歷史文化名城保護的信息技術方法研究進展與趨勢

黨安榮 梁媛媛 陳麥尼 吳冠秋

（清華大學建筑學院，北京 10084）

引言

歷史文化名城是指由國務院批準公布的具有重大歷史價值或革命紀念意義、保存文物特別豐富的城市。1982年以來，已經有136座城市列入國家歷史文化名城，擁有2.47萬處歷史建筑。為了保護這些珍貴的歷史文化遺產，住房和城鄉(xiāng)建設部制定了相關的法律法規(guī)和標準規(guī)范，建立了歷史文化名城名鎮(zhèn)保護體檢評估制度，進行動態(tài)監(jiān)管。與此同時，諸如遙感（RS）、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等信息技術方法也先后應用于歷史文化名城保護工作中。近年來，一些新型的信息技術方法，諸如物聯(lián)網（IoT）、大數(shù)據（Big Data）、云計算（Cloud Computing）、虛擬現(xiàn)實（VR）、人工智能（AI）等逐步引入各個應用領域。為了更好地促進歷史文化名城保護的信息化、智慧化發(fā)展，本文從歷史文化名城保護的需求分析、信息技術方法的應用特征、信息技術方法應用進展、信息技術應用展望4個方面進行論述，希望有助于數(shù)字名城保護工作的深化發(fā)展。

1 歷史文化名城保護需求分析

1.1 現(xiàn)狀信息獲取需求

根據國家歷史文化名城保護相關條例和評估標準，歷史文化名城保護的內容主要包括文物古跡、歷史建筑、歷史文化街區(qū)、傳統(tǒng)格局和歷史風貌、城市的傳統(tǒng)文化和保護管理措施等。全國多地歷史建筑、歷史地段、歷史文化街區(qū)等的保護和維修都存在審批慢、保護難、修復難以及不易監(jiān)督等難題，需要采用多種信息技術方法，諸如三維激光掃描、近景攝影測量、傾斜攝影測量、無人機遙感等，進行歷史文化名城相關數(shù)據采集，建立精準的二維平面、立面及三維模型，并以此為基礎建立歷史文化名城資源數(shù)據庫，研發(fā)歷史文化名城保護信息系統(tǒng)，促進歷史文化名城保護的信息化發(fā)展。

1.2 保護狀態(tài)評價需求

隨著中國經濟快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的推進，城鄉(xiāng)建設與文化遺產保護之間的矛盾問題日益突出，多數(shù)歷史文化名城存在局部改善而整體環(huán)境惡化的現(xiàn)象。在建設活動和自然損毀雙重破壞壓力下，各地主管部門大多采用應急搶修的措施，在歷史文化名城保護方面處于相對被動的局面。在這一大背景下，我們必須運用科學的、先進的技術手段，諸如高光譜遙感技術、物聯(lián)網（IoT）技術、地理信息系統(tǒng)（GIS）等，來更有效地對歷史名城進行動態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估、保護管理等。顯然，歷史文化名城保護狀態(tài)評價，諸如分類、分級、分區(qū)等，是進一步開展有效保護的基礎與前提。

1.3 保護規(guī)劃分析需求

通過三十多年的探索，中國歷史文化名城保護體制逐步完善，歷史文化城市保護的意識也不斷提高，保護規(guī)劃的重要性也已經成為共識。在制定保護規(guī)劃的過程中，需要開展多項專題研究，處理和分析多種數(shù)據、圖形和圖像等資料，并繪制現(xiàn)狀分析圖與保護分析圖，以便為科學合理保護規(guī)劃編制提供決策支持；然而傳統(tǒng)的CAD技術難以對大量的時空數(shù)據進行管理和分析，需要空間數(shù)據庫技術、GIS空間分析技術、虛擬現(xiàn)實技術、仿真模擬技術，以及時空大數(shù)據技術等提供支撐，再基于多種定量空間分析，輔助確定歷史文化名城保護的等級層次、區(qū)域劃分、技術措施、時間進程等。

1.4 動態(tài)變化監(jiān)測需求

歷史文化名城的保護是一個動態(tài)的過程，動態(tài)監(jiān)測與評估保護狀況是名城保護工作的重要內容。住建部從2010年開始部署保護狀況評估檢查、建立規(guī)劃動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、推進督察員制度建設等，并于2017年明確歷史文化名城保護評估的8項重點內容，包括名城保護范圍、歷史建筑數(shù)量變化、歷史城區(qū)傳統(tǒng)格局、歷史風貌和空間尺度的保護情況、歷史城區(qū)范圍內居住人口數(shù)量變化、歷史文化遺存保護狀況、基礎設施等。試點工作表明，目前的監(jiān)測數(shù)據不足以涵蓋名城整體空間變化特征的評估，監(jiān)測評估的標準和工具等問題仍然存在[1]，需要開展物聯(lián)網及高分遙感等新興技術應用研究。

