南京城墙砖文信息获取关键技术研究及应用

孙运豪

(国信司南(北京)地理信息技术有限公司, 北京 100048)

“文物承载灿烂文明,传承历史文化,维系民族精神,是老祖宗留给我们的宝贵遗产,是加强社会主义精神文明建设的深厚滋养,保护文物功在当代、利在千秋[1]。”党的十八大以来,习近平总书记对文化遗产保护高度重视,多次对文物工作作出重要指示。

南京城墙是我国现存最具代表性的文化遗产,其巨大的规模和良好的保存状况举世罕见,具有重要的历史、科技、艺术价值[2]。随着时间的推移,城砖不可避免地受到了自然、人为等因素的影响,大量的砖文正在风化、消失,为了抢救性保护南京城墙砖文的珍贵历史信息,2018年南京城墙管理中心启动“南京城墙本体砖文信息采集项目”,计划用3年时间完成城墙铭文砖数字化采集、建库等工作,实现城墙城砖的精细化管理,完整精确地记录了每块铭文砖的空间位置、铭文内容、产地等信息,保留遗产的真实性与完整性。

南京城墙长达25 km,且高度在14～21 m之间,散落在城墙上的铭文砖数量庞大、范围广、砖文清晰程度不一致、文字内容不易辨认。并且由于长期受到自然、人为因素影响,城砖铭文受到不同程度的破坏与风化,许多珍贵的铭文信息正在逐渐消失,给南京古城墙保护[3]与砖文信息管理工作带来很大的难题。

通过开展地理信息技术在南京城墙铭文砖数字化工作中的研究和应用,全面支撑城墙铭文砖查找、采集、解译、分析、管理等应用的全过程,形成一套在组织形式、存储命名、编码关联等方面具有统一规格的城砖铭文电子资料库,全面支撑砖文信息管理应用,实现铭文城砖的数字化保护工作[4],铭文砖数字化成果如图1所示。

图1 铭文砖数字化成果图

2.1 总体思路

在对南京城墙铭文砖实施数字化采集与保护管理的过程中,本研究依据城墙的特点,设计研究了以无人机摄影测量技术为基础,获取城墙多维时空数据,同时,综合利用各种数字化技术的优势,完成对南京城墙二、三维场景数据的建立,实现了南京城墙铭文砖精确定位测量、拍照摄像和铭文释读,建立可供查询利用的资料库建设提供基础数据[2],实现对南京城墙铭文砖的“测绘定量”。通过“测绘定量+文物定性”的方式实现了南京城墙铭文砖的“电子身份证”管理,构建城墙铭文砖“空间+属性”多维度地理信息系统,实现南京城墙铭文砖的科学、精细化管理。

2.2 总体技术架构

在深入研究城墙遗产构成、遗产价值以及遗产保护管理现状的基础上,运用无人机[5]、三维激光扫描等技术[6],根据城墙所处环境特点,获取城墙不同尺度的倾斜摄影+贴近摄影航片,建立城墙高精细的实景三维模型,在模型上查找、搜索提取砖文的尺寸等地理空间信息,然后形成可视化的铭文砖分布图,实现“测绘空间定量”。同时,研究建立砖文释读“解译标志”知识库,作为提取每块铭文砖的文字详细信息的“解译标志”,实现“文物属性定性”,构建“空间+属性”砖文电子身份信息平台,为南京城墙铭文砖的管理、保护、研究提供了基础资料数据[7],总体技术架构如图2所示。

