学术 | 基于地理空间信息的文化遗产可持续发展指标建设

【关键词】  文化遗产；可持续发展目标；指标计算；定量化评估

2015年10月，世界各国领导人签署了联合国《2030可持续发展议程》，议程提出17个可持续发展目标（SDGs）和169个子目标。为确保可持续发展目标的有效执行，联合国要求各成员国和国际机构围绕社会、经济和环境三个层面，基于统一指标框架，综合利用统计数据和地理信息，对SDGs实施情况进行定量评估与监测，并建立定期的报告机制。针对联合国可持续发展议程，各成员国与合作伙伴已经编写了可持续发展议案，协助收集、分析、验证数据和信息，并提供了定义、计算方法和指标的元数据，包括空间数据、属性数据等。

联合国可持续发展目标11定义为：建设包容、安全、有抵御灾害能力和可持续发展的城市和人类社区，子目标11.4描述为进一步努力保护和捍卫世界文化和自然遗产。指标11.4.1定义为保存、保护和养护所有文化和自然遗产的人均支出总额（公共和私人）。指标11.5.1定义为每10万人当中因灾害死亡、失踪和直接受影响的人数，尚未表明灾害对文化和自然遗产的损坏，如地震、水灾、火灾等。因此，基于地理空间信息对文化遗产可持续发展进行定量评估和建立起文化遗产地可持续发展与防灾减灾的关联是实现文化遗产永续保存的关键。

目前，文物保护部门和工程界迫切要求有关部门能够提供文物灾害的定量预测研究结果和灾害防护技术措施，识别和量化文物所遭受的风险，以便能够指导文物的防灾减灾能力评估。但近年来对文化遗产可持续发展的研究还仅仅局限在理论和方法层面，涉及文化遗产保护/再生与可持续发展之间关系的指标研究很少，也尚未发现在文化遗产可持续保护强度方面的指标建设，尚未有人建立文化遗产数字化程度与防灾减灾相关的评价指标体系。

地理空间信息技术，包括摄影测量，激光扫描，遥感，网络绘图和地理空间数据科学，长期以来在文化遗产保存中发挥了重要作用。地理空间信息技术可以以3D的形式记录和重建已经损毁的文化遗产对象，如摄影测量和激光扫描技术，为联合国及其成员国在世界遗产和世界生物圈保护区的监测和保护、应对气候变化和自然灾害等方面，提供技术服务，通过一定的教育培训，增强其空间技术方面的能力建设，促进文化遗产的可持续发展。通过卫星影像发现以前未曾被认识的考古遗产，精确定位并基于不同标准评估和揭示该遗产地的价值。三维重建技术为我们文化遗产数字化管理奠定了基础，重建的数字化三维模型可以监测和评估它的几何和外观，如遇气候变化、自然灾害和人类开发等影响下更好地监测和保护。它与计算机科学、虚拟现实、传感器技术、结构工程、建筑和城市科学等相关学科紧密结合并不断发展壮大。作为多学科科学和技术的一部分，地理空间技术将无疑为文化遗产的可持续发展时刻服务。

1. 文化遗产地空间位置

文化遗产可持续发展保护和捍卫的第一步是确定文化遗产的位置，在拆除受到威胁的历史建筑物时，可以援引预防措施，一旦消失，这些独特的文化遗产就无法替代。利用地理空间信息技术（如卫星影像）发现研究区域的遗产结构，航空摄影测量可用于现场勘探作图并定位文化遗产地的位置，如柬埔寨的吴哥窟，机载激光扫描探测了位于热带森林地下的900～1400年历史的多个城市的遗迹。相关专业研究人员以及数据处理人员能够将真实的数据转化成AutoCAD图纸形式，并能够将2D数据可持续性地永久保存。另外，数码相机的使用也无处不在，成本低、便于携带且易于使用，即使非专业人员也无需太多培训便可以使用相机技术拍摄，为古建筑、文化遗产等的三维数字化有效管理与分析，为文化遗产的虚拟演示以及遗产地空间数据的一体化管理提供依据。

