基于知識圖譜的建筑遺產數字化研究歷史回顧與啟示

夏正偉，陳月瑩

引言

建筑遺產是人類重要的物質與精神財富，對其進行保護和合理利用是對人類長期積累的思想文化、藝術創造以及科學智慧的傳承和發展。學者們在原真性原則的指導下，在尊重原物和延長使用壽命等物態景象上的原真、信息認知層面上的原真等方面展開了一系列的研究[1]，特別是隨著對建筑遺產價值認識的不斷深入[2]，形成了基于價值評估的多尺度保護理論與方法[3]，數字化技術在其中的應用日益廣泛。建筑遺產的建檔登錄[4]、修繕施工[5]、預防性保護[6]、交互和展示[7]等過程中均有數字化技術的參與，建筑遺產的價值揭示、意義傳播和形象呈現與可穿戴設備、移動互聯網等正緊密結合[3]。在數字化技術日益完善和計算機算力顯著提升的當下，如何將建筑遺產數字化保護與利用合理推向一個新的高度仍缺乏深入思考。2021年被稱為元宇宙元年，以數字化技術為核心的元宇宙，將為建筑遺產保護與利用提供一個新的場景。本文試圖通過對國外文獻建筑遺產研究中數字化應用的相關研究成果進行充分梳理，為元宇宙時代的建筑遺產數字化保護與利用發展提供參考借鑒。

1 數據來源及研究方法

本文基于Web of science（WOS）核心數據庫，對文章主題詞中包括建筑遺產（architecture heritage）和數字化（digitization或virtual）的論文進行了檢索，共檢索出英文文獻456篇（檢索時區從2000年1月到2022年7月）。對檢索獲得的英文文獻進行排查篩選，閱讀摘要及關鍵詞，剔除不相關的文獻后，共得到357條有效英文文獻題錄。利用CiteSpace軟件對所收集的文獻數據進行時間線圖譜、關鍵詞聚類、關鍵詞共現和關鍵詞突現的可視化分析和發文量分析。CiteSpace是當前最為常用的知識圖譜分析工具之一。基于CiteSpace的知識圖譜分析方法，可以從科學宏觀的角度和視角揭示相關知識演進的內在歷程與結構，展現知識節點在知識網絡中的相對位置，發掘相關熱點和邏輯關系，對揭示學科發展的脈絡具有較好的效果[8]。

2 建筑遺產數字化研究的歷程分析

通過文獻檢索可知，WOS中建筑遺產數字化研究初始階段相關研究成果相對較少，近年來發文量開始大幅上升。結合CiteSpace軟件的timeline view功能進行分析，可以將建筑遺產數字化研究分為探索期（2000—2010年）、發展期（2011—2015年）和增長期（2016年至今）3個主要階段（圖1—2）。

圖1 建筑遺產數字化研究文獻數量及時間分布

2.1 探索期：數字化介入下的多維探索應用

圖2 建筑遺產數字化研究關鍵詞時間線視角圖譜

在數字化測繪、虛擬現實技術（VR）、增強現實技術（AR）、3D重建等數字化技術的支持下，學者們在建筑遺產與數字化技術的結合方面進行了多維探索，推動了建筑遺產保護與利用的發展。Yilmaz等借助數字近景攝影測量技術對文化遺產項目進行視覺圖像的采集，以此為基礎可獲得較為精準的建筑立面與模型信息，使建筑遺產數據獲取更加方便、精確和省時，有助于建筑文化遺產項目的存檔記錄和未來修復利用管理等[9]；Koutsoudis等通過三維重建古建筑，構建了可交互的3D虛擬漫游場景，推動了建筑遺產從實體保護到數字化保護的發展[10]；Styliadis等深入探討了建筑遺產管理中融合元數據的建模與應用研究問題，結合虛擬場景功能提高了文化遺產三維模型可視化和推廣的可能性，對建筑遺產保護和虛擬旅游的意義重大[11]。雖然此階段建筑遺產數字化研究的成果相對較少，但學者們的探索為數字化技術如何介入建筑遺產保護與利用提供了無限可能。建筑遺產的數字化不僅可將其蘊含的物質信息與文化信息進行真實的轉譯，而且能為人們創造在文化遺產虛擬場景空間中進行沉浸式體驗的可能。

