数字孪生赋能历史文化名城保护与传承研究

党安荣，李翔宇，吴冠秋，田 颖，陈麦尼，伦玉昆

引言

系统完整地统筹保护、利用与传承历史文化名城等文化遗产，是当前我国高质量发展与文化强国的战略要求[1-3]。历史文化名城是指由国务院批准公布的具有重大历史价值或革命纪念意义、保存文物特别丰富的城市[1-4]。从1982年国务院公布第一批国家历史文化名城至2023年，全国已经有142座城市列入国家历史文化名城，具有数量大、类型多、内涵丰、价值高、分布广等特征。各省、自治区、直辖市相继完善了历史文化名城、历史文化街区、历史建筑等保护体系。为了保护、利用和传承这些珍贵的历史文化遗产，国务院及住房城乡建设部先后制定了《历史文化名城名镇名村保护条例》《历史文化名城保护规划规范》等相关的法律法规和标准规范，建立了历史文化名城名镇保护体检评估制度，并开展动态监管[1-4]。在数字中国、智慧社会发展战略的引领下，集成应用多种信息技术来开展历史文化名城的保护与传承是大势所趋[4-8]。为此，本文从历史文化名城保护与传承需求、数字孪生核心理念解析、数字孪生智慧赋能、典型案例实践探索等方面，探索数字孪生赋能历史文化名城保护与传承。

1 历史文化名城保护与传承需求：呼唤信息技术的集成应用

分析与明确历史文化名城保护与传承的需求是探索信息技术集成应用的前提。根据国家历史文化名城保护相关政策要求和评估标准，历史文化名城保护与传承的内容主要包括历史建筑、历史文化街区、文物古迹、传统格局、历史风貌和传统文化等，并强调保护与传承的系统性、完整性、原真性、艺术性、科学性与持续性[4-9]。如图1所示，历史文化名城保护与传承的需求主要取决于3个方面。

图1 历史文化名城保护与传承需求分析框架

首要的需求是历史文化名城所蕴含的特征与价值保护，这需要从历史文化名城所处的自然及人文地理环境、悠久的历史、丰富的文化遗产类型与数量及其空间分布，分析与评价其等级与价值，涉及历史价值、文化价值、科学价值、艺术价值、社会价值等多个维度[1-4]，也是历史文化名城保护与传承的根本所在。

第二个需求是国家和民族对文化遗产的传承与利用，涉及文化强国与文化自信战略目标、科学保护的精神实质、活化利用的本质内涵、文旅融合的有效途径，以及文化遗产的永续传承等，这不仅需要从历史文化名城拥有的文化遗产本体及其赋存环境予以多层次把握，而且离不开多种技术方法的集成应用，诸如高分遥感（GF-RS）、北斗导航卫星系统（BD-GNSS）、网络地理信息系统（Web-GIS）等空间信息技术的支撑，也需要物联网（IoT）、大数据、云计算、人工智能（AI）、增强现实（AR）等新型信息技术的应用，以便构建历史文化名城信息模型（historical cities information model，HCIM）及其保护管理信息平台（conservation management information platform，CMIP）[4-13]。

第三个需求是探寻保护与传承的具体实施路径，这个需求一方面是面向历史文化名城的系统性、完整性、原真性，开展历史文化名城定量价值挖掘、状态评估、问题诊断，以便制定科学的保护与传承规划设计方案；另一方面是面向历史文化名城的科学性、艺术性、持续性，开展历史文化名城变化发展的动态监测、演化模拟、虚拟修复、创新应用等。

显然，价值保护、利用传承和实施路径这三方面的需求都离不开众多技术方法的集成应用。

2 数字孪生核心理念的空间解析：三类空间协同关系与作用

数字孪生（digital twins）概念涉及多种技术方法的集成应用，是近年来学术界与产业界共同关注的热点，剖析数字孪生的核心理念有助于更好地认识其对历史文化名城保护的赋能。面向历史文化名城保护与传承的应用场景，从技术视角来看，数字孪生本质是集成运用多种信息技术方法，建立历史文化名城从现实空间（real space）到赛博空间（cyber space）的映射，而映射的准确度、精确度、水平与质量，往往取决于业务人员的认知空间（cognitive space）[14-18]（图2）。为此，下面具体阐述三类空间的内涵及其关系。

