一种历史建筑动态分层信息数据库系统

技术领域

本发明涉及分层信息数据库技术领域，尤其涉及一种历史建筑动态分层信息数据库系统。

背景技术

历史建筑作为文化遗产的重要组成部分，不仅承载了丰富的历史与文化，还在现代社会中起到了重要的观光和教育作用，然而，受到时间、环境、自然灾害等多种因素的影响，历史建筑往往面临着各种损伤和风险，为确保其完好、安全且长久地保存，对其进行有效、实时的健康监测显得尤为关键。

传统的历史建筑健康监测多依赖于人工定期检查，这种方式不仅效率低下，还可能因为检查的不及时或遗漏，导致某些隐蔽的损伤得不到及时发现，此外，对于某些重要参数如内部湿度、结构微小变形等，人工检查往往难以精确捕捉。

随着科技的发展，各种传感器和远程监测技术开始被应用于建筑健康监测领域，能够为历史建筑提供更为精确和实时的物理状态数据，但是，这些技术往往分散、缺乏统一的管理和分析平台，如何将这些先进技术融合、整合，构建一个能够为历史建筑提供全面、实时健康监测的系统，成为了研究和应用的重要课题。

同时，除了对建筑的物理状态进行监测，如何将这些建筑的历史背景、修复历程、使用情况等多维度的信息整合、动态地为研究者、管理者和公众呈现，也是现有技术中亟待解决的问题。

为此，我们提出了这种历史建筑动态分层信息数据库系统，目的在于整合各种现代技术，为历史建筑提供一个全面、高效、实时的健康监测和信息展示平台。

发明内容

基于上述目的，本发明提供了一种历史建筑动态分层信息数据库系统。

一种历史建筑动态分层信息数据库系统，包括数据收集模块、信息处理模块、多维度查询模块、用户交互模块、环境影响评估模块和建筑物健康监测模块，其中：

数据收集模块：用于实时获取历史建筑的结构、外观、修复历程以及使用情况的数据；

信息处理模块：用于对收集的数据进行分类、分层并生成对应的动态信息模型；

多维度查询模块：用户能按时间、空间和类型对历史建筑信息进行查询；

用户交互模块：用于提供的用户界面和交互方式，使用户能够便捷地获取和利用历史建筑信息；

环境影响评估模块：对建筑所处环境的气候、植被、土壤的因素进行分析，评估其对建筑物的长期影响，以及历史建筑对周围环境的影响，为保护和修复提供参考数据；

建筑物健康监测模块：用于实时监测历史建筑的物理状态，及时发现潜在的损伤和风险，并提供预警。

进一步的，所述数据收集模块包括结构监测单元、外观扫描单元、修复历程记录单元和使用情况跟踪单元，具体的：

结构监测单元：通过安装在历史建筑关键结构部位的传感器和监测设备，实时监测建筑的物理状态，该状态包括裂缝、沉降和振动；

外观扫描单元；采用无人机搭载高清摄像头和激光扫描仪，定期对建筑外观进行拍摄和扫描，形成详细的外观数据；

修复历程记录单元；将与历史建筑修复有关的所有文档、图片、视频资料数字化，并与修复工程的时间线相结合，使修复历程的全程记录；

使用情况跟踪单元：通过与历史建筑的使用方合作，获取建筑的实时使用情况和人流数据。

进一步的，所述信息处理模块包括数据预处理单元、数据分类单元、分层建模单元和动态信息模型生成单元，具体的：

数据预处理单元：用于对收集来的原始数据进行清洗、去噪、补全和标准化，确保数据的质量和一致性；

数据分类单元：利用深度学习和模式识别，对数据按照内容和类型进行自动分类；

分层建模单元：根据数据的重要性和查询频率，将其分为核心层、应用层和辅助层，其中核心层包括建筑的关键结构和外观数据，应用层包括修复历程和使用情况，而辅助层则为环境数据或参观者反馈；

