近日，遗产数字化与虚拟修复课题组成功举办中国文化遗产保护与修复通识课讲座，本次讲座由清华大学建筑学院教授、博士生导师党安荣以“数字孪生赋能文化遗产保护与传承”为题进行分享。
题目：数字孪生赋能文化遗产保护与传承
党安荣
教授，清华大学建筑学院
党安荣教授提及，欲解决文化遗产保护与传承的问题，首要在于明确文化遗产保护、利用以及传承之需求，继而探寻契合需求之技术方法。紧接着，党教授详细阐述了整合多种前沿技术方法的有效策略，并深入讲解了采用 “数字孪生” 这一技术路线来为文化遗产的保护与传承工作提供有力辅助的具体方式，同时结合一系列实际案例，生动且具体地展现了其在不同场景中的应用实践。最后，党教授高瞻远瞩，对该领域未来值得重点关注的发展方向进行了深入探讨与前瞻性的研判。
01文化遗产保护传承需求
1.国内国际文化遗产类型与数量
“没有规矩不成方圆”，党教授通过《中华人民共和国文物保护法》入手，介绍了国内体系下的文化遗产类型。首先提到我们需要关注的文物：具有历史、艺术、科学价值的文物；与重大历史事件、革命运动或者著名人物有关的以及具有重要纪念意义、教育意义或者史料价值的近代现代重要史迹、实物、代表性建筑；等。在《文保法》的细致分类中，文物被清晰地划分为 “可移动文物” 与 “不可移动文物” 这两大类别，而每一类文物又根据其自身的价值、稀缺性、保存状况等因素进一步细分，各自包含了多个等级，形成了一套严谨而科学的分类体系。随着文化遗产概念的不断拓展与深化，党教授紧接着着重阐释了 “文化遗产” 与 “文物” 之间既相互关联又有所区别的微妙关系：在《国务院关于加强文化遗产保护的通知》中讲明，文化遗产包括物质文化遗产和非物质文化遗产。
在全球化的视野下，国际层面对于文化遗产的保护也给予了高度重视。早在20世纪60年代，联合国教科文组织（UNESCO）便察觉到文化遗产保护的紧迫性和重要性，积极投身于全球文化遗产保护的伟大事业中。UNESCO将世界遗产划分为5种类型：文化遗产、自然遗产、混合遗产、文化景观、非物质文化遗产，将文化遗产分为文物（例如敦煌莫高窟）、建筑群（例如北京紫禁城）和遗址（例如圆明园）三种类型，且举例介绍了文化景观的三种类型。
我国作为拥有悠久历史和灿烂文化的文明古国，自新中国成立的那一刻起，便毅然决然地踏上了文化遗产保护的漫长征程。经过多年坚持不懈的努力，截至当下，中国在世界遗产的保护领域取得了举世瞩目的成就，共有59处世界遗产，其数量在全球范围内位居第二。
为了更全面、深入地了解我国文物的实际情况，国家秉持着严谨、科学的态度，积极组织开展了多次全国文物普查工作。随着时间的推移，科技的飞速发展为考古和挖掘工作带来了前所未有的机遇。先进的考古技术和挖掘手段不断涌现，如高精度的探测仪器、先进的文物修复技术等，使得我们能够更加深入地探索历史的奥秘。与此同时，人类对历史文化的认知能力也在不断提升，从不同的角度、运用新的理论和方法去解读和理解文物的价值和意义。在这些因素的共同作用下，我国文物的数量呈现出持续增长的良好态势。
图 1 第三次文物普查成果
党教授还详尽介绍了中国历史文化名城、中国历史文化名镇名村和中国传统村落。
2.文化遗产保护传承的目的意义
我国文化遗产蕴含着中华民族特有的精神价值、思维方式、想象力，体现着中华民族的生命力和创造力，是各民族智慧的结晶，也是全人类文明的瑰宝。为了在全社会范围内唤起民众对传统文化遗产的保护意识，提升文化遗产保护的全民参与度，我国专门设立了文化遗产日。最初，文化遗产日定在每年6月的第二个星期六，这一特殊的日子成为了人们聚焦文化遗产、传承文化精神的重要时刻。党教授还鼓励我们积极参与到节日中去，为保护和传承文化遗产贡献自己的一份力量。习近平总书记深刻认识到文化遗产保护对于国家发展、民族复兴的深远意义，他在众多重要场合发表了一系列有关文化遗产保护的激情洋溢的演讲，这些演讲犹如明灯，为文化遗产保护工作指明了方向。