应县木塔是世界上最早、最高的木结构佛塔，距今已近千年。历经千年的风霜洗礼，木塔出现了多处结构破损，健康状况堪忧。为此，我们首先要确定应县木塔的位置，对应县木塔进行定位监测，如图1为谷歌影像对应县木塔的遥感影像定位识别，图2为影像定位西藏布达拉宫位于中国西藏自治区拉萨市城关区北京中路，保证遗产地位置的详实信息永续保存。图3为利用GlobeLand30，分析近10年来遗产地周围地表信息的变化情况，为文化遗产地生态环境监测提供决策依据。

图1　应县木塔影像定位

图2　布达拉宫影像定位

图3　2000～2010年应县木塔周围地类变化（左为2000年，右为2010年）

2. 文化遗产数字化保护

文化遗产数字化是指对文化遗产建立文字、图像、模型、音视频及动画等数据库，通过虚拟现实使其数字化再现。文化遗产数字化保护就是建设文化遗产自身结构、生存环境、空间结构和历史演变价值等整体档案。数字化手段可以深层次、系统化挖掘和传播文化遗产内涵及时代信息，更加灵活的构建信息传播路径、实现广泛传播，数字化保护将其所依附的环境与本体之间的关系展现，建设文化遗产数字化保护系统。传统文化遗产数据依靠测量人员实地勘测获取地形图文件，采集并实时记录纸质化文档文件和AutoCAD数据，通过录像形式获取音视频、图片文件等电子文档实现平面化图像的存储，保证文化遗产的真实、全面的数据库信息留存。采用高精度数字相机或扫描仪对遗产数字化信息获取，记录历史资料并生成2D图像进行信息存档，实现文化遗产信息的图像化，为文化遗产的图像处理与分析提供依据，为文化遗产的数字化资源提供基础标准与规范。随着网络技术和计算机技术的发展，不同的文化遗产根据其特征进行了三维数字化技术研究，大量纸质的档案资料和图像电子资料逐渐向三维数字化成果转化。

3D模型用于数字可视化、视频、虚拟展示和科研教学方面，目前逆向建模技术有点云逆向建模和照片逆向建模等，常与实地测量数据结合获得更精确的模型尺寸，由生成的点云，再生成三维模型，利用相关数据处理软件进行纹理映射。一般大场景选择无人机搭载多个传感器获取的多角度影像生成密集点云和TIN格网，点云多用于局部精细物体的高精度建模，这种技术常用于文化遗产的情景模拟与重建、三维可视化展示及虚拟旅游。Virtual Lhasa项目就是采用数字技术虚拟拉萨古迹图像及周围环境变化的建筑物，如图4所示即为拉萨虚拟现实（VR）可视化。

图4　拉萨VR可视化

大多数情况，我们需要对数字模型进行高水平知识化管理，引入高级建模技术，获得复杂的建筑和结构元素，保证点云数据从激光扫描和摄影测量到参数化应用的转换。在三维点云数据处理软件方面，商业化的软件主要有TerraSolid公司的TerraSolid、Trimble公司的RealWorks、Leica公司的Cyclone、Bentley公司的Pointools、Orbit GT公司的Orbit Mobile Mapping等，以及国内科研院所和公司开发的一些工具软件。

