党安荣,胡 海,李翔宇,伦玉昆
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。国务院自1982年公布了第一批国家历史文化名城以来的40个春秋,已经有140座城市列入国家历史文化名城(图1),各省市区还相继完善了历史文化名城体系。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,开展保护的动态监管。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,强调系统性、完整性、原真性。
图1 中国历史文化名城数量统计曲线
在中国快速城镇化发展阶段,城镇建设与文化遗产保护之间的矛盾问题比较突出,受城镇建设和自然损毁双重破坏压力影响,多数历史文化名城存在局部改善而整体状况恶化的现象。“十一五”以来,在新型城镇化、高质量发展、文化自信、文化强国、数字中国、智慧社会等发展战略及政策引领下,历史文化名城的保护与传承逐步进入全新的数字化、信息化并走向智慧化。本文梳理40年来历史文化名城保护信息化发展文献,结合历史文化名城类型与特征、保护现状与需求,力争将已经开展的时空信息管理、规划决策分析、保护监测评估、活化利用服务等探索与实践进行总结,并展望未来的历史文化名城保护精细化、智慧化发展趋势。
回顾历史文化名城保护工作的实践历程,可以总结信息技术方法的应用探索呈现出既相互关联又各具特色的6个阶段:基础信息测绘、环境遥感调查、时空信息管理、规划决策支持、保护监测评估、活化利用服务,下面分别予以阐述。
虽然在1982年建立历史文化名城保护制度之前还没有历史文化名城保护信息化的概念,但是人们对于拥有悠久历史和灿烂文化的历史文化名城已经开展了大量的基础测绘工作,包括基于航空摄影测量的多比例尺历史文化名城地形图、基于航空遥感的历史文化名城航空影像图、基于地面控制测量的历史文化名城局部平面图、基于近景摄影测量及传统建筑测绘的历史建筑立面图等。1920—1940年代,民国陆地测量总局航空测量队航摄并测制北京、上海、南京、杭州、苏州、镇江、江阴、济南、西安、兰州、成都、重庆、贵阳等城市地形图1 200多幅,其中1∶1万图900多幅,1∶2.5万图200多幅,1∶5万图100多幅[1-2]。1950—1970年代,国家测绘总局与总参测绘局共同主持,大规模开展全国基本比例尺地形图测绘,完成1∶2.5万图11 500多幅,1∶5万图11 900多幅[1-2]。正是上述测绘工作及类型多样的测绘成果,为人们认识历史文化名城价值、开展历史文化名城保护提供了重要的支撑,并为后续的信息化工作奠定了前提条件。
1980—1990年代,随着中国改革开放和城镇化的发展,城市规划工作不断深化推进,全国95%以上的设市城市和85%以上的县城(镇)编制了城市总体规划和部分地区的详细规划,以及部分历史保护区域规划[3];加之1972年美国发射陆地资源卫星、1986年法国发射SPOT卫星,特别是美国、德国、日本等国家城市航空遥感的发展与应用推广,与此同时中国迈入城市遥感环境调查阶段,北京、天津、上海、重庆、南京等有代表性的历史文化名城先后开展了环境遥感调查。
1980—1983年,中国科学院环境科学委员会和天津市环境保护局联合开展多手段、多时相、多高度的城市环境航空遥感调查,利用正射影像、多级彩色红外影像、彩色热红外影像等,开展城市用地、园林绿化、房屋密度、热岛效应等多个专项分析,为城市环境整治、规划、管理与决策提供了科学依据[4-5]。1983年,原地质矿产部会同城乡建设环境保护部及北京市人民政府,组织开展了北京市航空遥感综合调查(简称“8301工程”),北京市城市规划设计研究院等单位通过遥感结合地面调查,开展了国土与规划等方面的42个专题研究,完成了北京市1∶1万、1∶5 000、1∶2 000等不同测区、不同比例尺、较高精度的航空遥感综合调查,发现市区垃圾倾倒混乱的现象,严重威胁水源地等,促使市领导尽快决策建立垃圾堆放场、填埋场等,该成果获得1987年国家科技进步一等奖。随后该方法在上海、重庆、南京等城市进行了应用推广[6]。