动态信息模型生成单元：根据上述分类和分层的结果，采用时序数据库技术，为每个历史建筑生成一个动态信息模型，该模型能够反映建筑的历史变化，该变化包括结构变迁、修复进展和使用频次。

进一步的，所述深度学习采用卷积神经网络对图像数据外观照片进行分类，具体公式为：F(x)＝max(0，W*x+b)，

其中，F(x)是特征映射，W是权重矩阵，x是输入数据，b是偏置项，*而代表卷积操作，该卷积神经网络能识别不同的建筑风格、修复进度的特点；

所述模式识别采用支持向量机算法对于非图像数据，采用支持向量机算法进行分类，具体公式为：

f(x)＝sign(W·x+b)

其中，f(x)是决策函数，返回数据点所属的类别，W是权重向量，x是输入数据，而b是决策边界的偏置项。

进一步的，所述时序数据库技术包括时序数据收集、时序数据存储和动态信息模型构建，具体的：

时序数据收集：针对每个历史建筑的各项数据，该各项数据包括结构变化、修复进展和使用频次，根据时间戳将其整理成时序数据，形成如下结构的时序数据集：

D＝{(t

其中，t

时序数据存储：采用InfluxDB数据库，存储上述数据集，确保其查询效率和可扩展性；

动态信息模型构建：基于存储的时序数据，通过移动平均方法，构建历史建筑的动态信息模型，公式可表示为：

M(t)表示在时间t的模型值，k是考虑的时间窗口大小，该公式通过计算给定时间窗口内的平均值来得出模型的当前状态。

进一步的，所述多维度查询模块包括时间维度查询、空间维度查询、类型维度查询和复合查询功能，具体的：

时间维度查询：允许用户指定一个时间范围；

空间维度查询：用户能根据地理位置、区域或建筑的具体部位进行检索；

类型维度查询：该模块分类存储了各种数据类型，用户能选择特定的数据类型进行查询；

复合查询功能：用户能组合多个查询维度，如时间+空间、时间+类型、空间+类型，进行复合查询，以满足更为复杂的信息检索需求。

进一步的，所述用户交互模块包括3D虚拟导览、增强现实、虚拟现实以及个性化推荐；

3D虚拟导览：用户能通过3D建模技术在屏幕上进行历史建筑的三维导览，系统为每个历史建筑生成了详尽的三维模型，并能展示其各个时间点的状态，用户还能自由选择观看角度、放大/缩小、以及漫游，仿佛亲自在现场；

增强现实：用户能通过移动设备的摄像头，实时地将虚拟的历史建筑信息叠加到真实的环境中，从而在实地参观时获取关于建筑的详细历史、修复过程、以及其他相关资讯；

虚拟现实：用户能通过VR眼镜，沉浸式地体验历史建筑的内部和外部环境，系统为每个历史建筑提供了全景的VR内容，使用户仿佛置身其中，此外，用户还能在VR模式下，与其他在线用户实时互动，共同参观、交流见解；

个性化推荐功能：基于用户的历史查询和交互记录，系统能够智能推荐用户感兴趣的历史建筑、时间段或具体内容，提高用户的交互体验。

进一步的，所述环境影响评估模块包括气候分析单元、植被评估单元、土壤分析单元；

气候分析单元：用于收集并分析与建筑地理位置相关的长期气候数据，来评估气候对建筑物的潜在影响；

植被评估单元：用于收集关于建筑周围植被树木种类、生长状况和分布情况的信息，通过分析上述信息评估植被对建筑的潜在影响；

土壤分析单元：用于评估建筑周围的土壤类型、土壤酸碱度、含水量因素，基于上述信息来预测土壤对历史建筑的潜在效应。

进一步的，所述建筑物健康监测模块包括多个内置传感器，多个内置传感器安装在历史建筑的关键部位，传感器能实时检测并上传建筑的物理参数包括振动频率、应力和温湿度，从而及时发现潜在的结构问题。

