數(shù)字孿生賦能歷史文化名城保護與傳承研究

黨安榮，李翔宇，吳冠秋，田 穎，陳麥尼，倫玉昆

引言

系統(tǒng)完整地統(tǒng)籌保護、利用與傳承歷史文化名城等文化遺產(chǎn)，是當(dāng)前我國高質(zhì)量發(fā)展與文化強國的戰(zhàn)略要求[1-3]。歷史文化名城是指由國務(wù)院批準(zhǔn)公布的具有重大歷史價值或革命紀(jì)念意義、保存文物特別豐富的城市[1-4]。從1982年國務(wù)院公布第一批國家歷史文化名城至2023年，全國已經(jīng)有142座城市列入國家歷史文化名城，具有數(shù)量大、類型多、內(nèi)涵豐、價值高、分布廣等特征。各省、自治區(qū)、直轄市相繼完善了歷史文化名城、歷史文化街區(qū)、歷史建筑等保護體系。為了保護、利用和傳承這些珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，國務(wù)院及住房城鄉(xiāng)建設(shè)部先后制定了《歷史文化名城名鎮(zhèn)名村保護條例》《歷史文化名城保護規(guī)劃規(guī)范》等相關(guān)的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立了歷史文化名城名鎮(zhèn)保護體檢評估制度，并開展動態(tài)監(jiān)管[1-4]。在數(shù)字中國、智慧社會發(fā)展戰(zhàn)略的引領(lǐng)下，集成應(yīng)用多種信息技術(shù)來開展歷史文化名城的保護與傳承是大勢所趨[4-8]。為此，本文從歷史文化名城保護與傳承需求、數(shù)字孿生核心理念解析、數(shù)字孿生智慧賦能、典型案例實踐探索等方面，探索數(shù)字孿生賦能歷史文化名城保護與傳承。

1 歷史文化名城保護與傳承需求：呼喚信息技術(shù)的集成應(yīng)用

分析與明確歷史文化名城保護與傳承的需求是探索信息技術(shù)集成應(yīng)用的前提。根據(jù)國家歷史文化名城保護相關(guān)政策要求和評估標(biāo)準(zhǔn)，歷史文化名城保護與傳承的內(nèi)容主要包括歷史建筑、歷史文化街區(qū)、文物古跡、傳統(tǒng)格局、歷史風(fēng)貌和傳統(tǒng)文化等，并強調(diào)保護與傳承的系統(tǒng)性、完整性、原真性、藝術(shù)性、科學(xué)性與持續(xù)性[4-9]。如圖1所示，歷史文化名城保護與傳承的需求主要取決于3個方面。

圖1 歷史文化名城保護與傳承需求分析框架

首要的需求是歷史文化名城所蘊含的特征與價值保護，這需要從歷史文化名城所處的自然及人文地理環(huán)境、悠久的歷史、豐富的文化遺產(chǎn)類型與數(shù)量及其空間分布，分析與評價其等級與價值，涉及歷史價值、文化價值、科學(xué)價值、藝術(shù)價值、社會價值等多個維度[1-4]，也是歷史文化名城保護與傳承的根本所在。

第二個需求是國家和民族對文化遺產(chǎn)的傳承與利用，涉及文化強國與文化自信戰(zhàn)略目標(biāo)、科學(xué)保護的精神實質(zhì)、活化利用的本質(zhì)內(nèi)涵、文旅融合的有效途徑，以及文化遺產(chǎn)的永續(xù)傳承等，這不僅需要從歷史文化名城擁有的文化遺產(chǎn)本體及其賦存環(huán)境予以多層次把握，而且離不開多種技術(shù)方法的集成應(yīng)用，諸如高分遙感（GF-RS）、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（BD-GNSS）、網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（Web-GIS）等空間信息技術(shù)的支撐，也需要物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能（AI）、增強現(xiàn)實（AR）等新型信息技術(shù)的應(yīng)用，以便構(gòu)建歷史文化名城信息模型（historical cities information model，HCIM）及其保護管理信息平臺（conservation management information platform，CMIP）[4-13]。

