基于知识图谱的建筑遗产数字化研究历史回顾与启示

夏正伟，陈月莹

引言

建筑遗产是人类重要的物质与精神财富，对其进行保护和合理利用是对人类长期积累的思想文化、艺术创造以及科学智慧的传承和发展。学者们在原真性原则的指导下，在尊重原物和延长使用寿命等物态景象上的原真、信息认知层面上的原真等方面展开了一系列的研究[1]，特别是随着对建筑遗产价值认识的不断深入[2]，形成了基于价值评估的多尺度保护理论与方法[3]，数字化技术在其中的应用日益广泛。建筑遗产的建档登录[4]、修缮施工[5]、预防性保护[6]、交互和展示[7]等过程中均有数字化技术的参与，建筑遗产的价值揭示、意义传播和形象呈现与可穿戴设备、移动互联网等正紧密结合[3]。在数字化技术日益完善和计算机算力显著提升的当下，如何将建筑遗产数字化保护与利用合理推向一个新的高度仍缺乏深入思考。2021年被称为元宇宙元年，以数字化技术为核心的元宇宙，将为建筑遗产保护与利用提供一个新的场景。本文试图通过对国外文献建筑遗产研究中数字化应用的相关研究成果进行充分梳理，为元宇宙时代的建筑遗产数字化保护与利用发展提供参考借鉴。

1 数据来源及研究方法

本文基于Web of science（WOS）核心数据库，对文章主题词中包括建筑遗产（architecture heritage）和数字化（digitization或virtual）的论文进行了检索，共检索出英文文献456篇（检索时区从2000年1月到2022年7月）。对检索获得的英文文献进行排查筛选，阅读摘要及关键词，剔除不相关的文献后，共得到357条有效英文文献题录。利用CiteSpace软件对所收集的文献数据进行时间线图谱、关键词聚类、关键词共现和关键词突现的可视化分析和发文量分析。CiteSpace是当前最为常用的知识图谱分析工具之一。基于CiteSpace的知识图谱分析方法，可以从科学宏观的角度和视角揭示相关知识演进的内在历程与结构，展现知识节点在知识网络中的相对位置，发掘相关热点和逻辑关系，对揭示学科发展的脉络具有较好的效果[8]。

2 建筑遗产数字化研究的历程分析

通过文献检索可知，WOS中建筑遗产数字化研究初始阶段相关研究成果相对较少，近年来发文量开始大幅上升。结合CiteSpace软件的timeline view功能进行分析，可以将建筑遗产数字化研究分为探索期（2000—2010年）、发展期（2011—2015年）和增长期（2016年至今）3个主要阶段（图1—2）。

图1 建筑遗产数字化研究文献数量及时间分布

2.1 探索期：数字化介入下的多维探索应用

图2 建筑遗产数字化研究关键词时间线视角图谱

在数字化测绘、虚拟现实技术（VR）、增强现实技术（AR）、3D重建等数字化技术的支持下，学者们在建筑遗产与数字化技术的结合方面进行了多维探索，推动了建筑遗产保护与利用的发展。Yilmaz等借助数字近景摄影测量技术对文化遗产项目进行视觉图像的采集，以此为基础可获得较为精准的建筑立面与模型信息，使建筑遗产数据获取更加方便、精确和省时，有助于建筑文化遗产项目的存档记录和未来修复利用管理等[9]；Koutsoudis等通过三维重建古建筑，构建了可交互的3D虚拟漫游场景，推动了建筑遗产从实体保护到数字化保护的发展[10]；Styliadis等深入探讨了建筑遗产管理中融合元数据的建模与应用研究问题，结合虚拟场景功能提高了文化遗产三维模型可视化和推广的可能性，对建筑遗产保护和虚拟旅游的意义重大[11]。虽然此阶段建筑遗产数字化研究的成果相对较少，但学者们的探索为数字化技术如何介入建筑遗产保护与利用提供了无限可能。建筑遗产的数字化不仅可将其蕴含的物质信息与文化信息进行真实的转译，而且能为人们创造在文化遗产虚拟场景空间中进行沉浸式体验的可能。