进一步的，所述所述建筑物健康监测模块还具有远程监测技术，该远程监测技术采用无线通讯技术，该无线通讯技包括4G/5G、Wi-Fi，确保建筑内部的传感器与数据库系统之间的实时数据交换，无论监测人员身处何地，均可以获取到建筑的最新物理状态数据。

本发明的有益效果：

本发明，通过内置传感器和远程监测技术，该发明实现了对历史建筑物理状态的实时、精确监测，与传统的人工检查方式相比，该系统不仅提高了监测效率，减少了人力资源的投入，还能够及时捕捉到任何可能的损伤和风险，实现预警功能，这种全面、实时的监控为历史建筑的保护和维修提供了第一手关键数据，从而更好地保护了这些珍贵的文化遗产。

本发明，不仅监测历史建筑的物理状态，还整合了其历史背景、修复历程、使用情况等多维度的信息，通过时序数据库技术为每个历史建筑生成动态信息模型，能够更加生动、全面地展示历史建筑的各个方面，3D虚拟导览、增强现实和虚拟现实等交互方式则为研究者、管理者和公众提供了更加直观、沉浸式的信息体验。

本发明，通过环境影响评估模块，可对历史建筑所处环境的气候、植被、土壤等因素进行分析，这一全面的分析有助于更好地理解和评估环境对历史建筑的潜在影响，从而采取适当的保护和维修措施，同时，通过实时分析，该系统也能够及时响应突发的环境变化，如地震、洪水等，为紧急响应提供重要数据支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的信息数据库系统示意图；

图2为本发明实施例的数据收集模块示意图；

图3为本发明实施例的用户交互模块示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是能包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1-3所示，一种历史建筑动态分层信息数据库系统，包括数据收集模块、信息处理模块、多维度查询模块、用户交互模块、环境影响评估模块和建筑物健康监测模块，其中：

数据收集模块：用于实时获取历史建筑的结构、外观、修复历程以及使用情况的数据；

信息处理模块：用于对收集的数据进行分类、分层并生成对应的动态信息模型；

多维度查询模块：用户能按时间、空间和类型对历史建筑信息进行查询；

用户交互模块：用于提供的用户界面和交互方式，使用户能够便捷地获取和利用历史建筑信息；

环境影响评估模块：对建筑所处环境的气候、植被、土壤的因素进行分析，评估其对建筑物的长期影响，以及历史建筑对周围环境的影响，为保护和修复提供参考数据；

建筑物健康监测模块：用于实时监测历史建筑的物理状态，如温度、湿度、结构变形等，及时发现潜在的损伤和风险，并提供预警。

数据收集模块包括结构监测单元、外观扫描单元、修复历程记录单元和使用情况跟踪单元，具体的：

结构监测单元：通过安装在历史建筑关键结构部位的传感器和监测设备，实时监测建筑的物理状态，该状态包括裂缝、沉降和振动；

外观扫描单元；采用无人机搭载高清摄像头和激光扫描仪，定期对建筑外观进行拍摄和扫描，形成详细的外观数据；

修复历程记录单元；将与历史建筑修复有关的所有文档、图片、视频等资料数字化，并与修复工程的时间线相结合，使修复历程的全程记录；

使用情况跟踪单元：通过与历史建筑的使用方合作，获取建筑的实时使用情况和人流数据，如开放时间、参观人数、特殊活动等；

上述数据收集模块通过集成各个单元，实现了对历史建筑的全方位、多维度、实时的数据获取，为后续的分析和应用提供了丰富和准确的信息基础。

信息处理模块包括数据预处理单元、数据分类单元、分层建模单元和动态信息模型生成单元，具体的：

数据预处理单元：用于对收集来的原始数据进行清洗、去噪、补全和标准化，确保数据的质量和一致性；

数据分类单元：利用深度学习和模式识别，对数据按照内容和类型进行自动分类，如将与结构相关的数据、外观图片、修复文档和使用记录分别归入不同的类别；

分层建模单元：根据数据的重要性和查询频率，将其分为核心层、应用层和辅助层，其中核心层包括建筑的关键结构和外观数据，应用层包括修复历程和使用情况，而辅助层则为环境数据或参观者反馈；

