GIS技術在城市歷史遺產保護管理中的應用研究進展

洪 麗，龐松齡，耿美云

（1東北農業大學園藝園林學院，哈爾濱150030；2哈爾濱市園林綠化科研所，哈爾濱150030）

0 引言

城市是一種時間的藝術或者說是一種記憶的藝術，每個人對自己生活的城市的印象必然沉浸在記憶中[1]。對于一個城市而言，歷史建筑、歷史街區乃至歷史事件發生地的毀壞，就如同抹去它的記憶。過去30年，中國城市更新采用最多的是推倒重來、拆舊建新的方式，這種更新失去的不僅僅是歷史建筑或歷史街區，更多的是城市僅存的歷史記憶和地域特色。在城市動態演進中，必須采用一種有效手段來保護和傳承歷史景觀的遺產價值，并使其過程變得可控，才能使彌足珍貴的歷史文化遺跡得到綜合的、持續的、漸進的、長久的保護[2-4]。因此，探索一種高效率、快捷查詢歷史遺產信息的方法，是目前廣大城市遺產研究者們所關注的熱點。在傳統的遺產保護過程中，從事城市遺產保護的工作人員受時間和學識限制不能及時了解到遺產信息，分散收集的信息數據又因為沒有統一的管理，查詢起來非常困難，導致工作效率的嚴重下降。地理信息系統（geographic information system，以下簡稱GIS），是一種基于宏觀視角來分析空間特征和景觀格局的有效工具，具有數據庫管理、可視化制圖、圖像處理和分析等方面的優勢。因此，GIS技術的介入，為歷史街區和城市歷史遺產的保護和管理帶來了新的契機。

近年來，基于GIS技術的研究主要集中于地形測繪[5-6]、大氣污染監測[7-9]、生態資源評估及生態環境質量監測[10-12]、工程測量及地質學[13-14]、城市交通建設[15-16]、洪水及水污染控制[17-20]、鄉村旅游用地規劃[21]、城市綠地系統規劃[22]、果蔬資源管理[23]等領域，城市景觀規劃和風景園林遺產保護管理方面的研究較少。本研究主要針對目前世界遺產保護和管理數字化的趨勢，分析GIS系統與傳統信息記錄方式的差異，對城市歷史遺產包括文化景觀、歷史建筑、歷史街區、風景園林景觀遺產、鄉村景觀遺產等方面的研究進展進行綜述，并通過國外成功案例解析總結GIS動態數據庫構建的基本思路和流程，為中國未來歷史遺產保護和管理工作提供借鑒和參考。

1 傳統信息記錄方式與GIS系統的差異

傳統的信息記錄方式，是通過調研與勘察，將各項信息分類記錄儲存于紙上，進行紙質化的檔案管理。在計算機普及之后，雖有計算機方式的存儲管理，但是仍然只是以doc、pdf、jpg等文字、圖片格式的簡單的電子文檔存儲管理為主。這種傳統的信息記錄方式具有諸多問題和不足，比如當積累了大量數據之后，整理、分析、操作和管理這些信息就變得非常困難，既凌亂復雜，也不夠形象直觀。工作人員僅憑現狀的基礎資料，很難快速準確地做出正確的判斷，也很難進行更為量化的管理和分析，從而給遺產保護和管理工作帶來意想不到的失誤或遺憾。

GIS系統除了采集、存儲、顯示、編輯、檢索、分析、表達、輸出等功能之外，能夠實現歷史數據的回溯、調取和比對，可以方便靈活的查詢和檢索遺產信息的屬性數據，并能完成空間定位。遺產保護工作者可根據GIS數據庫隨時掌握遺產的各類信息，并根據這些信息快速做出保護所需要的判斷和決策。比如，在城市空間分析中，GIS系統通過3D視圖與具體地理空間坐標的結合，分析空間格局并能自動化制圖展示，其GIS引擎幫助目標用戶能夠對可視化地圖中的數據進行查看和操控[24-25]。同時，GIS系統還可以為遺產管理者和公眾提供多種查詢方法，如分類查詢、模糊查詢、空間查詢、空間條件查詢和綜合條件查詢等，再根據查詢的內容提供相關數據并輸出專題地圖。在文化遺產，尤其是建筑遺產的管理與保護領域，GIS在建筑信息的空間表達、歷史資料存檔、勘察信息標準化、保存狀況評估等方面，具有傳統方法無法比擬的巨大優勢，在保證數據真實性、準確性和完整性的同時，實現對數據的高度整合，從而能夠科學地指導今后的保護管理及干預工作。