图2 历史文化名城数字孪生核心理念空间图解

（1）现实空间：现实空间是指现实世界中的历史文化名城，涉及建筑物、构筑物、街巷体系、基础设施、用地类型、功能布局、传统文化、社会经济、自然生态等构成历史文化名城的各种系统及其组成要素，包括地上的与地下的、有形的与无形的、二维的与三维的、室内的与室外的、静态的与动态的等。为了全面系统构建数字孪生历史文化名城，就需要按照一定的时间尺度、空间尺度及业务类型进行体系化的分级、分类、分层的抽象与概括[14-18]。

（2）赛博空间：赛博空间是互联互通的数字空间（digital space）或者虚拟空间（virtual space），是由现实空间全面数字化之后生成的海量历史文化时空信息所组成。为了让海量历史文化时空信息发挥作用，赛博空间通常是分级、分类、分层进行信息处理、信息管理、信息共享、信息服务，同时通过多种时间粒度、空间粒度及专题维度来进行信息组织，以便在赛博空间中高保真映射现实空间的系统与要素，实现赛博空间与现实空间的协同与互动，为历史文化名城保护传承的规划、设计、模拟、预测、预警服务[14-18]。

（3）认知空间：认知空间是指从事历史文化名城保护、利用、传承的相关业务人员对于历史文化名城现实空间和赛博空间正确认识与解读。要实现历史文化名城现实空间与赛博空间的高保真映射，要达到历史文化名城赛博空间与现实空间互动与协同目标，相关业务人员的认知空间是至关重要的，涉及相关业务人员对历史文化名城现实空间的认知以及对历史文化名城赛博空间的认知。对于历史文化名城现实空间的认知，主要体现在其是否能够系统全面深入准确地阐释构成现实空间系统及其要素的全空间、全业务、全要素以及全过程特征，同时体现在其是否能够认识到系统与系统之间、系统与要素之间、要素与要素之间的相互制约、相互促进、对立统一的辩证及动态关系[14-18]。而对于历史文化名城赛博空间的认知，则不仅需要关注表征现实空间海量信息自身的处理与管理，还要关注与揭示信息之间的相关关系、因果关系、协同关系甚至复杂关系，以便采用有针对性的结构方程、多元模型、拟合函数、情景推演等技术方法，在赛博空间进行模拟分析、预测分析、推演分析，更好地开展定量辅助决策支持，赋能历史文化名城现实空间保护与传承的规划、设计、修缮、维护、管理[14-18]，以便实现历史文化名城保护与传承的智慧化。

上述构成历史文化名城数字孪生的三类空间（现实空间、赛博空间与认知空间）是相互促进、相互制约、互为因果的，现实空间的历史文化名城是数字孪生的基础，赛博空间的历史文化名城是数字孪生的产物，而认知空间的历史文化名城则是数字孪生的灵魂，三类空间共同决定着历史文化名城数字孪生的精度、质量、协同、互动、效能及其生命力。

3 数字孪生智慧赋能的多维解读：历史文化名城保护与传承

前文的论述表明：基于数字孪生核心理念及其空间，集成应用多元空间信息技术方法，可以将构成历史文化名城的自然环境、人文环境、用地类型、道路交通、功能布局、历史建筑等进行宏观、中观、微观多空间层级、多时空粒度的信息分类采集与精细建模，构建历史文化名城信息模型（HCIM），并根据历史文化名城预防保护与管理、活化利用与永续传承的业务需求，研发历史文化名城保护管理信息平台（CMIP），实现由现实空间、赛博空间与认知空间共同组成的数字孪生历史文化名城[14-18]，以便为历史文化名城的保护与传承进行智慧赋能，具体涉及历史文化名城的价值认知、状态评估与保护传承3个主要的方面[19-23]（图3）。