动态信息模型生成单元：根据上述分类和分层的结果，采用时序数据库技术，为每个历史建筑生成一个动态信息模型，该模型能够反映建筑的历史变化，该变化包括结构变迁、修复进展和使用频次；

通过信息处理模块的结构化操作，确保了从不同数据源收集的大量杂乱数据被有序地整理、归类和模型化，从而更便于后续的查询和应用。

深度学习采用卷积神经网络(CNN)对图像数据外观照片进行分类，具体公式为：F(x)＝max(0，W*x+b)，

其中，F(x)是特征映射，W是权重矩阵，x是输入数据，b是偏置项，*而代表卷积操作，该卷积神经网络能识别不同的建筑风格、修复进度的特点；

模式识别采用支持向量机(SVM)算法对于非图像数据，如修复文档、使用记录，采用支持向量机(SVM)算法进行分类，具体公式为：

f(x)＝sign(W·x+b)

其中，f(x)是决策函数，返回数据点所属的类别，W是权重向量，x是输入数据，而b是决策边界的偏置项；

利用上述算法和公式，数据分类单元能高效地对大量复杂的数据进行分类，并确保分类的准确性和一致性。

时序数据库技术包括时序数据收集、时序数据存储和动态信息模型构建，具体的：

时序数据收集：针对每个历史建筑的各项数据，该各项数据包括结构变化、修复进展和使用频次，根据时间戳将其整理成时序数据，形成如下结构的时序数据集：

D＝{(t

其中，t

时序数据存储：采用InfluxDB数据库，存储上述数据集，确保其查询效率和可扩展性；

动态信息模型构建：基于存储的时序数据，通过移动平均方法，构建历史建筑的动态信息模型，公式可表示为：

M(t)表示在时间t的模型值，k是考虑的时间窗口大小，该公式通过计算给定时间窗口内的平均值来得出模型的当前状态；

通过上述步骤，动态信息模型生成子模块实现了利用时序数据库技术，为每个历史建筑生成一个反映其历史变化的动态信息模型，满足了对历史建筑复杂、多变的信息进行有效管理和应用的需求。

多维度查询模块包括时间维度查询、空间维度查询、类型维度查询和复合查询功能，具体的：

时间维度查询：允许用户指定一个时间范围，例如，用户能查询某一历史建筑在19世纪的修复记录或20世纪的使用情况；

空间维度查询：用户能根据地理位置、区域或建筑的具体部位进行检索，例如，查询某一城市的所有历史建筑，或查询某一历史建筑的北侧外观；

类型维度查询：该模块分类存储了各种数据类型(如结构数据、外观照片、修复文档、使用记录等)，用户能选择特定的数据类型进行查询，例如，只查询与建筑结构相关的资料或只查看外观照片；

复合查询功能：用户能组合多个查询维度，如时间+空间、时间+类型、空间+类型等，进行复合查询，以满足更为复杂的信息检索需求，例如，用户能查询某一城市在19世纪的所有历史建筑的外观照片。

用户交互模块包括3D虚拟导览、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)以及个性化推荐；

3D虚拟导览：用户能通过3D建模技术在屏幕上进行历史建筑的三维导览，系统为每个历史建筑生成了详尽的三维模型，并能展示其各个时间点的状态，如原始状态、修复过程中的各个阶段等，用户还能自由选择观看角度、放大/缩小、以及漫游，仿佛亲自在现场；

增强现实(AR)：用户能通过移动设备的摄像头，实时地将虚拟的历史建筑信息叠加到真实的环境中，从而在实地参观时获取关于建筑的详细历史、修复过程、以及其他相关资讯，例如，当用户将手机对准某一建筑部分时，屏幕上即可显示出该部分的历史图片、相关的修复记录等；

