數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

系統完整地統籌保護、利用與傳承歷史文化名城等文化遺產，是當前我國高質量發展與文化強國的戰略要求[1-3]。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[1-4]。從1982年國務院公布第一批國家歷史文化名城至2023年，全國已經有142座城市列入國家歷史文化名城，具有數量大、類型多、內涵豐、價值高、分布廣等特征。各省、自治區、直轄市相繼完善了歷史文化名城、歷史文化街區、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，國務院及住房城鄉建設部先后制定了《歷史文化名城名鎮名村保護條例》《歷史文化名城保護規劃規范》等相關的法律法規和標準規范，建立了歷史文化名城名鎮保護體檢評估制度，并開展動態監管[1-4]。在數字中國、智慧社會發展戰略的引領下，集成應用多種信息技術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、數字孿生核心理念解析、數字孿生智慧賦能、典型案例實踐探索等方面，探索數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：呼喚信息技術的集成應用

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集成應用的前提。根據國家歷史文化名城保護相關政策要求和評估標準，歷史文化名城保護與傳承的內容主要包括歷史建筑、歷史文化街區、文物古跡、傳統格局、歷史風貌和傳統文化等，并強調保護與傳承的系統性、完整性、原真性、藝術性、科學性與持續性[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境、悠久的歷史、豐富的文化遺產類型與數量及其空間分布，分析與評價其等級與價值，涉及歷史價值、文化價值、科學價值、藝術價值、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的傳承與利用，涉及文化強國與文化自信戰略目標、科學保護的精神實質、活化利用的本質內涵、文旅融合的有效途徑，以及文化遺產的永續傳承等，這不僅需要從歷史文化名城擁有的文化遺產本體及其賦存環境予以多層次把握，而且離不開多種技術方法的集成應用，諸如高分遙感（GF-RS）、北斗導航衛星系統（BD-GNSS）、網絡地理信息系統（Web-GIS）等空間信息技術的支撐，也需要物聯網（IoT）、大數據、云計算、人工智能（AI）、增強現實（AR）等新型信息技術的應用，以便構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性、完整性、原真性，開展歷史文化名城定量價值挖掘、狀態評估、問題診斷，以便制定科學的保護與傳承規劃設計方案；另一方面是面向歷史文化名城的科學性、藝術性、持續性，開展歷史文化名城變化發展的動態監測、演化模擬、虛擬修復、創新應用等。

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方法的集成應用。

2 數字孿生核心理念的空間解析：三類空間協同關系與作用

數字孿生（digital twins）概念涉及多種技術方法的集成應用，是近年來學術界與產業界共同關注的熱點，剖析數字孿生的核心理念有助于更好地認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用場景，從技術視角來看，數字孿生本質是集成運用多種信息技術方法，建立歷史文化名城從現實空間（real space）到賽博空間（cyber space）的映射，而映射的準確度、精確度、水平與質量，往往取決于業務人員的認知空間（cognitive space）[14-18]（圖2）。為此，下面具體闡述三類空間的內涵及其關系。

圖2 歷史文化名城數字孿生核心理念空間圖解

（1）現實空間：現實空間是指現實世界中的歷史文化名城，涉及建筑物、構筑物、街巷體系、基礎設施、用地類型、功能布局、傳統文化、社會經濟、自然生態等構成歷史文化名城的各種系統及其組成要素，包括地上的與地下的、有形的與無形的、二維的與三維的、室內的與室外的、靜態的與動態的等。為了全面系統構建數字孿生歷史文化名城，就需要按照一定的時間尺度、空間尺度及業務類型進行體系化的分級、分類、分層的抽象與概括[14-18]。

（2）賽博空間：賽博空間是互聯互通的數字空間（digital space）或者虛擬空間（virtual space），是由現實空間全面數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揮作用，賽博空間通常是分級、分類、分層進行信息處理、信息管理、信息共享、信息服務，同時通過多種時間粒度、空間粒度及專題維度來進行信息組織，以便在賽博空間中高保真映射現實空間的系統與要素，實現賽博空間與現實空間的協同與互動，為歷史文化名城保護傳承的規劃、設計、模擬、預測、預警服務[14-18]。