2.2 发展期：保护视野下的数字化存档管理与呈现

随着数字化技术与建筑遗产结合的迅速发展，这个时期在建筑遗产的数字化存档和可视化呈现方面取得了较多研究进展。一方面，推动了建筑遗产数字化存档的数据精确性和管理全周期性。利用激光扫描技术和摄影测量技术可以获取较为精确和丰富的建筑遗产数据，建筑遗产数字化资源库创建的可操作性越来越强[12]；依托BIM技术建立的历史建筑信息模型（HBIM）可以实现对建筑遗产全生命周期的管理，Isabel等针对建筑遗产工作流程中存在的流程不清晰、信息分散和工具过时等问题，开发了简单可视化的HBIM协议功能，可保存遗产数据并阐明流程[13]。另一方面，推动了建筑遗产数字化档案较为完善的可视化呈现。如Liu Yong等在虚拟京杭大运河项目中，构建了具有挑战性的虚拟3D历史场景，通过把不同类型的领域整合到建筑语义模型中，解决了它们之间的不一致性，重建并呈现出具有空间性、外观性和历史一致性的虚拟大运河[14]；Sdegno等则把一些历史比较久远的建筑遗产的二维数据转化为三维模型，通过建模渲染虚拟场景，并结合增强现实技术将其转换为动态形式展出，提供了更加直接的可视化感知方式[15]。总体来看，不管是数字化存档管理还是可视化呈现，核心都是以建筑遗产的真实性为前提，进行文化遗产的全面记录、管理和展示等，为建筑遗产的建档登录、修缮及预防性保护提供了重要的技术支撑，推动了建筑遗产数字化存档的数据精确性和管理全周期性。

2.3 增长期：利用维度下的数字化体验与交互

目前，建筑遗产数字化保护研究已取得较多进展，在AR、VR、HBIM等技术的支撑下，建筑遗产保护的研究已经从早期强调具有“精确”和“可视化”优势的数字信息过程转向关注对“现实”和“高度体验”的互动环境的开发[7]，建筑遗产利用研究正向与用户互动和沉浸式体验的方向不断拓展。Hua等对建筑遗产进行三维文献记录，构建基于互联网的虚拟旅游体验，以三维互动的方式提供虚拟旅游，为建筑遗产文化传承提供了新的平台，有助于唤醒大众对建筑遗产的保护意识[16]。Fonseca等展现了巴特罗之家博物馆的文化活动，通过使用虚拟现实技术持续完善历史建筑的参观体验和空间感知，改善游客的学习环境，帮助游客更好获得知识、理解建筑遗产真正的价值[17]。Soto-Martin等使用数字成像工具结合地形和地面进行摄影测量，重建并恢复残破且几乎不存在的建筑结构和壁画，再将3D模型插入一个包含建筑和艺术信息的沉浸式、交互式的虚拟现实环境中，从而允许用户实时探索、观察建筑遗产[18]。Banfi提出了基于VR和AR的工具方法，可提高建筑遗产虚拟场景的交互性，并能够利用HBIM模型创建XR场景，营造新的数字化体验空间（如虚拟博物馆和严肃游戏）[19]。可以发现，建筑遗产数字化的服务对象正从小范围的专业人群走向社会大众，这既是对建筑遗产的活态保护与创新利用，也是一种更好的文化传承方式。

3 建筑遗产数字化研究热点与前沿

3.1 研究热点分析

为进一步厘清外文文献中建筑遗产数字化研究的热点主题的分布情况、明晰研究主题共现关系，运用CiteSpace中的对数似然比算法（log-likelihoodratio，LLR）对关键词进行聚类分析，共获得18个有意义的关键词聚类模块，关键词聚类模块度（modularity Q）为0.569，轮廓值（mean sihouette）为0.929 9，表明关键词均聚类显著且结果合理。18个聚类模块包括增强现实、3D建模、建筑遗产、数字化技术、实时生成、文化遗产、基准化、物联网、3D数字化、城市博物馆、虚拟实验、3D文档、3D自动摄影测量和建筑考古等，可以将其归纳总结为3个主要研究主题（图3—4）。

