歷史地圖的云平臺構(gòu)建與信息挖掘

袁三明，朱蘭艷

(昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093)

1 引 言

歷史地圖提供了豐富的人類活動與環(huán)境變化的歷史痕跡，包括國家與地區(qū)的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事、人文演變等。梁啟章認(rèn)為歷史地圖已經(jīng)成為人們了解或研究歷史變遷最佳的信息來源且應(yīng)用范圍極廣[1]。吳鵬飛認(rèn)為可以從歷史地圖去了解建筑史和城市史[2]。中國古代和近代的地圖擁有豐富的歷史和文化價值，同時也記載著詳盡的地理信息，但在移動、使用和存儲方面依然存在很多問題，需要提出新的技術(shù)和方法完善歷史地圖的研究模式[3]。目前，很多學(xué)者對歷史地圖的應(yīng)用和處理已有很多研究。樂玲等查閱古籍資料使用ArcGIS技術(shù)直接制作矢量地圖[4]。趙鍇等探究了計(jì)里畫方與現(xiàn)代投影和坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)理關(guān)系，并且提出了新的古今地圖坐標(biāo)配準(zhǔn)方法[5]。熊助國等提出了一種掃描技術(shù)來制作數(shù)字地圖的方法，可以快速完成歷史地圖影像到矢量數(shù)字影像的轉(zhuǎn)換[6]。但是，單純的數(shù)字化歷史地圖使用依舊存在局限性。傳統(tǒng)的桌面GIS軟件使用不同的數(shù)據(jù)引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，需要使用多種數(shù)據(jù)服務(wù)層訪問技術(shù)調(diào)取數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)以及服務(wù)數(shù)據(jù)等在應(yīng)用和操作時協(xié)同性降低且使地圖對比方式單一[7]。ArcGIS Online是基于網(wǎng)絡(luò)云技術(shù)開發(fā)的新一代WebGIS應(yīng)用，具備不依賴本地資源的空間數(shù)據(jù)儲存、分析以及管理能力，使用戶能夠以網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的方法使用在線服務(wù)器托管地圖數(shù)據(jù)資源?？梢愿鶕?jù)研究目的搭建GIS云平臺并基于云平臺對地圖進(jìn)行研究以及制作相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)[8]。沈正波[9]、肖瑋[10]、Jan Miklín[11]以及趙杏杏[12]等學(xué)者分別將ArcGIS Online應(yīng)用在了校園三維模型建立、H7N9信息查詢、昆蟲分布和水利信息查詢等方面。

16世紀(jì)，西方的制圖技術(shù)進(jìn)入中國。清末民初，中國的制圖技術(shù)更加完善，地圖精度更高。北京曾作為“中華民國”的首都，留下了大量反映當(dāng)時社會現(xiàn)象和時代背景的地圖[13]。本文以民國時期的北京地圖為例，對其進(jìn)行數(shù)字復(fù)原處理、云平臺構(gòu)建和基于云平臺的動態(tài)對比分析研究。探討歷史地圖的數(shù)字化Web應(yīng)用，為更好地發(fā)掘歷史信息和研究城市變遷提供方法。

2 研究對象

2.1 地圖數(shù)據(jù)

民國時期各雜志社和出版社制作和出版了大量的地圖，成果豐碩。民國27年(1938年)北京文雅社刊發(fā)的《北京市最新詳細(xì)全圖》，盡管制圖精度與現(xiàn)代地圖存在差距，卻也相當(dāng)全面地反映了20世紀(jì)三十年代“老北京” 的空間特征[14]。天津中東石印局印制的比例尺為 1∶15 850的《北京地圖》與1921年日新輿地學(xué)社刊發(fā)的比例尺 1∶18 000的《北平市全圖》(如圖1所示)等地圖記錄了許多反映時代特征的地物，諸如消防局、公安局、郵務(wù)管理局等機(jī)構(gòu)，貿(mào)易商池田、日本制鐵株式會社、井上福等洋行，北京電燈、愛知號、華北實(shí)業(yè)等新興企業(yè)，以圖例符號標(biāo)注教堂、寺廟、倉庫、學(xué)校、橋梁、道路、輸電線路、鐵路以及外城及郊區(qū)的池塘、樹林、村鎮(zhèn)和墳塋等地物。代表了民國時期北京地圖科學(xué)編圖的時代背景和制圖水平，是當(dāng)時中國地圖出版的一種展示。從水木社區(qū)獲取到《北平市全圖》，詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