此外,有学者将不同时期的城市遥感影像进行对比分析城市的动态变化。于学文[7]将北京市1983年与1951年的航空影像进行对比分析,发现1951年北京旧城区的四合院格局是很明显的,可以明确分出院落和院落的组合,院落空间较大,这时四合院建筑密度大约在35%—40%;到1983年,绝大多数的四合院院落的空间被搭建的棚子占满,很多地区的建筑密度达到60%甚至65%以上。绿化极少,从航空影像上显示是一片密密麻麻的屋顶[7]。杨凯等利用四期(1955年、1965年、1977年、1981年)航空遥感影像,对比分析汉阳的城市居住用地、园林绿地,以及住宅建筑层数、结构等的变化[8]。万幼川根据1956年、1975年、1986年多时相航空影像,分析了三十年来襄樊城市用地变化,特别是结合街区调查,分析了襄樊老城绿化覆盖率、建筑密度、建筑容积率、人口密度等变化情况,研究了城市发展方向和规律[9]。
上述城市环境遥感调查与变化分析,虽然出发点不见得是历史文化名城保护,但是在客观上对北京、天津、上海、重庆、南京、武汉等历史文化名城保护起到了积极的作用,特别是探索了遥感(RS)技术方法。
以上述城市环境遥感调查数据为基础,学者们或直接编制各种专题地图进行成果的表达,或应用地理信息系统(GIS)进行空间分析,甚至研发城市规划管理GIS,进行历史文化名城时空信息管理[10-13]。当然,这与国家政策引导不无关系,原建设部制定的“八五”计划和十年规划中指出,要重点突破“城市建设信息系统”的研发,并制定了《中国城市建设信息系统发展规划纲要》,还成立了以建设部城市GIS工程技术研究中心[12]。
蓝运超等以武汉市洪山区发展战略规划为例,探索遥感与GIS的应用,阐述城市系统的复杂性、地域性和动态性,遥感在城市系统调查中的作用和优越性,以及GIS在城市系统诊断、分析、评价、规划与管理中的应用[10]。黄伟等研发了广州市城市总体规划GIS,建立了丰富和较为完备的数据库与模型库,数据库包括基础地理数据、遥感调查数据、规划管理数据等,实现了城市规划数据分析、评价、预测和管理等功能[11]。“八五”期间,杭州提出研发“杭州城市建设信息系统”,并根据杭州属于国家级历史文化名城的特点,确定了包含规划、地下管线、景观控制、道路交通、土地管理、房屋产权、环境保护、环境卫生、园林文物9个子系统[12]。北京市测绘设计研究院长期致力于北京城市建设数据的获取与管理,涉及地面建筑物、构筑物、道路交通、地下管线等。于是1987年便提出以地下管线资料为基础的北京城市GIS方案,包括地下管线、1∶500地形图、测量控制网等数据,随后扩展到规划道路、规划管理等子系统,其中一期工程以规划市区为主,以后拟逐步扩展到郊区县及卫星城镇。该方案列入北京市“八五”科技重点项目[13]。
如果说“八五”期间研发的城市GIS系统并非专门针对历史文化名城保护的话,“九五”特别是“十五”期间则逐步诞生了一系列历史文化名城空间信息管理系统[14-18]。东南大学董卫教授团队在国家自然科学基金项目支持下,以镇江市西津渡古街区和南京历史文化名城为例,探索GIS在历史街区保护和管理中的应用,涉及收集历史街区的用地、绿化、建筑、街巷、管网、人口、社会经济等资料,建立基于GIS技术的历史街区现状调查、规划编制、日常保护、管理控制的方法,应用多因子综合评价方法划定南京老城历史街区,以便提高历史街区保护和规划的水平,并为历史街区的保护和管理提供技术支撑[14-15]。