2 信息技術方法應用特征分析

2.1 數(shù)據獲取的全面與動態(tài)

隨著RS技術的多元化、GNSS的精細化、GIS技術的網絡化發(fā)展，結合智能感知終端及物聯(lián)網技術的普及應用，信息技術獲取數(shù)據更加全面系統(tǒng)，呈現(xiàn)出多尺度、多角度、多粒度、多維化、精細化、動態(tài)化等應用特點。如中國高分遙感星座具有高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高輻射分辨率等“四高”特征，開闊了人類的視野，增加了人類對不同空間尺度的認知[2]。星載、機載、車載，以及手持三維激光掃描技術，具有速度快、精度高等特點，可適用于大面積以及復雜物體的測量和局部細節(jié)數(shù)據的獲取[3]。而物聯(lián)網技術的應用，則更是可以隨時隨地獲取動態(tài)保護數(shù)據。

2.2 數(shù)據挖掘的定量與定性

眾所周知，當下是時空大數(shù)據爆炸的時代，然而也有可能成為信息匱乏的時代，這意味著需要特別重視空間數(shù)據挖掘。近年來，空間數(shù)據挖掘方法按照挖掘目標分為兩類：一是時空分類的挖掘方法（用于區(qū)分空間對象），包括空間聚類、空間決策樹等；二是時空關系的挖掘方法（用于提取時空模式），包括回歸分析、主成分分析等。機器學習以及深度學習技術，則適用于上述兩類挖掘方法[4]。當然，空間數(shù)據挖掘并非取代傳統(tǒng)的空間分析（如疊置分析等），而是把重點聚焦于從積累的定量數(shù)據中發(fā)現(xiàn)蘊含的定性模式、規(guī)則與知識，以便處理不確定性問題，更深層次揭示人與環(huán)境的互動關系。

2.3 信息展示的直觀性

時空大數(shù)據的挖掘可以抽取有價值的信息和知識，但用戶往往關心的是展示的結果，因而信息展示的直觀性就尤為必要，信息可視化與虛擬現(xiàn)實（VR）及增強現(xiàn)實（AR）等技術便應運而生。信息可視化可以增強認知能力，文本信息可視化的經典技術是標簽云（Tag Clouds），時空信息的可視化的經典方法是流式地圖（Flow Map），時空立方體（Space-time Cube）則能夠更加直觀地展示空間與時間之間的作用關系。虛擬現(xiàn)實技術通過構建數(shù)字化的三維虛擬環(huán)境，可以讓用戶產生猶如親臨真實環(huán)境的感受和體驗；而增強現(xiàn)實技術則極大地提升信息展示的直觀性與用戶體驗感。

2.4 信息應用的便捷性

網絡技術的迭代更新與云計算的快速發(fā)展為信息的分享應用提供了前所未有的便捷性。網絡技術為人們提供了可以突破時空局限進行交流互動的平臺，使得無論身處何方的用戶都可以通過網絡充分應用全社會的信息。特別是Web3.0以網絡的個性化服務為特征，使得用戶對信息的應用更加精準化、個性化、智能化，具有更高的便捷性。而云計算、云平臺和云服務的發(fā)展與應用，不僅可以大規(guī)模整合信息資源，而且可以實現(xiàn)將信息的存儲、計算、服務作為一種公共設施，達到信息資源的共享，云端的信息資源可以隨時獲取并按需使用，對于用戶而言極大地增加了信息應用的便捷性。

3 信息技術方法應用研究進展

3.1 信息獲取技術應用進展

為對歷史文化名城進行保護，需要獲取其現(xiàn)狀信息，主要包括空間圖形數(shù)據和屬性數(shù)據?？臻g圖形數(shù)據包括與名城所關聯(lián)的地形環(huán)境、道路交通、建筑物與構筑物（歷史建筑、文保單位、服務設施等）、歷史文化景觀（雕塑雕像、古樹名木等）等。而屬性數(shù)據主要包括建筑物的建筑年代、功能、結構、高度、平立剖、產權、住戶、建筑材料等數(shù)據，文保單位及歷史風貌數(shù)據，服務設施的管理數(shù)據，社會經濟統(tǒng)計數(shù)據，以及歷史文化名城的視頻資料和音像資料等數(shù)據[5]。目前，二維平面及立面數(shù)據主要來源于不同時期高分遙感影像、歷史地圖、歷史建筑圖、有關測繪數(shù)據、保護規(guī)劃圖件以及古跡建筑物的圖像資料等；三維模型數(shù)據的采用已經涉及三維激光掃描、高清全景相機、傾斜攝影測量、無人機多角度采集、近景攝影測量等，在數(shù)據采集的基礎上，通過圖像處理或測繪軟件系統(tǒng)及三維建模軟件獲得三維精細模型或場景全景影像[6]。