（3）認知空間：認知空間是指從事歷史文化名城保護、利用、傳承的相關業務人員對于歷史文化名城現實空間和賽博空間正確認識與解讀。要實現歷史文化名城現實空間與賽博空間的高保真映射，要達到歷史文化名城賽博空間與現實空間互動與協同目標，相關業務人員的認知空間是至關重要的，涉及相關業務人員對歷史文化名城現實空間的認知以及對歷史文化名城賽博空間的認知。對于歷史文化名城現實空間的認知，主要體現在其是否能夠系統全面深入準確地闡釋構成現實空間系統及其要素的全空間、全業務、全要素以及全過程特征，同時體現在其是否能夠認識到系統與系統之間、系統與要素之間、要素與要素之間的相互制約、相互促進、對立統一的辯證及動態關系[14-18]。而對于歷史文化名城賽博空間的認知，則不僅需要關注表征現實空間海量信息自身的處理與管理，還要關注與揭示信息之間的相關關系、因果關系、協同關系甚至復雜關系，以便采用有針對性的結構方程、多元模型、擬合函數、情景推演等技術方法，在賽博空間進行模擬分析、預測分析、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實空間保護與傳承的規劃、設計、修繕、維護、管理[14-18]，以便實現歷史文化名城保護與傳承的智慧化。

上述構成歷史文化名城數字孿生的三類空間（現實空間、賽博空間與認知空間）是相互促進、相互制約、互為因果的，現實空間的歷史文化名城是數字孿生的基礎，賽博空間的歷史文化名城是數字孿生的產物，而認知空間的歷史文化名城則是數字孿生的靈魂，三類空間共同決定著歷史文化名城數字孿生的精度、質量、協同、互動、效能及其生命力。

3 數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：基于數字孿生核心理念及其空間，集成應用多元空間信息技術方法，可以將構成歷史文化名城的自然環境、人文環境、用地類型、道路交通、功能布局、歷史建筑等進行宏觀、中觀、微觀多空間層級、多時空粒度的信息分類采集與精細建模，構建歷史文化名城信息模型（HCIM），并根據歷史文化名城預防保護與管理、活化利用與永續傳承的業務需求，研發歷史文化名城保護管理信息平臺（CMIP），實現由現實空間、賽博空間與認知空間共同組成的數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行智慧賦能，具體涉及歷史文化名城的價值認知、狀態評估與保護傳承3個主要的方面[19-23]（圖3）。

圖3 數字孿生智慧賦能歷史文化名城保護與傳承

（1）價值認知：基于數字孿生歷史文化名城（HCIM和CMIP），科學準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、藝術價值、科學價值、社會價值等，是數字孿生智慧賦能的重要方面。為了達成價值認知的目標，需要開展多種類型的定性與定量相結合的分析，諸如要素分析、系統分析、因果分析、關聯分析、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特征，諸如空間布局特征、歷史風貌特征、建筑形制特征、建筑結構特征、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處世界文化遺產地，賦存數量巨大、類型齊全的物質及非物質遺產類型，其價值符合聯合國教科文組織關于世界文化遺產的OUV體系，是值得關注的典型案例，特別是正在申報世界文化遺產的北京中軸線，涵蓋了眾多不同級別文物保護單位的具有系統性的重要文化遺產，只有通過遺產價值的發掘與甄別，才能形成對這一遺產更完整的價值的認知與表達[19-23]。

（2）狀態評估：歷史文化名城的保護規劃與設計，通常是目標導向與問題導向相結合，目標導向與價值認知關系密切，而問題導向則需要對歷史文化名城進行全面系統的狀態評估（圖3）。顧名思義，狀態評估就是明確歷史文化名城處在何種的保護狀態，基于數字孿生歷史文化名城（HCIM和CMIP），以及高分遙感、GIS空間分析等技術方法，可以開展歷史文化名城的變化監測、動態分析、評價分析、動因分析、情景分析等，從而達到狀態問題診斷、病害問題識別，以便針對性地對存在的問題和狀態開展規劃與設計。當然，狀態的診斷不能僅僅針對保護對象本體或者是遺產本體，還應該擴展遺產的賦存環境，就是不僅要評估歷史文化名城核心保護區，還要評估保護緩沖區或者建設控制地帶。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、棋盤路網等，還需要評估六海八水、綠色空間、風貌格局等。這樣才能達到全面系統科學的認知，也才能進一步實現數字孿生的應用賦能，助力歷史文化名城的保護傳承[19-23]。

（3）保護傳承：在上述價值認知與狀態評估的基礎上，基于數字孿生歷史文化名城（HCIM和CMIP），可以進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導向，二是圍繞歷史文化名城狀態評估的問題導向（圖3）。就目標導向而言，針對歷史文化名城所蘊含的文化遺產的原真性、完整性及系統性開展仿真模擬、情景推演等定量空間分析，以便為保護規劃設計、虛擬修復推理提供決策支持；就問題導向而言，針對狀態診斷發現的問題，本著歷史文化名城保護與傳承的科學性與藝術性及持續性，在數字孿生歷史文化名城（HCIM和CMIP）支撐下，開展保護規劃的實施監測、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，實現歷史文化名城的科學保護、活化利用、永續傳承，真正達到數字孿生的智慧賦能[19-23]。