虚拟现实(VR)：用户能通过VR眼镜，沉浸式地体验历史建筑的内部和外部环境，系统为每个历史建筑提供了全景的VR内容，使用户仿佛置身其中，此外，用户还能在VR模式下，与其他在线用户实时互动，共同参观、交流见解；

个性化推荐功能：基于用户的历史查询和交互记录，系统能够智能推荐用户感兴趣的历史建筑、时间段或具体内容，提高用户的交互体验。

环境影响评估模块包括气候分析单元、植被评估单元、土壤分析单元；

气候分析单元：用于收集并分析与建筑地理位置相关的长期气候数据，包括温度、湿度、降雨量、风速等，来评估气候对建筑物的潜在影响，如腐蚀、风化等；

植被评估单元：用于收集关于建筑周围植被树木种类、生长状况和分布情况的信息，通过分析上述信息评估植被对建筑的潜在影响，如根系对基础的威胁、植被遮挡对建筑物的光照影响等；

土壤分析单元：用于评估建筑周围的土壤类型、土壤酸碱度、含水量等因素，基于上述信息来预测土壤对历史建筑的潜在效应，例如土壤腐蚀、地基沉降等。

建筑物健康监测模块包括多个内置传感器，多个内置传感器安装在历史建筑的关键部位，传感器能实时检测并上传建筑的物理参数包括振动频率、应力和温湿度，从而及时发现潜在的结构问题。

建筑物健康监测模块还具有远程监测技术，该远程监测技术采用无线通讯技术，该无线通讯技包括4G/5G、Wi-Fi，确保建筑内部的传感器与数据库系统之间的实时数据交换，无论监测人员身处何地，均可以获取到建筑的最新物理状态数据。

在本实施例中，为了验证本发明的有效性和效果，我们选择了三座具有代表性的历史建筑进行实验测试。

实验准备：

A.为所选建筑安装内置传感器，涵盖对温度、湿度、结构变形等的监测；

B.配置远程监测技术，确保数据能够实时传输到中心数据库；

C.初始化环境影响评估模块，收集气候、植被、土壤等相关数据；

D.提供用户交互设备，如3D眼镜、VR头盔等，供实验参与者体验。

实验流程：

实时监测测试：模拟历史建筑在各种环境下的状态；

数据：在模拟增加湿度条件下，传感器实时记录湿度从40％增加到80％的数据；微小震动测试中，模拟0.5级地震，并记录结构变形数据；

预期结果：系统应准确并实时捕捉到这些变化，并在湿度超过70％或震动超过0.3级时触发预警机制；

信息整合与展示测试：邀请30名志愿者使用用户交互设备；

数据：记录志愿者对信息查询的时间、查询深度和查询频率；

预期结果：至少85％的志愿者可以在5分钟内获取到所需信息，并对3D、AR、VR的展示给出积极反馈；

环境影响评估测试：选定一个季节性气候变化明显的时段；

数据：雨季期间，每日记录降水量，湿度，土壤水分含量等数据；

预期结果：系统能根据收集到的数据预测历史建筑的受损程度，如当降水量超过100mm/day时，系统应预测木制结构会发生腐烂；

用户满意度调查：在实验结束后，提供调查问卷；

数据：收集参与者对系统功能、效果、交互体验的评分(1-10分)；

预期结果：平均评分应达到或超过8分。

实验结果：

实时监测测试中，系统在湿度达到72％和震动达到0.32级时成功触发预警，符合预期结果；

信息整合与展示测试中，87％的志愿者在4.5分钟内成功获取所需信息，并对3D、AR、VR的展示给出了平均8.5分的评价；

环境影响评估测试中，系统在连续三天降水量超过90mm/day时预测木制结构会开始腐烂，这与后期实际检查结果相符；

用户满意度调查中，参与者给出的平均评分为8.3分，其中对实时监测功能的满意度最高，平均达到9分；

结论：实验结果与预期结果基本一致，证明了本发明的实时监测、信息整合与展示、环境影响评估等功能的有效性和实用性。

本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。