图3 建筑遗产数字化研究关键词共现图谱

3.1.1 数字化介入下建筑遗产保护与利用认识的拓展

建筑遗产蕴含着独特的历史文化，其建筑形态、场地环境、材料与工艺技术、事件关联性等都承载着丰富的历史印记，是人类文明延续的载体之一。原真性原则是世界公认的评估和监控建筑遗产的重要原则，是进行保护与修复、登录和管理的标准[1]。然而，随着自然灾害或人为入侵，既有建筑遗产保护措施的复杂性和对相关历史信息认知的不足，都将使建筑遗产保护与利用面临巨大的挑战。新兴的BIM、HBIM、VR、AR等数字化技术通过数字化存档和3D可视化可以对建筑遗产丰富的信息进行保存、诠释和呈现，人们将获得较以往更为全面的相关信息，特别是与认知体验等相关的信息[3]，这将为建筑遗产提供高质量的保护，为建筑遗产的保护提供新的方向[20]。利用数字化技术还可以虚拟重建、模拟展示已经被摧毁的文化遗产,“数字保护”文化遗产已成为一种新的建筑遗产保护方式[21]。

图4 建筑遗产数字化研究关键词聚类图谱

数字化技术不仅可以全面呈现历史建筑遗产，还可以提供新的设计和体验方式[22]。利用可视化数据，可以优化紧急情况下的建筑遗产保护实践和修复过程。通过构建建筑遗产的虚拟场景，人们可以对建筑遗产进行观察并获得智能互动体验，这不仅能够减少对建筑遗产的破坏，还可以促进建筑遗产文化的传播。新冠肺炎疫情暴发以来，很多建筑遗产类空间都经历了暂停开放的情况，而虚拟现实技术为人们提供了线上参观博物馆、古典园林等文化遗产的机会。

3.1.2 建筑遗产保护相关的数字化技术发展

学者们围绕建筑遗产数字化存档涉及的数据采集与处理、模型建构、信息展示等数字化技术展开了一系列的研究。

在建筑遗产信息数据获取方面，相较于传统的测绘方法，激光扫描、摄影测量和地形测量等数字化间接测量技术被证明是测量建筑物快速准确的方法，特别是在大型、复杂和偏远的环境中，激光扫描和摄影测量的数据采集优势非常明显[23]。Yin等结合三维激光扫描技术对建筑遗产的现场数据进行采集，并结合计算机深度学习，进行了关键性特征的提取，以构建真实的空间数据模型[24]。由于3D激光扫描可以快速创建细节和模型、实现文化遗产的数字化，该步骤几乎已成为建筑遗产预防灾害、记录信息和传播文化的一个强制性步骤[25]。摄影测量方法可以弥补3D激光扫描的不足，提高后期3D建模复原建筑遗产的精确性，摄像记录的大部分过程可实现自动化，便捷、精确地获取建筑遗产信息，但是其质量取决于使用的图像数量、图像分辨率、照片比例、照明条件和应用软件的参数设置[26]。部分学者还对建筑遗产摄影如何获取图像自校准、恢复正面姿态图像等技术问题进行了深入研究，提高了建筑遗产数字化存档中照片和虚拟视频的质量和真实性[11，27]。

在建筑遗产模型建构方面，在PhotoModeler、PhotoScan、VisualSfM、ARC3D等模型建构工具的支撑下，可以实现定向控制和建模控制[28]。基于BIM技术的历史建筑模型（HBIM）可提取建筑几何特征、建筑风格以及考古学和历史学等数据进行分类整理，并将其储存在一个HBIM功能模型中，建模时可根据建筑复杂性采用不同的方法[29]。另外，还可使用形状语法进行建模，结合基于形状语法的程序建模，在虚拟环境中自动重建、生成样式和配置，提高虚拟模型建构的自动化程度[30]。

