[关键词] 大数据;GIS;监测预警体系;可视化
[中图分类号]G127 [文献标识码]A [文章编号]1005-3115（2017）24-0173-03
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”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。通过对所采集的大量数据进行分析汇总研究，挖掘有用信息，为科学决策和准确评估提供有力支撑。
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）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）功能，能够在数据调取浏览过程中，拥有良好的体验感。由于GIS系统底层构架已相对比较成熟，基于此用户可根据实际需求进行定制开发，其自身的基本统计分析功能可对前端传感器所采集的大量数据进行量化分析和图形显示，基本能够满足当前遗产监测管理对监测数据的需求。
一、大数据时代GIS 面临的挑战
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 技术一直处于快速发展阶段。GIS 技术已广泛应用于环境监测、国土资源管理、城市规划、交通运输、森林监控、公共基础设施建设、位置服务（LBS）等领域，给人们的生产生活带来诸多便利。随着大数据时代的到来和科技的不断进步， GIS 所面临的大体量、快增长、异构、存储困难、分析处理复杂等矛盾，给传统GIS 技术带来新的挑战。
（一）大数据时代的GIS 数据采集
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，这给 GIS 数据的采集增加了难度。通过物联网技术，使数据的采集较为快捷，但所采集到的数据95%以上都存在噪音和歧义，甚至是缺失的不精确数据，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。
（二）大数据时代的GIS 数据存贮
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。随着数据采集方式的多样化，GIS 数据源呈现更大的多样性，既有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仅难以扩展，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、多样化的存储问题仍需深入研究，从而寻找更加有效的解决方案。
（三）大数据时代的GIS 空间分析
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。GIS系统能对图面进行精确的距离、测面和显示，对所采集到的数据分析汇总能以饼状图、柱状图和曲线图等多种可视化形式直观体现，但不能支持高精度的三维模型数据浏览，不能将模型展示与GIS系统有效融合，致使三维模型展示只能依靠其他系统来实现。
二、嘉峪关世界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多种病害，墙体出现了风化、酥碱、冻融、裂隙、地基沉降、倾斜、断层空洞等问题，木结构出现了倾斜歪闪、构件缺失、油饰彩画脱落、虫蛀糟朽等问题，城壕出现了积沙、坍塌等一系列病害。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。
（一）建立文化遗产展示系统
通过GIS（地理信息地图）系统、物联网技术、三维建模、三维全景展示和虚拟现实等技术建立具有时效性、交互性和開放性的嘉峪关世界文化遗产展示系统，直观、动态地展示嘉峪关世界文化遗产的历史价值、科学价值、艺术价值、军事价值和遗产保存现状、保护成果以及嘉峪关的基本信息、动态信息等。
（二）建立文化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。
（三）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、动态的过程，需要全程监控和调整，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监测机制，健全预警体系，提高嘉峪关世界文化遗产预防风险的等级和能力。
（四）建立文化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。
三、遗产监测预警体系设计及监测实施情况
（一）嘉峪关遗产监测预警体系设计
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。
嘉峪关世界文化遗产监测基于GIS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。
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。
其一，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。
其二，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。
其三，遗产监测预警管理平台设计原则。为实现嘉峪关世界文化遗产监测工作的科学高效开展、监测成果的充分展示、及时掌握文物本体的保存现状和病害情况及各类基础资料和信息资源采集、传输、存储、管理和服务的数字智能化，嘉峪关世界文化遗产监测中心根据遗产要素实际确立了大遗产、大保护、大科技的监测保护理念，依靠科技创新，高起点、高标准地构建西部夯土长城监测预警指标体系和监测预警管理信息平台，监测预警管理平台设计遵循实用性、规范性、可靠性、安全性、扩容性等原则，统筹负责全市境内各级不可移动文物的日常监测，并在将来实现国家、省和遗产地监测信息的三级互联。
（二）嘉峪关遗产监测实施情况
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、酥碱等病害，进行应力、裂缝、倾斜、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。
嘉峪关遗产要素丰富且遗产分布范围广（嘉峪关境内明长城全长43.617公里，腹里沿边境外墩台共计39座），为了弥补实时监测覆盖面小、监测成本高的不足，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，确保所采集的监测数据精准可靠，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。
除实时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，确保新出现病害能被及时发现并有效处理，如遇到地震、暴雨、大风等突发状况，则及时开展反应性监测，确保监测全面覆盖、不留死角。
在监测系统工程实施过程中，嘉峪关世界文化遗产监测中心形成了“一中心”、“四站”的监测架构。在监测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，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，实现及时反应、及时处理、科学应对的监测预警管理机制。
四、总结
构建遗产监测预警体系应遵循以下几个方面：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;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;针对大数据噪音多及数据不确定性大的特性，需要在监测预警管理平台建设过程中重点考虑数据去噪、预警参数设置、数据分析处理等问题;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，挖掘大量数据背后所隐藏的价值。
[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]覃雄派等. 大數据分析—— lmBMS 与MapReduce 的竞争与共生宰[J]. 软件学报，2013，（1）：32～45.
[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[J].科技创新与应用，2015，（10）：35～36.
[5]李清泉，李德仁.大数据GIS[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，（6）：641～644.
[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.