第三個需求是探尋保護與傳承的具體實施路徑，這個需求一方面是面向歷史文化名城的系統(tǒng)性、完整性、原真性，開展歷史文化名城定量價值挖掘、狀態(tài)評估、問題診斷，以便制定科學(xué)的保護與傳承規(guī)劃設(shè)計方案；另一方面是面向歷史文化名城的科學(xué)性、藝術(shù)性、持續(xù)性，開展歷史文化名城變化發(fā)展的動態(tài)監(jiān)測、演化模擬、虛擬修復(fù)、創(chuàng)新應(yīng)用等。

顯然，價值保護、利用傳承和實施路徑這三方面的需求都離不開眾多技術(shù)方法的集成應(yīng)用。

2 數(shù)字孿生核心理念的空間解析：三類空間協(xié)同關(guān)系與作用

數(shù)字孿生（digital twins）概念涉及多種技術(shù)方法的集成應(yīng)用，是近年來學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的熱點，剖析數(shù)字孿生的核心理念有助于更好地認(rèn)識其對歷史文化名城保護的賦能。面向歷史文化名城保護與傳承的應(yīng)用場景，從技術(shù)視角來看，數(shù)字孿生本質(zhì)是集成運用多種信息技術(shù)方法，建立歷史文化名城從現(xiàn)實空間（real space）到賽博空間（cyber space）的映射，而映射的準(zhǔn)確度、精確度、水平與質(zhì)量，往往取決于業(yè)務(wù)人員的認(rèn)知空間（cognitive space）[14-18]（圖2）。為此，下面具體闡述三類空間的內(nèi)涵及其關(guān)系。

圖2 歷史文化名城數(shù)字孿生核心理念空間圖解

（1）現(xiàn)實空間：現(xiàn)實空間是指現(xiàn)實世界中的歷史文化名城，涉及建筑物、構(gòu)筑物、街巷體系、基礎(chǔ)設(shè)施、用地類型、功能布局、傳統(tǒng)文化、社會經(jīng)濟、自然生態(tài)等構(gòu)成歷史文化名城的各種系統(tǒng)及其組成要素，包括地上的與地下的、有形的與無形的、二維的與三維的、室內(nèi)的與室外的、靜態(tài)的與動態(tài)的等。為了全面系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)字孿生歷史文化名城，就需要按照一定的時間尺度、空間尺度及業(yè)務(wù)類型進(jìn)行體系化的分級、分類、分層的抽象與概括[14-18]。

（2）賽博空間：賽博空間是互聯(lián)互通的數(shù)字空間（digital space）或者虛擬空間（virtual space），是由現(xiàn)實空間全面數(shù)字化之后生成的海量歷史文化時空信息所組成。為了讓海量歷史文化時空信息發(fā)揮作用，賽博空間通常是分級、分類、分層進(jìn)行信息處理、信息管理、信息共享、信息服務(wù)，同時通過多種時間粒度、空間粒度及專題維度來進(jìn)行信息組織，以便在賽博空間中高保真映射現(xiàn)實空間的系統(tǒng)與要素，實現(xiàn)賽博空間與現(xiàn)實空間的協(xié)同與互動，為歷史文化名城保護傳承的規(guī)劃、設(shè)計、模擬、預(yù)測、預(yù)警服務(wù)[14-18]。