2.2 發展期：保護視野下的數字化存檔管理與呈現

隨著數字化技術與建筑遺產結合的迅速發展，這個時期在建筑遺產的數字化存檔和可視化呈現方面取得了較多研究進展。一方面，推動了建筑遺產數字化存檔的數據精確性和管理全周期性。利用激光掃描技術和攝影測量技術可以獲取較為精確和豐富的建筑遺產數據，建筑遺產數字化資源庫創建的可操作性越來越強[12]；依托BIM技術建立的歷史建筑信息模型（HBIM）可以實現對建筑遺產全生命周期的管理，Isabel等針對建筑遺產工作流程中存在的流程不清晰、信息分散和工具過時等問題，開發了簡單可視化的HBIM協議功能，可保存遺產數據并闡明流程[13]。另一方面，推動了建筑遺產數字化檔案較為完善的可視化呈現。如Liu Yong等在虛擬京杭大運河項目中，構建了具有挑戰性的虛擬3D歷史場景，通過把不同類型的領域整合到建筑語義模型中，解決了它們之間的不一致性，重建并呈現出具有空間性、外觀性和歷史一致性的虛擬大運河[14]；Sdegno等則把一些歷史比較久遠的建筑遺產的二維數據轉化為三維模型，通過建模渲染虛擬場景，并結合增強現實技術將其轉換為動態形式展出，提供了更加直接的可視化感知方式[15]。總體來看，不管是數字化存檔管理還是可視化呈現，核心都是以建筑遺產的真實性為前提，進行文化遺產的全面記錄、管理和展示等，為建筑遺產的建檔登錄、修繕及預防性保護提供了重要的技術支撐，推動了建筑遺產數字化存檔的數據精確性和管理全周期性。

2.3 增長期：利用維度下的數字化體驗與交互

目前，建筑遺產數字化保護研究已取得較多進展，在AR、VR、HBIM等技術的支撐下，建筑遺產保護的研究已經從早期強調具有“精確”和“可視化”優勢的數字信息過程轉向關注對“現實”和“高度體驗”的互動環境的開發[7]，建筑遺產利用研究正向與用戶互動和沉浸式體驗的方向不斷拓展。Hua等對建筑遺產進行三維文獻記錄，構建基于互聯網的虛擬旅游體驗，以三維互動的方式提供虛擬旅游，為建筑遺產文化傳承提供了新的平臺，有助于喚醒大眾對建筑遺產的保護意識[16]。Fonseca等展現了巴特羅之家博物館的文化活動，通過使用虛擬現實技術持續完善歷史建筑的參觀體驗和空間感知，改善游客的學習環境，幫助游客更好獲得知識、理解建筑遺產真正的價值[17]。Soto-Martin等使用數字成像工具結合地形和地面進行攝影測量，重建并恢復殘破且幾乎不存在的建筑結構和壁畫，再將3D模型插入一個包含建筑和藝術信息的沉浸式、交互式的虛擬現實環境中，從而允許用戶實時探索、觀察建筑遺產[18]。Banfi提出了基于VR和AR的工具方法，可提高建筑遺產虛擬場景的交互性，并能夠利用HBIM模型創建XR場景，營造新的數字化體驗空間（如虛擬博物館和嚴肅游戲）[19]。可以發現，建筑遺產數字化的服務對象正從小范圍的專業人群走向社會大眾，這既是對建筑遺產的活態保護與創新利用，也是一種更好的文化傳承方式。

3 建筑遺產數字化研究熱點與前沿

3.1 研究熱點分析

為進一步厘清外文文獻中建筑遺產數字化研究的熱點主題的分布情況、明晰研究主題共現關系，運用CiteSpace中的對數似然比算法（log-likelihoodratio，LLR）對關鍵詞進行聚類分析，共獲得18個有意義的關鍵詞聚類模塊，關鍵詞聚類模塊度（modularity Q）為0.569，輪廓值（mean sihouette）為0.929 9，表明關鍵詞均聚類顯著且結果合理。18個聚類模塊包括增強現實、3D建模、建筑遺產、數字化技術、實時生成、文化遺產、基準化、物聯網、3D數字化、城市博物館、虛擬實驗、3D文檔、3D自動攝影測量和建筑考古等，可以將其歸納總結為3個主要研究主題（圖3—4）。