与此同时,杨伯钢等研制了北京西四历史文化街区GIS,具有数据量大、查询快捷、更新方便、图文表一体化存储管理等特点,实现了对历史文化街区西四北头条至西四北八条传统北京四合院的信息管理,涉及院落位置及分布图形管理、基本情况汇总、房产地籍与户籍的查询管理等[16]。陈硕以福州三坊七巷历史文化街区保护为例,探索WebGIS与超媒体、虚拟现实技术等相结合,对历史文化名城物质与非物质文化遗产的时空要素信息进行数字化管理,论述建立数字名城规划和保护信息系统的关键技术和方法[17]。夏青则以青岛历史文化名城及风貌保护规划为例,探索构建历史文化名城GIS时空地理数据库和规划成果时空数据库与信息平台[18]。
在应用GIS对历史文化名城时空信息进行管理的基础上,“十一五”以来逐步进入到历史文化名城保护规划设计决策阶段[19-24]。胡明星等在南京历史文化名城保护规划GIS应用探索中,建立了名城历史资源评价体系,将城市的历史发展脉络识别整合到评价指标之中,不但评价历史文化资源的现状,也评价历史文化资源与城市历史变迁脉络、城市历史格局的关系,用于支撑保护规划辅助决策[19]。张培等针对北京胡同风貌管理的工作特点,在胡同风貌保护与管控规划设计的基础上研发了北京胡同风貌管控WebGIS,实现了以单体历史建筑为管理对象的胡同风貌管理信息化与可视化,而且具有胡同风貌网络互动监督功能[20]。张弓等针对历史文化名城规划设计过程中现状信息精准获取、入库管理、空间分析、决策支持等需求,将RS、GNSS与WebGIS相结合,研发了移动GIS平台,实现了历史文化名城和街区保护规划及管理中建筑信息采集、分类与评估,助推历史文化名城和街区的保护决策与动态监管[21]。王成芳等以江门市历史街区为例,从“点、线、面”三个层面分别建立历史建筑、街巷和地块 GIS 数据库,运用 GIS 多因子分析对建筑历史价值进行综合评价,并应用空间句法定性定量分析历史街区的街巷路网结构,支撑历史街区保护规划设计[22]。李林燕以苏州历史文化名城保护为例,应用GIS全面梳理苏州历史文化资源,建立多维专题数据库,研发历史文化名城GIS,构建苏州历史文化“一张图”,实现了历史文化名城保护、管理工作的持续性支撑[23]。刘业成等在历史文化名城保护体系中引入文化线路遗产保护理念,探索借助GIS时空数据管理与分析功能,实现沿着文化线路遗产的多个历史文化名城多尺度、多类型历史文化资源的分析与评价,支撑历史文化名城规划设计[24]。
在上述保护规划综合决策支持之外,还有学者对于历史文化名城、历史文化街区预防性保护进行GIS专项分析研究[25-27],吴在栋等针对历史文化街区木质结构建筑火灾风险较高客观状况,以福州市三坊七巷历史文化街区为例,集成应用高分辨率遥感影像解译与GIS空间分析,建立火灾风险评估指标体系,应用危险性评价模型、易损性评价模型和综合风险评估模型,综合评估三坊七巷历史文化街区的火灾风险,为消防部门制定火灾防范措施、应急演练模拟方案、人员疏散方案等风险管理及预防保护提供决策依据[25]。高艺元等以武汉市昙华林历史文化街区建筑保护为对象,应用GIS建立建筑价值评价的6项评价因子体系,并采用层次分析法确定各因子的权重,将各因子加权叠加分析获得街区建筑综合价值评价结果,据此提出相应的预防性保护和整治措施[26]。刘冉以上海市衡山路—复兴路历史文化街区为例,应用GIS空间分析技术开展点状景观、线状景观和面状景观分析研究区内视觉质量,以保护历史文化街区视觉风貌景观[27]。
为进一步做好国家历史文化名城保护工作,住建部与国家文物局于2017年10月联合部署了历史文化名城保护评估检查工作,评估检查范围涵盖当时132座国家历史文化名城,重点是按照《历史文化名城名镇名村保护条例》和《历史文化街区划定和历史建筑确定工作方案》,评估检查保护范围及数量变化、历史城区、历史文化街区划定和历史建筑确定工作情况、保护规划、地方法规及相关政策制定、基础设施改善等内容,从而开启了历史文化名城保护监测评估阶段。2018年12月,住建部又提出建立历史文化名城名镇名村保护工作“一年一体检、五年一评估”的体检评估制度,制定反映历史文化保护状况的量化评价指标,形成动态监管机制。