《北平市全圖》詳細(xì)參數(shù) 表1

圖1 北平市全圖

同時從IT社區(qū)(CSDN)獲取到2018年的北京道路和地塊矢量數(shù)據(jù)，地理坐標(biāo)系為WGS-84，范圍包括現(xiàn)今北京全市。配準(zhǔn)底圖《北京城近郊區(qū)》為TIF格式，比例尺為 1∶90 000，范圍包括現(xiàn)今海淀區(qū)、朝陽區(qū)、西城區(qū)、東城區(qū)以及豐臺區(qū)。

2.2 研究區(qū)域

民國時期至今，北京城經(jīng)歷過戰(zhàn)亂和戰(zhàn)后重建革新，部分歷史地物已經(jīng)被新興地物取而代之。研究和了解這塊土地上諸多地物的出現(xiàn)、變化與消失，對歷史的解讀和傳統(tǒng)的繼承都有著很多益處。民國時期的北京地圖保存著當(dāng)時的地理信息，研究這類地圖能夠直觀了解北京百年間的變遷。而在現(xiàn)今最繁華與繁忙的區(qū)域，這種變化無疑也是最明顯和最有特點(diǎn)的。西單站不僅是地鐵1號線和4號線的換乘站，而且有西單大悅城等眾多商業(yè)中心。通過熱力圖可知，通勤高峰期時段，西單地鐵站及周圍熱力值較高。而天安門廣場南北長 880 m，東西寬 500 m，面積達(dá)44公頃，可容納100萬人舉行盛大集會[15]。且大面積的建設(shè)中必然改變諸多地貌，包括其周圍用地、道路建設(shè)與公共設(shè)施等。基于以上原因，本文選取西單與天安門廣場及其附近地塊作為道路和地物變遷的研究區(qū)域。

3 技術(shù)與方法

3.1 數(shù)字化處理

目前，柵格地圖的矢量化處理和桌面軟件專題制圖已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[16]。特別是遙感攝影與實(shí)測地圖的精確配準(zhǔn)：完成同位地物的準(zhǔn)確重合與空間位置提取，從而實(shí)現(xiàn)地理信息轉(zhuǎn)繪、地圖更新以及專題地圖制作[17]。將民國時期北京的紙質(zhì)版地圖或掃描或復(fù)制出柵格影像，根據(jù)道路交叉點(diǎn)、湖泊、城門、故宮四角等古今同名而位置未發(fā)生變化的地物與配準(zhǔn)底圖《北京城近郊區(qū)》進(jìn)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)后的北京地圖可以與其他任何有相同坐標(biāo)系統(tǒng)的現(xiàn)代地圖進(jìn)行對比，在對比過程中可以直觀地了解北京城的地物變化[18]?！侗逼绞腥珗D》數(shù)字化流程如圖2所示，得到矢量道路與地塊等結(jié)果(圖3)，本地占用空間減少95.2%。

圖2 數(shù)字化流程圖

圖3 民國時期北京矢量圖

3.2 云平臺構(gòu)建

ArcGIS Online(圖4)是Esri開發(fā)的基于網(wǎng)絡(luò)的制圖、分析和共享新模式。允許加載包含交互式地圖和3D場景在內(nèi)的地圖[19]。能夠?qū)崿F(xiàn)公眾參與，讓大眾了解和測量地理數(shù)據(jù)。地圖資源和矢量數(shù)據(jù)都存儲在安全且私密的云托管中，可使本地儲存空間得到釋放。