2 GIS在文化遺產保護管理中的應用

世界文化遺產包括文物、建筑群、遺址、非物質文化等內容。隨著科技的發展，許多新興技術如大數據環境下文化遺產資源的獲取和組織、時空數據的挖掘利用以及視覺檢索機制等出現在公眾的生活方式中。世界教科文組織于1992年啟動了“世界的記憶(Memory of the World)”項目，利用現代信息技術永久性保存世界各國的文化遺產，如“世界遺產在線互動地圖”，信息資源供公眾查詢和游覽。早在20世紀中后期，國外已經將GIS技術運用于建筑遺產的保護工作中，包括建筑勘察設計、制定保護規劃、在線管理等，如世界教科文組織在柬埔寨吳哥窟遺址修復項目[26]，運用GIS系統輔助項目組進行了數據收集和分析工作，并建立了屬性數據庫。

城市歷史遺產的調查和管理運作主要以政府主導和推動、民間商業組織參與、社區自主參與管理、政府主導下的市場運作等諸多模式展開。世界教科文組織（2013—2015年）在烏茲別克斯坦城市歷史遺產GIS數據庫建設項目[27-28]中，幫助地方政府和遺產專家評估歷史遺產的變化過程，并在充分采納公眾意見和發展訴求的基礎上，以數據庫驗證其管理戰略的有效性，它是政府主導和推動管理模式的典型案例；而2013年啟動的澳大利亞巴拉瑞特城市歷史景觀項目[29]，則是“參與式的變化管理”模式的典型案例。該項目將項目總體目標設定為(participatory management of change)，即通過與利益相關者的合作，實現對城市歷史景觀價值更深刻的理解并有效管理其變化。基于此目標，巴拉瑞特城市政府制定了四大工具（市民參與工具、金融工具、知識和規劃工具、管理工具）推動“城市歷史景觀”方法在當地的實踐。項目實踐過程中，采用傾斜攝影、數字正射影像和激光雷達掃描等前沿測繪技術，快速采集城市歷史景觀的空間信息，構建高精度三維模型，再整合BIM與GIS技術平臺，實現城市歷史景觀海量信息的一體化存儲，并引入BIM“全生命周期信息管理”理念和相關CAD技術完成景觀要素信息的存檔、更新和管理。此項目的價值在于應用“城市歷史景觀”方法指導數字化遺產實踐，構建了一個遺產價值交流的平臺，將土著文化、城市事件、社會空間和節慶活動等非物質文化遺產信息整合到數據庫當中，并利用新技術進行再現，開創了遺產景觀檔案建設的新模式。

近年來，國內開始運用GIS技術于文化遺產保護實踐，解決文化遺產有效資源調查、數據分析過程中面臨的諸多難題。目前比較成功的案例包括“中國大運河世界文化遺產監測總平臺”、“中國世界文化遺產監測預警總平臺”、“中國歷史地理信息系統”、“三峽庫區文物保護信息系統”、“災后文化遺產搶救性保護綜合信息平臺”等。GIS技術在古遺址、古城墻、歷史建筑、文化遺產資源點建庫、文化遺產廊道研究中應用也比較多。例如金連玉等[30]結合GIS技術、數據庫技術和三維技術建立南京明城墻三維可視化管理系統平臺，實現了城磚銘文空間位置、二維影像、分布位置等信息的在線查詢，促進了城墻磚文研究與利用；何韶穎等[31]利用GIS技術與近景攝影測量的方法，對上海市的文物建筑進行歷史建筑數字化保存和歷史建筑信息化管理等方面研究；王佳依[32]運用GIS技術收集和整理文化遺產資源點的坐標和高程數據，將資源點信息導入ArcGIS平臺分析其空間分布情況、交通適宜性和服務區分布等，為文化遺產廊道總體規劃提供參考路線和基礎的文化遺產廊道走向。

