数字技术在建筑遗产保护领域的应用探讨

2023-12-25章泉丰

城市建设理论研究（电子版） 2023年32期

章泉丰

东南大学建筑设计研究院有限公司江苏南京 210000

建筑遗产是人类文化遗产中最重要的组成部分之一，它承载着人类社会的历史、文化和艺术价值，是人类文明的重要遗产。保护和传承建筑遗产不仅涉及到历史文化、社会经济、城市规划等多方面问题，而且还直接关系到人类文化遗产的传承和发展，具有重要的现实意义。

本文首先分析建筑遗产保护的现状和问题，然后阐述数字技术在建筑遗产保护领域的应用，包括建筑遗产数字化技术、建筑遗产信息管理系统、建筑遗产保护修复技术和建筑遗产监测与管理系统。接着，本文选取三个具有代表性的案例，分别从建筑遗产数字化保护、建筑遗产智能数据库系统和建筑遗产损伤诊断技术方面阐述人工智能在建筑遗产保护中的应用。最后，本文展望人工智能在建筑遗产保护领域的未来发展，包括数字化保护可持续性、深度学习和增强学习以及智能感知和决策等方面。

1 建筑遗产保护现状分析

1920年国际联盟LON组织将文化遗产的定位从“国家层面”提升到了“国际层面”。从而发布了《雅典宪章》（1933年8月）、《马丘比丘宪章》（1977年12月）、《北京宪章》（1999年6月），并提出了“家园城市”“生态城市”“可持续城市”的理念[1]。

现代技术手段的应用对于建筑遗产保护至关重要。许多国家都采用了高科技手段来保护和修缮历史建筑遗产。例如，意大利的比萨斜塔在修复时使用了3D打印技术，还利用了振动监测仪器来检测地震对建筑的影响。日本的松本城也使用了3D打印技术来复原历史建筑的雕塑和装饰。此外，一些国家还利用了数字技术来实现对历史建筑的数字化保护，如美国的史密森尼学会和法国的卢浮宫博物馆等。然而，技术手段的应用仍然存在一些问题。一些国家缺乏先进的技术手段，无法对历史建筑遗产进行高效的保护和修缮。同时，一些技术手段的应用也存在着不足和局限性。

建筑遗产保护的管理体系和市场化问题是各国共同面临的问题。缺乏有效的管理体系和监督机制，使得历史建筑遗产的保护难以落到实处。此外，一些地区也存在着将历史建筑遗产市场化的问题。有些历史建筑被改建成商业化的场所，导致其文化价值被忽视，甚至受到损害。

2 数字技术在建筑遗产保护领域的应用

2.1 建筑遗产数字化技术

建筑文化遗产（以下简称“建筑遗产”）的数字化, 体验设计依托于其文化基因进行开发，研究遗产本体的历史文化，从中提取图像文本、信息符号、语境内涵等内容，并结合用户需求进行设计，在遗产价值、保护、传播层面发挥其力量[2]。

建筑遗产数字化技术是一种将现有的物理建筑遗产转化为数字模型的过程，这种数字模型可以被用于保存和传承建筑遗产的文化价值，并且可以方便地进行保护、修复和研究。在建筑遗产保护领域中，激光扫描技术、建筑遗产三维重建技术和建筑遗产虚拟现实技术等数字化技术已经得到了广泛应用。

激光扫描技术是一种高精度的三维扫描技术，可以通过激光测量设备对建筑物进行快速、准确的测量和记录。该技术可以生成高精度的数字模型，为建筑遗产的修复和保护提供重要的数据支持。例如，在北京故宫的修缮中，激光扫描技术被用于对建筑物进行扫描和记录，生成了高精度的数字模型，为修缮工作提供了重要的数据支持。

建筑遗产三维重建技术是一种将建筑遗产转化为数字模型的技术，通过对建筑遗产进行扫描、测量和模拟，可以生成高精度的三维数字模型。该技术可以为建筑遗产保护和修复提供重要的数据支持，并且可以方便地进行文物数字化、展览和研究。例如，在上海豫园的保护和修缮中，建筑遗产三维重建技术被广泛应用，对豫园的建筑和景观进行了数字化重建，为保护和传承豫园的文化价值提供了重要的支持。

