基于广义物联网的文化遗产空天地联合监测.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期141文章编号：2095-6835（2023）19-0141-03基于广义物联网的文化遗产空天地联合监测刘汉鑫，周大为，张鹏德（中国铁塔股份有限公司徐州市分公司，江苏 徐州 221000）摘要：文化遗产地的动态监测对于提高文物保护质量具有重要意义。提出一种基于广义物联网的文化遗产空天地联合监测方法，以物联网为技术框架、遥感为对比支撑、地理信息系统为展示平台，实现空天地联合思想下的遗产地时空信息获取、传输、处理及决策，满足遗产地长期监测保护与快速应急响应的需求。详细叙述了该方法的技术路线，实施了遗产地动态信息监测示范工程，并对实施内容和关键组件进行了详细阐述，初步形成了空天地联合的遗产地监测预警体系。关键词：广义物联网；遗产地监测；大数据；云计算中图分类号：TP311.13；K878.3文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.043中国现有世界遗产地 56 处，并有共 5 058 处全国重点文物保护单位。这些文化遗产、文物保护单位及其馆藏文物在历史见证、传承、再现方面起着不可替代的作用，也是对外展示地方经济、历史文化的重要窗口之一1。如何采用先进的技术和方法对它们进行监测预警，提高文物保护的质量，是摆在各级文物部门面前的重要而迫切的任务2。与一般的监测预警系统不同的是，文物保护施工现场不能随意开挖地面和开槽布管，部分场所甚至都不允许钉钉子3-4。此外，有线接入方式布线困难、施工不便、周期长，同时大量布线还会破坏原有的建筑物结构和外观5。因此，采用物联网无线方式作为监测手段是一个理想的选择，它无需布线、架设方便、施工周期短、运行维护成本低，通过无线终端设备接入本地网络和 Internet6，便于监控人员和各级主管部门实时掌握各个关键区域的状况。本文提出利用异构地面传感器对遗产地的结构信息、损坏信息、气象信息等的泛在感知。同时，借助于遥感卫星、资源卫星、热气球、无人机等，对遗产地周边的植被覆盖程度、降水量等信息进行动态监测。它充分利用遥感手段7，实现监测区域、监测对象的宏观覆盖；充分利用物联网手段8，实现监测对象的泛在感知和传输；充分利用测绘和地理信息系统手段9，从而展示监测对象的时空演变过程。如此，构成一个以物联网为技术框架、遥感为对比支撑、地理信息系统为展示平台的广义物联网监测体系10-11，将遗产地监测资源的全局组织、多传感器协同观测和聚焦决策预警服务作为一个有机整体，实现空天地联合思想下的遗产地监测传感网时空信息获取、传输、处理及决策，满足遗产地长期监测保护与快速应急响应的需求。1广义物联网遗产地监测技术路线图 1 为基于广义物联网的遗产地动态监测技术路线图。首先，根据国内外遗产地（特别是世界文化遗产地）监测研究现状、国家对“文化遗产地”监测预警的规划12-13，结合项目对象的现状和不同用户的需求，确定本项目所需要监测的监测因子14。为了对这些监测因子进行准确、实时的监测，需要开发遗产地泛在监测系统（地面手段）和遗产地遥感综合监测系统。这些海量监测信息不但是遗产地宝贵资源，需要进行实时处理和快速交换；而且是国家级平台和省级监测中心的数据来源，必须按照统一格式及时上传；此外，这些数据还是服务提供的基础，是整个项目的数据中心，因此，需要开发海量数据的实时处理与交换中心。图 1遗产地动态监测技术路线图为了根据采集的数据适时预警，必须根据监测因子设计有针对性的监测指标（表示可通过对监测因子分析计算而获得的同一类型的信息，如遗产地结构稳定度、遗产地赋存环境优劣），并根据这些监测指标设计合适的预警模式，即监测预警指标与预警模式的开发。同科技与创新Science and Technology&Innovation1422023 年 第 19 期时，需要开发信息的统一监测预警服务平台，为各级主管部门、商业公司和社会大众提供形式多样的服务。在五大开发内容的成果基础上，将会形成三大体系，即技术体系、管理体系和支撑体系。技术体系包括遗产地信息的动态监测体系和遗产地保护现状的预警评价体系。管理体系包括遗产地的监测规范与标准，用于规范工作人员的日常行为；还包括监测服务管理机制，用于规范监测信息的对外服务方式。支撑体系的内容包括三方面：物联网技术体系支撑整个系统的泛在感知扩展应用；空间信息技术实现目标的无缝定位、多源联动和可视化展示；集成、共享与决策平台则支撑着 C/S（Client-Serve，客户端/服务器）模式下的各类信息展示和统计，以及 B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）模式下的在线发布与共享。最后，在五大开发内容、三大体系的指导下，实施遗产地动态信息监测预警系统建设，作为项目的示范应用点。后续将以此示范点为基点，形成空天地联合的遗产地监测预警体系。