此外，在竭盡所能做好安全工作的同時，GIS技術的發展也為文物保護修復和文化遺產“重生”提供了更多選擇。據《國家地理》(National Geographic)報道，美國瓦薩學院已故建筑歷史學家安德魯·塔隆，從2011年開始利用GIS技術和激光掃描技術精確測量和記錄巴黎圣母院的全貌，耗時數年最終收集了超過10億個數據點，生成的模型能夠描述出巴黎圣母院最微小的細節，包括它的缺陷，據說誤差只有大約5 mm。這個數據庫對火災后法國巴黎圣母院的“重生”起到了相當積極的作用，同時這場大火也給全世界的文物安全工作敲響了警鐘。

3 GIS在區域文化與文化景觀遺產保護管理中的應用

隨著城市化進程的深入，景觀遺產的保護、規劃、研究面臨著復雜的形式和問題。而GIS技術在處理大尺度下景觀遺產資源的分類與統籌管理時具有與傳統景觀遺產保護管理方法不可比擬的優勢，能為各類型的風景園林遺產保護與評估工作提供定性和定量相結合的技術思路，也為區域文化與文化景觀遺產保護與開發提供科學、系統、完整的分析結果和規劃決策依據。

目前，很多科研機構和科研項目利用GIS技術進行區域文化與文化景觀遺產的信息采集，實現了跨區域系統性的保護與規劃策略。比如對資源的類型、特征、時期、保存狀況等屬性建庫，并對其空間密度、交通可達性等進行相關分析，進行系統、綜合的資源評價，最后根據分析的結果提出跨區域系統性的保護與規劃策略。在德國，從1999年開始就建立一個基于志愿行為的文化景觀要素收集系統——“KLEKs”，它是一個基于GIS平臺的地理信息收集的查詢工具和數據庫，擁有迄今超過30萬的文化景觀要素數據庫，其中包含大約1.5萬個簡述性文稿和3萬張照片，目前主要應用于鄉村區域文化研究[33]。雖然國內的文化景觀數據庫的規模和覆蓋范圍相對較小，但國內文化景觀要素信息系統是根據不同用戶需求設置的權限，具有使用性和科學性的優點。例如，孫瑾[34]王琬萱[35]等在廬山革命舊址和革命名人故居GIS空間數據調查中，結合地理信息系統、全球定位系統和遙感等技術來獲取實地數據信息和遙感影像，通過遙感影象準確地獲取廬山革命活動地大面積綜合的各種信息，采用3DGIS、虛擬現實技術以及可視化等計算機技術，將復雜的景觀圖形圖像化，并設置了高級管理員、普通管理員、注冊用戶、漫游用戶等4個權限。這里的高級管理員是處于系統統籌規劃以及管理階層，有審核各種資源文件以及發布各類信息的權限；普通管理員具有發布經高級管理員審核后的文件資源和信息的權限，也負責管理各注冊用戶；注冊用戶在注冊為會員后，享有查詢、檢索、收藏、下載所需資源、上傳自有相關資源的權限，經管理員審核后方可發布；漫游用戶只享有瀏覽的權限，不能下載也不能發布信息。

在文化與自然雙重遺產保護管理研究中，國內遺產保護工作者則綜合運用圖、文、聲、像等多種形式結合建立數據庫。目前已投入使用的“泰山世界遺產數據庫”，是泰山管委會按照聯合國教科文組織對世界遺產的監測標準構建，并結合區域文化建設的地方文化旅游資源庫。此外，如中國風景園林導航網、秦山在線、泰山旅游網等，均充分展示了中國雙重遺產突出普遍的自然科學價值和歷史文化價值。

