文物保护中海量点云数据库设计与开发

宋红霞 ，侯妙乐，胡云岗

(北京建筑大学，北京 100044)

1 引 言

文物保护工程中，运用三维激光扫描技术获取文物的空间信息，可以对文物的几何信息进行精确的三维量算、根据虚拟现实及相关技术为文物的修复提供有效的辅助手段［1，2］，还可以根据需要制作文物的数字正射影像图、数字线划图、等值线图等各种图件。随着数据采集和处理技术的发展，文物保护工程中涉及的数据量越来越大，数据类型也越来越多，面对“数据膨胀”，目前工程中采用的文件管理方式已日益显示出不足。因此，如何解决海量数据库的存储管理，已成为目前亟待解决的问题［3］。

2 数据管理利弊分析

2.1 文件管理利弊

文物保护工程中运用激光扫描仪获取文物三维点云空间信息，对所采集数据进行数据重组织与调度、数据配准、数据去噪与精简、数据分割与分类、三维模型构建、纹理映射、成果数据输出等处理，生成工程中需要的各类成果数据。目前使用的三维点云数据处理软件，如Geomagic Studio、Cyclone 等都是针对特定格式的数据，所以以文件的形式管理数据，有利于数据处理。

在实际操作中，随着工程中数据的日益增长，数据格式的不断增加，在数据管理和查询方面，文件管理已越来越显示出其不足:

(1)数据的完整性问题。数据的完整性是指数据的正确性、有效性和相容性［4］。工程中涉及的所有数据都缺乏其对应的元数据管理，数据的属性数据缺乏，造成文物信息留取不完整，数据可信度降低。

(2)数据孤立，数据获取困难。对于数据与数据之间的联系，文件系统仍缺乏有效的管理手段。对于表示同一位置的不同类型数据，不能互相查找，如不能通过某只手的点云数据，迅速找到其对应位置的模型数据或纹理数据。如图1(a)是千手观音某只手的模型数据，图1(b)是同一只手的数字线划图数据，在数据文件管理模式下，无法实现这两种数据间的互相查找。

图1 千手观音某只手的模型数据与数字线划图

(3)数据存储不规范。由于数据采集及数据处理的分散性，数据没有按照一定的规则或存储规范存放，导致数据查询困难。

(4)数据假丢失。由于数据存储杂乱无章，无命名规则和存储路径规范，导致原本存在的数据，因忘记文件名称或存储路径而无法找到。

(5)数据重复存储。数据存储中，为了安全起见，往往对数据进行备份，由于数据多次备份造成一定的存储空间浪费。

2.2 数据库管理优势

数据库管理数据，具有数据结构化，共享性高，冗余度低，易扩充，数据独立性高等优点。对于文章拟采用的文件与数据库结合管理文物保护工程中数据的方法，更具有以下优点:

(1)数据文件采用文件管理模式管理。对数据存储路径和数据命名进行规范化，制定命名规则和存储方案，便于理解数据之间的层次关系，为数据查询及数据库设计提供条件，而且此种存储方法不破坏数据的数据结构，仍可采用先进的三维点云数据处理软件对数据进行处理。

(2)数据库管理数据文件间的关系并补充完善其属性数据，利用数据库和数据编程语言，编写合适的查询界面，实现数据的属性查询，存储位置查询等，提高数据查询使用效率。

3 数据文件管理

由于文物保护工程中文物范围很大，为了数据采集方便，需根据工程特点及实际操作便利程度将文物进行分区，对文物信息进行分区域数据采集，另外需要将文物中具有代表性特点的对象进行单独的数据采集和存储。据此可以将文物三维数字化工程在文件管理中按照整体、区域、对象进行分类，若对象较多且复杂，可再根据工程需要分为若干子对象。

以大足石刻千手观音虚拟修复工程为例，根据千手观音的整体结构特征，将其划分为9 行11 列，共99 个区域，各区域以“行号－列号”命名(如图2);将具有代表性的对象进行分类，分为主尊、肋侍、手、法器，并以此命名文件夹。根据各对象特点，各肋侍命名为肋侍1、肋侍2、肋侍3、肋侍4，手以“所属区域行号－所属区域列号－手编号”的方式命名，法器以其类别名称命名。

图2 工程分区及主尊、肋侍对象示意图

根据划分区域、对象的提取及各文件夹命名，千手观音虚拟修复工程数据的文件管理结构如图3所示。

图3 千手观音虚拟修复工程文件管理结构

该工程中涉及的数据类型有纹理数据、点云数据、模型数据、真三维模型数据、正射影像图、数字线划图、剖面图，在整理好的文件管理结构各个子文件中存储该对象或区域的各类数据。

4 数据库管理

数据库主要存储上述文件管理结构，对于工程中涉及的各类空间数据，需存储各类数据间的关系及数据属性信息。

4.1 文件结构在数据库中的实现

该工程中的文件管理结构在数据库中主要通过编码的方法实现，即按目录层次编码，每层2 位编码，则每个目录最多有99 个子目录，由于千手观音有近1 000只手，所以在手数据目录层编码设置3 位，可以存储999 个子目录，可满足工程需要。上述文件结构编码如图4所示:

图4 文件结构各层编码示意图

在数据库中，该文件结构可由表1实现，记录各文件目录Id 及名称，父目录名称，所属层级及编码号，在查询文件结构时，可根据父目录名称查询该文件夹下的文件夹名称和数目，也可以根据编码查询文件结构。