（3）認(rèn)知空間：認(rèn)知空間是指從事歷史文化名城保護、利用、傳承的相關(guān)業(yè)務(wù)人員對于歷史文化名城現(xiàn)實空間和賽博空間正確認(rèn)識與解讀。要實現(xiàn)歷史文化名城現(xiàn)實空間與賽博空間的高保真映射，要達(dá)到歷史文化名城賽博空間與現(xiàn)實空間互動與協(xié)同目標(biāo)，相關(guān)業(yè)務(wù)人員的認(rèn)知空間是至關(guān)重要的，涉及相關(guān)業(yè)務(wù)人員對歷史文化名城現(xiàn)實空間的認(rèn)知以及對歷史文化名城賽博空間的認(rèn)知。對于歷史文化名城現(xiàn)實空間的認(rèn)知，主要體現(xiàn)在其是否能夠系統(tǒng)全面深入準(zhǔn)確地闡釋構(gòu)成現(xiàn)實空間系統(tǒng)及其要素的全空間、全業(yè)務(wù)、全要素以及全過程特征，同時體現(xiàn)在其是否能夠認(rèn)識到系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、系統(tǒng)與要素之間、要素與要素之間的相互制約、相互促進(jìn)、對立統(tǒng)一的辯證及動態(tài)關(guān)系[14-18]。而對于歷史文化名城賽博空間的認(rèn)知，則不僅需要關(guān)注表征現(xiàn)實空間海量信息自身的處理與管理，還要關(guān)注與揭示信息之間的相關(guān)關(guān)系、因果關(guān)系、協(xié)同關(guān)系甚至復(fù)雜關(guān)系，以便采用有針對性的結(jié)構(gòu)方程、多元模型、擬合函數(shù)、情景推演等技術(shù)方法，在賽博空間進(jìn)行模擬分析、預(yù)測分析、推演分析，更好地開展定量輔助決策支持，賦能歷史文化名城現(xiàn)實空間保護與傳承的規(guī)劃、設(shè)計、修繕、維護、管理[14-18]，以便實現(xiàn)歷史文化名城保護與傳承的智慧化。

上述構(gòu)成歷史文化名城數(shù)字孿生的三類空間（現(xiàn)實空間、賽博空間與認(rèn)知空間）是相互促進(jìn)、相互制約、互為因果的，現(xiàn)實空間的歷史文化名城是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，賽博空間的歷史文化名城是數(shù)字孿生的產(chǎn)物，而認(rèn)知空間的歷史文化名城則是數(shù)字孿生的靈魂，三類空間共同決定著歷史文化名城數(shù)字孿生的精度、質(zhì)量、協(xié)同、互動、效能及其生命力。

3 數(shù)字孿生智慧賦能的多維解讀：歷史文化名城保護與傳承

前文的論述表明：基于數(shù)字孿生核心理念及其空間，集成應(yīng)用多元空間信息技術(shù)方法，可以將構(gòu)成歷史文化名城的自然環(huán)境、人文環(huán)境、用地類型、道路交通、功能布局、歷史建筑等進(jìn)行宏觀、中觀、微觀多空間層級、多時空粒度的信息分類采集與精細(xì)建模，構(gòu)建歷史文化名城信息模型（HCIM），并根據(jù)歷史文化名城預(yù)防保護與管理、活化利用與永續(xù)傳承的業(yè)務(wù)需求，研發(fā)歷史文化名城保護管理信息平臺（CMIP），實現(xiàn)由現(xiàn)實空間、賽博空間與認(rèn)知空間共同組成的數(shù)字孿生歷史文化名城[14-18]，以便為歷史文化名城的保護與傳承進(jìn)行智慧賦能，具體涉及歷史文化名城的價值認(rèn)知、狀態(tài)評估與保護傳承3個主要的方面[19-23]（圖3）。