4 GIS在風景園林遺產保護管理中的應用

與傳統的文化遺產保護不同的是，風景園林遺產更突出其文化遺產與環境資源兩者的契合發展。在風景園林遺產保護與管理中，GIS的應用可以從對文化遺產資源的保護發展到對大尺度下的風景園林遺產保護、管理與預測研究層面上，使風景園林遺產保護建立在科學、理性分析的基礎上，構建科學、理性、定性定量相結合的規劃決策模式。因此，充分應用和發揮GIS的特點和優勢，不斷吸收新思想、新理念和新技術方法，對現有方法加以改革，能夠提升風景園林遺產保護與管理的效力與專業性。

在古典園林的研究領域中，前人通過傳統的定性方法與計算機技術的量化分析相結合開辟出了新的研究方法與視角。比如，喻夢哲等[36]整合空間句法與傳統空間分析方法來研究山地園林不同尺寸的景觀對象；梁慧琳[37]運用空間句法和三維點云技術分析古典園林的空間結構和特征；楊晨等[38]采用GIS色譜圖工具研究古典園林的空間視覺特點，運用現代聲學技術開展古典園林聲景研究；古麗圓等[39]張青萍等[40]運用三維激光掃描和近景攝影測繪技術測量古典園林的池山。以上的新方法均對古典園林遺產數據的獲取和研究方法的創新起到了推動作用。

在近代園林研究領域中，通過借助GIS技術合理更新技術平臺，完成對城市近代園林的管理、數據采集和分析、規劃設計、保護更新等，達到未來園林系統更新的目的。在風景區和自然保護區的研究中，通常借助GIS空間分析手段，根據研究地塊的地形、地貌數據，分析場地的特征、自然資源的空間分布狀況等，并綜合土地覆蓋類型進行深入分析，如高程、坡度、地形起伏度分析、緩沖區分析以及疊加分析等，根據結果劃定自然保護區、緩沖區以及可發展區域，形成適宜的生態空間安全格局。曹杰[41]在無錫黿頭渚近代園林基礎信息數據庫的構建研究中，將不同格式的屬性信息系統化采集和處理，儲存于ArcGIS技術平臺和Microsoft Access管理信息平臺，再通過對圖片數據、文字屬性、影視文件和音頻數據等信息成果的采集，采用國家統一園林綠化信息的編碼規范進行數字化建庫，并通過分類別整合信息與分類別管理信息共同完成遺產基礎空間信息數據庫的創建；周向頻等[42]借助數據庫(Database)技術、GIS技術和歷史研究方法，整合一手資料進行空間數據和屬性數據的分類錄入，提取具有共相的典型數據進行編碼重組和系統化的分類編輯，借助GIS、RS、空間句法等技術手段輔助研究上海近代公園和城市空間在市域與園域兩種不同尺度下的互動關系，最終實現了上海近代公園的整體圖景和具有譜系線索的圖文影音數據庫的構建。

目前，在遺產廊道構建[43]、風景名勝區鄉村景觀建設[44]、文化線路遺產保護[45]、歷史街區保護[46]、建筑遺產保護[47-49]的研究中，也常借助GIS技術探索其在宏觀尺度下的空間視覺感知，并對其進行生態現狀評估與預測模擬分析，包括對各類生態用地空間分布特征及其面積統計、生態用地時空演變趨勢以及對宏觀尺度下地理空間的景觀格局分析。尤其是在傳統聚落空間和古村落文化遺產研究中，通過GIS高程、坡向、坡度圖綜合分析可建立建筑類型和村寨形態之間的關系，從而保證新農村建設中的村寨地域性特征，并應用GIS技術分析場地景觀的可達性、舒適性、完整性、互動性等。例如，黃玉婷[50]和葉家玨[25]在貴州“萬峰林那灰村設計”項目及貴州“安順鮑家屯鄉村景觀空間信息數字化”項目中，均通過這套理論體系，分析、歸納、總結獲得了具有吸引力的村落類型，為新農村可持續發展研究提供了堅實的基礎。