在建筑遗产模型的信息展示与管理方面，基于BIM技术的历史建筑模型（HBIM），可以生成建筑全生命周期模型，是建筑遗产信息展示与管理的重要工具。HBIM除了正交投影和3D模型（线框或纹理）外，还可以自动创建截面、细节和明细表，用于分析和保护历史对象、结构和环境[30]。HBIM还具有很强的扩展性，可以与VR、AR、XR等技术进行结合，强化与用户的交互性。另外，结合3D数字化模型进行建筑遗产灾害风险管理也是数字化技术应用与遗产保护的一个重要内容[31]。

除了建筑遗产数据采集与模型建构等数字化技术的研究外，学者们对建筑遗产的数字化标准也进行了探索，以防止在数据采集和转译过程中丢失关键信息，影响建筑遗产数字化呈现的原真性。如Nocerino等认为一些数字化模型关注视觉呈现，而模型信息缺乏精准性和可靠性[32]。Campos等结合普鲁登特总统城火车站（Presidente Prudente Railway Station）和普鲁登特·德·莫赖斯雕像（Prudente de Morais statue）两个不同类型的案例对利用摄影测量技术采集建筑遗产数据的标准进行了研究，结合ISO19131和ISO19157制定了相应的数据采集标准和应用测量方法，有效提升了建筑遗产模型分类和数据的可靠性[23]。

3.1.3 建筑遗产空间体验的数字化发展

在计算机算力的提升以及V R、AR、MR（混合现实技术）、XR（扩展现实）等数字化技术发展的支撑下，学者们围绕建筑遗产数字空间环境的交互体验进行了一系列的探索研究。

在体验与交互的数字化技术研究方面，CIPRESSO等将AR系统虚拟对象在用户体验期间实时叠加到现实世界中，在现实环境中结合真实和虚拟的对象进行交互式实时运行，强烈的存在感、真实感提升了体验质量[33]；Ma通过信息建模和编程集成两个阶段，实现了场景信息模型的集成和交互呈现，增强了空间信息的交互和展示应用能力[7]；Banfi提出以创建新形式的扩展现实技术（XR）来改进HBIM的互操作性，使用户直接接触建筑物获得切身体验，进而使静态HBIM具有交互性、沉浸性和互操作性[19]。另外，随着便携式和嵌入式设备的发展，结合高度互动的物理与虚拟连接，建筑遗产与人类感官产生密切联系，用户体验正在演变为新型混合体验，会产生更高程度的沉浸式体验[34]。VR和AR技术还可以用于智能手机和平板电脑，为用户跨平台、跨场景进行远程交互体验提供支撑[18]。可以发现，数字化技术促进了建筑遗产保护从专业性向大众化的转变。

在建筑遗产案例应用研究方面，博物馆可以利用虚拟现实系统推出历史遗址的虚拟游览，直接将历史与当代城市并置，创造一个充满教育意义的交互式虚拟游览场景[35]。对于具有环境敏感性或适合人群参观的遗产建筑或古迹，可以将遗产BIM的3D交互式数字模型与VR、AR等技术相结合，实现虚拟全景旅游[36]。另外，对于已经消失的建筑遗产，可以在虚拟现实场景中将虚拟与现实重叠，让已经消失的建筑遗产充分发挥有效的教育效果[37]。

3.2 建筑遗产数字化研究的前沿分析

基于关键词的词频变动突现图谱分析，可以对英文文献中建筑遗产数字化研究的热点和前沿进行更加直观的展现（图5）。关键词突现图谱可以揭示突现关键词的时间变化性，红色线段表示突现时长，占比越多说明研究的持续时间越长，也显示出该热点的重要性和影响力；关键词的强度（strength）数值越大表明该关键词受到了越多的关注。