2主要实施内容监测信息到数据中心之间必须要建设可靠的、能够兼容现有网络、并能为后续需要提供容量和技术扩展的开放式数据传输平台。同时，从分类标准统一的角度来看，遗产地泛在监测和遗产地遥感综合监测的目的都是实现遗产地信息的感知，为此，从建设角度将这二者合并为“空天地联合动态监测方法”，从而构成如图 2 所示的主要实施内容。图 2遗产地动态监测预警系统主要实施内容为了后文表述方便，相应的建设内容都在图 2 中编上了数字序号，以便直接用数字表示建设内容，如建设内容 1 就表示“空天地联合动态监测方法”的建设。从系统的层次结构看，本项目可以分为感测层、传输层、数据与逻辑层、应用层 4 个层次，如图 3 所示。图 3 中用与图 2 相同的编号方式示出了 5 个主要建设内容：建设内容 1 位于感测层；建设内容 2 位于传输层；建设内容 3 位于数据逻辑层，用以建立整个系统的大数据存储运算中心；建设内容 4 可以视为一种服务逻辑，即预警服务逻辑，需要通过数据中心的运算能力提供；建设内容 5 位于应用层。图 3遗产地动态监测预警系统层次结构3系统核心组件本项目以信息流传递路径为主线、以主要建设内容为枝干，采用从低层到高层的层次结构图，按照信息获取、传输、存储和处理、逻辑设计、应用展示的数据流动顺序展开，便于理解。下面分别对关键的感测层、传输层、数据与逻辑层和应用层进行介绍。3.1感测层感测层以物联网和遥感技术为支撑，实现数据的空天地联合监测。文化遗产监测既需要宏观监测尺度，也需要微观监测配合，传统监测工具一般只能解决局部问题。为了得到综合整体、准确完全的监测结果，通常采用“3S 技术”，即全球卫星定位系统（GlobalPositioning System，GPS）、遥感技术（Remote Sensing，RS）和地理信息系统（Geographic Information System，GIS），构建完整的空间定位、空间观测与空间分析的技术体系。为了实现遗产信息的泛在感测、实时传输、快速计算、无缝集成和高效应用，通过部署专用监测物联网，提供可靠的预警功能和丰富的大数据分析功能，为科学决策提供支撑。感测层遗产地监测信息流的数据起始端，其核心是布设在遗产地及缓冲区（即遗产地周围区域）内的各类传感装置，通过自组网技术将各类感测设备进行组网，构成动态感测网络，获取感兴趣的信息流。其中，监测与感测范围包括遗产地本体信息的感测、遗产地群及缓冲区内的自然环境与人文社会环境信息的感测。3.2传输层传输层将多源异构的传感设备构建的传感网与无线大功率长距离室外接入点（Access Point，AP）构建监测数据采集监测数据传输和访问遗产信息分级发布监测数据处理与感知感测层传输层应用层遥感卫星无人机地面遥感车综合监测球形摄像机高清摄像机各类传感器入侵探测器拾音器卫星接收机（GPS）自然环境监测高清摄像机各类传感器卫星接收机（GPS）数据与逻辑层人文环境监测WSN本体监测WSN1.有线通信网2.移 动 网 络（4G/5G）3.卫星通信4.短距离通信（蓝牙/ZigBee/Wi-Fi等）数据中心工作人员游客本地监测平台国家级监测平台省级监测中心开发文化遗产监测预开发文化遗产监测预警服务平台，用于信警服务平台，用于信息的展示、监测、控息的展示、监测、控制和决策响应，并为制和决策响应，并为其他受众提供分级其他受众提供分级化化Web 服务或数据响应服务或数据响应人机接口服务。人机接口服务。根据监测因子及其组根据监测因子及其组合，设计满足特定需合，设计满足特定需求的监测预警指标，求的监测预警指标，并具备模式学习的能并具备模式学习的能力；设计各种预警模力；设计各种预警模型，为遗产地的突发型，为遗产地的突发事故提供快速响应。事故提供快速响应。集中式服务平台建设面向大数据服务建设面向大数据服务的数据中心，对海量的数据中心，对海量监测数据进行统一描监测数据进行统一描述、存储和处理，按述、存储和处理，按照应用规则进行交换照应用规则进行交换和清洗，满足多种应和清洗，满足多种应用需求。用需求。监测预警指标与预警模型设计建设遗产地高速网络建设遗产地高速网络平台，实现感知终端平台，实现感知终端与监测中心的快速传与监测中心的快速传递。利用现有的光纤递。利用现有的光纤网络，实现遗产地与网络，实现遗产地与省监测中心和国家监省监测中心和国家监测平台之间的传输。测平台之间的传输。面向大数据服务的数据中心建设开放式数据传输平台根据监测因子的特征根据监测因子的特征要求，利用地面各种要求，利用地面各种类型传感器构建泛在类型传感器构建泛在信息感知网络；利用信息感知网络；利用遥感手段，与地面手遥感手段，与地面手段一起进行立体交叉段一起进行立体交叉感测。感测。空天地联合动态监测方法构建空天地一体化文化遗产动态监测预警技术体系与业务应用平台，促进文化遗产保护监测模式和管理体制转变总体目标Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期143的骨干网络结合，进而通过 4G/5G 进行远距离传输，实现事件驱动或任务驱动的感知和处理，提供对监测对象的自组织协同感知能力。