3.2 保護狀態(tài)評價應用進展

通過建立歷史文化名城保護綜合質量評估體系，確定名城不同時期的保護質量狀況，指導管理部門對名城保護、監(jiān)督和管理，是名城保護工作的重要組成。相關研究涉及名城保護規(guī)劃實施評價及風險評價與預警等方面，探索的信息技術方法包括RS、GIS、神經網絡等多項技術。張杰等運用意愿價值法對新疆喀什老城的保護價值進行評估，通過回歸模型研究居民、游客等相關的影響因素及其程度，確定喀什老城WTP值[7]。吳在棟等借助易損性評價模型、危險性評價模型和綜合風險評估模型，在GIS空間技術支持下，評估歷史文化街區(qū)三坊七巷的火災風險[8]。李爽等探索構建了貫穿歷史名城保護全過程的實施評估指標體系及BP神經網絡評估模型，開展名城保護狀況的評估[9]。任少飛等研究構建了名城的歷史資源評估體系，對點狀、線狀、面狀歷史文化資源和建筑物重要性等級進行評估，并根據評估結果劃定名城核心保護區(qū)，建設控制區(qū)和環(huán)境協(xié)調區(qū)，為歷史文化名城保護規(guī)劃提供依據[5]。

3.3 保護規(guī)劃設計應用進展

經過十多年的探索，信息技術已經深刻地融入到歷史文化名城保護規(guī)劃的各環(huán)節(jié)，發(fā)揮著越來越重要的作用，不僅涉及相對傳統(tǒng)的RS、GIS和GNSS技術，也包括大數(shù)據及人工智能技術。徐建剛等以長汀歷史文化名城保護規(guī)劃編制為例，探索RS與GIS進行空間信息整合分析[10]。胡明星等以南京為例，構建基于GIS技術的歷史文化名城保護規(guī)劃現(xiàn)狀調查及規(guī)劃編制方法，提升歷史文化名城保護規(guī)劃的科學性和技術性[11]。李日生則通過建立歷史文化名城多源數(shù)據GIS平臺，應用GIS空間分析技術，探索建構名城保護規(guī)劃編制的GIS技術方法，提高歷史文化名城保護規(guī)劃的科學性和可操作性[12]。徐建剛等運用網絡社會感知大數(shù)據挖掘、GIS空間分析、人工神經網絡智能模擬等技術，構建歷史名城文化意象空間的價值感知量化模型和文化空間適應性演進情景預測模型，為歷史文化名城保護提供決策的科學依據[13]。

3.4 動態(tài)變化監(jiān)測應用進展

動態(tài)變化監(jiān)測是歷史文化名城保護的重要內容，學者們開展的研究涉及監(jiān)測指標體系的研究、監(jiān)測技術方法的研究，以及不同監(jiān)測對象的研究。劉學奎研究制定歷史文化遺產福建土樓保護的監(jiān)測指標體系，并提出建立三級動態(tài)監(jiān)測框架[14]。傅舒蘭等以大同歷史文化名城核心區(qū)為例，驗證了基于遙感圖像捕捉、形態(tài)學和類型學原理的分析方法，提出便于實時跟蹤和客觀測評名城空間變化特征的技術方法[1]。林文琪等借助物聯(lián)網與可視化技術，通過對歷史文化保護區(qū)進行智能監(jiān)測并構建可視化平臺，對歷史文化街區(qū)保護進行診斷和預警[15]?？傮w來看，歷史文化名城保護監(jiān)測信息技術研究起步相對較晚，尚未形成較為系統(tǒng)科學的技術體系，需要針對歷史文化名城保護規(guī)劃、管理、實施過程中的實際問題進行深入研究，探索行之有效的信息技術途徑。

上述四個方面的應用研究進展表明：歷史文化名城保護信息化發(fā)展在信息獲取、狀態(tài)評價、規(guī)劃設計、動態(tài)監(jiān)測各方面都有探索應用，但是還存在三個方面的問題：一是信息技術的應用比較零散或分散探索，缺乏系統(tǒng)性或體系性；二是構建的建筑物及構筑物數(shù)字模型相對獨立，沒有形成整體的城市數(shù)字模型；三是技術方法與數(shù)字模型的耦合關系及其對歷史文化名城保護的科學支撐作用發(fā)揮不夠。為此，需要進一步將信息技術方法發(fā)展趨勢與歷史文化名城保護需求相結合，探索面向未來的理念引領、技術支撐與智慧保護。