圖3 建筑遺產數字化研究關鍵詞共現圖譜

3.1.1 數字化介入下建筑遺產保護與利用認識的拓展

建筑遺產蘊含著獨特的歷史文化，其建筑形態、場地環境、材料與工藝技術、事件關聯性等都承載著豐富的歷史印記，是人類文明延續的載體之一。原真性原則是世界公認的評估和監控建筑遺產的重要原則，是進行保護與修復、登錄和管理的標準[1]。然而，隨著自然災害或人為入侵，既有建筑遺產保護措施的復雜性和對相關歷史信息認知的不足，都將使建筑遺產保護與利用面臨巨大的挑戰。新興的BIM、HBIM、VR、AR等數字化技術通過數字化存檔和3D可視化可以對建筑遺產豐富的信息進行保存、詮釋和呈現，人們將獲得較以往更為全面的相關信息，特別是與認知體驗等相關的信息[3]，這將為建筑遺產提供高質量的保護，為建筑遺產的保護提供新的方向[20]。利用數字化技術還可以虛擬重建、模擬展示已經被摧毀的文化遺產,“數字保護”文化遺產已成為一種新的建筑遺產保護方式[21]。

圖4 建筑遺產數字化研究關鍵詞聚類圖譜

數字化技術不僅可以全面呈現歷史建筑遺產，還可以提供新的設計和體驗方式[22]。利用可視化數據，可以優化緊急情況下的建筑遺產保護實踐和修復過程。通過構建建筑遺產的虛擬場景，人們可以對建筑遺產進行觀察并獲得智能互動體驗，這不僅能夠減少對建筑遺產的破壞，還可以促進建筑遺產文化的傳播。新冠肺炎疫情暴發以來，很多建筑遺產類空間都經歷了暫停開放的情況，而虛擬現實技術為人們提供了線上參觀博物館、古典園林等文化遺產的機會。

3.1.2 建筑遺產保護相關的數字化技術發展

學者們圍繞建筑遺產數字化存檔涉及的數據采集與處理、模型建構、信息展示等數字化技術展開了一系列的研究。

在建筑遺產信息數據獲取方面，相較于傳統的測繪方法，激光掃描、攝影測量和地形測量等數字化間接測量技術被證明是測量建筑物快速準確的方法，特別是在大型、復雜和偏遠的環境中，激光掃描和攝影測量的數據采集優勢非常明顯[23]。Yin等結合三維激光掃描技術對建筑遺產的現場數據進行采集，并結合計算機深度學習，進行了關鍵性特征的提取，以構建真實的空間數據模型[24]。由于3D激光掃描可以快速創建細節和模型、實現文化遺產的數字化，該步驟幾乎已成為建筑遺產預防災害、記錄信息和傳播文化的一個強制性步驟[25]。攝影測量方法可以彌補3D激光掃描的不足，提高后期3D建模復原建筑遺產的精確性，攝像記錄的大部分過程可實現自動化，便捷、精確地獲取建筑遺產信息，但是其質量取決于使用的圖像數量、圖像分辨率、照片比例、照明條件和應用軟件的參數設置[26]。部分學者還對建筑遺產攝影如何獲取圖像自校準、恢復正面姿態圖像等技術問題進行了深入研究，提高了建筑遺產數字化存檔中照片和虛擬視頻的質量和真實性[11，27]。

在建筑遺產模型建構方面，在PhotoModeler、PhotoScan、VisualSfM、ARC3D等模型建構工具的支撐下，可以實現定向控制和建模控制[28]。基于BIM技術的歷史建筑模型（HBIM）可提取建筑幾何特征、建筑風格以及考古學和歷史學等數據進行分類整理，并將其儲存在一個HBIM功能模型中，建模時可根據建筑復雜性采用不同的方法[29]。另外，還可使用形狀語法進行建模，結合基于形狀語法的程序建模，在虛擬環境中自動重建、生成樣式和配置，提高虛擬模型建構的自動化程度[30]。