圖3 數(shù)字孿生智慧賦能歷史文化名城保護與傳承

（1）價值認(rèn)知：基于數(shù)字孿生歷史文化名城（HCIM和CMIP），科學(xué)準(zhǔn)確地揭示與闡釋歷史文化名城所蘊含的多維價值，諸如歷史價值、文化價值、藝術(shù)價值、科學(xué)價值、社會價值等，是數(shù)字孿生智慧賦能的重要方面。為了達(dá)成價值認(rèn)知的目標(biāo)，需要開展多種類型的定性與定量相結(jié)合的分析，諸如要素分析、系統(tǒng)分析、因果分析、關(guān)聯(lián)分析、比較分析等，分析過程中，可能還要涉及多維價值的一些表現(xiàn)特征，諸如空間布局特征、歷史風(fēng)貌特征、建筑形制特征、建筑結(jié)構(gòu)特征、建筑材料特征、建筑工藝特征等。以1982年公布的第一批國家歷史文化名城北京為例，擁有7處世界文化遺產(chǎn)地，賦存數(shù)量巨大、類型齊全的物質(zhì)及非物質(zhì)遺產(chǎn)類型，其價值符合聯(lián)合國教科文組織關(guān)于世界文化遺產(chǎn)的OUV體系，是值得關(guān)注的典型案例，特別是正在申報世界文化遺產(chǎn)的北京中軸線，涵蓋了眾多不同級別文物保護單位的具有系統(tǒng)性的重要文化遺產(chǎn)，只有通過遺產(chǎn)價值的發(fā)掘與甄別，才能形成對這一遺產(chǎn)更完整的價值的認(rèn)知與表達(dá)[19-23]。

（2）狀態(tài)評估：歷史文化名城的保護規(guī)劃與設(shè)計，通常是目標(biāo)導(dǎo)向與問題導(dǎo)向相結(jié)合，目標(biāo)導(dǎo)向與價值認(rèn)知關(guān)系密切，而問題導(dǎo)向則需要對歷史文化名城進(jìn)行全面系統(tǒng)的狀態(tài)評估（圖3）。顧名思義，狀態(tài)評估就是明確歷史文化名城處在何種的保護狀態(tài)，基于數(shù)字孿生歷史文化名城（HCIM和CMIP），以及高分遙感、GIS空間分析等技術(shù)方法，可以開展歷史文化名城的變化監(jiān)測、動態(tài)分析、評價分析、動因分析、情景分析等，從而達(dá)到狀態(tài)問題診斷、病害問題識別，以便針對性地對存在的問題和狀態(tài)開展規(guī)劃與設(shè)計。當(dāng)然，狀態(tài)的診斷不能僅僅針對保護對象本體或者是遺產(chǎn)本體，還應(yīng)該擴展遺產(chǎn)的賦存環(huán)境，就是不僅要評估歷史文化名城核心保護區(qū)，還要評估保護緩沖區(qū)或者建設(shè)控制地帶。對于國家歷史文化名城北京而言，不僅需要評估歷史建筑、九壇八廟、四合院落、棋盤路網(wǎng)等，還需要評估六海八水、綠色空間、風(fēng)貌格局等。這樣才能達(dá)到全面系統(tǒng)科學(xué)的認(rèn)知，也才能進(jìn)一步實現(xiàn)數(shù)字孿生的應(yīng)用賦能，助力歷史文化名城的保護傳承[19-23]。

（3）保護傳承：在上述價值認(rèn)知與狀態(tài)評估的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字孿生歷史文化名城（HCIM和CMIP），可以進(jìn)一步制定歷史文化名城保護與傳承的具體策略與實施路徑，涉及兩大方面：一是圍繞歷史文化名城價值挖掘的目標(biāo)導(dǎo)向，二是圍繞歷史文化名城狀態(tài)評估的問題導(dǎo)向（圖3）。就目標(biāo)導(dǎo)向而言，針對歷史文化名城所蘊含的文化遺產(chǎn)的原真性、完整性及系統(tǒng)性開展仿真模擬、情景推演等定量空間分析，以便為保護規(guī)劃設(shè)計、虛擬修復(fù)推理提供決策支持；就問題導(dǎo)向而言，針對狀態(tài)診斷發(fā)現(xiàn)的問題，本著歷史文化名城保護與傳承的科學(xué)性與藝術(shù)性及持續(xù)性，在數(shù)字孿生歷史文化名城（HCIM和CMIP）支撐下，開展保護規(guī)劃的實施監(jiān)測、演化模擬，以及活化利用的影響評價等，以便對癥下藥解決問題，實現(xiàn)歷史文化名城的科學(xué)保護、活化利用、永續(xù)傳承，真正達(dá)到數(shù)字孿生的智慧賦能[19-23]。