2019年以来,国家级历史文化名城陆续开展保护评估与动态监测工作[28-33]。任少飞等以河北省保定市为例,构建了历史文化名城保护评估指标体系,研发了基于RS/GIS名城保护评估系统,涵盖名城保护时空数据库构建、名城历史资源评估体系(点状、线状、面状历史资源和建筑物)、名城保护遥感信息获取和动态监测、名城保护评估指标体系与方法等四个功能模块;在2000年、2010年、2018年高分辨率遥感影像支持下,开展保定历史文化名城保护监测与评估,并在此基础上进一步提出保护预警[28-29]。傅舒兰等以大同历史文化名城核心区为例,针对名城保护和建设工作所存在的城市历史空间要素改变问题,探索基于遥感图像和形态学、类型学原理的分析方法,提出了评估历史城区空间要素变化与空间使用功能变化的技术方法[30-31]。雷泽鑫等以历史文化名城太原为例,应用GIS空间分析技术识别太原历史文化景观空间,定量化评估历史文化景观价值,进一步明确太原城区的历史景观特性分区和“双核心”斑块的历史文化廊道空间,在评估基础上为太原历史文化名城进一步保护提供科学依据[32]。林惠清等以福州市上下杭历史文化街区为对象,研究构建了涵盖物质空间、人类舒适度、交通可达性、安全设施、外部影响等5个准则层及历史建筑占比、绿化覆盖率等14个指标层的评价指标体系,基于 GIS定量评估福州市上下杭历史文化街区的保护状态,支撑历史文化街区的深化保护[33]。
住建部与国家文物局于2021年11月联合印发《关于加强国家历史文化名城保护专项评估工作的通知》,要求贯彻落实国家《关于在城乡建设中加强历史文化保护传承的意见》精神,坚持目标导向、问题导向和结果导向,全面准确评估历史文化名城保护工作情况、保护对象的保护状况,并充分运用评估成果,切实提高名城保护能力和水平。无疑,这将促进历史文化名城保护监测评估进入新阶段。
保护历史文化名城文化遗产的根本目的是更好地利用与传承,也是文化自信与文化强国的时代召唤。“十三五”以来,国家倡导文化遗产严格保护与活化利用并举的策略,各地都积极开展探索[34-37]。特别是2021年3月,自然资源部与国家文物局联合发布《关于在国土空间规划编制和实施中加强历史文化遗产保护管理的指导意见》,明确要求将历史文化遗产空间信息纳入国土空间基础信息平台,对历史文化遗产及其整体环境实施严格保护和管控,并要促进历史文化遗产活化利用。
赵月苑等以重庆为例,针对历史价值较高亟待抢救的特殊历史文化遗产类型,通过数字重构技术对遗产本体的整体数据信息进行评价,以便支撑制定更加精准的保护手段的同时,探索虚拟仿真的数字化展示手段,拓展对文化遗产的保护与利用、继承与传播[34]。管雯君等依据《历史文化名城保护规划》和《历史建筑和历史风貌保护办法》等行业法规,依托Web-GIS和三维仿真技术探索历史文化名城保护综合信息管理平台建设,并强调系统的时空数据层、应用服务层(综合信息管理系统、综合应用展示系统)和表现服务层(信息平台门户),通过历史街区前后对比、场景定位、三维漫游等方式实现历史文化名城活化利用服务[35]。杨开等在国家自然科学基金项目“全国历史文化名城名镇名村保护体系构建方法研究”支持下,基于文献研究、现状研究和需求调研,应用RS与WebGIS技术研发了全国历史文化名城名镇名村保护管理信息化“一张图”系统,旨在推动全国名城镇村的数字化管理与信息化展示,不仅有助于及时掌握全国名城名镇名村的历史文化资源现状、提升保护与管理水平,也是历史文化名城活化利用服务的重要途径[36]。朱璟璐等(2021)针对拥有2 200多年悠久历史的文化名城广州,以历史文化名城保护为主要内容、采用数字人文等技术研发了“广州记忆”数字平台,旨在利用数字手段更加快速和广泛地传播文化遗产,展现城市文化记忆的数字化转译价值,服务民众共享文化遗产[36]。余英杰以南宁市历史文化街区“三街两巷”为例,针对历史文化街区面向现代社会服务存在的社会性缺失、文化性孤立等问题,基于GIS从道路、人群、经济、文化四个方面进行量化分析,诊断其活力空间格局及活力要素不足等现状症结,提出优化策略以便更好地活化利用[37]。
