历史文化名城保护的信息技术方法研究进展与趋势

党安荣 梁媛媛 陈麦尼 吴冠秋

（清华大学建筑学院，北京 10084）

引言

历史文化名城是指由国务院批准公布的具有重大历史价值或革命纪念意义、保存文物特别丰富的城市。1982年以来，已经有136座城市列入国家历史文化名城，拥有2.47万处历史建筑。为了保护这些珍贵的历史文化遗产，住房和城乡建设部制定了相关的法律法规和标准规范，建立了历史文化名城名镇保护体检评估制度，进行动态监管。与此同时，诸如遥感（RS）、全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）、地理信息系统（GIS）等信息技术方法也先后应用于历史文化名城保护工作中。近年来，一些新型的信息技术方法，诸如物联网（IoT）、大数据（Big Data）、云计算（Cloud Computing）、虚拟现实（VR）、人工智能（AI）等逐步引入各个应用领域。为了更好地促进历史文化名城保护的信息化、智慧化发展，本文从历史文化名城保护的需求分析、信息技术方法的应用特征、信息技术方法应用进展、信息技术应用展望4个方面进行论述，希望有助于数字名城保护工作的深化发展。

1 历史文化名城保护需求分析

1.1 现状信息获取需求

根据国家历史文化名城保护相关条例和评估标准，历史文化名城保护的内容主要包括文物古迹、历史建筑、历史文化街区、传统格局和历史风貌、城市的传统文化和保护管理措施等。全国多地历史建筑、历史地段、历史文化街区等的保护和维修都存在审批慢、保护难、修复难以及不易监督等难题，需要采用多种信息技术方法，诸如三维激光扫描、近景摄影测量、倾斜摄影测量、无人机遥感等，进行历史文化名城相关数据采集，建立精准的二维平面、立面及三维模型，并以此为基础建立历史文化名城资源数据库，研发历史文化名城保护信息系统，促进历史文化名城保护的信息化发展。

1.2 保护状态评价需求

随着中国经济快速发展和城镇化的推进，城乡建设与文化遗产保护之间的矛盾问题日益突出，多数历史文化名城存在局部改善而整体环境恶化的现象。在建设活动和自然损毁双重破坏压力下，各地主管部门大多采用应急抢修的措施，在历史文化名城保护方面处于相对被动的局面。在这一大背景下，我们必须运用科学的、先进的技术手段，诸如高光谱遥感技术、物联网（IoT）技术、地理信息系统（GIS）等，来更有效地对历史名城进行动态监测、状态评估、保护管理等。显然，历史文化名城保护状态评价，诸如分类、分级、分区等，是进一步开展有效保护的基础与前提。

1.3 保护规划分析需求

通过三十多年的探索，中国历史文化名城保护体制逐步完善，历史文化城市保护的意识也不断提高，保护规划的重要性也已经成为共识。在制定保护规划的过程中，需要开展多项专题研究，处理和分析多种数据、图形和图像等资料，并绘制现状分析图与保护分析图，以便为科学合理保护规划编制提供决策支持；然而传统的CAD技术难以对大量的时空数据进行管理和分析，需要空间数据库技术、GIS空间分析技术、虚拟现实技术、仿真模拟技术，以及时空大数据技术等提供支撑，再基于多种定量空间分析，辅助确定历史文化名城保护的等级层次、区域划分、技术措施、时间进程等。

1.4 动态变化监测需求

历史文化名城的保护是一个动态的过程，动态监测与评估保护状况是名城保护工作的重要内容。住建部从2010年开始部署保护状况评估检查、建立规划动态监测系统、推进督察员制度建设等，并于2017年明确历史文化名城保护评估的8项重点内容，包括名城保护范围、历史建筑数量变化、历史城区传统格局、历史风貌和空间尺度的保护情况、历史城区范围内居住人口数量变化、历史文化遗存保护状况、基础设施等。试点工作表明，目前的监测数据不足以涵盖名城整体空间变化特征的评估，监测评估的标准和工具等问题仍然存在[1]，需要开展物联网及高分遥感等新兴技术应用研究。