4 數(shù)字孿生典型案例的實踐探索：以北京、廣州、蘇州為例

關(guān)于我國歷史文化名城保護數(shù)字化及信息化的探索，可追溯至20世紀(jì)80年代的北京、上海、天津、廣州等城市航空遙感試驗及地理信息系統(tǒng)研究，但當(dāng)時只是從城市土地利用的角度開展新技術(shù)的探索；進(jìn)入20世紀(jì)90年代，遙感與GIS技術(shù)的應(yīng)用逐步引入到城市規(guī)劃領(lǐng)域，并開始關(guān)注舊城的現(xiàn)狀環(huán)境及其改造問題；進(jìn)入21世紀(jì)，隨著歷史文化名城保護規(guī)劃管理工作的逐步深入，結(jié)合高分遙感及Web-GIS的發(fā)展與應(yīng)用，特別是借助數(shù)字地球、數(shù)字城市的發(fā)展，歷史文化街區(qū)及歷史文化名城規(guī)劃管理信息化的工作逐步展開，2000—2010年，北京、廣州、南京、蘇州等都做過有益的探索[6-12]；2010年以來，隨著數(shù)字城市向智慧城市發(fā)展，城市規(guī)劃管理信息化向智慧化邁進(jìn)，歷史文化名城保護規(guī)劃管理智慧化的工作作為智慧城市的重要組成部分，結(jié)合文物保護及文化遺產(chǎn)保護的智慧化，正在深化與擴展，數(shù)字孿生城市的理念與技術(shù)受到政產(chǎn)學(xué)研各界廣泛關(guān)注，也在歷史文化名城保護中得到應(yīng)用與探索[13-25]。

（1）北京的實踐探索：首都北京作為第一批國家歷史文化名城，制定了《北京歷史文化名城保護條例》，并要求研建名城保護管理信息平臺，通過收集歷史文化名城保護對象的歷史、權(quán)屬、測繪數(shù)據(jù)、利用情況等信息，逐步研發(fā)形成具備“數(shù)據(jù)統(tǒng)計、運行管理、研究分析、多維展示”功能的名城保護管理信息平臺，對北京老城、三山五園地區(qū)、歷史文化街區(qū)、歷史建筑、各級文物、革命史跡和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護利用進(jìn)行信息化管理。近幾年，結(jié)合北京中軸線申報世界遺產(chǎn)工作的推進(jìn)，基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算的中軸線文化遺產(chǎn)價值挖掘及保護管理、動態(tài)監(jiān)測平臺研發(fā)與應(yīng)用初見成效[20-22]。

（2）廣州的實踐探索：廣州也是第一批國家歷史文化名城，根據(jù)《廣州市關(guān)于在城鄉(xiāng)建設(shè)中加強歷史文化保護傳承的實施意見》，保護工作需要做到空間全覆蓋、要素全囊括，既要保護單體建筑、街巷街區(qū)、空間格局、傳統(tǒng)風(fēng)貌，還要保護歷史地段、人文環(huán)境及自然景觀。為此，采用中國高分遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行多層級二維及三維要素提取，構(gòu)建評價指標(biāo)體系，開展變化分析與評價[23-24]（圖4），并進(jìn)一步根據(jù)歷史文化名城保護監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，基于數(shù)字孿生理念研發(fā)歷史文化名城保護監(jiān)測軟件，涵蓋歷史城區(qū)保護監(jiān)測模塊、歷史街區(qū)保護監(jiān)測模塊、歷史建筑保護監(jiān)測模塊和綜合評價模塊，自動生成保護監(jiān)測評價成果[23-24]（圖5）。