4 數字孿生典型案例的實踐探索：以北京、廣州、蘇州為例

關于我國歷史文化名城保護數字化及信息化的探索，可追溯至20世紀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研究，但當時只是從城市土地利用的角度開展新技術的探索；進入20世紀90年代，遙感與GIS技術的應用逐步引入到城市規劃領域，并開始關注舊城的現狀環境及其改造問題；進入21世紀，隨著歷史文化名城保護規劃管理工作的逐步深入，結合高分遙感及Web-GIS的發展與應用，特別是借助數字地球、數字城市的發展，歷史文化街區及歷史文化名城規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，隨著數字城市向智慧城市發展，城市規劃管理信息化向智慧化邁進，歷史文化名城保護規劃管理智慧化的工作作為智慧城市的重要組成部分，結合文物保護及文化遺產保護的智慧化，正在深化與擴展，數字孿生城市的理念與技術受到政產學研各界廣泛關注，也在歷史文化名城保護中得到應用與探索[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、權屬、測繪數據、利用情況等信息，逐步研發形成具備“數據統計、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、歷史文化街區、歷史建筑、各級文物、革命史跡和非物質文化遺產保護利用進行信息化管理。近幾年，結合北京中軸線申報世界遺產工作的推進，基于物聯網、大數據、云計算的中軸線文化遺產價值挖掘及保護管理、動態監測平臺研發與應用初見成效[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《廣州市關于在城鄉建設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、空間格局、傳統風貌，還要保護歷史地段、人文環境及自然景觀。為此，采用中國高分遙感數據，進行多層級二維及三維要素提取，構建評價指標體系，開展變化分析與評價[23-24]（圖4），并進一步根據歷史文化名城保護監測業務需求，基于數字孿生理念研發歷史文化名城保護監測軟件，涵蓋歷史城區保護監測模塊、歷史街區保護監測模塊、歷史建筑保護監測模塊和綜合評價模塊，自動生成保護監測評價成果[23-24]（圖5）。

圖4 基于高分遙感數據的廣州歷史文化名城保護監測分析流程

圖5 基于高分遙感數據的廣州歷史文化名城保護監測分析成果

（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設施建設首批試點城市，在數字孿生蘇州總體框架下，研發數字孿生古城信息模型（CIM）及古城保護管理信息平臺，主要包括一個數據樞紐中心、古城保護綜合管控與古城保護綜合展示兩大平臺、古城動態監測與古城保護項目管理及古城保護APP等八項應用系統，保護對象范圍覆蓋了整個姑蘇區，涉及歷史文化街區、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劃、設計、管理及運營“一張圖”方法，構建從動態感知到分析認知再到智慧賦能的數字化轉型新路徑[25]。

5 結語

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需求及其對信息技術集成應用的呼喚；然后從構成歷史文化名城的三類空間（現實空間、賽博空間與認知空間）及其相互促進、相互制約、對立統一的辯證關系，解析了數字孿生的核心理念；進一步從價值認知、狀態評估與保護傳承3個主要的方面，闡述數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，展現了數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，數字孿生名城與名城信息模型（HCIM）構建的長遠目標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，借助遺產保護的業務模型、仿真分析（simulation analysis）、情景分析（scenario analysis）、機器學習（machine learning）和生成式人工智能（generative artificial intelligence，GAI）等技術方法，識別歷史文化名城的核心價值、診斷其保護與發展面臨的問題，并分析與優化解決問題的多種可選途徑，這不僅需要基于數字孿生的歷史文化名城保護管理信息平臺（CMIP），還需要研發構建智慧名城大腦（smart historical cities brain，SHCB），以便為名城的保護、利用、傳承提供科學合理的決策支持[6，14]。

近年來，在住房城鄉建設部等部委的倡導與推動下，不少城市正在構建數字孿生城市、城市信息模型，并結合城市空間治理的業務流程與模式，探索構建智慧城市大腦，為多種智慧應用提供協同分析、情景模擬、聯動決策，取得了顯著的進展，特別是在城市管理、城市交通、公共安全、智慧能源、遺產保護等領域發揮了重要的作用[26]，為智慧名城保護提供了支撐?？梢钥隙?，基于數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展趨勢，也必將賦能歷史文化名城的保護、利用與傳承。