表1 文件层次关系表

4.2 数据类型管理

利用三维激光扫描仪器获取文物的三维信息，根据点云数据的基本处理流程，工程中的四类基本数据类型为:点云数据、纹理数据、模型数据、真三维模型数据。

根据这四类基本数据，还可以得到一些其他类型的数据，为了满足日后数据管理的需要，在数据库中设计数据类型管理表，用来管理工程中涉及的各类数据，表2列出了该工程中的4 种数据类型，由于各工程中的数据类型不止这4 种，所以可以根据需要，向数据类型管理表中继续添加数据类型。

表2 数据类型管理表

数据类型管理实体与各类数据类型实体之间是分类管理的关系，四类基本数据类型来源及关系总结如下:点云数据通过三维激光扫描仪获取;纹理数据利用高分辨率数码相机获取;模型数据是由点云数据经配准、去噪、融合、建模等处理得到的数据，所以点云数据与模型数据是多对一的关系;模型数据经纹理贴图后得到真三维模型数据，所以真三维模型数据与模型数据是一对一的关系，与纹理数据是一对多的关系。数据类型管理实体与各类数据的关系及各类数据之间的关系可表示为图5所示。

图5 数据类型与各类数据之间关系

在千手观音虚拟修复工程中，利用这四类基本数据生成了正射影像图、数字线划图、剖面图三类数据。该工程中涉及的这三类数据来源为:正射影像图由多张纹理图数据经软件纠正所得，所以正射影像图与纹理数据是一对多的关系;数字线划图是正射影像图经软件描绘提取得到的，所以数字线划图与正射影像图是一对一的关系;剖面图是利用三维模型，经软件剖切获得的，由于剖面可以有不同的方位，所以剖面图与模型数据是多对一的关系。

在实体关系中，有一对一和多对一的关系。对于关系中，一对一的关系，在其中一个实体表中设置外键，如纹理数据和图像数据关系中，可在纹理数据表格中设置图像数据编号外键，实现两者一对一的关系;多对一的关系，在前者表中设置外键，如纹理数据与真三维模型数据是多对一的关系，在纹理数据表格中设置真三维模式数据编号外键，以此实现两者多对一的关系。数据类型实体属性及关系设置如图6(E－R 图)所示:

图6 数据类型及关系设计(E－R)图

4.3 数据库实现

根据上述数据库关系模型图，设计各数据表格和数据模式，将表的字段表示为数据库支持的数据类型。

利用Oracle 数据库管理系统，在User 表空间下，创建Spatial 用户，并创建各表数据，建立各表之间的关系。

数据加载方式有多种，本次实验中，已有表格数据利用SQL developer 导入Excel 数据，部分实验数据采用手工录入方式，其他数据采用程序开发的方式导入。

数据库查询:利用创建的数据库，可以根据工程需要，查询文物信息采集状况、成果数据完成情况等，如某区域数据是否进行数据采集，是否符合工程标准;还可利用线划图数据名称查找相关正射影像图数据等。

5 数据管理系统设计及实现

为了方便日常数据管理，便于无数据库相关基础知识人员对数据进行相关查询，设计如下数据库管理系统，对数据进行简单查询调用。

本系统以Microsoft visual studio 2010 为开发平台，利用c#开发语言，ADO．NET 连接Oracle 数据库。Oracle 数据连提供程序是．NET Framework 的一个插件，提供了访问Oracle 数据的功能［6］。

为了方便数据录入，编写数据入库界面实现点云数据、模型数据等空间数据的导入操作。

各项数据存入数据库后，可根据需要进行各项数据查询，方便数据管理，提高管理效率。

另外，为方便无数据库知识背景人员对数据进行查询，设计了数据查询界面(如图7所示)，可实现特定数据类型的通过数据对象名称进行的查询。

图7 数据库查询界面设计

6 结 语

本文分析总结了文物三维数字化工程中涉及的各类数据关系，以大足石刻千手观音虚拟修复工程为例，实现了数据的高效管理和查询，主要成果如下:

(1)根据该工程特点及文物三维数字化工程采集处理数据的共性，对该工程涉及的各类数据进行了整理，在文件管理模式下，规范了存储路径和命名规则，使数据在文件管理模式下更加规范，节省了存储空间;

(2)对工程中涉及的多源数据关系及属性数据进行整理，设计数据库实体与实体关系，利用oracle 数据库及数据库工具，通过程序开发的方式将各类数据导入数据库，提高了数据查询效率和安全性;

(3)设计并开发了简单的数据库操作系统，方便无数据库知识背景的工作人员对数据进行查询，提高了工程中数据的查询使用效率。

［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］万惠玲．3D 虚拟技术文物虚拟还原展示——以蚌埠双墩1 号墓器物修复为例［J］．湖北经济学院学报·人文社会科学学报，2013，10(1):29 ～30．

［3］明智勇．数据库技术的现状与发展趋势［J］．产业与科技论坛，2013，12(1):80 ～81．

［4］万常选，廖国琼，吴京慧等．数据库系统原理与设计［M］．北京:清华大学出版社，2011:2 ～8．

［5］郭明．海量精细空间数据管理技术研究［D］．武汉:武汉大学，2011．

［6］YingBai．C#数据库编程实战经典［M］．北京:清华大学出版社，2011:78 ～87．