圖4 ArcGIS Online

根據(jù)歷史地圖的特點(diǎn)，GIS云平臺可分為三個部分：

(1)數(shù)據(jù)資源：分別是在線底圖數(shù)據(jù)和數(shù)字化歷史地圖；

(2)應(yīng)用模板：主要是動態(tài)對比分析模板；

(3)用戶權(quán)限：所有人都可訪問。

通過平臺配置實(shí)現(xiàn)歷史地圖的查看和分析功能，依次配置地圖圖層、窗口查看器、分析模板、組別和訪問方式，完成應(yīng)用程序發(fā)布即可對地圖進(jìn)行查看和分析[20]。地圖圖層配置主要依靠ArcMap和在線文件傳輸將桌面矢量數(shù)據(jù)作為地圖圖層發(fā)布到云儲存托管。分析模板基于模型創(chuàng)建器(Model Builder)構(gòu)建應(yīng)用模板，模型創(chuàng)建器連接于ArcGIS桌面程序中屬于可調(diào)用的工具窗口，通過模型創(chuàng)建器將地理數(shù)學(xué)模型、分析程序以及分析窗口結(jié)合起來，可以在創(chuàng)建器中修改或搭建分析模型。創(chuàng)建完成之后可以將應(yīng)用模板保存成工具盒中的工具選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)用[21]。本文所構(gòu)建的GIS云平臺使用了動態(tài)對比分析模板來進(jìn)行信息挖掘，借助了垂直條塊來比較道路和地塊Web地圖，拉動條塊即可卷起道路對比圖層并顯示地塊對比圖層(如圖5所示)。

圖5 云平臺動態(tài)對比分析

將組別設(shè)置為公共，然后將包含地圖資源和模板的應(yīng)用程序保存到設(shè)置好的組別中。完成歷史地圖云平臺構(gòu)建后，可將應(yīng)用程序嵌入網(wǎng)頁、社交群組或微博中，在多種即時程序或聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中共享歷史地圖數(shù)據(jù)，公眾可以通過瀏覽器、移動電話、URL鏈接(https：//arcg.is/04Duu)和ArcGIS軟件等對數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽和應(yīng)用[22]。這樣便能實(shí)現(xiàn)地圖信息和分析程序的公共閱覽和信息調(diào)用。

4 地圖信息

從民國時期北京矢量圖中僅可得知：西單位于西長安街和宣武門大街的交接處；西單為終點(diǎn)，西長安街沒有向西延伸；天安門廣場占用了中山路和大量胡同及建筑用地。西單與天安門廣場區(qū)域道路與建筑密度較高，使用ArcMap疊加分析時地物對比不明顯且地物復(fù)雜度高會導(dǎo)致錯誤查閱和遺漏查閱，最終不能詳細(xì)研究地物變遷。

從動態(tài)分析中可以看到，相較于民國時期的西單地區(qū)，現(xiàn)代道路以祖邱胡同等巷子為延伸基礎(chǔ)聯(lián)通了西單以西，并且成為北京東西方向的主要道路。西單牌樓里有戲院、醫(yī)院、飯館等場所，如同現(xiàn)代的商業(yè)中心，但關(guān)帝廟、后牛肉灣、前牛肉灣和崇德中學(xué)等皆被拆除。現(xiàn)在該地建設(shè)有一座中國人保大廈和西單地鐵站E出口。西單周圍的很多巷道胡同和歷史建筑已經(jīng)拆除，如北辰報(bào)社等建筑已經(jīng)消失；西單東北方的北安里、崇善里、南安里、馬館、西二條、大柵欄等地方已經(jīng)被規(guī)劃成為西單廣場；魯迅中學(xué)原址為民國時期的民國學(xué)院和一些街道與民宅。雖然很多的胡同和四合院等建筑已經(jīng)被拆除和改建，但西長安街、宣武門大街等街道名稱沒有變化。同時也出現(xiàn)了新的胡同和道路，如鬧市口北街和西單北大街中間區(qū)域里的大木倉胡同、皮庫胡同、二龍路和華遠(yuǎn)街等。