2 信息技术方法应用特征分析

2.1 数据获取的全面与动态

随着RS技术的多元化、GNSS的精细化、GIS技术的网络化发展，结合智能感知终端及物联网技术的普及应用，信息技术获取数据更加全面系统，呈现出多尺度、多角度、多粒度、多维化、精细化、动态化等应用特点。如中国高分遥感星座具有高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高辐射分辨率等“四高”特征，开阔了人类的视野，增加了人类对不同空间尺度的认知[2]。星载、机载、车载，以及手持三维激光扫描技术，具有速度快、精度高等特点，可适用于大面积以及复杂物体的测量和局部细节数据的获取[3]。而物联网技术的应用，则更是可以随时随地获取动态保护数据。

2.2 数据挖掘的定量与定性

众所周知，当下是时空大数据爆炸的时代，然而也有可能成为信息匮乏的时代，这意味着需要特别重视空间数据挖掘。近年来，空间数据挖掘方法按照挖掘目标分为两类：一是时空分类的挖掘方法（用于区分空间对象），包括空间聚类、空间决策树等；二是时空关系的挖掘方法（用于提取时空模式），包括回归分析、主成分分析等。机器学习以及深度学习技术，则适用于上述两类挖掘方法[4]。当然，空间数据挖掘并非取代传统的空间分析（如叠置分析等），而是把重点聚焦于从积累的定量数据中发现蕴含的定性模式、规则与知识，以便处理不确定性问题，更深层次揭示人与环境的互动关系。

2.3 信息展示的直观性

时空大数据的挖掘可以抽取有价值的信息和知识，但用户往往关心的是展示的结果，因而信息展示的直观性就尤为必要，信息可视化与虚拟现实（VR）及增强现实（AR）等技术便应运而生。信息可视化可以增强认知能力，文本信息可视化的经典技术是标签云（Tag Clouds），时空信息的可视化的经典方法是流式地图（Flow Map），时空立方体（Space-time Cube）则能够更加直观地展示空间与时间之间的作用关系。虚拟现实技术通过构建数字化的三维虚拟环境，可以让用户产生犹如亲临真实环境的感受和体验；而增强现实技术则极大地提升信息展示的直观性与用户体验感。

2.4 信息应用的便捷性

网络技术的迭代更新与云计算的快速发展为信息的分享应用提供了前所未有的便捷性。网络技术为人们提供了可以突破时空局限进行交流互动的平台，使得无论身处何方的用户都可以通过网络充分应用全社会的信息。特别是Web3.0以网络的个性化服务为特征，使得用户对信息的应用更加精准化、个性化、智能化，具有更高的便捷性。而云计算、云平台和云服务的发展与应用，不仅可以大规模整合信息资源，而且可以实现将信息的存储、计算、服务作为一种公共设施，达到信息资源的共享，云端的信息资源可以随时获取并按需使用，对于用户而言极大地增加了信息应用的便捷性。

3 信息技术方法应用研究进展

3.1 信息获取技术应用进展

为对历史文化名城进行保护，需要获取其现状信息，主要包括空间图形数据和属性数据。空间图形数据包括与名城所关联的地形环境、道路交通、建筑物与构筑物（历史建筑、文保单位、服务设施等）、历史文化景观（雕塑雕像、古树名木等）等。而属性数据主要包括建筑物的建筑年代、功能、结构、高度、平立剖、产权、住户、建筑材料等数据，文保单位及历史风貌数据，服务设施的管理数据，社会经济统计数据，以及历史文化名城的视频资料和音像资料等数据[5]。目前，二维平面及立面数据主要来源于不同时期高分遥感影像、历史地图、历史建筑图、有关测绘数据、保护规划图件以及古迹建筑物的图像资料等；三维模型数据的采用已经涉及三维激光扫描、高清全景相机、倾斜摄影测量、无人机多角度采集、近景摄影测量等，在数据采集的基础上，通过图像处理或测绘软件系统及三维建模软件获得三维精细模型或场景全景影像[6]。