在建筑遺產模型的信息展示與管理方面，基于BIM技術的歷史建筑模型（HBIM），可以生成建筑全生命周期模型，是建筑遺產信息展示與管理的重要工具。HBIM除了正交投影和3D模型（線框或紋理）外，還可以自動創建截面、細節和明細表，用于分析和保護歷史對象、結構和環境[30]。HBIM還具有很強的擴展性，可以與VR、AR、XR等技術進行結合，強化與用戶的交互性。另外，結合3D數字化模型進行建筑遺產災害風險管理也是數字化技術應用與遺產保護的一個重要內容[31]。

除了建筑遺產數據采集與模型建構等數字化技術的研究外，學者們對建筑遺產的數字化標準也進行了探索，以防止在數據采集和轉譯過程中丟失關鍵信息，影響建筑遺產數字化呈現的原真性。如Nocerino等認為一些數字化模型關注視覺呈現，而模型信息缺乏精準性和可靠性[32]。Campos等結合普魯登特總統城火車站（Presidente Prudente Railway Station）和普魯登特·德·莫賴斯雕像（Prudente de Morais statue）兩個不同類型的案例對利用攝影測量技術采集建筑遺產數據的標準進行了研究，結合ISO19131和ISO19157制定了相應的數據采集標準和應用測量方法，有效提升了建筑遺產模型分類和數據的可靠性[23]。

3.1.3 建筑遺產空間體驗的數字化發展

在計算機算力的提升以及V R、AR、MR（混合現實技術）、XR（擴展現實）等數字化技術發展的支撐下，學者們圍繞建筑遺產數字空間環境的交互體驗進行了一系列的探索研究。

在體驗與交互的數字化技術研究方面，CIPRESSO等將AR系統虛擬對象在用戶體驗期間實時疊加到現實世界中，在現實環境中結合真實和虛擬的對象進行交互式實時運行，強烈的存在感、真實感提升了體驗質量[33]；Ma通過信息建模和編程集成兩個階段，實現了場景信息模型的集成和交互呈現，增強了空間信息的交互和展示應用能力[7]；Banfi提出以創建新形式的擴展現實技術（XR）來改進HBIM的互操作性，使用戶直接接觸建筑物獲得切身體驗，進而使靜態HBIM具有交互性、沉浸性和互操作性[19]。另外，隨著便攜式和嵌入式設備的發展，結合高度互動的物理與虛擬連接，建筑遺產與人類感官產生密切聯系，用戶體驗正在演變為新型混合體驗，會產生更高程度的沉浸式體驗[34]。VR和AR技術還可以用于智能手機和平板電腦，為用戶跨平臺、跨場景進行遠程交互體驗提供支撐[18]。可以發現，數字化技術促進了建筑遺產保護從專業性向大眾化的轉變。

在建筑遺產案例應用研究方面，博物館可以利用虛擬現實系統推出歷史遺址的虛擬游覽，直接將歷史與當代城市并置，創造一個充滿教育意義的交互式虛擬游覽場景[35]。對于具有環境敏感性或適合人群參觀的遺產建筑或古跡，可以將遺產BIM的3D交互式數字模型與VR、AR等技術相結合，實現虛擬全景旅游[36]。另外，對于已經消失的建筑遺產，可以在虛擬現實場景中將虛擬與現實重疊，讓已經消失的建筑遺產充分發揮有效的教育效果[37]。

3.2 建筑遺產數字化研究的前沿分析

基于關鍵詞的詞頻變動突現圖譜分析，可以對英文文獻中建筑遺產數字化研究的熱點和前沿進行更加直觀的展現（圖5）。關鍵詞突現圖譜可以揭示突現關鍵詞的時間變化性，紅色線段表示突現時長，占比越多說明研究的持續時間越長，也顯示出該熱點的重要性和影響力；關鍵詞的強度（strength）數值越大表明該關鍵詞受到了越多的關注。