5 借鑒與展望

近年來，數字化文化遺產檔案建設、遺產數字化交互、數字化傳播研究備受學者關注。如敦煌數字化、泰國名城素可泰、越南順化古城、墨西哥瑪雅文化遺址等項目均順利完成了數字化保護信息系統構建，在實踐中已經建立起一套比較完善的保護制度，包括立法支持、資金保障、科學管理和公眾參與等內容[51,52]。隨著數字化技術的不斷發展，VR、BIM等數字技術也開始運用于文化遺產保護與管理研究[53-54]，但城市歷史遺產保護研究中如何綜合高效運用各種數字化技術等方面研究還不夠深入。這些數字化技術為遺產管理部門和專業人員提供專業化服務的同時，也帶來了一系列的技術難題。因此，未來的城市遺產保護與管理需要開展以下幾方面的工作。

（1）加強交叉學科的合作與研究。城市歷史遺產動態GIS數據庫的建設，涉及很多交叉學科的知識，如考古學、歷史學、地理學、環境科學、生態學、景觀學等多學科領域知識。因此，由多學科背景、多種不同文化背景和多家研究機構的專家來組建項目團隊，對于項目的深入研究和順利完成都尤為重要。

（2）要綜合運用新技術和新方法。2019年召開的第三屆國際“數字化文化遺產：未來視界”系列會議，探尋的是景觀視角下的數字化技術對遺產檔案的精確記錄、遺產數字化交互、傳播與公眾參與的多重途徑。所以運用遙感技術、激光測距儀、360度全景數碼相機進行測繪，在各種播放插件（通常JAVA、Quicktime、Activex、Flash）的支持下，仔細觀察和發現、記錄遺產損壞情況及整體的保護情況等，再綜合運用VR、AR、VRML、BIM、LIM、DSM生成技術、三維定量制作技術等完成數字遺產的永久保存。

（3）加強遺產文件的編制和專題圖像綜合特征提取與優化。遺產文件編制過程中要明確遺產的調查范圍和調查時間細節，比如項目預計完成的周期、調查的具體季節和時間段、調查的次數、調查覆蓋的地區、建筑物的物理條件、歷史中心的遺產價值和經濟價值等，并詳細繪制遺產邊界及專項地圖。相對于傳統的信息記錄方式，GIS的數據庫結構是以調查為基礎形成并允許圖層的疊加，更容易的可視化和查詢。所以通過遙感技術獲取高分辨率的Quick Bird衛星圖像，將其用作GIS數據庫的背景層，結合問卷調查表、Excel數據庫、全景照片、平面圖、Sketch up文件等，準確地繪制出遺產邊界和緩沖區的專項地圖。

（4）加強動態GIS數據庫的跟蹤服務。通過繪制的專題地圖和屬性地圖，及時了解城市遺產持續演變過程。因為GIS數據庫專題地圖能說明幾類信息之間的相互關聯，而價值專題地圖不僅能說明遺產價值的變化，還可以解釋變化的原因。所以跟蹤調查的這些變化要及時更新加入到數據庫，也有助于發現具有高遺產價值的瀕危遺產的信息，供地方當局優先考慮未來的干預措施和管理方面的決策。

總而言之，目前在國內城市遺產保護領域，GIS技術在大尺度范圍的應用較多，小尺度范圍遺產保護研究較少。GIS信息體系的主要來源是被動貢獻的數據模式，公眾主動參與式的貢獻數據則相對較少。針對不同的調查和管理模式產生的數據集在技術細節和主題內容上的差異，應該多鼓勵普通民眾參與城市歷史遺產保護和管理實踐，加強遺產保護管理研究中的更為精細化的數據分析與管理，為各類型的遺產保護與評估工作提供定性和定量相結合的技術思路和數據支撐。同時，應該多利用互聯網和新媒體等新興平臺發揮其共享和傳播功能，使世界遺產得到較多關注和更好的傳承。