图3 数字孪生智慧赋能历史文化名城保护与传承

（1）价值认知：基于数字孪生历史文化名城（HCIM和CMIP），科学准确地揭示与阐释历史文化名城所蕴含的多维价值，诸如历史价值、文化价值、艺术价值、科学价值、社会价值等，是数字孪生智慧赋能的重要方面。为了达成价值认知的目标，需要开展多种类型的定性与定量相结合的分析，诸如要素分析、系统分析、因果分析、关联分析、比较分析等，分析过程中，可能还要涉及多维价值的一些表现特征，诸如空间布局特征、历史风貌特征、建筑形制特征、建筑结构特征、建筑材料特征、建筑工艺特征等。以1982年公布的第一批国家历史文化名城北京为例，拥有7处世界文化遗产地，赋存数量巨大、类型齐全的物质及非物质遗产类型，其价值符合联合国教科文组织关于世界文化遗产的OUV体系，是值得关注的典型案例，特别是正在申报世界文化遗产的北京中轴线，涵盖了众多不同级别文物保护单位的具有系统性的重要文化遗产，只有通过遗产价值的发掘与甄别，才能形成对这一遗产更完整的价值的认知与表达[19-23]。

（2）状态评估：历史文化名城的保护规划与设计，通常是目标导向与问题导向相结合，目标导向与价值认知关系密切，而问题导向则需要对历史文化名城进行全面系统的状态评估（图3）。顾名思义，状态评估就是明确历史文化名城处在何种的保护状态，基于数字孪生历史文化名城（HCIM和CMIP），以及高分遥感、GIS空间分析等技术方法，可以开展历史文化名城的变化监测、动态分析、评价分析、动因分析、情景分析等，从而达到状态问题诊断、病害问题识别，以便针对性地对存在的问题和状态开展规划与设计。当然，状态的诊断不能仅仅针对保护对象本体或者是遗产本体，还应该扩展遗产的赋存环境，就是不仅要评估历史文化名城核心保护区，还要评估保护缓冲区或者建设控制地带。对于国家历史文化名城北京而言，不仅需要评估历史建筑、九坛八庙、四合院落、棋盘路网等，还需要评估六海八水、绿色空间、风貌格局等。这样才能达到全面系统科学的认知，也才能进一步实现数字孪生的应用赋能，助力历史文化名城的保护传承[19-23]。

（3）保护传承：在上述价值认知与状态评估的基础上，基于数字孪生历史文化名城（HCIM和CMIP），可以进一步制定历史文化名城保护与传承的具体策略与实施路径，涉及两大方面：一是围绕历史文化名城价值挖掘的目标导向，二是围绕历史文化名城状态评估的问题导向（图3）。就目标导向而言，针对历史文化名城所蕴含的文化遗产的原真性、完整性及系统性开展仿真模拟、情景推演等定量空间分析，以便为保护规划设计、虚拟修复推理提供决策支持；就问题导向而言，针对状态诊断发现的问题，本着历史文化名城保护与传承的科学性与艺术性及持续性，在数字孪生历史文化名城（HCIM和CMIP）支撑下，开展保护规划的实施监测、演化模拟，以及活化利用的影响评价等，以便对症下药解决问题，实现历史文化名城的科学保护、活化利用、永续传承，真正达到数字孪生的智慧赋能[19-23]。

4 数字孪生典型案例的实践探索：以北京、广州、苏州为例

关于我国历史文化名城保护数字化及信息化的探索，可追溯至20世纪80年代的北京、上海、天津、广州等城市航空遥感试验及地理信息系统研究，但当时只是从城市土地利用的角度开展新技术的探索；进入20世纪90年代，遥感与GIS技术的应用逐步引入到城市规划领域，并开始关注旧城的现状环境及其改造问题；进入21世纪，随着历史文化名城保护规划管理工作的逐步深入，结合高分遥感及Web-GIS的发展与应用，特别是借助数字地球、数字城市的发展，历史文化街区及历史文化名城规划管理信息化的工作逐步展开，2000—2010年，北京、广州、南京、苏州等都做过有益的探索[6-12]；2010年以来，随着数字城市向智慧城市发展，城市规划管理信息化向智慧化迈进，历史文化名城保护规划管理智慧化的工作作为智慧城市的重要组成部分，结合文物保护及文化遗产保护的智慧化，正在深化与扩展，数字孪生城市的理念与技术受到政产学研各界广泛关注，也在历史文化名城保护中得到应用与探索[13-25]。