实际案例中，不少文化遗产地已经利用3D激光扫描、影像重建及倾斜摄影等技术，获取遗产本体及遗产周围不同类型数据，利用虚拟显示和增强现实等现代科学技术，使大众了解文物的悠久历史，使文化遗产得以更好地数字化可持续保存。对于大型线路遗产长城，采用无人机低空航测技术使获得的微地形数据进行三维化、实景化。山西朔州应县木塔二层明层利用三维激光扫描技术生成局部和整体的高分辨率点云数据及三维彩色模型，更加精细化地表现物体的真实结构信息。陕西西安秦始皇兵马俑坑和兵马俑文物利用三维激光扫描技术得到点云数据，高质量地表现文物遗址和文物的三维空间，可作为文物信息的数字化精确保存，利用全景摄影技术实现文物的虚拟遨游。重庆大足石刻通过关节臂三维激光扫描仪获取了千手观音的高精度点云数据，对比分析了千手观音830只手的空间分布和几何形态特征同时提取了手掌的骨架线进行回归分析，结合专家知识库为千手观音的虚拟修复提供了科学有效的理论支撑和特征量化的具体方法。大运河文化遗产数字化保护使再现的历史文化和现实信息共同演化动态发展，越来越多的考古学家利用遥感数据与GIS数据结合进行文化遗产数据集管理、查询、可视化和建模，以了解遗产现状与危险环境相关的保护情况，更好地实现信息的规划和数字化保存。

1. 缺乏文化遗产保护强度的描述

一个城市的人文环境建设离不开一处处含有丰富人文信息、具有地域文化特色的文物保护单位。由于忽视对文化遗产的保护，全民保护遗产的主观能动性不是很强，社会上民间组织及个人捐赠很少投入文化遗产保护领域，造成历史性文化的破损、文化传递的断裂。指标11.4.1只考虑国家和政府对文化遗产的投资经费，而且投入较少。相比2013年的法国，文化部可支配的经费总和占到公共财政资助的20%（38亿欧元），地方政府财政预算则占到了45%（85亿欧元）（http://www.helib.net/2017lianghui/lh_news/ggwh3.html），发达国家对文化遗产的保护资金源于政府、非政府组织、社会团体、慈善机构和企业个人捐赠等途径所得，而我国的文化遗产保护事业主要源于财政投入，而且缺乏单位面积内开展某一文化遗产项目的投资额度，缺乏项目资金合理的支出结构和资金分配的明确流向，缺乏对文化遗产的数量、类型及区域特征的分析描述，缺乏文化遗产地周围的土地利用变化类型的具体演变信息，无法反映相应保护部门对文化遗产的保护强度。

2. 缺乏文化遗产数字化程度的描述

文化遗产数字化是使用现代无人机倾斜摄影技术、三维激光扫描技术、全景摄影技术等非接触式获取文物数据，保护其历史价值、艺术价值和科学文化价值，避免了传统方法对古建筑等文物造成的无意识二次伤害使病害加剧，通过现代的计算机技术，克服地域限制，实现真实、快速、准确的视觉展示，直观地将文物三维还原。世界上许多国家在文化遗产数字化方面，具有科学的管理机制，技术先进的设备，专业化的人才，不难发现我们国家还需要在遗产数字化程度上花大功夫，加大测绘技术在文化遗产地缓冲区面积、核心区面积、遗产地边界线和人居遗产地面积等方面的数字化程度建设，以便于分析文化遗产的文化圈形成机理。目前的实践研究数字化成果趋向碎片化，促进文化遗产的可持续发展需要建立协同共享机制，加大文化遗产数字化保护范围，建立数字化管理系统，推动文物的信息化建设。

3. 缺乏与防灾减灾指标的关联

不管过去还是现在，突发的自然灾害对我们的生存环境和生命安全都造成不可扭转的地步，对不可再生遗产的破坏也屡见不鲜。尼泊尔7.8级地震（2015年4月）引起加德满都杜巴广场九层神庙严重损坏；日本九州7.3级地震（2016年4月）使阿苏神社“楼门”及参拜殿的完全倒塌；我国湖北强暴雨（2016年5月）导致武汉盘龙城遗址的部分破坏（https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1601461）；里约热内卢的巴西国家博物馆发生火灾（2018年9月）使2 000万藏品的损失，自然灾害对国内外文化遗产的任意肆虐让我们不寒而栗，防灾减灾的重要性已得到各界人士的广泛重视，所以实现实时监测预警与应急处理的机制已经刻不容缓。

