摘要古舊地圖作為空間地理信息載體,為歷史地理學(xué)研究留下了一筆財(cái)富。文章依據(jù)BingMaps(無偏移)影像分區(qū)域選取至今無變化地物作為參考點(diǎn),配準(zhǔn)1932-1933年的一萬分一《西京市區(qū)》圖,數(shù)字化并建立該時期西安城郊地區(qū)地理數(shù)據(jù)庫,為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù);解譯《西京市區(qū)》圖中的地理信息,不僅對古舊地圖起到保護(hù)作用,而且為城市化發(fā)展、交通網(wǎng)絡(luò)變遷、水系變遷、重建局部區(qū)域土地利用全要素等專題研究提供了翔實(shí)的數(shù)據(jù)。該方法對指導(dǎo)無經(jīng)緯度、大比例尺城鄉(xiāng)地圖具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞大比例尺;城鄉(xiāng)地圖;數(shù)字化;提取方法;應(yīng)用價值
0引言
數(shù)字地圖是伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)與地理信息技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的新型地圖形式,在計(jì)算機(jī)或電子屏幕上顯示,信息量豐富,能提供正確及時的地理信息,修改、檢索、傳輸方便。由于數(shù)字地圖可以表示的信息量遠(yuǎn)大于普通地圖,成為地圖最重要的發(fā)展方向。數(shù)字地圖也是紙制地圖的數(shù)字存在,紙制地圖數(shù)字化成為處理早期地圖的重要內(nèi)容,特別是將古舊地圖中的信息轉(zhuǎn)化為GIS數(shù)據(jù),制成數(shù)字地圖,可以提取更準(zhǔn)確的地理信息,如歷史時期的疆域范圍、城市結(jié)構(gòu)、聚落分布、山川形勢、行政區(qū)劃、交通網(wǎng)絡(luò),并與今天的河流、山脈、政區(qū)、路網(wǎng)相疊加,直觀地表達(dá)出歷史時期的地理特征,為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
數(shù)字經(jīng)濟(jì)論文范例:數(shù)字經(jīng)濟(jì)管理中的自主決策
因此,近年古舊地圖數(shù)字化成為歷史地理學(xué)新興的學(xué)科方向[1]。比如,利用古舊地圖數(shù)字化提取,對歷史時期政區(qū)的復(fù)原[2-3]、歷代土地利用格局的重建[4-5]、針對古代交通道路的復(fù)原[6-7]、生態(tài)環(huán)境演變研究[8-10]、地名的演變探析[11-14]、區(qū)域經(jīng)濟(jì)的研究[15-16],提升了歷史地理學(xué)研究精度。然而,古舊地圖多以小幅呈現(xiàn),且年代久遠(yuǎn),在保存過程中出現(xiàn)紙張變形、褪色、缺失、破損的現(xiàn)象,因此數(shù)字化過程準(zhǔn)備工作——地圖的處理顯得十分重要。
此外,進(jìn)一步得到的GIS數(shù)據(jù)還受到數(shù)字化過程中地圖測繪精度、儀器的限制、數(shù)字化方法、采樣要素等因素影響,存在一定的誤差,針對這些問題,相關(guān)探討在逐年增加[17-19]。1980年代末,美國國家地理信息與分析中心(NCGIA)召開空間數(shù)據(jù)庫精度的專題研討會,目的是為GIS數(shù)據(jù)誤差研究擬定方向和立題,標(biāo)志著GIS數(shù)據(jù)誤差問題系統(tǒng)研究的開始[20]。目前對古舊地圖數(shù)字化得到的GIS數(shù)據(jù)誤差大體可歸為三大類:
一是數(shù)據(jù)源誤差,主要有控制點(diǎn)和地物點(diǎn)引入的誤差及展繪點(diǎn)誤差、地圖投影變形誤差、地圖編繪、印刷、復(fù)制等誤差、地圖紙質(zhì)材料變形的誤差。二是數(shù)字化過程中產(chǎn)生的誤差,即處理誤差,主要包括數(shù)字化儀器精度誤差和操作人員引起的誤差[21]43-45。三是應(yīng)用誤差,主要指數(shù)字化的空間數(shù)據(jù)在使用過程中產(chǎn)生的誤差。為避免GIS空間數(shù)據(jù)誤差的繼續(xù)傳播甚至擴(kuò)大,最終影響成果的可靠性,GIS空間數(shù)據(jù)的精度分析與質(zhì)量控制對后續(xù)的研究有著很大的意義,國際上GIS的研究機(jī)構(gòu)(如NCGIA和UCGIS)均把GIS中的精度分析與質(zhì)量控制作為當(dāng)代GIS研究的戰(zhàn)略重點(diǎn)[21]1。
對古舊地圖的數(shù)字化,誤差糾正最核心的步驟還取決于針對第二類誤差的修正,也就是在數(shù)字化過程中如何選擇最好的方法,以達(dá)到將誤差降低到最小值。它對專業(yè)技術(shù)人員數(shù)字化過程提出更高要求,目前學(xué)界針對這一研究的成果包括清代三大輿圖——康熙《皇輿全覽圖》《雍正十排圖》《乾隆十三排圖》數(shù)字化方法探討[22-23],民國1:5萬、1:10萬大比例尺地圖的數(shù)字化與誤差系數(shù)研究[15]。本文以民國21年(1932年)《西京市區(qū)》圖為例,探討一萬分一大比例尺城鄉(xiāng)地圖的數(shù)字化方法及其精度控制,探討作為史料的《西京市區(qū)》圖數(shù)字提取的價值、意義。
1民國一萬分一《西京市區(qū)》圖的基本信息
西北地區(qū)的地圖資源相對于東部數(shù)量偏少,開展現(xiàn)代地圖測繪工作的時間也短,相關(guān)地圖資源運(yùn)用于歷史研究還有待進(jìn)一步開發(fā)。陜西省地處西北的東大門,測繪工作起步相對早些,大面積測繪地形圖始于民國4年(1915),陜西省陸軍測量局測繪1:5萬地形圖,測繪的范圍大體集中于關(guān)中地區(qū)。但由于時局動蕩,人才資金短缺,到民國36年(1947)只完成283幅,占應(yīng)測圖幅數(shù)45.3%[24]7,這中間民國6年(1917年)調(diào)查陜西全省1:10萬地形圖,至民國18年(1929)基本完成地形圖204幅,覆蓋長城以南全省土地。陜西省地圖測繪工作最集中的時期是在抗戰(zhàn)后。1931年“九一八”事變爆發(fā)后,東北、華北、東南相繼淪陷,國民政府將經(jīng)略目光轉(zhuǎn)向西部,開始開發(fā)西北。1932年3月國民政府打算以長安(今西安)為陪都,定名西京,組織籌備西京委員會[25]6,1934年成立西京市政建設(shè)委員會。
本著“籌備西京,首重測繪”[25]196的認(rèn)識,西京籌備委員會、西京市政建設(shè)委員會自行或委托陜西陸地測繪局、參謀本部航空測量隊(duì)和參謀本部陸地測繪局先后測量、編繪、印制有關(guān)西京城關(guān)、市郊地形圖。本文所述65幅一萬分一紙本彩繪《西京市區(qū)》圖即是其中規(guī)模最大的西安城區(qū)全圖,由西京籌備委員會組織,民國21-22年間測繪,民國23-25年間繪成。《西京市區(qū)》圖全圖共計(jì)65幅,覆蓋范圍東抵灞河,南及樊川,西達(dá)灃河,北至渭河,約3328方里①。每幅圖幅面長、寬表示實(shí)際長7里,寬6.7里[25]159,且有完整的圖廓。
