GIS技术在城市历史遗产保护管理中的应用研究进展

洪 丽，庞松龄，耿美云

（1东北农业大学园艺园林学院，哈尔滨150030；2哈尔滨市园林绿化科研所，哈尔滨150030）

0 引言

城市是一种时间的艺术或者说是一种记忆的艺术，每个人对自己生活的城市的印象必然沉浸在记忆中[1]。对于一个城市而言，历史建筑、历史街区乃至历史事件发生地的毁坏，就如同抹去它的记忆。过去30年，中国城市更新采用最多的是推倒重来、拆旧建新的方式，这种更新失去的不仅仅是历史建筑或历史街区，更多的是城市仅存的历史记忆和地域特色。在城市动态演进中，必须采用一种有效手段来保护和传承历史景观的遗产价值，并使其过程变得可控，才能使弥足珍贵的历史文化遗迹得到综合的、持续的、渐进的、长久的保护[2-4]。因此，探索一种高效率、快捷查询历史遗产信息的方法，是目前广大城市遗产研究者们所关注的热点。在传统的遗产保护过程中，从事城市遗产保护的工作人员受时间和学识限制不能及时了解到遗产信息，分散收集的信息数据又因为没有统一的管理，查询起来非常困难，导致工作效率的严重下降。地理信息系统（geographic information system，以下简称GIS），是一种基于宏观视角来分析空间特征和景观格局的有效工具，具有数据库管理、可视化制图、图像处理和分析等方面的优势。因此，GIS技术的介入，为历史街区和城市历史遗产的保护和管理带来了新的契机。

近年来，基于GIS技术的研究主要集中于地形测绘[5-6]、大气污染监测[7-9]、生态资源评估及生态环境质量监测[10-12]、工程测量及地质学[13-14]、城市交通建设[15-16]、洪水及水污染控制[17-20]、乡村旅游用地规划[21]、城市绿地系统规划[22]、果蔬资源管理[23]等领域，城市景观规划和风景园林遗产保护管理方面的研究较少。本研究主要针对目前世界遗产保护和管理数字化的趋势，分析GIS系统与传统信息记录方式的差异，对城市历史遗产包括文化景观、历史建筑、历史街区、风景园林景观遗产、乡村景观遗产等方面的研究进展进行综述，并通过国外成功案例解析总结GIS动态数据库构建的基本思路和流程，为中国未来历史遗产保护和管理工作提供借鉴和参考。

1 传统信息记录方式与GIS系统的差异

传统的信息记录方式，是通过调研与勘察，将各项信息分类记录储存于纸上，进行纸质化的档案管理。在计算机普及之后，虽有计算机方式的存储管理，但是仍然只是以doc、pdf、jpg等文字、图片格式的简单的电子文档存储管理为主。这种传统的信息记录方式具有诸多问题和不足，比如当积累了大量数据之后，整理、分析、操作和管理这些信息就变得非常困难，既凌乱复杂，也不够形象直观。工作人员仅凭现状的基础资料，很难快速准确地做出正确的判断，也很难进行更为量化的管理和分析，从而给遗产保护和管理工作带来意想不到的失误或遗憾。

GIS系统除了采集、存储、显示、编辑、检索、分析、表达、输出等功能之外，能够实现历史数据的回溯、调取和比对，可以方便灵活的查询和检索遗产信息的属性数据，并能完成空间定位。遗产保护工作者可根据GIS数据库随时掌握遗产的各类信息，并根据这些信息快速做出保护所需要的判断和决策。比如，在城市空间分析中，GIS系统通过3D视图与具体地理空间坐标的结合，分析空间格局并能自动化制图展示，其GIS引擎帮助目标用户能够对可视化地图中的数据进行查看和操控[24-25]。同时，GIS系统还可以为遗产管理者和公众提供多种查询方法，如分类查询、模糊查询、空间查询、空间条件查询和综合条件查询等，再根据查询的内容提供相关数据并输出专题地图。在文化遗产，尤其是建筑遗产的管理与保护领域，GIS在建筑信息的空间表达、历史资料存档、勘察信息标准化、保存状况评估等方面，具有传统方法无法比拟的巨大优势，在保证数据真实性、准确性和完整性的同时，实现对数据的高度整合，从而能够科学地指导今后的保护管理及干预工作。

2 GIS在文化遗产保护管理中的应用

世界文化遗产包括文物、建筑群、遗址、非物质文化等内容。随着科技的发展，许多新兴技术如大数据环境下文化遗产资源的获取和组织、时空数据的挖掘利用以及视觉检索机制等出现在公众的生活方式中。世界教科文组织于1992年启动了“世界的记忆(Memory of the World)”项目，利用现代信息技术永久性保存世界各国的文化遗产，如“世界遗产在线互动地图”，信息资源供公众查询和游览。早在20世纪中后期，国外已经将GIS技术运用于建筑遗产的保护工作中，包括建筑勘察设计、制定保护规划、在线管理等，如世界教科文组织在柬埔寨吴哥窟遗址修复项目[26]，运用GIS系统辅助项目组进行了数据收集和分析工作，并建立了属性数据库。