1. 基于地理空间信息技术对文化遗产可持续发展概念设计

联合国和教科文组织已经提出的衡量实现可持续发展目标中文化遗产的相关指标11.4.1侧重于经济角度，加强保护意味着地理信息技术发挥作用的保护费用的增加，意味着地理信息技术在文化遗产方面做出的贡献作用显著提升。目前大多数可用的地理信息技术方案能够产生高质量的文化遗产信息，这就需要以数据为基础来分析，推动文化遗产保护进程的影响力。社会上越来越多的企业开始承接文化遗产保护方面的项目，提供文物保护的项目计划、文物监测与修复等业务，推动文化遗产可持续目标的发展，即推动指标11.4.1的发展，推动指标11.5.1的发展，更好地服务于联合国可持续发展目标11。图5展示了联合国教科文组织的指标，文化遗产在可持续发展目标中的作用，以及地理信息技术如何推动文化遗产防灾减灾能力评估体系的发展。

图5　地理信息技术对文化遗产防灾减灾能力的贡献

2. 具体指标建设

2.1 文化遗产保护强度评价指标建设

在全国城市开展旅游开发提升政绩并促进城市经济迅速发展的同时，无形之中游客对景区文物造成的无意识伤害，加之文保单位的工作人员在没有经过专业培训，盲目地使用传统方法保护遗产，更加速了文物现状的二次破坏，客观上使病害加剧。所以，应加大文化遗产保护强度，保护文物的艺术价值，促进文物的永续发展。

可持续发展目标11中相关的指标11.4.1涉及文化遗产的经济指标，我国文化遗产众多，对于文化遗产的保护强度介绍却很少，因为缺乏地理空间范围，仅仅经济投入不足以描述文化遗产保护的强度。如何运用地理空间分析法，从遗产地附近的建筑物、村落、历史文化等方面分析文化遗产的空间分布位置，将是我们地理空间信息技术的研究重点。根据文化遗产保护政策、本身的保护级别、损坏程度和所蕴含的文化历史信息等，作出文化遗产保护强度的指导性建议。

已有SDGs指标11.4.1仅仅是国家或政府对文化遗产的财政投入率，增加指标11.4.2文化遗产保护强度指标可以更好地补充地理空间信息在文化遗产空间范围和保护强度上的欠缺，初步定义指标11.4.2为“单位遗产地面积内开展某一项目的投资额度”，即：新增指标11.4.2：文化遗产的保护强度（Ph）：

式中，Mh为文化遗产地投资额度，A为文化遗产地面积。

2.2 文化遗产数字化程度评价指标建设

数字化处理技术将文化遗产的文化价值和艺术价值以数字技术留存下来，让我们足不出户身临其境文化遗产现场，不受时空限制走进生活，使更多人认知并探索文化遗产，传播其文化艺术，主动性培养保护文化遗产的意识。

文化遗产数字化程度是衡量文化遗产数字化保护工作进展情况，如图6所示。指标体系涵盖：遗产地空间位置分布；不同遗产地空间集聚程度和遗产地周期监测程度；高校和科研院设置测绘技术专业课程率；既懂文化遗产又拥有测绘技术复合型人才全城覆盖度；数字化专业型设备在各个研究所或公司普及率、用于监测文化遗产保护研究平台数字化建设程度；每年度申报符合国家立项的文化遗产数字化项目数量和国内外合作中交流遗产数字化技术频次以及文化遗产基因信息库建设情况。

图6 文化遗产数字化程度评价指标体系

我国文化遗产分布广泛，利用软件ArcGIS中的核密度分布可以很好地将全国的文化遗产分布空间位置分布图及其分布集聚情况在地图上展现出来；对多期高分辨率遥感影像解译获取文化遗产空间范围的变化，遗产地核心区与缓冲区范围的变化趋势，连续监测遗产地周边环境的多年变化；所以在子目标11.4已有基础上，新增指标11.4.3和指标11.4.4衡量文化遗产的数字化保护程度，初步拟定指标11.4.3为“数字化的遗产数量占现存文化遗产数量的比例（Rb）”，指标11.4.4为“遗产地缓冲区范围内建设用地增长占缓冲区面积的比例（Rc）”，即：