圖5 建筑遺產數字化研究關鍵詞突現圖譜

國外建筑遺產保護研究中突現率最高的被引詞有10個，其中“virtual reconstruction”（虛擬重建）突現強度最高，為2.82，時段是2017—2019年，說明建筑遺產虛擬重建是這個階段的研究熱點。其次是“virtual reality”（虛擬現實），突現強度為1.62，時段為2019—2020年，表明建筑遺產與虛擬現實結合在這個階段被高度重視。突現強度第三的關鍵詞是“heritage”（遺產），突現強度為1.44，時段為2020—2022年，也是近期的突現詞，對建筑遺產數字化研究具有重要的引導作用。突現強度高說明這幾個成熟的研究領域有一定的寬度和深度。分析突現詞的發展，可明顯看出其逐漸與數字化相結合，表明數字化基礎是建筑遺產保護的機遇和挑戰。近幾年來突現的3個關鍵詞為3D數字化（3d digitization）、遺產（heritage）和深度學習（deep learning），表明這3個研究主題在建筑遺產數字化保護領域比較活躍，特別是隨著計算機算力的提升和虛擬現實等數字化技術的不斷發展，如何結合人工智能技術提升信息采集與處理質量、推動建筑遺產3D數字化資源建設成為研究重點。

4 結語

建筑遺產的數字化保護與利用在中國仍然是一個相對較新的課題，但結合英文文獻中建筑遺產數字化研究的發展現狀與研究熱點，可以發現：（1）在數字化技術力量的作用下，傳統的“原真性”建筑遺產保護與利用方式被不斷拓展，富含歷史印記信息的數字化模型與場景成為一種新的保護方式，虛擬場景所投射的原真性信息在直觀的呈現下不斷被感知與體驗，其價值也被不斷傳播和延續；（2）從保護的視角來看，建筑遺產存檔與管理等方面數字化技術的發展，推動了建筑遺產信息數據獲取、模型建構以及信息展示與管理等方面的精確性和全周期性發展，可對建筑遺產的建檔登錄、修繕、預防性保護等起到積極作用；（3）從利用的視角來看，VR、AR、MR等數字化技術與便攜式設備等的結合可以打破物理時空的壁壘，讓用戶在文化遺產虛擬場景空間中進行沉浸式體驗與交互，有助于豐富數字化時代的日常生活方式[38]，培養受眾的文化認同感，推進文化遺產的傳承與發展。

建筑遺產保護與傳承的重要性和參與度在當下不斷被提升，特別是在對非接觸式生活方式的推動下，建筑遺產保護利用與元宇宙的有效融合將成為時代熱點。但以下幾個方面的問題仍需進行進一步的討論和研究：

（1）原真性下的自然真實與虛擬真實。數字化技術使建筑遺產在空間上進行拓展，形成了自然真實遺產建筑的虛擬真實，數據質量是保障虛擬真實性的前提。雖然激光點云和攝影測量等相關方法提高了數據采集的準確性，但是還應以精細化的建筑遺產保護數字化技術標準體系為參照，避免在數據采集、模型構建等操作過程中使技術目標與標準等產生較大差異。不能以建筑遺產數字化模型的視覺效果為標準，而忽視其物態信息的準確性。

（2）專業性訴求與公眾性需求。基于BIM、攝影測量、3D激光掃描的數字化模型可以滿足對建筑遺產的研究、保護與展示交流的專業性需求，但針對博物館、園林、歷史街區等具有較強體驗性和教育意義的場所，如何結合XR、VR、AR等技術促使建筑遺產向社會公眾開放，提高在手機、平板等便攜式設備平臺上的易獲取性，將成為重要的發展方向。另外，可以深入挖掘HBIM的后續應用，圍繞HBIM進行建筑環境變化檢測和行為影響模擬，為建筑遺產空間再利用提供參考[39]。

（3）現實具身性與虛擬具身性。目前建筑遺產虛擬體驗與交互層面受物理模擬的限制，其虛擬環境的體驗感與真實環境相比還有較多不足，應關注如何借助穿戴設備（如VR頭盔、觸覺設備等）產生與現實世界類似的具身性體驗，進而使建筑遺產蘊含的豐富歷史文化信息轉化為充分的感官體驗。

總而言之，在以數字化技術為核心的元宇宙時代，建筑遺產的保護與利用的觀念、技術與方式面臨著新的機遇，在厘清“自然真實與虛擬真實”“專業性訴求與公眾性需求”“現實具身性與虛擬具身性”等方面問題的基礎上，推動建立開放交互的建筑遺產數據庫，將會使寶貴的建筑遺產在可保護、可分享、可體驗、可活化的狀態下被更好地保護與利用。