为了不断加强历史文化保护传承工作,中共中央办公厅与国务院办公厅于2021年8月印发了《关于在城乡建设中加强历史文化保护传承的意见》,明确要求本着对历史负责、对人民负责的态度,建立分类科学、保护有力、管理有效的城乡历史文化保护传承体系,将历史文化名城保护与活化利用服务推到新阶段。
面向未来,历史文化名城保护信息化发展将取决于两个方面:一是历史文化名城保护与传承需求牵引,二是信息技术发展与应用驱动。就需求牵引而言,2021年8月,中共中央办公厅与国务院办公厅印发了《关于在城乡建设中加强历史文化保护传承的意见》,明确要求开展历史文化名城数字化信息采集和测绘建档,以保护和弘扬历史文化。2021年11月,住建部会同文物局印发《关于加强国家历史文化名城保护专项评估工作的通知》,特别强调要创新技术方法,积极采用云计算、大数据、“互联网+”等新信息技术,推动历史文化保护数据库、中华文化数据库建设,并做好与城市信息模型(CIM)基础平台的衔接。就技术驱动而言,高分遥感技术(GF-RS)、云地理信息系统(Cloud-GIS)、北斗导航卫星系统(BD-GNSS)等空间信息技术的发展与应用,以及物联网(IoT)、大数据、人工智能(AI)、扩展现实(XR)、元宇宙等新型信息技术的发展与支撑都是值得关注的[38]。两者相结合,必将促进历史文化名城保护从信息化走向智慧化,并呈现出3个发展方向:一是多维度精细保护,二是多粒度监测评估,三是多场景活化利用。
经过40年的历史文化名城保护理论与实践探索,人们对于历史文化名城保护的认识已经比较全面、系统、深入、动态,走向整体性、预防性、动态化、精细化。加之信息技术的发展与集成应用也呈现出类似的特征,比如RS技术呈现高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高辐射分辨率以及多平台、多角度、多时相等特征,GIS技术发展走向Cloud-GIS、Smart-GIS、4D-GIS等,BD-GNSS走向多种类型高精度定位、导航、通信等综合服务模式等。特别是多种技术的集成运用,催生了实景三维中国建设及城市信息模型(CIM)平台研发[38]。
上述两方面的有机结合,将历史文化名城保护的信息化发展推向多维度精细化方向。多维度包括传统的空间维度、时间维度、要素维度、属性维度等。其中,空间维度不仅是从二维到三维,还包括从室外到室内、地上到地下,以及宏观、中观、微观等全方位;时间维度不仅是从过去到现在,还包括从现在到未来,以及文化街区、建筑物、构筑物从规划设计到建造维护全生命周期;要素维度既涉及构成历史文化名城的自然、生态、社会、经济、文化等宏观要素,也包括院落建筑空间、公共开敞空间、道路交通空间等中观层面,还要考虑光、温、热等微气候要素和建筑构件、室内装饰等微观要素;属性维度则不仅要考虑历史文化名城所蕴含的物质文化、非物质文化层面的属性,也要关注宏观、中观、微观等空间属性,以及过去、现在、未来等时间属性等。在数字孪生(Digital Twins)理念及GIS等技术支持下,将上述所有维度的信息转化为时空数据,通过构建历史文化名城信息模型(HCIM)及保护管理信息系统(CMIS),实现历史文化名城的精细化保护。
住建部会同文物局印发的《关于加强国家历史文化名城保护专项评估工作的通知》指出,自2022年开始,各名城每年应开展一次自评估工作,两部门每5年组织第三方机构对所有名城开展全覆盖调研评估。可见历史文化名城的监测评估工作将成为常态化,而且《国家历史文化名城保护评估标准》表明监测评估呈现定量定性相结合的多粒度的特征。其中多粒度有多方面的含义,其一是涵盖宏观、中观、微观等空间尺度,意味着监测评估的空间分辨率或者精细程度不一而同,如宏观层面有历史文化名城的传统格局变化,中观层面有历史街区的规模与完整性,微观层面有历史建筑及历史街巷的保护状况等;其二是包括有形文化遗产本体及其赋存环境的多要素监测评估,以及非物质文化遗产传承的监测评估等;其三是除了历史文化遗产本身的监测评估外,还涉及保护管理措施、资金等多个方面。