图2 总体技术架构

2.3 研究了砖文“空间”信息采集的技术方法

本研究解决了在数以亿计的城砖中快速全面地搜索、查找出有铭文的城砖的难题,针对南京城墙城长墙高等特点,设计了以无人机倾斜摄影测量为主的技术方法[8],构建了城墙铭文砖快速信息采集方法,解决了铭文砖的搜索、定位、拍摄、释读等技术难点。研究了一种采用带状倾斜摄影+贴近摄影的技术方法,获取城墙及城墙内、外侧无人机航空影像数据,通过将多种不同尺度的航空影像数据融合,建立了精细的南京城墙实景三维模型数据[9],以精细三维模型为基础,提取铭文砖相关地理空间属性信息。突破了传统测绘对城墙立面测量的局限性。解决了传统测绘砖文信息采集难,成本高、工作量大、精度低、周期长、实施难等技术难点。

2.3.1 基于无人机贴近摄影[10]的数据采集技术

传统的近景摄影测量方式一般是人工手持或者安装脚架进行拍摄、测量,这样具有极大的作业风险,并且无法拍摄到高空的立面场景。利用多旋翼无人机起降灵活,可在空中自由悬停等特点,特殊的飞行能力赋予了多旋翼无人机在各种地理环境中轻松采集高空影像数据的能力,成为文物立面贴近影像采集的得力助手,贴近摄影测量采用“由粗到细”的影像采集策略,特别适合于大体量的不可移动文物的数字化采集工作,有效地解决了无人机飞行安全以及飞行难度的问题,同时极大地提升了数据采集的分辨率。

通过实时动态(real time kinematic,RTK)差分技术提供的精准定位信息和高精度成像系统实现达厘米级的平面精度和高程精度,贴近摄影测量技术流程如图3所示。

图3 贴近摄影测量技术流程图

2.3.2 基于实景三维模型的铭文城砖空间坐标采集技术

对于城墙两侧的铭文砖,主要采用无人机获取不同高度的城墙影像数据,利用倾斜摄影测量方法制作高精度城墙三维模型[11],并利用三维模型成果,渲染城墙两侧高分辨率立面图,内业人员在立面图上进行铭文砖查找、标记、编号等工作,外业人员利用内业查找数据作为工作依据,进行外业图像采集与核查工作。最后,依据外业采集与核查的铭文砖数据,在三维模型中获取铭文砖坐标以及尺寸信息[12]。

2.4 构建了城墙铭文砖铭文“属性”参考知识库

为解决铭文释读人员专业知识不足的问题,建立了基于铭文 “知识库”的解决办法。蕴藏着丰富历史信息的城砖铭文,是研究南京城墙重要的基础文献资料,具有极大的历史、科技、艺术等研究价值。铭文砖的释读是一个比较专业的工作,需要对明初官府等级、书法艺术等具有一定专业知识才能进行铭文的释读工作,为了解决铭文释读人员专业知识的不足的问题,采用了地理信息行业参考“解译标志”的思维模式,建立了铭文砖 属性“知识库”解译模型。构建了已知的铭文砖产地涉及的州府、县、工部、军队卫所以及明初官府等级知识库,为铭文的正确、高效释读奠定基础。

2.4.1 铭文砖属性解译知识库模型构建

在烧制明城砖的过程中,为了确保城砖的质量,明朝政府建立了一整套自上而下的生产责任制,城砖铭文具有府州县各级提调官和本职和姓名,也有农村各级基层人员与具体烧制人员的姓名,责任人最多的达到11级,同时,从书法的角度来说,南京明城墙砖文包含了篆书、隶书、楷书、行书、草书,因此对砖文的释读具有较高的专业知识要求,为了解决铭文释读人员专业知识的不足的问题,采用了地理信息行业参考“解译标志”的思维模式,建立了铭文砖属性“文字库”解译知识模型。构建了已知的铭文砖产地涉及的州府、县、工部、军队卫所以及明初官府等级知识库,为铭文的正确、高效释读奠定基础。

2.4.1.1建立“解译标志”

针对城墙铭文砖数量庞大、解译难度高、对工作人员文字释读能力要求高等具体问题,提出了建立铭文释读“解译标志”建立辅助作业人员解译的思路,以历史记载资料与馆藏铭文砖样本数据库的建立为例,建立铭文解译样本标志,方便铭文释读人员进行准确释义。