3.2 保护状态评价应用进展

通过建立历史文化名城保护综合质量评估体系，确定名城不同时期的保护质量状况，指导管理部门对名城保护、监督和管理，是名城保护工作的重要组成。相关研究涉及名城保护规划实施评价及风险评价与预警等方面，探索的信息技术方法包括RS、GIS、神经网络等多项技术。张杰等运用意愿价值法对新疆喀什老城的保护价值进行评估，通过回归模型研究居民、游客等相关的影响因素及其程度，确定喀什老城WTP值[7]。吴在栋等借助易损性评价模型、危险性评价模型和综合风险评估模型，在GIS空间技术支持下，评估历史文化街区三坊七巷的火灾风险[8]。李爽等探索构建了贯穿历史名城保护全过程的实施评估指标体系及BP神经网络评估模型，开展名城保护状况的评估[9]。任少飞等研究构建了名城的历史资源评估体系，对点状、线状、面状历史文化资源和建筑物重要性等级进行评估，并根据评估结果划定名城核心保护区，建设控制区和环境协调区，为历史文化名城保护规划提供依据[5]。

3.3 保护规划设计应用进展

经过十多年的探索，信息技术已经深刻地融入到历史文化名城保护规划的各环节，发挥着越来越重要的作用，不仅涉及相对传统的RS、GIS和GNSS技术，也包括大数据及人工智能技术。徐建刚等以长汀历史文化名城保护规划编制为例，探索RS与GIS进行空间信息整合分析[10]。胡明星等以南京为例，构建基于GIS技术的历史文化名城保护规划现状调查及规划编制方法，提升历史文化名城保护规划的科学性和技术性[11]。李日生则通过建立历史文化名城多源数据GIS平台，应用GIS空间分析技术，探索建构名城保护规划编制的GIS技术方法，提高历史文化名城保护规划的科学性和可操作性[12]。徐建刚等运用网络社会感知大数据挖掘、GIS空间分析、人工神经网络智能模拟等技术，构建历史名城文化意象空间的价值感知量化模型和文化空间适应性演进情景预测模型，为历史文化名城保护提供决策的科学依据[13]。

3.4 动态变化监测应用进展

动态变化监测是历史文化名城保护的重要内容，学者们开展的研究涉及监测指标体系的研究、监测技术方法的研究，以及不同监测对象的研究。刘学奎研究制定历史文化遗产福建土楼保护的监测指标体系，并提出建立三级动态监测框架[14]。傅舒兰等以大同历史文化名城核心区为例，验证了基于遥感图像捕捉、形态学和类型学原理的分析方法，提出便于实时跟踪和客观测评名城空间变化特征的技术方法[1]。林文琪等借助物联网与可视化技术，通过对历史文化保护区进行智能监测并构建可视化平台，对历史文化街区保护进行诊断和预警[15]。总体来看，历史文化名城保护监测信息技术研究起步相对较晚，尚未形成较为系统科学的技术体系，需要针对历史文化名城保护规划、管理、实施过程中的实际问题进行深入研究，探索行之有效的信息技术途径。

上述四个方面的应用研究进展表明：历史文化名城保护信息化发展在信息获取、状态评价、规划设计、动态监测各方面都有探索应用，但是还存在三个方面的问题：一是信息技术的应用比较零散或分散探索，缺乏系统性或体系性；二是构建的建筑物及构筑物数字模型相对独立，没有形成整体的城市数字模型；三是技术方法与数字模型的耦合关系及其对历史文化名城保护的科学支撑作用发挥不够。为此，需要进一步将信息技术方法发展趋势与历史文化名城保护需求相结合，探索面向未来的理念引领、技术支撑与智慧保护。