新增指标11.4.3：数字化的遗产数量占现存文化遗产数量的比例（Rb）：

新增指标11.4.4：遗产地缓冲区范围内建设用地增长占缓冲区面积的比例（Rc）：

式中，Nc为数字化的遗产地数量，N 为现存的文化遗产数量（经过数字化和未经过数字化的文化遗产量）；Sb为建设用地增长面积，A为缓冲区总面积。

2.3 文化遗产防灾减灾能力评价指标建设

文物不可再生，一旦遭受地震破坏无法恢复如初，遇到文化遗产生存环境遭受破坏，不仅需要对环境加强管理，必要时需要确定与文物重要级别相对应的加固方案，加固方案的设计与加固对象的病害程度、加固要求和加固手段息息相关。文物保护的实质就是探讨文物与自然环境、文化环境、管理机构、服务设施、旅游者等方面的相互协调和统一，最大限度地保护和延长其天然寿命。大震和强震也是可防可控的，关键是遗产本体要有足够的抗震性能。保证文化遗产本身抗震性能，一是本体要有合理的抗震设计，二是有严格按规范定量的周期监测。

应县木塔作为遗产安全与健康监测的代表性工程，利用现代技术进行全面监测，科学评估应县木塔的可持续发展情况，对其进行的监测主要包括结构变形监测、周边环境振动监测以及风荷载效应监测等内容。针对木塔现状，简单地探索其抗震防灾能力评价体系，一方面要认识到自然环境灾害会产生的危害性，通过分析应县木塔周围环境的多时相卫星影像，分析同等间隔年份的木塔周边土地利用类型的变化趋势，分析归一化植被指数的变化，分析周围环境的地质坚实程度、局部应力和人为灾害影响，从而根据环境变化来推测木塔未来的发展状况；另一方面要认识到遗产本体的病害防治因素，利用三维激光扫描技术获得的点云数据，分析其震前震后的点云数据库，研究遗产本体损害的垂直下沉量、水平偏移量、曲率变形量和倾斜变形量等。

根据影响遗产地抗震防灾能力的主要因素，提出遗产地抗震防灾能力评估层次体系模型，如图7所示，更好地将大尺度卫星影像与小尺度精细化点云数据相结合，将震害特征与防护研究双管齐下，实现防震减灾的目的，为指标11.5.2定量化评估作出铺垫。

图7　遗产地抗震防灾能力评估层次体系模型

本文在对联合国可持续发展子目标11.4和11.5深入分析的基础上，指出现有指标11.4.1仅能反映国家对文化遗产的资金投入，尚且缺乏地理空间信息在文化遗产可持续发展与防灾减灾相关联方面进行定量评估的具体指标。通过利用摄影测量、激光扫描、遥感等地理空间技术，从文化遗产的空间定位到文化遗产的数字化保护，展示地理信息技术在保护管理和定期监测文化遗产做出的贡献。针对可持续发展目标11中现有指标11.4.1和11.5.2缺乏对文化遗产保护强度的描述、缺乏对文化遗产数字化程度的描述以及缺乏文化遗产与防灾减灾指标之间的关联，并对此局限性提出对现有指标的建设思考。同时，对指标11.4.1的元数据计算扩展指标11.4.2、指标11.4.3和指标11.4.4，指标11.5.1的元数据计算扩展为由灾害引起的文化遗产本体抗灾能力的性能评估体系建设。此外，需要更多的科学性监测手段及专家知识库支持以助于提出更好的监测文化遗产可持续发展的指标，使现有指标11.4.1和11.5.2、新增指标11.4.2、11.4.3和11.4.4更加完善，能更好地服务于目标11，构建可持续发展的城市和社区。

来源：地理信息世界

作者：侯妙乐，刘晓琴，陈军，李松年