該套地圖由西京籌備委員會測量隊(duì)進(jìn)行調(diào)查、清繪,參謀本部陸地測量總局代印,六色印刷,比例尺精度1:1萬。主要測圖、清繪時間均為民國21-22年(1932-1933),集中于民國22年(1933年),分別占總圖幅的68%和66%;制版時間為民國23-25年(1934-1936),集中于民國23年(1934)、24年(1935),分別占總圖幅的46%、48%。整套圖無平面信息,參考《陜西省志·測繪志》記錄可知,民國時期陜西省無統(tǒng)一起算點(diǎn),只是按測區(qū)以天文點(diǎn)為準(zhǔn)設(shè)獨(dú)立(假定)坐標(biāo)系[24]13,標(biāo)高是由建設(shè)廳建國公園(現(xiàn)陜西省西安市兒童公園)內(nèi)水準(zhǔn)點(diǎn)之結(jié)果推算以海州(今連云港市西部,隴海鐵路上)中等海水面為基面[24]14。
受繪制時長及存放條件影響,該套地圖各幅色彩顯示輕重不同,有些圖幅呈現(xiàn)發(fā)黃跡象。除鐘樓西、鐘樓東、七里鋪、閣老門、灞橋原圖破損,鐘樓東、西、閣老門三圖有粘貼痕跡,玉女門、魚化寨、杏園頭原圖有明顯褶皺,徐家灣、興隆村、馬蹄寨原圖有污跡外其余圖幅基本保存良好。水井、廟宇、河流水系、交通網(wǎng)絡(luò)、等高線、城市、鄉(xiāng)村聚落等信息尤為豐富,從地圖學(xué)角度來審視,該地圖信息量極大,實(shí)為城市實(shí)體、鄉(xiāng)村聚落、河流水系、網(wǎng)絡(luò)交通綜合體,典型性較強(qiáng),數(shù)據(jù)資源難能可貴。同時該圖雖為大比例尺地圖,但缺乏經(jīng)緯度信息,這為地圖數(shù)字化工作增加了很大的困難。探討這種古舊地圖的數(shù)字化問題,對更精確地利用這種地圖資源具有重要意義。
2民國一萬分一《西京市區(qū)》圖的配準(zhǔn)及數(shù)字化
2.1基于在線無偏地圖的配準(zhǔn)
由于地圖保存質(zhì)量參差不齊,因此配準(zhǔn)前,首先對圖幅進(jìn)行一定處理。根據(jù)65幅《西京市區(qū)》圖,分別掃描為寬9975px,高7376px,分辨率為400dpi的柵格圖片。掃描過程中產(chǎn)生細(xì)微形變,因此在數(shù)字化前,先采用軟件PhotoshopCS6對掃描的底圖進(jìn)行透視裁剪,對產(chǎn)生形變的底圖進(jìn)行鏡頭校正,去掉外圖廓,并對底圖進(jìn)行顏色校正,使地圖能較好地保證圖質(zhì)質(zhì)量,且可較好地識別地圖中的字體標(biāo)注等信息;然后再利用Arcgis軟件實(shí)施地理配準(zhǔn),賦予《西京市區(qū)》圖空間位置信息。
因該套地圖沒有經(jīng)緯度參考,且民國21-22年至今約90年,西安發(fā)展變化較大,尤以城墻周圍地區(qū)變化最為明顯,因此,配準(zhǔn)是否精確直接影響到GIS數(shù)據(jù)的質(zhì)量,在數(shù)字化數(shù)據(jù)前對數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析有著重大意義,可以避免數(shù)據(jù)誤差逐級的傳遞。針對像萬分之一《西京市區(qū)》圖這樣一套無經(jīng)緯度坐標(biāo),但有參考點(diǎn)的多幅大比例尺古舊地圖進(jìn)行數(shù)字化,可以依據(jù)可直接定位的圖幅來得到其他圖幅的經(jīng)緯度,從而地理配準(zhǔn)賦予原圖空間位置信息。也可以先將所有圖幅拼接起來,然后從現(xiàn)今無偏差的遙感影像選取至今未變化的地物進(jìn)行配準(zhǔn)。還可以小范圍拼接然后配準(zhǔn)。由于該套地圖圖幅較多,距今時間較長,西安城市發(fā)展變化較大,按在線地圖選取大量參考點(diǎn)比較困難,按經(jīng)緯度配準(zhǔn)或一次性大面積整體配準(zhǔn)的誤差也會變大。