3.文化遗产保护传承的多维需求
在文化遗产保护传承的宏大工程中，调查与认知无疑是奠定坚实基础的首要环节，文化遗产作为历史的沉淀，其蕴含的信息丰富而复杂，通过全面、细致的实地调查，我们能够收集到大量与文化遗产相关的一手资料，这些资料涵盖了文化遗产的地理位置、物理形态、保存状况、周边环境等诸多方面。然而，这些原始资料往往是零散而无序的，需要我们进一步深入挖掘其内在价值。我们必须借助查阅丰富的历史文献、考古报告、学术研究等相关资料，对收集到的数据进行系统的梳理和分析，从而实现对文化遗产价值的精准识别与科学评判。在这一过程中，我们可以借助先进的数据分析模型，如基于大数据技术的文化遗产价值评估模型、空间分析模型等，对海量的数据进行深度挖掘和整合，以清晰地揭示文化遗产之间的分布规律、空间关系以及内在联系。最终，基于严谨的价值认定，我们能够对文化遗产进行全面而深入的分析评定，为后续的保护传承工作提供科学依据。
在完成调查与认知的基础上，保护与管理工作成为文化遗产保护传承的核心任务。由于文化遗产的种类繁多、形态各异、价值各异，因此对其进行科学合理的分类、分级和分区管理显得尤为重要。我们需要根据文化遗产的历史年代、文化属性、艺术价值、保存状况等多方面因素，制定详细的分类标准，将文化遗产划分为不同的类别；同时，依据其价值的高低、稀缺性程度等，对文化遗产进行等级划分，如国家级、省级、市级等不同级别；此外，还需结合文化遗产的地理位置、分布特点等，进行合理的分区规划，以便于实施针对性的保护措施。
文化遗产的保护与传承是一个有机整体，保护是前提，活化利用是关键，传承是目的。在保护的基础上，如何实现文化遗产的活化利用并在利用过程中实现有效的传承，是我们面临的重要课题。首先，我们需要通过深入的研究，全面了解文化遗产保护传承的主体（即谁来保护传承）、时间节点（何时进行保护传承最为适宜）、空间范围（何地开展保护传承工作）以及具体方式（采用何种方式实现保护传承）等关键要素。同时，我们还必须深入探究影响文化遗产保护传承的各种因素。只有全面把握这些要素和影响因素，我们才能制定出科学合理、切实可行的文化遗产保护传承策略，实现文化遗产的可持续发展。
02数字孪生赋能应用场景
在这个数字空间中，我们可以借助各种先进的分析工具和模拟算法，对文化遗产进行深入的研究，预测其在不同环境条件下的变化趋势，推演各种保护和修复方案的可行性与效果。然后，通过实时交互等技术，将数字空间中经过优化和验证的方案反作用到物质空间，为现实中的文化遗产保护与传承工作提供精准、科学的决策支持和技术指导，实现数字与现实的深度融合与协同发展。
为了实现数字孪生在文化遗产保护与传承中的有效应用，我们首先需要对物质文化遗产建立起全面而深入的认知体系。这一认知过程不仅涉及对文化遗产在空间尺度上的精确测量与定位，如通过高精度的测绘技术获取其地理位置、占地面积、建筑布局等空间信息，还包括在时间尺度上对其历史沿革、演变过程的追溯与梳理，通过考古研究、历史文献分析等手段，还原文化遗产在不同历史时期的面貌与功能。同时，我们需要运用各种专业类型的技术手段进行数据采集工作，涵盖了光学成像技术、激光扫描技术、传感器技术等多领域技术手段。光学成像技术能够以高分辨率捕捉文化遗产的外观图像，为后续的三维建模提供丰富的纹理信息；激光扫描技术则可以快速、精确地获取文化遗产的三维空间数据，构建出精细的几何模型；
信息技术方法在文化遗产保护领域发挥着不可或缺的支撑作用，其涵盖了一系列前沿技术，如动态数据获取技术、数据实时传输与云端处理技术、数据可视化表达技术以及定量决策支持技术等。动态数据获取技术能够借助物联网技术、传感器网络等手段，实时采集文化遗产的各种动态信息。