4 信息技術方法應用發(fā)展趨勢

4.1 理念引領：數(shù)字孿生名城

將歷史文化名城物質空間（Physical Space）的諸多要素轉換為賽博空間（CyberSpace）的時空數(shù)據，形成具有映射關系的兩座歷史文化名城：現(xiàn)實城市（Reality City）與虛擬城市（Virtual City），這便是通常意義上的數(shù)字孿生（Digital Twins）。面向未來的數(shù)字孿生名城，更加強調現(xiàn)實城市與虛擬城市之間的雙向互動（Twoway Interaction）與動態(tài)互動（Dynamic Interaction）。雙向互動致力于虛擬歷史文化名城針對現(xiàn)實歷史文化名城所面臨的保護與發(fā)展問題，在三維仿真、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等技術支持下，為名城保護提供規(guī)劃與管理服務；而動態(tài)互動則是致力于借助物聯(lián)網技術實時感知現(xiàn)實歷史文化名城的動態(tài)保護狀況，通過虛擬歷史文化名城隨時監(jiān)測、分析和診斷存在的問題，并通過仿真模擬和多情景分析，尋找解決問題的科學途徑，實現(xiàn)名城保護之目的。

4.2 技術支撐：名城信息模型

在數(shù)字孿生名城理念的引領下，借助多種信息技術將現(xiàn)實歷史文化名城轉換而來的數(shù)據類型非常豐富，包括本體數(shù)據與環(huán)境數(shù)據、空間數(shù)據與屬性數(shù)據、二維數(shù)據與三維數(shù)據、矢量數(shù)據與柵格數(shù)據、靜態(tài)數(shù)據與動態(tài)數(shù)據等。顯然，如何有效地組織、管理、分析、應用這些多元數(shù)據，便成為一個必須解決的核心問題。借鑒新型智慧城市時空大數(shù)據云平臺和城市信息模型（CIM）的建設技術，可以將歷史文化名城宏觀靜態(tài)的地理空間信息模型（Geo-Information Model，GIM）與微觀靜態(tài)的歷史建筑信息模型（Building Information Model，BIM）和名城保護物聯(lián)網動態(tài)感知信息模型（Sensing Information Model，SIM）有機集成，并在云地理信息系統(tǒng)（Cloud GIS）技術環(huán)境下，構建多維度的名城信息模型（Historic Cities Information Model，HCIM），以便為名城的智慧保護提供時空大數(shù)據技術支撐。

4.3 智慧保護：智慧名城大腦

數(shù)字孿生名城與名城信息模型構建的根本目標是名城的智慧保護。基于歷史文化名城的多維信息模型（HCIM），借助遺產保護的業(yè)務模型、仿真分析（Simulation Analysis）、情景分析（Scenario Analysis）、機器學習（Machine Learning）和人工智能（AI）等技術方法，診斷與識別名城保護與發(fā)展面臨的問題，并分析與優(yōu)化解決問題的多種途徑，這便是需要構建“智慧名城大腦”，以便為名城的保護、利用、傳承提供科學合理的決策支持。近年來，不少城市依托城市信息模型（CIM），結合城市空間治理的業(yè)務流程與模式，探索構建智慧城市大腦，為多種智慧應用提供協(xié)同分析、情景模擬、聯(lián)動決策，取得了顯著的進展，特別是在新冠肺炎疫情有效防控過程中，發(fā)揮了重要的作用。這值得智慧名城保護借鑒，并將成為歷史文化名城保護的智慧化發(fā)展趨勢。

5 結語

中國經濟社會的發(fā)展進入了生態(tài)文明與智慧社會新時代，歷史文化名城保護的信息化與智慧化發(fā)展，是中國文化自信與民族復興的重要方面。本文通過梳理歷史文化名城保護的現(xiàn)狀信息獲取、保護狀態(tài)評價、保護規(guī)劃分析、動態(tài)變化監(jiān)測等4個方面的需求，分析遙感（RS）、全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、虛擬現(xiàn)實（VR）等信息技術在數(shù)據獲取、數(shù)據挖掘、信息展示、信息應用等方面的應用特征，明確了需要重點關注的歷史文化名城保護的信息技術方法，涉及信息獲取的技術方法、保護狀態(tài)評價的技術方法、保護規(guī)劃設計的技術方法，以及動態(tài)變化監(jiān)測的技術方法等。為此，通過對大量有代表性學術文獻的分析，系統(tǒng)地厘清了歷史文化名城保護的信息技術方法研究進展，包括信息獲取技術應用進展、保護狀態(tài)評價應用進展、保護規(guī)劃設計應用進展，以及動態(tài)變化監(jiān)測應用進展。進一步，結合近年來迅速發(fā)展和應用的新型信息技術方法，諸如物聯(lián)網（IoT）、大數(shù)據（Big Data）、云計算（Cloud Computing）、人工智能（AI）等，給出了“數(shù)字孿生名城的理念引領、名城信息模型的技術支撐、智慧名城大腦的智慧保護”歷史文化名城保護的3個重要趨勢，期望促進中國歷史文化名城保護的智慧化發(fā)展。