在此基础上，应用层进行信息的多维聚合和深度融合，提供可伸缩的监测预警服务。传输层用于在遗产地区域感知设备、数据中心和外部用户之间建立信息通道，主要设备包括数据传输分站、通信模块、有线与无线混合网络。本项目的传输网络具有流量控制功能，并监测数据传输差错进行监测，实现用户与数据中心、用户与设备、数据中心与设备和设备之间的通信。3.3数据与逻辑层在应用层和传输层之间，需要为面向大数据的数据中心提供存储、计算和模型的支持。数据中心用于存储整个系统的基础数据、动态管理数据和实时监测数据，提供存储、删除、修改、传输、检索等空间数据存取服务；对原始数据进行推导以获得面向应用的、定量的数据服务，如叠加分析、网络分析、缓冲分析、几何计算等；对数据集本身进行特征变换的服务，如多数据集融合服务、多比例尺数据集成服务等。同时，还需构建各类模型，如单/多参数模型、线性/非线性模型，用于实现异常或隐患的及时发现和预警。3.4应用层应用层是各项功能的展示平台，它以遗产地基础数据库为基础，实现三维展示、遗产地空间分析与检索、日常业务管理，并结合预警模型、预警指标和专家系统对遗产地监测情况进行分析，提供预警响应服务。应用层集监控与服务功能于一体，提供统一的信息服务操作界面。用户提交请求或者系统某些预警服务自动响应时，服务平台会通过后台的服务引擎完成相应的计算和调用，当任务完成后将结果返回。4结束语文化遗产地是人类重要的精神、文化和物质财富，具有极大的传承价值。绝大多数文化遗产地历史久远、本体脆弱，对其进行非破坏性监测保护迫在眉睫。本文提出一种基于广义物联网的文化遗产动态监测方法，它综合利用了卫星、无人机、地面传感网等设施，对遗产地进行联合监测分析，为遗产地的动态监测预警提供可伸缩的服务。实践表明，本文方法具有极强的针对性和推广价值。在后续研究中，将进一步完善数据分析方法，并与相关高校开展合作研究，构建基于人工智能的智能预警模型，进一步提高预警准确性和保护效果。参考文献：1BONAZZAA，BONORAN，DUKE B，et al.Copernicus insupport of monitoring，protection，and management ofcultural and natural heritageJ.Sustainability，2022，14（5）：1-13.2孟宪佳，傅利平，刘栋，等.高性能计算发展现状及其在文化遗产保护中的应用展望J.西北大学学报（自然科学版），2021，51（5）：807-815.3ADAMOPOULOS E，RINAUDO F.Close-range sensing anddata fusion for built heritage inspection and monitoringareviewJ.Remote sensing，2021，13（19）：1-36.4李翠芳.世界文化遗产曲阜“三孔”监测预警系统的构建与探索J.文物鉴定与鉴赏，2021（9）：41-43.5杨开，李陶.基于国家历史文化名城名镇名村的保护信息系统构建研究J.城市发展研究，2021，28（7）：133-140.6罗颖，张依萌，张玉敏，等.中国世界文化遗产 2020 年度保护状况总报告J.中国文化遗产，2021（5）：64-79.7THEMISTOCLEOUS K，DANEZIS C，MENDONIDIS E，et al.Monitoring ground deformation of cultural heritagesites using SAR and geodetic techniques:the case study ofchoirokoitia，cyprusDB/OL.2023-05-15.https:/ GIS 的世界文化遗产风险综合研究D.北京：中国科学院大学（中国科学院空天信息创新研究院），2019.10许德臣，张晓东.大数据时代 GIS 与遗产监测：以嘉峪关世界文化遗产监测预警体系建设为例J.丝绸之路，2019（1）：173-175.11刘洁，狄雅静.故宫的遗产监测：从故宫世界文化遗产监测总平台的架构谈起J.中国文化遗产，2020（3）：43-48.12王喆.符合国情的中国世界文化遗产监测体系建设思考J.中国文化遗产，2018（1）：39-45.13王子乾.中国古代建筑遗产自然环境监测指标体系与监测技术研究D.天津：天津大学，2018.14杨琛.中国古代建筑遗产本体监测指标体系及其适用性技术初探D.天津：天津大学，2018.作者简介：刘汉鑫（1979），男，江苏邳州人，本科，中级工程师，研究方向为运营通信。周大为（1988），男，江苏邳州人，本科，初级工程师，研究方向为信息科学技术与开发。张鹏德（1975），男，江苏邳州人，本科，高级工程师，研究方向为物联网应用。（编辑：丁琳）