因此,本次配準(zhǔn)選擇適當(dāng)?shù)男》秶绕唇釉倥錅?zhǔn)。配準(zhǔn)所參考的現(xiàn)今無偏差遙感影像為Arcgis軟件中SimpleGIS在線地圖插件forArcMapV3.1下的BingMaps②(無偏移)。在配準(zhǔn)前先將原圖小范圍進(jìn)行拼接,再分區(qū)域選擇參考點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn),每個區(qū)域選取參考點(diǎn)至少7個,并且要在圖幅四周選取控制點(diǎn),以避免造成地圖外擴(kuò),盡可能滿幅均勻選取,以達(dá)到配準(zhǔn)最高精度。
本次配準(zhǔn)按《西京市區(qū)》圖的拼接表列(圖2)分為3組,第一組為前兩列(12幅),中間三列為第二組(24幅),最后三列為第三組(29幅)。因清末至民國時期地圖尚無精確的橢球參考基準(zhǔn),所以數(shù)字化賦予《西京市區(qū)》圖的地理坐標(biāo)系為WGS1984。
選取的參考點(diǎn)主要是明城墻四頂點(diǎn)、四城門、大雁塔、小雁塔、鐘樓等地標(biāo)建筑以及河流堤壩、橋梁等具有明確可定位、未位移的相關(guān)參照物,且這些地物均勻分布在地圖的各個方位。河流侵蝕導(dǎo)致河床下蝕,且受氣候等因素影響大,本項(xiàng)配準(zhǔn)盡量避免不選取河流作為參考點(diǎn)。配準(zhǔn)過程中刪除誤差較大的參考點(diǎn),用以調(diào)整變形較大的區(qū)域;適當(dāng)參考配準(zhǔn)好的地圖邊界處的特征點(diǎn),以調(diào)整參考點(diǎn)較難選擇的區(qū)域。最后利用ArcTollbox中的無縫鑲嵌工具,將65幅地圖拼接成一個整體,方便后續(xù)數(shù)字化。
2.2圖幅配準(zhǔn)誤差分析
將上述操作結(jié)果疊加到BingMaps(無偏移)影像上,選取一定量的參考點(diǎn)作為評價配準(zhǔn)精度高低的參照系。由于一萬分之一地圖當(dāng)中,聚落是以面狀符號來反映,且民國時期至今聚落持續(xù)發(fā)展,因此,選擇通過提取BingMaps影像中聚落的中心點(diǎn)與數(shù)字化民國時期聚落中心點(diǎn)進(jìn)行誤差的大致估算,通過分析地圖特征,選取民國至今地名一致的31個聚落中心點(diǎn)作為評價配準(zhǔn)結(jié)果的參考點(diǎn),每個區(qū)域選取至少10個參考點(diǎn),統(tǒng)計(jì)31個聚落中心點(diǎn)與實(shí)際位置的偏差,得到《西京市區(qū)》圖地理坐標(biāo)差值及其偏移距差。
上述統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)本次配準(zhǔn)的《西京市區(qū)》圖精度良好。大體來說,各區(qū)域間偏移程度不同,第一組聚落樣本中心位置整體偏移程度較小,經(jīng)度位置整體向南偏移,緯度位置整體向東偏移。第二組聚落樣本中心點(diǎn)位置整體偏移程度稍大于第一組,經(jīng)度位置整體向南偏移,緯度位置整體向西偏移。第三組是本次配準(zhǔn)過程中誤差較大的區(qū)域,整體上經(jīng)度位置向北偏移,緯度位置向西偏移,是因?yàn)榈谝唤M較第二、第三組圖幅少。
但對整套圖來說,31個聚落樣本中心點(diǎn)偏移的位置均較小,基本與實(shí)際位置偏移距離都保持在3m以下,整體上經(jīng)度位置偏移稍大于緯度位置,但偏移方向和程度不同,聚落位置坐標(biāo)經(jīng)度整體向西偏移,緯度整體向南偏移,平均偏移距離約1m。應(yīng)該說以上較小的誤差值在地圖整體利用當(dāng)中,可以忽略不計(jì),數(shù)字化地圖可以進(jìn)行下一步的科研利用。