城市历史遗产的调查和管理运作主要以政府主导和推动、民间商业组织参与、社区自主参与管理、政府主导下的市场运作等诸多模式展开。世界教科文组织（2013—2015年）在乌兹别克斯坦城市历史遗产GIS数据库建设项目[27-28]中，帮助地方政府和遗产专家评估历史遗产的变化过程，并在充分采纳公众意见和发展诉求的基础上，以数据库验证其管理战略的有效性，它是政府主导和推动管理模式的典型案例；而2013年启动的澳大利亚巴拉瑞特城市历史景观项目[29]，则是“参与式的变化管理”模式的典型案例。该项目将项目总体目标设定为(participatory management of change)，即通过与利益相关者的合作，实现对城市历史景观价值更深刻的理解并有效管理其变化。基于此目标，巴拉瑞特城市政府制定了四大工具（市民参与工具、金融工具、知识和规划工具、管理工具）推动“城市历史景观”方法在当地的实践。项目实践过程中，采用倾斜摄影、数字正射影像和激光雷达扫描等前沿测绘技术，快速采集城市历史景观的空间信息，构建高精度三维模型，再整合BIM与GIS技术平台，实现城市历史景观海量信息的一体化存储，并引入BIM“全生命周期信息管理”理念和相关CAD技术完成景观要素信息的存档、更新和管理。此项目的价值在于应用“城市历史景观”方法指导数字化遗产实践，构建了一个遗产价值交流的平台，将土著文化、城市事件、社会空间和节庆活动等非物质文化遗产信息整合到数据库当中，并利用新技术进行再现，开创了遗产景观档案建设的新模式。

近年来，国内开始运用GIS技术于文化遗产保护实践，解决文化遗产有效资源调查、数据分析过程中面临的诸多难题。目前比较成功的案例包括“中国大运河世界文化遗产监测总平台”、“中国世界文化遗产监测预警总平台”、“中国历史地理信息系统”、“三峡库区文物保护信息系统”、“灾后文化遗产抢救性保护综合信息平台”等。GIS技术在古遗址、古城墙、历史建筑、文化遗产资源点建库、文化遗产廊道研究中应用也比较多。例如金连玉等[30]结合GIS技术、数据库技术和三维技术建立南京明城墙三维可视化管理系统平台，实现了城砖铭文空间位置、二维影像、分布位置等信息的在线查询，促进了城墙砖文研究与利用；何韶颖等[31]利用GIS技术与近景摄影测量的方法，对上海市的文物建筑进行历史建筑数字化保存和历史建筑信息化管理等方面研究；王佳依[32]运用GIS技术收集和整理文化遗产资源点的坐标和高程数据，将资源点信息导入ArcGIS平台分析其空间分布情况、交通适宜性和服务区分布等，为文化遗产廊道总体规划提供参考路线和基础的文化遗产廊道走向。

此外，在竭尽所能做好安全工作的同时，GIS技术的发展也为文物保护修复和文化遗产“重生”提供了更多选择。据《国家地理》(National Geographic)报道，美国瓦萨学院已故建筑历史学家安德鲁·塔隆，从2011年开始利用GIS技术和激光扫描技术精确测量和记录巴黎圣母院的全貌，耗时数年最终收集了超过10亿个数据点，生成的模型能够描述出巴黎圣母院最微小的细节，包括它的缺陷，据说误差只有大约5 mm。这个数据库对火灾后法国巴黎圣母院的“重生”起到了相当积极的作用，同时这场大火也给全世界的文物安全工作敲响了警钟。

3 GIS在区域文化与文化景观遗产保护管理中的应用

随着城市化进程的深入，景观遗产的保护、规划、研究面临着复杂的形式和问题。而GIS技术在处理大尺度下景观遗产资源的分类与统筹管理时具有与传统景观遗产保护管理方法不可比拟的优势，能为各类型的风景园林遗产保护与评估工作提供定性和定量相结合的技术思路，也为区域文化与文化景观遗产保护与开发提供科学、系统、完整的分析结果和规划决策依据。