天安門廣場拓寬所占區(qū)域包括中華門東邊的部分公安局、消防局、郵政局等區(qū)域，還包括西邊的桃竹胡同、小鐘府、大中府胡同、左府胡同、黑皮大院、大四嚴(yán)井和小四嚴(yán)井、宋家胡同、前府胡同等部分區(qū)域?，F(xiàn)在，公安街已經(jīng)被拆除，天安門周圍的道路也得到改良與重新設(shè)計(jì)。清末民初時的各國使館已經(jīng)被重新規(guī)劃，各使館之間的道路已經(jīng)被拓寬，且在澳大利亞使館和兵營、德國兵營、天主教堂、法國兵營、海關(guān)稅務(wù)司辦事處等建筑之間新增了道路。

動態(tài)對比分析還可以簡潔明了地觀察北京全城地物的變遷趨勢，即道路變化趨勢表現(xiàn)為主體道路、輔助道路以及小路巷子等道路數(shù)量的總體增加。而在地塊對比中可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代北京城的建設(shè)較之民國時期，建筑更加密集，地塊使用率更高，道路規(guī)劃更加通暢。中海、南海及北海的湖泊面積增加，且北海被規(guī)劃為公園。

5 結(jié) 論

北京城擁有深厚的歷史文化底蘊(yùn)，需要進(jìn)一步保護(hù)和挖掘。但大到整個北京城的規(guī)劃建設(shè)，小到一戶人家的搬遷變動都在歷史推進(jìn)中不斷變遷。歷史地圖能夠提供具體時間節(jié)點(diǎn)下的詳細(xì)地貌，保留所處時代的歷史痕跡。但歷史地圖使用和研究存在困難，不僅精度較差而且不易保存。信息技術(shù)的發(fā)展和WebGIS技術(shù)的應(yīng)用，不僅為歷史地理研究提供了新的途徑，而且使地理信息系統(tǒng)和歷史地理的結(jié)合更加深入和緊密。歷史地圖云平臺不僅能實(shí)現(xiàn)地圖的數(shù)字復(fù)原、坐標(biāo)糾正和數(shù)據(jù)儲存，還可以將云平臺發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)共享。公眾參與到歷史地理的瀏覽和研究中，最終能夠?qū)崿F(xiàn)歷史地圖的多領(lǐng)域應(yīng)用，最大限度地開發(fā)地圖的歷史價值。

構(gòu)建民國時期北京地圖的GIS云平臺，不僅能為歷史地理的研究提供不同分析方法與模板，還能滿足大眾對于歷史地圖數(shù)據(jù)的共享需求。例如，①在系統(tǒng)中直觀地比較當(dāng)代地圖與歷史地圖數(shù)百年來的區(qū)域變化，為歷史研究提供詳細(xì)信息；②將當(dāng)代地圖服務(wù)和歷史地圖服務(wù)聚合，兩者疊加對比，可以評估歷史地圖的精度特征；③在特定區(qū)域內(nèi)，針對聚落分布進(jìn)行空間分析，可以發(fā)現(xiàn)聚落結(jié)構(gòu)的變化；④統(tǒng)計(jì)歷史地名特征，探討地名變化；⑤以歷史地圖為參照，將歷史文獻(xiàn)數(shù)據(jù)空間化并制作歷史專題地圖。結(jié)果表明WebGIS是歷史地理學(xué)發(fā)展中的一種研究方法，對歷史地理的梳理、儲存、展示、新的發(fā)展方向有重要的影響。將歷史地圖數(shù)字化并搭建GIS云平臺進(jìn)行在線分析和數(shù)據(jù)共享，便于進(jìn)行歷史地理的研究。