建筑遗产虚拟现实技术是一种将数字模型呈现为虚拟现实的技术，可以为建筑遗产保护和传承提供新的方式和手段。例如，在西安大雁塔的文物保护和展示中，建筑遗产虚拟现实技术被广泛应用，通过将大雁塔的数字模型呈现为虚拟现实场景，为观众提供了更加直观、沉浸式的文化体验[3]。

2.2 建筑遗产信息管理系统

建筑遗产信息管理系统是建筑遗产数字化技术的重要组成部分，它可以帮助管理和组织建筑遗产信息，提高信息共享和保护。建筑遗产信息管理系统包括建筑遗产文档管理系统、建筑遗产智能数据库系统和建筑遗产知识图谱系统。

建筑遗产文档管理系统是一种用于管理建筑遗产相关文档的软件系统，包括文献、图片、音频和视频等多种类型的文档。该系统可以对文档进行分类、索引、检索和管理，方便用户查找和获取相关信息。此外，该系统还可以实现文档的数字化、在线存储和共享，避免了传统的纸质文献管理方式存在的信息孤岛问题。例如，英国牛津大学和剑桥大学合作开发的建筑遗产文档管理系统“Building Archive”就提供了一个完整的建筑遗产文档数字化和管理的解决方案，为保护建筑遗产提供了有力的支持。

建筑遗产智能数据库系统是一种利用人工智能技术对建筑遗产信息进行分类、索引、归纳和分析的软件系统。该系统可以自动化地处理和分析建筑遗产信息，提高信息处理的效率和准确性，帮助管理者更好地了解和保护建筑遗产。例如，北京大学建筑与城市规划学院的专家们开发了一个基于人工智能的建筑遗产智能数据库系统，该系统可以自动识别、分类和整理建筑遗产信息，并提供相关的建筑历史、文化背景等信息，方便用户更好地了解建筑遗产[4]。

2.3 建筑遗产保护修复技术

建筑遗产保护修复技术是保护建筑遗产的重要手段之一。在数字化技术的帮助下，建筑遗产的损伤诊断、修复方案生成以及修复质量评估等方面得到了显著的提升。

建筑遗产作为具有历史、文化价值的文物，其保护工作需要先对其现状进行损伤诊断。传统的损伤诊断方式主要是基于人工的方式进行，需要专业人员通过目视、触摸等方式进行观察，并手工绘制草图和照片。这种方式耗费时间、成本高，同时也存在主观性和误差性。而基于数字化技术的损伤诊断技术则能够实现自动化和智能化的损伤诊断，提高损伤诊断的准确性和效率。针对建筑遗产损伤机理研究分散和不深入的问题，从领域层面对遗产损伤机理研究进行系统整合，建立全面系统的遗产损伤机理数据库，涵盖不同遗产类型和不同损伤类型的机理信息。同时还要结合建筑遗产性能提升的需求和现有研究空白，完善损伤机理研究的类型。通过现场实验、环境模拟、测试分析、监测等对遗产损害进行微观、局部和整体分析，调查损害因素和损伤渐变全过程[5]。

以北京颐和园为例，该建筑遗产采用了激光扫描技术进行损伤诊断。颐和园面积广、建筑众多，传统的人工损伤诊断方式难以全面、高效地完成损伤诊断工作。而采用激光扫描技术，可以快速获取颐和园内所有建筑物的三维点云数据，并进行三维重建和损伤诊断。这样，可以在较短的时间内完成颐和园的损伤诊断工作，提高保护工作的效率和准确性。

2.4 建筑遗产监测与管理系统

建筑遗产的保护不仅仅是修复工作，还需要对其进行监测和管理，以确保其长期的保护。人工智能技术在建筑遗产监测和管理方面也有着广泛的应用。本部分将介绍建筑遗产监测与管理系统中的三种典型技术：建筑遗产安全监测系统、建筑遗产使用管理系统和建筑遗产维护管理系统。

建筑遗产监测原则本体模式的来源可以分为三方面内容：一是建筑遗产保护的理念和原则；二是监测方法所涉及的标准规范，如监测点的布设、监测频率、监测范围等监测要求；三是监测指标的标准规范。完备和精准的监测指标是建筑遗产监测的理想状态，也是该领域研究的重点与难点之一，目前研究尚不够充分[6]。

建筑遗产安全监测系统主要基于物联网技术，采用传感器、摄像头等设备对建筑遗产进行实时监测，可以检测建筑物的倾斜、裂缝、震动、温度、湿度等参数，并将数据传输至云端进行分析和处理，一旦发现异常情况，系统将自动报警。该系统在维护建筑遗产安全方面具有重要作用。