需要說明的是,選取樣本具有隨機(jī)性,加上考慮到民國以來西安周邊社會經(jīng)濟(jì)變化大,聚落擴(kuò)張的重心具有不確定性。雖然本研究采用的以聚落中心點(diǎn)的位置偏移來探討配準(zhǔn)數(shù)據(jù)的精度存在一定的誤差,但從最終配準(zhǔn)數(shù)據(jù)疊加到BingMaps(無偏移)影像結(jié)果看,民國時期的聚落區(qū)基本落在今天聚落區(qū)范圍之內(nèi),河流也基本落到現(xiàn)今河床之內(nèi),因此上文所統(tǒng)計(jì)的誤差所反映地物整體偏移趨勢還是可以作為參考。
在誤差允許的范圍內(nèi),可以認(rèn)為利用參考點(diǎn)配準(zhǔn)底圖得到的結(jié)果與實(shí)際位置相差不大,基本可以忽略不計(jì),可以繼續(xù)后續(xù)研究。在本研究中,除“鐘樓西”圖幅破損帶來的原圖少許誤差外,主要是數(shù)字化過程中配準(zhǔn)的參考點(diǎn)的選取是否得當(dāng)直接影響了GIS數(shù)據(jù)的精度。相比較,依據(jù)定位的圖幅獲取地圖經(jīng)緯度實(shí)施地理配準(zhǔn),以及先將所有圖幅拼接起來,然后從現(xiàn)今無偏差的遙感影像選取至今未變化的地物進(jìn)行配準(zhǔn)的結(jié)果來說,適當(dāng)小范圍拼接然后配準(zhǔn)的結(jié)果更為精確③。
2.3圖幅的數(shù)字化賦予《西京市區(qū)》圖地理位置信息后,借助地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS,先對《西京市區(qū)》圖進(jìn)行數(shù)字化,然后通過點(diǎn)、線、面等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),采用坐標(biāo)形式對圖中的地理實(shí)體進(jìn)行表達(dá),提取民國21年-22年(1932-1933年)西京市區(qū)各要素的幾何位置和屬性信息,建立《西京市區(qū)》圖信息數(shù)據(jù)庫。其中,點(diǎn)圖層有墳?zāi)埂R宇、水井、土地廟等地物,線圖層有河流、城墻、土墻、交通路線等地物;面圖層有湖泊、沙洲、居民區(qū)等,整個區(qū)域覆蓋西京市城郊地區(qū)約832km2范圍。每個圖層均設(shè)計(jì)詳細(xì)的屬性表,方便查詢與使用。
2.4圖幅數(shù)字化方法的探討
民國萬分之一大比例尺地圖保存較多,多數(shù)為城市地圖,部分城鄉(xiāng)一體的圖幅也采用該比例尺編繪,其間仍有差異。針對這樣一批圖幅進(jìn)行數(shù)字化提取,可以建立多個時空界面的地理信息圖層,意義重大。然而,目前該比例尺圖幅的數(shù)字化工作多未展開,《西京市區(qū)》圖具有一定的典型性,它屬民國萬分之一大比例尺實(shí)測地圖當(dāng)中圖幅較多的一種,同時它有參考點(diǎn)、無經(jīng)緯度坐標(biāo),針對這樣一套地圖進(jìn)行數(shù)字化,如何能得到最精準(zhǔn)的定位與最精確的復(fù)原,方法非常重要。為與分區(qū)域選擇參考點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)的結(jié)果進(jìn)行比較,我們也曾選取與文中一致的31個聚落中心點(diǎn),依據(jù)經(jīng)緯度配準(zhǔn),進(jìn)行整體拼接,發(fā)現(xiàn)誤差值基本都在2-10m,比較小范圍分區(qū)域配準(zhǔn)明顯誤差要大,有些區(qū)域誤差會成倍增加。以上實(shí)踐為相關(guān)地圖的數(shù)字化可以提供一個參考。