4 信息技术方法应用发展趋势

4.1 理念引领：数字孪生名城

将历史文化名城物质空间（Physical Space）的诸多要素转换为赛博空间（CyberSpace）的时空数据，形成具有映射关系的两座历史文化名城：现实城市（Reality City）与虚拟城市（Virtual City），这便是通常意义上的数字孪生（Digital Twins）。面向未来的数字孪生名城，更加强调现实城市与虚拟城市之间的双向互动（Twoway Interaction）与动态互动（Dynamic Interaction）。双向互动致力于虚拟历史文化名城针对现实历史文化名城所面临的保护与发展问题，在三维仿真、增强现实、混合现实等技术支持下，为名城保护提供规划与管理服务；而动态互动则是致力于借助物联网技术实时感知现实历史文化名城的动态保护状况，通过虚拟历史文化名城随时监测、分析和诊断存在的问题，并通过仿真模拟和多情景分析，寻找解决问题的科学途径，实现名城保护之目的。

4.2 技术支撑：名城信息模型

在数字孪生名城理念的引领下，借助多种信息技术将现实历史文化名城转换而来的数据类型非常丰富，包括本体数据与环境数据、空间数据与属性数据、二维数据与三维数据、矢量数据与栅格数据、静态数据与动态数据等。显然，如何有效地组织、管理、分析、应用这些多元数据，便成为一个必须解决的核心问题。借鉴新型智慧城市时空大数据云平台和城市信息模型（CIM）的建设技术，可以将历史文化名城宏观静态的地理空间信息模型（Geo-Information Model，GIM）与微观静态的历史建筑信息模型（Building Information Model，BIM）和名城保护物联网动态感知信息模型（Sensing Information Model，SIM）有机集成，并在云地理信息系统（Cloud GIS）技术环境下，构建多维度的名城信息模型（Historic Cities Information Model，HCIM），以便为名城的智慧保护提供时空大数据技术支撑。

4.3 智慧保护：智慧名城大脑

数字孪生名城与名城信息模型构建的根本目标是名城的智慧保护。基于历史文化名城的多维信息模型（HCIM），借助遗产保护的业务模型、仿真分析（Simulation Analysis）、情景分析（Scenario Analysis）、机器学习（Machine Learning）和人工智能（AI）等技术方法，诊断与识别名城保护与发展面临的问题，并分析与优化解决问题的多种途径，这便是需要构建“智慧名城大脑”，以便为名城的保护、利用、传承提供科学合理的决策支持。近年来，不少城市依托城市信息模型（CIM），结合城市空间治理的业务流程与模式，探索构建智慧城市大脑，为多种智慧应用提供协同分析、情景模拟、联动决策，取得了显著的进展，特别是在新冠肺炎疫情有效防控过程中，发挥了重要的作用。这值得智慧名城保护借鉴，并将成为历史文化名城保护的智慧化发展趋势。

5 结语

中国经济社会的发展进入了生态文明与智慧社会新时代，历史文化名城保护的信息化与智慧化发展，是中国文化自信与民族复兴的重要方面。本文通过梳理历史文化名城保护的现状信息获取、保护状态评价、保护规划分析、动态变化监测等4个方面的需求，分析遥感（RS）、全球导航卫星系统（GNSS）、地理信息系统（GIS）、虚拟现实（VR）等信息技术在数据获取、数据挖掘、信息展示、信息应用等方面的应用特征，明确了需要重点关注的历史文化名城保护的信息技术方法，涉及信息获取的技术方法、保护状态评价的技术方法、保护规划设计的技术方法，以及动态变化监测的技术方法等。为此，通过对大量有代表性学术文献的分析，系统地厘清了历史文化名城保护的信息技术方法研究进展，包括信息获取技术应用进展、保护状态评价应用进展、保护规划设计应用进展，以及动态变化监测应用进展。进一步，结合近年来迅速发展和应用的新型信息技术方法，诸如物联网（IoT）、大数据（Big Data）、云计算（Cloud Computing）、人工智能（AI）等，给出了“数字孪生名城的理念引领、名城信息模型的技术支撑、智慧名城大脑的智慧保护”历史文化名城保护的3个重要趋势，期望促进中国历史文化名城保护的智慧化发展。