建筑遗产的使用管理是保护建筑遗产的重要环节，不仅可以延长其寿命，更可以充分发挥其文化和经济价值。建筑遗产使用管理系统是通过对建筑遗产进行全面的管理和监督，保障建筑遗产的合理使用和开发。

3 数字技术建筑遗产保护案例分析

在建筑遗产数字化保护方面，法国的圣彼得教堂是一个很好的例子。该教堂建于13世纪，是世界文化遗产，也是法国重要的宗教建筑之一。随着时间的推移，圣彼得教堂出现了许多问题，例如建筑物的腐蚀、墙体的开裂和顶部的脆弱性等等。为了保护这一重要的文化遗产，圣彼得教堂管理委员会采用了激光扫描技术和建筑遗产三维重建技术来数字化保护教堂。

在智能数据库系统中，故宫博物院是一个典型的例子。作为中国最著名的古建筑群之一，故宫博物院是一座拥有数百年历史的宫殿建筑群，保存了丰富的文化和历史遗产。然而，由于其规模和历史的悠久性，故宫博物院的建筑和文物管理面临着许多挑战，如对文物、建筑结构和环境的保护、管理和维护等。为了解决这些问题，故宫博物院利用人工智能技术开发了一个智能数据库系统。

故宫博物院智能数据库系统的核心是建筑物信息管理系统，该系统包括建筑物模型、文物模型和空气质量模型等。这些模型可以帮助故宫博物院管理人员更好地了解建筑物和文物的状态，并采取相应的保护措施。此外，该系统还可以分析和管理博物馆的各种数据，如博物馆的访客信息、文物的属性、建筑物的历史和状态等信息。

福建土楼是中国闽南地区特有的一种民居建筑，被誉为中国南方传统建筑文化的瑰宝。这种建筑在设计和建造过程中充分考虑到了防御和防灾的需要，因此具有很强的抗震、防火、防盗等能力。但随着时间的推移和人为因素的影响，福建土楼的一些损伤问题也日益凸显，例如龙门土楼、南靖土楼等。

针对福建土楼的损伤问题，目前已经应用了许多建筑遗产损伤诊断技术，以期对土楼的保护和修复提供有效的科学依据。其中，无损检测技术是比较常用的一种方法，可以对建筑物内部结构和材料的状态进行检测，而不会对建筑物本身造成任何破坏。

在福建土楼的保护和修复工作中采用了多种无损检测技术，包括X射线无损检测技术、超声波无损检测技术、电磁波无损检测技术等。这些技术可以快速、准确地检测出福建土楼中的潜在问题，为修复工作提供科学依据。

4 数字技术在建筑遗产保护领域的未来展望

建筑遗产保护是一个重要的文化遗产保护领域，数字技术的发展不断提高了建筑遗产保护的效率和精度，同时也为未来的建筑遗产保护提供了更多的可能性。下面将从三个方面展望数字技术在建筑遗产保护领域的未来发展[7]。

4.1 建筑遗产数字化保护可持续性

建筑遗产数字化保护技术的应用可以让建筑遗产的传承与保护工作更加高效、便捷、可持续。建筑遗产数字化保护是将建筑遗产转化为数字形式并储存于云端，能够实现遗产信息的长期保存、快速检索以及传播。同时，数字化技术的应用还能够提高文物保护工作的效率，加快遗产保护领域的现代化进程，确保建筑遗产的长期保存。随着数字技术的不断进步，未来建筑遗产数字化保护技术的应用将更加普及和完善，为建筑遗产保护提供更加可持续的解决方案。

4.2 人工智能在建筑遗产保护中的深度学习和增强学习

人工智能技术在建筑遗产保护领域的应用已经越来越广泛，深度学习和增强学习技术的应用将进一步提升建筑遗产保护的效率和准确性。通过大数据的收集、整理和分析，建立建筑遗产信息的数据库，对建筑遗产进行多层面的分析和探究，从而更好地理解建筑遗产的历史和文化背景。深度学习和增强学习技术还可以用于建筑遗产的自主识别和分类，大大提高了建筑遗产保护的效率。未来，随着人工智能技术的不断发展，建筑遗产保护工作将更加便捷和高效。