（1）北京的实践探索：首都北京作为第一批国家历史文化名城，制定了《北京历史文化名城保护条例》，并要求研建名城保护管理信息平台，通过收集历史文化名城保护对象的历史、权属、测绘数据、利用情况等信息，逐步研发形成具备“数据统计、运行管理、研究分析、多维展示”功能的名城保护管理信息平台，对北京老城、三山五园地区、历史文化街区、历史建筑、各级文物、革命史迹和非物质文化遗产保护利用进行信息化管理。近几年，结合北京中轴线申报世界遗产工作的推进，基于物联网、大数据、云计算的中轴线文化遗产价值挖掘及保护管理、动态监测平台研发与应用初见成效[20-22]。

（2）广州的实践探索：广州也是第一批国家历史文化名城，根据《广州市关于在城乡建设中加强历史文化保护传承的实施意见》，保护工作需要做到空间全覆盖、要素全囊括，既要保护单体建筑、街巷街区、空间格局、传统风貌，还要保护历史地段、人文环境及自然景观。为此，采用中国高分遥感数据，进行多层级二维及三维要素提取，构建评价指标体系，开展变化分析与评价[23-24]（图4），并进一步根据历史文化名城保护监测业务需求，基于数字孪生理念研发历史文化名城保护监测软件，涵盖历史城区保护监测模块、历史街区保护监测模块、历史建筑保护监测模块和综合评价模块，自动生成保护监测评价成果[23-24]（图5）。

图4 基于高分遥感数据的广州历史文化名城保护监测分析流程

图5 基于高分遥感数据的广州历史文化名城保护监测分析成果

（3）苏州的实践探索：苏州是第一批国家历史文化名城，也是全国新型城市基础设施建设首批试点城市，在数字孪生苏州总体框架下，研发数字孪生古城信息模型（CIM）及古城保护管理信息平台，主要包括一个数据枢纽中心、古城保护综合管控与古城保护综合展示两大平台、古城动态监测与古城保护项目管理及古城保护APP等八项应用系统，保护对象范围覆盖了整个姑苏区，涉及历史文化街区、园林、古城墙等18类4 000余个保护对象，成为苏州历史文化名城保护的“智慧大脑”，并进一步从CIM平台实践和空间增值实践两方面，探索基于BIM、GIS及IoT的历史文化名城保护规划、设计、管理及运营“一张图”方法，构建从动态感知到分析认知再到智慧赋能的数字化转型新路径[25]。

5 结语

本文首先从价值保护、利用传承、实施路径3个维度，分析了历史文化名城保护与传承的本质需求及其对信息技术集成应用的呼唤；然后从构成历史文化名城的三类空间（现实空间、赛博空间与认知空间）及其相互促进、相互制约、对立统一的辩证关系，解析了数字孪生的核心理念；进一步从价值认知、状态评估与保护传承3个主要的方面，阐述数字孪生对于历史文化名城保护与传承的智慧赋能；最后以1982年公布的3个第一批国家历史文化名城（北京、广州、苏州）为例，展现了数字孪生赋能历史文化名城保护与传承的实践探索[23-25]。

面向未来，数字孪生名城与名城信息模型（HCIM）构建的长远目标是历史文化名城的智慧保护。基于历史文化名城的多维信息型，借助遗产保护的业务模型、仿真分析（simulation analysis）、情景分析（scenario analysis）、机器学习（machine learning）和生成式人工智能（generative artificial intelligence，GAI）等技术方法，识别历史文化名城的核心价值、诊断其保护与发展面临的问题，并分析与优化解决问题的多种可选途径，这不仅需要基于数字孪生的历史文化名城保护管理信息平台（CMIP），还需要研发构建智慧名城大脑（smart historical cities brain，SHCB），以便为名城的保护、利用、传承提供科学合理的决策支持[6，14]。

近年来，在住房城乡建设部等部委的倡导与推动下，不少城市正在构建数字孪生城市、城市信息模型，并结合城市空间治理的业务流程与模式，探索构建智慧城市大脑，为多种智慧应用提供协同分析、情景模拟、联动决策，取得了显著的进展，特别是在城市管理、城市交通、公共安全、智慧能源、遗产保护等领域发挥了重要的作用[26]，为智慧名城保护提供了支撑。可以肯定，基于数字孪生的智慧名城大脑（SHCB）将成为历史文化名城保护的智慧化发展趋势，也必将赋能历史文化名城的保护、利用与传承。