图 2 数字孪生信息技术支撑
这些技术方法在众多方面得到了广泛的应用，其中时空大数据便是一个典型的例子。在测绘领域，时空大数据整合了丰富多样的导航定位数据、对地观测数据以及物联传感数据，为文化遗产的保护与研究提供了强大的数据基础。导航定位数据，如我国自主研发的北斗全球导航卫星系统（BDS）提供的高精度定位信息，能够精确确定文化遗产的地理位置坐标，为实地调查、监测和保护工作提供精准的空间参考。
图 3 国家地理信息公共服务平台—天地图
图 4 中国北斗全球导航卫星系统
党教授还分享了其团队在文化遗产调研工作中的宝贵经验与成果，例如在长城文化遗产保护与利用方面开展的空间信息方法研究。团队运用先进的空间信息技术，对长城进行了全方位、多尺度的测绘与建模，构建了长城的数字化档案，为长城的保护、修复、展示与利用提供了科学依据和技术支撑。
在数字孪生赋能文化遗产保护传承的过程中，价值认知与状态评估是两个关键环节。为了实现精准的价值认知，我们基于精心构建的孪生体模型，来做系统、要素、因果等的分析挖掘其科学价值、历史价值和艺术价值；同时，通过状态评估工作，我们能够实时监测文化遗产的变化情况，运用动态分析方法跟踪文化遗产在不同时间节点的状态演变过程，预测其未来发展趋势；通过评价分析建立科学合理的评价指标体系，对文化遗产的保存状态、保护效果等进行量化评估。基于这些全面而深入的价值认知和状态评估结果，我们能够制定出针对性强、切实可行的保护和传承策略，确保文化遗产得到妥善的保护与永续传承。
例如，在蟠龙山长城的保护工作中，通过构建精细化的数字孪生模型，我们能够精确测量每一块长城砖的损毁程度，进而根据建筑材料的特性和修复工艺要求，准确计算出修复所需的黏土量以及各种配料的精确数量，为长城的修复工作提供了科学依据。
图 5 长城砖块数据采集
对榆林古城的调研工作则从更宏观的角度出发，通过扩大调研范围，深入研究古城的成员形态（包括建筑风格、街道布局等）及其与周边山水环境的有机融合关系，揭示了人与自然共同创造的历史文化景观特征。
图 6 人与自然的共同创造—榆林古城
03面向未来发展趋势研判
在文化遗产保护与传承的未来进程中，技术与需求将深度交织，共同推动智慧赋能迈向新高度。通过技术与需求的紧密结合，确保文化遗产保护传承的真实性、完整性和科学性，让文化遗产在新时代焕发出新的生机与活力，为文化强国建设贡献重要力量，实现文化遗产的永续传承与创新发展。
党安荣 教授 清华大学建筑学院
党安荣，1964年生，清华大学建筑学院教授，博士研究生导师，清华大学人居环境信息实验室主任，清华大学国家文物局重点科研基地主任，主要从事城乡规划与文化遗产保护新技术教学与科研工作。
主持与参加完成多项国家级科研项目，如国家自然科学基金面上项目“面向数字城市规划的空间信息技术集成应用模式研究”和重点项目“宜居城乡地方性景观生态规划理论及方法”、国家863项目“国家空间信息处理平台基础技术研究”、国家科技支撑项目“基于3S和4D的城市规划设计集成技术研究”、国家科技研发计划“数字城市规划新技术研发”、“城市空间规划理论体系与智能管控技术框架”、“CIM的理论框架与分布式架构体系”等，近年来致力于数字中国、智慧城市与智慧景区规划及文化遗产保护研究。
在国内外发表学术论文180多篇，出版专著与教材8部。曾获得“中国城市规划新技术应用推广先进工作者、国家优秀教学成果二等奖、省级优秀教学成果特等奖、住建部华夏科技一等奖、北京市优秀村镇规划设计一等奖、中国风景园林学会规划设计一等奖、中国地理信息科技进步一等奖、高校GIS十大创新人物奖、智慧城市先锋榜领军人物奖、地球观察科学家奖、清华大学教学成果奖、清华大学良师益友称号”等。
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