目前，很多科研机构和科研项目利用GIS技术进行区域文化与文化景观遗产的信息采集，实现了跨区域系统性的保护与规划策略。比如对资源的类型、特征、时期、保存状况等属性建库，并对其空间密度、交通可达性等进行相关分析，进行系统、综合的资源评价，最后根据分析的结果提出跨区域系统性的保护与规划策略。在德国，从1999年开始就建立一个基于志愿行为的文化景观要素收集系统——“KLEKs”，它是一个基于GIS平台的地理信息收集的查询工具和数据库，拥有迄今超过30万的文化景观要素数据库，其中包含大约1.5万个简述性文稿和3万张照片，目前主要应用于乡村区域文化研究[33]。虽然国内的文化景观数据库的规模和覆盖范围相对较小，但国内文化景观要素信息系统是根据不同用户需求设置的权限，具有使用性和科学性的优点。例如，孙瑾[34]王琬萱[35]等在庐山革命旧址和革命名人故居GIS空间数据调查中，结合地理信息系统、全球定位系统和遥感等技术来获取实地数据信息和遥感影像，通过遥感影象准确地获取庐山革命活动地大面积综合的各种信息，采用3DGIS、虚拟现实技术以及可视化等计算机技术，将复杂的景观图形图像化，并设置了高级管理员、普通管理员、注册用户、漫游用户等4个权限。这里的高级管理员是处于系统统筹规划以及管理阶层，有审核各种资源文件以及发布各类信息的权限；普通管理员具有发布经高级管理员审核后的文件资源和信息的权限，也负责管理各注册用户；注册用户在注册为会员后，享有查询、检索、收藏、下载所需资源、上传自有相关资源的权限，经管理员审核后方可发布；漫游用户只享有浏览的权限，不能下载也不能发布信息。

在文化与自然双重遗产保护管理研究中，国内遗产保护工作者则综合运用图、文、声、像等多种形式结合建立数据库。目前已投入使用的“泰山世界遗产数据库”，是泰山管委会按照联合国教科文组织对世界遗产的监测标准构建，并结合区域文化建设的地方文化旅游资源库。此外，如中国风景园林导航网、秦山在线、泰山旅游网等，均充分展示了中国双重遗产突出普遍的自然科学价值和历史文化价值。

4 GIS在风景园林遗产保护管理中的应用

与传统的文化遗产保护不同的是，风景园林遗产更突出其文化遗产与环境资源两者的契合发展。在风景园林遗产保护与管理中，GIS的应用可以从对文化遗产资源的保护发展到对大尺度下的风景园林遗产保护、管理与预测研究层面上，使风景园林遗产保护建立在科学、理性分析的基础上，构建科学、理性、定性定量相结合的规划决策模式。因此，充分应用和发挥GIS的特点和优势，不断吸收新思想、新理念和新技术方法，对现有方法加以改革，能够提升风景园林遗产保护与管理的效力与专业性。

在古典园林的研究领域中，前人通过传统的定性方法与计算机技术的量化分析相结合开辟出了新的研究方法与视角。比如，喻梦哲等[36]整合空间句法与传统空间分析方法来研究山地园林不同尺寸的景观对象；梁慧琳[37]运用空间句法和三维点云技术分析古典园林的空间结构和特征；杨晨等[38]采用GIS色谱图工具研究古典园林的空间视觉特点，运用现代声学技术开展古典园林声景研究；古丽圆等[39]张青萍等[40]运用三维激光扫描和近景摄影测绘技术测量古典园林的池山。以上的新方法均对古典园林遗产数据的获取和研究方法的创新起到了推动作用。

在近代园林研究领域中，通过借助GIS技术合理更新技术平台，完成对城市近代园林的管理、数据采集和分析、规划设计、保护更新等，达到未来园林系统更新的目的。在风景区和自然保护区的研究中，通常借助GIS空间分析手段，根据研究地块的地形、地貌数据，分析场地的特征、自然资源的空间分布状况等，并综合土地覆盖类型进行深入分析，如高程、坡度、地形起伏度分析、缓冲区分析以及叠加分析等，根据结果划定自然保护区、缓冲区以及可发展区域，形成适宜的生态空间安全格局。曹杰[41]在无锡鼋头渚近代园林基础信息数据库的构建研究中，将不同格式的属性信息系统化采集和处理，储存于ArcGIS技术平台和Microsoft Access管理信息平台，再通过对图片数据、文字属性、影视文件和音频数据等信息成果的采集，采用国家统一园林绿化信息的编码规范进行数字化建库，并通过分类别整合信息与分类别管理信息共同完成遗产基础空间信息数据库的创建；周向频等[42]借助数据库(Database)技术、GIS技术和历史研究方法，整合一手资料进行空间数据和属性数据的分类录入，提取具有共相的典型数据进行编码重组和系统化的分类编辑，借助GIS、RS、空间句法等技术手段辅助研究上海近代公园和城市空间在市域与园域两种不同尺度下的互动关系，最终实现了上海近代公园的整体图景和具有谱系线索的图文影音数据库的构建。