图5 建筑遗产数字化研究关键词突现图谱

国外建筑遗产保护研究中突现率最高的被引词有10个，其中“virtual reconstruction”（虚拟重建）突现强度最高，为2.82，时段是2017—2019年，说明建筑遗产虚拟重建是这个阶段的研究热点。其次是“virtual reality”（虚拟现实），突现强度为1.62，时段为2019—2020年，表明建筑遗产与虚拟现实结合在这个阶段被高度重视。突现强度第三的关键词是“heritage”（遗产），突现强度为1.44，时段为2020—2022年，也是近期的突现词，对建筑遗产数字化研究具有重要的引导作用。突现强度高说明这几个成熟的研究领域有一定的宽度和深度。分析突现词的发展，可明显看出其逐渐与数字化相结合，表明数字化基础是建筑遗产保护的机遇和挑战。近几年来突现的3个关键词为3D数字化（3d digitization）、遗产（heritage）和深度学习（deep learning），表明这3个研究主题在建筑遗产数字化保护领域比较活跃，特别是随着计算机算力的提升和虚拟现实等数字化技术的不断发展，如何结合人工智能技术提升信息采集与处理质量、推动建筑遗产3D数字化资源建设成为研究重点。

4 结语

建筑遗产的数字化保护与利用在中国仍然是一个相对较新的课题，但结合英文文献中建筑遗产数字化研究的发展现状与研究热点，可以发现：（1）在数字化技术力量的作用下，传统的“原真性”建筑遗产保护与利用方式被不断拓展，富含历史印记信息的数字化模型与场景成为一种新的保护方式，虚拟场景所投射的原真性信息在直观的呈现下不断被感知与体验，其价值也被不断传播和延续；（2）从保护的视角来看，建筑遗产存档与管理等方面数字化技术的发展，推动了建筑遗产信息数据获取、模型建构以及信息展示与管理等方面的精确性和全周期性发展，可对建筑遗产的建档登录、修缮、预防性保护等起到积极作用；（3）从利用的视角来看，VR、AR、MR等数字化技术与便携式设备等的结合可以打破物理时空的壁垒，让用户在文化遗产虚拟场景空间中进行沉浸式体验与交互，有助于丰富数字化时代的日常生活方式[38]，培养受众的文化认同感，推进文化遗产的传承与发展。

建筑遗产保护与传承的重要性和参与度在当下不断被提升，特别是在对非接触式生活方式的推动下，建筑遗产保护利用与元宇宙的有效融合将成为时代热点。但以下几个方面的问题仍需进行进一步的讨论和研究：

（1）原真性下的自然真实与虚拟真实。数字化技术使建筑遗产在空间上进行拓展，形成了自然真实遗产建筑的虚拟真实，数据质量是保障虚拟真实性的前提。虽然激光点云和摄影测量等相关方法提高了数据采集的准确性，但是还应以精细化的建筑遗产保护数字化技术标准体系为参照，避免在数据采集、模型构建等操作过程中使技术目标与标准等产生较大差异。不能以建筑遗产数字化模型的视觉效果为标准，而忽视其物态信息的准确性。

（2）专业性诉求与公众性需求。基于BIM、摄影测量、3D激光扫描的数字化模型可以满足对建筑遗产的研究、保护与展示交流的专业性需求，但针对博物馆、园林、历史街区等具有较强体验性和教育意义的场所，如何结合XR、VR、AR等技术促使建筑遗产向社会公众开放，提高在手机、平板等便携式设备平台上的易获取性，将成为重要的发展方向。另外，可以深入挖掘HBIM的后续应用，围绕HBIM进行建筑环境变化检测和行为影响模拟，为建筑遗产空间再利用提供参考[39]。

（3）现实具身性与虚拟具身性。目前建筑遗产虚拟体验与交互层面受物理模拟的限制，其虚拟环境的体验感与真实环境相比还有较多不足，应关注如何借助穿戴设备（如VR头盔、触觉设备等）产生与现实世界类似的具身性体验，进而使建筑遗产蕴含的丰富历史文化信息转化为充分的感官体验。

总而言之，在以数字化技术为核心的元宇宙时代，建筑遗产的保护与利用的观念、技术与方式面临着新的机遇，在厘清“自然真实与虚拟真实”“专业性诉求与公众性需求”“现实具身性与虚拟具身性”等方面问题的基础上，推动建立开放交互的建筑遗产数据库，将会使宝贵的建筑遗产在可保护、可分享、可体验、可活化的状态下被更好地保护与利用。