显然,上述常态化历史文化名城的多粒度的监测评估工作的完成,离不开信息技术的支撑,诸如具有四高特点的多平台RS技术,特别是近年来兴起的无人机遥感,应用灵活自如,而且具有多角度、多光谱、多分辨率等诸多优点,必将发挥重要作用。此外,物联网(IoT)技术对于历史文化名城动态变化监测评估更是必不可少的重要支撑,无论是遗产本体还是赋存环境,都可以实现多角度、多空间、多时间粒度的动态监测。而基于互联网及移动终端的社会感知大数据,更是可以监测与评估人的时空行模式及其为对遗产保护的影响。上述多种监测技术手段,必然形成历史文化名城监测时空大数据,于是应用人工智能(AI)技术进行时空大数据的分析也是需要探索的。为此,可以在前述历史文化名城信息模型(HCIM)基础上,结合AI技术和历史文化名城监测评估业务,探索研发“智慧名城大脑”作为智慧城市大脑的一部分,为历史文化名城的多粒度监测评估常态化提供技术支撑。
历史文化名城文化遗产的活化利用是保护的目标,也是传承的手段,不仅体现文化强国战略,也促进文化自信建设。中共中央办公厅与国务院办公厅印发的《关于在城乡建设中加强历史文化保护传承的意见》要求历史文化名城保护要融入城乡建设并推进活化利用,要促进物质文化遗产与非物质文化遗产合理利用,让历史文化和现代生活融为一体,实现永续传承。要达成上述活化利用目标,显然需要开展两方面的深化研究,一是文化遗产本体及其环境的重要性与敏感性评价研究,涉及评价指标、评价标准、评价方法等的研究,评价是活化利用的前提条件,根据重要性及敏感性评价结果,制定分类型、分级别、分区域、分时段的活化利用模式;二是文化遗产活化利用场景的研究,涉及活化利用的空间区域、时间段落、服务人群、利用程度、利用方式等多个方面的研究,目标不仅是保护前提下的持续利用,而且是为不同服务人群提供不同的利用方式,以便有更好的体验感与获得感。
上述目标的实现同样离不开技术方法的支撑,既要考虑对于名城历史文化遗产物质空间活化利用的技术方法支撑,也要考虑文化遗产数字空间活化利用的技术支撑,于是,数字孪生(Digital Twins)理念与技术应该必不可少。运用数字孪生理念,可以将构成历史文化名城的自然环境、建成环境、基础设施、用地类型、功能布局、道路交通、历史建筑等进行宏观、中观、微观多层级多粒度的信息采集与精细建模,构建历史文化名城信息模型(HCIM);而且,虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、扩展现实(XR)亦即4R技术将扮演重要角色,有助于历史文化遗产的多场景逼真呈现。进一步而言,元宇宙(Metaverse)的理念与技术是值得关注与探索的重要方向,元宇宙将历史文化名城现实世界与数字孪生的虚拟世界及其相互作用构建的混合世界有机地组织在一起,不仅可以实现历史文化名城物质文化遗产与非物质文化遗产的集成展现,而且对于不同历史时代的场景,以及现状真实场景、未来推演场景有机整合,可以全面、系统、整体展现历史文化时空全景,促进历史文化名城的多场景活化利用。
本文以时间和事件为脉络,从历史文化名城保护发展需求牵引与信息技术应用驱动两个方面,基于政策及学术文献梳理历史文化名城保护信息化发展的历程,概括为既相互关联又各具特色的6个阶段,分别是基础信息测绘、环境遥感调查、时空信息管理、规划决策支持、保护监测评估、活化利用服务。在此基础上,面向未来历史文化名城保护、利用传承及信息技术发展与应用趋势,展望三个发展方向:多维度精细保护,多粒度监测评估,多场景活化利用,旨在促进历史文化名城保护从信息化走向智慧化。