目前，在遗产廊道构建[43]、风景名胜区乡村景观建设[44]、文化线路遗产保护[45]、历史街区保护[46]、建筑遗产保护[47-49]的研究中，也常借助GIS技术探索其在宏观尺度下的空间视觉感知，并对其进行生态现状评估与预测模拟分析，包括对各类生态用地空间分布特征及其面积统计、生态用地时空演变趋势以及对宏观尺度下地理空间的景观格局分析。尤其是在传统聚落空间和古村落文化遗产研究中，通过GIS高程、坡向、坡度图综合分析可建立建筑类型和村寨形态之间的关系，从而保证新农村建设中的村寨地域性特征，并应用GIS技术分析场地景观的可达性、舒适性、完整性、互动性等。例如，黄玉婷[50]和叶家珏[25]在贵州“万峰林那灰村设计”项目及贵州“安顺鲍家屯乡村景观空间信息数字化”项目中，均通过这套理论体系，分析、归纳、总结获得了具有吸引力的村落类型，为新农村可持续发展研究提供了坚实的基础。

5 借鉴与展望

近年来，数字化文化遗产档案建设、遗产数字化交互、数字化传播研究备受学者关注。如敦煌数字化、泰国名城素可泰、越南顺化古城、墨西哥玛雅文化遗址等项目均顺利完成了数字化保护信息系统构建，在实践中已经建立起一套比较完善的保护制度，包括立法支持、资金保障、科学管理和公众参与等内容[51,52]。随着数字化技术的不断发展，VR、BIM等数字技术也开始运用于文化遗产保护与管理研究[53-54]，但城市历史遗产保护研究中如何综合高效运用各种数字化技术等方面研究还不够深入。这些数字化技术为遗产管理部门和专业人员提供专业化服务的同时，也带来了一系列的技术难题。因此，未来的城市遗产保护与管理需要开展以下几方面的工作。

（1）加强交叉学科的合作与研究。城市历史遗产动态GIS数据库的建设，涉及很多交叉学科的知识，如考古学、历史学、地理学、环境科学、生态学、景观学等多学科领域知识。因此，由多学科背景、多种不同文化背景和多家研究机构的专家来组建项目团队，对于项目的深入研究和顺利完成都尤为重要。

（2）要综合运用新技术和新方法。2019年召开的第三届国际“数字化文化遗产：未来视界”系列会议，探寻的是景观视角下的数字化技术对遗产档案的精确记录、遗产数字化交互、传播与公众参与的多重途径。所以运用遥感技术、激光测距仪、360度全景数码相机进行测绘，在各种播放插件（通常JAVA、Quicktime、Activex、Flash）的支持下，仔细观察和发现、记录遗产损坏情况及整体的保护情况等，再综合运用VR、AR、VRML、BIM、LIM、DSM生成技术、三维定量制作技术等完成数字遗产的永久保存。

（3）加强遗产文件的编制和专题图像综合特征提取与优化。遗产文件编制过程中要明确遗产的调查范围和调查时间细节，比如项目预计完成的周期、调查的具体季节和时间段、调查的次数、调查覆盖的地区、建筑物的物理条件、历史中心的遗产价值和经济价值等，并详细绘制遗产边界及专项地图。相对于传统的信息记录方式，GIS的数据库结构是以调查为基础形成并允许图层的叠加，更容易的可视化和查询。所以通过遥感技术获取高分辨率的Quick Bird卫星图像，将其用作GIS数据库的背景层，结合问卷调查表、Excel数据库、全景照片、平面图、Sketch up文件等，准确地绘制出遗产边界和缓冲区的专项地图。

（4）加强动态GIS数据库的跟踪服务。通过绘制的专题地图和属性地图，及时了解城市遗产持续演变过程。因为GIS数据库专题地图能说明几类信息之间的相互关联，而价值专题地图不仅能说明遗产价值的变化，还可以解释变化的原因。所以跟踪调查的这些变化要及时更新加入到数据库，也有助于发现具有高遗产价值的濒危遗产的信息，供地方当局优先考虑未来的干预措施和管理方面的决策。

总而言之，目前在国内城市遗产保护领域，GIS技术在大尺度范围的应用较多，小尺度范围遗产保护研究较少。GIS信息体系的主要来源是被动贡献的数据模式，公众主动参与式的贡献数据则相对较少。针对不同的调查和管理模式产生的数据集在技术细节和主题内容上的差异，应该多鼓励普通民众参与城市历史遗产保护和管理实践，加强遗产保护管理研究中的更为精细化的数据分析与管理，为各类型的遗产保护与评估工作提供定性和定量相结合的技术思路和数据支撑。同时，应该多利用互联网和新媒体等新兴平台发挥其共享和传播功能，使世界遗产得到较多关注和更好的传承。