圖4 基于高分遙感數(shù)據(jù)的廣州歷史文化名城保護監(jiān)測分析流程

圖5 基于高分遙感數(shù)據(jù)的廣州歷史文化名城保護監(jiān)測分析成果

（3）蘇州的實踐探索：蘇州是第一批國家歷史文化名城，也是全國新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)首批試點城市，在數(shù)字孿生蘇州總體框架下，研發(fā)數(shù)字孿生古城信息模型（CIM）及古城保護管理信息平臺，主要包括一個數(shù)據(jù)樞紐中心、古城保護綜合管控與古城保護綜合展示兩大平臺、古城動態(tài)監(jiān)測與古城保護項目管理及古城保護APP等八項應(yīng)用系統(tǒng)，保護對象范圍覆蓋了整個姑蘇區(qū)，涉及歷史文化街區(qū)、園林、古城墻等18類4 000余個保護對象，成為蘇州歷史文化名城保護的“智慧大腦”，并進(jìn)一步從CIM平臺實踐和空間增值實踐兩方面，探索基于BIM、GIS及IoT的歷史文化名城保護規(guī)劃、設(shè)計、管理及運營“一張圖”方法，構(gòu)建從動態(tài)感知到分析認(rèn)知再到智慧賦能的數(shù)字化轉(zhuǎn)型新路徑[25]。

5 結(jié)語

本文首先從價值保護、利用傳承、實施路徑3個維度，分析了歷史文化名城保護與傳承的本質(zhì)需求及其對信息技術(shù)集成應(yīng)用的呼喚；然后從構(gòu)成歷史文化名城的三類空間（現(xiàn)實空間、賽博空間與認(rèn)知空間）及其相互促進(jìn)、相互制約、對立統(tǒng)一的辯證關(guān)系，解析了數(shù)字孿生的核心理念；進(jìn)一步從價值認(rèn)知、狀態(tài)評估與保護傳承3個主要的方面，闡述數(shù)字孿生對于歷史文化名城保護與傳承的智慧賦能；最后以1982年公布的3個第一批國家歷史文化名城（北京、廣州、蘇州）為例，展現(xiàn)了數(shù)字孿生賦能歷史文化名城保護與傳承的實踐探索[23-25]。

面向未來，數(shù)字孿生名城與名城信息模型（HCIM）構(gòu)建的長遠(yuǎn)目標(biāo)是歷史文化名城的智慧保護?；跉v史文化名城的多維信息型，借助遺產(chǎn)保護的業(yè)務(wù)模型、仿真分析（simulation analysis）、情景分析（scenario analysis）、機器學(xué)習(xí)（machine learning）和生成式人工智能（generative artificial intelligence，GAI）等技術(shù)方法，識別歷史文化名城的核心價值、診斷其保護與發(fā)展面臨的問題，并分析與優(yōu)化解決問題的多種可選途徑，這不僅需要基于數(shù)字孿生的歷史文化名城保護管理信息平臺（CMIP），還需要研發(fā)構(gòu)建智慧名城大腦（smart historical cities brain，SHCB），以便為名城的保護、利用、傳承提供科學(xué)合理的決策支持[6，14]。

近年來，在住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部委的倡導(dǎo)與推動下，不少城市正在構(gòu)建數(shù)字孿生城市、城市信息模型，并結(jié)合城市空間治理的業(yè)務(wù)流程與模式，探索構(gòu)建智慧城市大腦，為多種智慧應(yīng)用提供協(xié)同分析、情景模擬、聯(lián)動決策，取得了顯著的進(jìn)展，特別是在城市管理、城市交通、公共安全、智慧能源、遺產(chǎn)保護等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[26]，為智慧名城保護提供了支撐。可以肯定，基于數(shù)字孿生的智慧名城大腦（SHCB）將成為歷史文化名城保護的智慧化發(fā)展趨勢，也必將賦能歷史文化名城的保護、利用與傳承。