3民國一萬分一《西京市區(qū)》圖數(shù)字化的價值與意義
3.1建立民國時期西京市區(qū)歷史地理數(shù)據(jù)庫
借助地圖數(shù)字化得到民國21-22年西京市自然與人文要素地理數(shù)據(jù)庫,結(jié)合文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)資料、當(dāng)代遙感數(shù)據(jù),為研究西安城市形態(tài)、人文景觀以及環(huán)境變遷提供了資料支撐。西北地區(qū)文獻(xiàn)、檔案資料并不豐富,受經(jīng)濟(jì)技術(shù)限制,相關(guān)器測數(shù)據(jù)在民國時期存留少,且不成體系,有這樣一套數(shù)字化地圖資源,對復(fù)原民國年間西安市區(qū)的環(huán)境信息幫助極大。
4結(jié)語
將無經(jīng)緯度參考的多幅民國大比例尺《西京市區(qū)》圖依據(jù)Arcgis軟件的SimpleGIS在線地圖插件下的BingMaps(無偏移)影像小范圍拼接,然后分區(qū)域選取至今未發(fā)生變化的地物作為參考點(diǎn),使之與今天的西安城市地圖絕對配準(zhǔn),達(dá)到了古今地圖的對照,并依據(jù)聚落中心點(diǎn)位置誤差來分析配準(zhǔn)的精度,發(fā)現(xiàn)對于依據(jù)定位的圖幅獲取其他地圖經(jīng)緯度實(shí)施地理配準(zhǔn),以及先將所有圖幅拼接起來,然后選取參考點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)的結(jié)果來說,適當(dāng)小范圍拼接然后配準(zhǔn)的結(jié)果更為精確。
它為民國其它區(qū)域同比例尺地圖的數(shù)字化提供了一個可參考的方法,是該比例尺地圖數(shù)字化的一個較好樣本。精確解譯《西京市區(qū)》圖中的地理要素,極大程度地保留了民國時期西安地區(qū)的原始信息,對該圖起到了很好的保護(hù)作用。通過對該圖的分層數(shù)字化,建立相應(yīng)的屬性表,形成了一套以該圖完成的民國21-22年為時間界面的覆蓋西安市區(qū)東抵灞河,南及樊川,西達(dá)灃河,北至渭河,約832km2范圍的歷史地理數(shù)據(jù)庫,包含墳?zāi)埂R宇、土墻、水井、道路網(wǎng)絡(luò)、河流水系、城鄉(xiāng)居住區(qū)等信息,為研究西安市歷史地理提供便利,尤其是在聚落地理的研究上,可以通過數(shù)字化直接獲取更為準(zhǔn)確的聚落用地?cái)?shù)據(jù),讓我們在以往對聚落用地的采取估計(jì)的方法基礎(chǔ)上提升了結(jié)果的可靠性。
而且也為我們研究聚落的規(guī)模、形態(tài)、各聚落用地的時空變遷以及聚落間互動關(guān)系強(qiáng)弱奠定了基礎(chǔ)。同時,通過對該圖的數(shù)字化,并與此后各個時期陜西繪制的相同地區(qū)的地圖進(jìn)行空間對比分析,可以研究陜西不同地圖測繪機(jī)構(gòu)技術(shù)間的異同,可進(jìn)一步完善陜西的測繪史。最后,我們通過一萬分一《西京市區(qū)》圖的數(shù)字化方法探討,也為相關(guān)類似地圖的數(shù)字化提供了一個方法依據(jù),為以后此類地圖更加精確的復(fù)原提供一個模版。
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作者:張萍,雙靜如
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