2.4.1.2构建铭文砖产地知识库

营造南京城墙所用城砖的产地分布于不同的府县以及工部、军队卫所[13]等,根据已掌握的信息构建了已知的铭文砖产地知识库,如表1所示。

表1 铭文砖产地知识库

续表序号所属省(市)烧造府(直隶州)烧造县(散州)323334353637湖南省长沙府长沙县、善化县、湘阴县、湘潭县、浏阳县、醴陵县、宁乡县岳州府岳州、临湘县、华容县常德府武陵县澧州府澧阳县永州府零陵县衡州府38工部工部工部左窑、工部右窑、工部正中、工部前窑、工部后窑、官前窑、官中窑、官后窑39军队系统军队卫所水军右卫右所、水军右卫左所、水军右卫中所、水军右卫前所、水军右卫后所、飞熊卫左所、飞熊卫右所、飞熊卫中所、飞熊卫前所、飞熊卫后所

2.4.1.3构建明初官府等级知识库

在烧制明城砖的过程中,为了确保城砖的质量,明朝政府建立了一整套自上而下的生产责任制,城砖铭文既有府州县各级提调官和本职和姓名,也有农村各级基层人员与具体烧制人员的姓名,责任人最多的达到11级。基于责任人的不同等级,构建了明初官府等级知识库,按照等级自上到下如表2所示。

表2 明初官府等级知识库

2.4.2铭文译读

在建立铭文城砖档案之前，对城砖铭文进行译读，解译出铭文信息，经过相关城砖领域专家审核，确认无误后，根据南京城墙铭文城砖档案录入规范要求对文件的命名、格式、组织方式等相关要求进行数据成果整理，最终形成铭文城砖档案资料留存。

2.5 搭建了城墙铭文砖“空间+属性”地理信息管理系统

本次工作建立了砖文砖空间位置与砖文段落双重识别的分类编码方案,分析了铭文砖产地、建造段落、城墙建设时期的关联关系,构建了南京城墙铭文砖的“电子身份证”信息,为铭文砖的高效查询、历史文化研究等奠定基础,构建了通用的砖文地理信息描述模型,有效解决了城砖所处段落与空间位置的表达问题,构建了铭文砖专属电子身份信息模型,实现了南京城墙铭文砖的“电子身份证”管理,开发了城墙铭文砖本体空间身份识别一体化地理信息管理系统[14-15],解决了馆藏城砖和城墙城砖两大类数据应用与展示需求。

本次研究是南京城墙历史上第一次系统地对城墙铭文砖进行全面的搜索以及数字化采集工作,该工作得到央视新闻频道、央视财经频道、央视中文国际频道、中国国际广播电台等30多家新闻媒体的专题报道,具有较大的社会影响。该研究夯实了“中国明清城墙”联合申遗的基础工作,为南京城墙的保护、研究、申遗打下了坚实的基础并起到积极的推动作用。同时,促进了南京城墙的科学保护与精细化管理,有利于拓展南京城墙营造研究的广度与深度,通过研究,探讨南京城墙整体修筑工程的供料及营造模式,甚至可以类比明代其他各类城墙的建设模式,这将极大地拓展明代建筑史和社会史的研究。

该研究是国内首次借助当前先进的北斗定位、无人机倾斜摄影、贴近摄影、三维激光扫描仪等技术手段,对城墙砖文进行数字化采集与保护的成功尝试,在大遗址保护方面具有重要的开拓性、创新性和示范性,对其他城市城墙的保护和利用具有重要的借鉴意义,促进了地理信息技术与文物保护的深度融合。

在本次铭文释读工作中,主要采用人工释读的方法,效率较低,随着计算机人工智能的发展,针对文字释读、砖文搜索等工作,可以考虑进一步开展机器学习方法的研究,辅助人工判读,提高自动化的程度,提升铭文数字化的效率。