地方志文獻的可視化技術與方法研究

黃濤?李玨?張浩?成二麗?劉慧君

摘 要 作為能夠全面記載地域信息的書籍文獻，地方志內容廣博，材料真實，對許多學科都具有極大的參考價值。論文描述了一種將地方志文獻進行數據、信息和知識三個層面的可視化的方法，對相應的技術進行了研究。在對地方志文獻資料進行分析的基礎上，設計了相應的可視化方法，包括富媒體化的跨平臺地方志電子書制作、結合GIS的地方志信息呈現和地方志三維仿真的可視化方法，并通過技術手段實現相應的案例。

關鍵詞 地方志 可視化 WebGIS 跨平臺 三維仿真

分類號 G250.73

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2019.03.014

0 引言

地方志作為一種中國獨有的文獻資料，代表了我國歷史與文化的淵源傳承。關于地方志的開發與利用，如歷史地理數據的應用研究，已經有所發展。比如探索通用的時空數據模型[1]，結合GIS對歷史地理數據進行處理和應用[2]，以及相關WebGIS平臺的應用開發[3]等，這些研究大多面向圖書館的整體數字資源或歷史地理學科，而地方志文獻記載的內容繁雜，雖然有以上的技術和方法對地方志文獻進行了研究與展示，但仍然難以滿足廣大用戶的需求。

地方志文獻的應用，相較于其它資料文獻，由于地方志缺少故事連貫性，所以地方志用戶一般為專業人員，普通用戶對于地方志的內容興趣缺缺，然而就算是專業人員，要從地方志文獻中查找到需要的信息也需要大量時間和精力。為了解決這一問題，有研究者采用信息化的方式對地方志文獻進行處理[4]，有研究者通過為地方志文獻建立數據庫提升地方志的公共服務能力[5]，也有研究者對地方志文獻的地名進行識別和系統構建[6]，讓地方志更易于分析。但目前來說，大部分處理的手段都是數字化處理，即采用掃描和文本識別技術，將地方志書籍資料轉換為電子文檔進行存儲和查閱，但在內容上，用戶仍然需要相關的專業知識和技能才能從中獲取需要的信息。近幾年研究者們認為在地方志資源的呈現上應該增加其豐富性，如楊明祥等提出可以采用圖像、影像、虛擬實景等多媒體方式，對方志文獻進行展示[7]。同時研究者們也意識到數字方志資源的傳播途徑不能僅局限于PC端，如毛玨珺指出地方志信息化應緊跟時代潮流，在網站建設、數字方志館建設方面開發適合在移動終端上顯示的頁面格式、文本格式、軟件系統[8]，強調地方志信息化應向移動化、跨平臺化方向發展。然而目前交互性、豐富性較強的地方志數字資源都是采用flash技術實現，不具備跨平臺的特性，同時也存在加載、響應慢，文字不能即時復制，不支持文本內容檢索等問題。

可以發現，目前的地方志數據展示形式單一，數據大多呈現靜態化，且交互性較差，針對這些問題，我們提出了一種地方志資源的可視化框架，并對相應的可視化方法與技術進行了探索。

1 地方志可視化框架

1.1 地方志可視化模型

地方志的內容具有陳述性，作為研究材料來說，具有客觀、準確的優點，但這也是其弊端，作為閱讀、學習材料來說，就非常單調和枯燥，如果能夠將富含知識的地方志文獻用于大眾的知識學習，將產生大量的學術效益，然而，將地方志推薦給廣大群眾這一工作具有很大的挑戰，因此，面向各類用戶，我們需要設計不同的接口和功能。

從信息的概念上來看，數據是被記錄下來的可以被鑒別的符號;數據通過整合、提取等處理工作，形成具有邏輯關系的客觀事實，就升級為信息;而知識，是人們根據已有信息進行推斷、預測的經驗，從這個角度來看，可視化可以分為數據可視化、信息可視化和知識可視化三個層面，如圖1所示。

地方志的數據可視化是針對傳統地方志文獻呈現靜態化、交互性較差等問題，將單調的地方志文獻結合各種類型的媒體資源通過混排、同步、交互等技術，實現地方志數據動態化、富媒化、跨平臺的展示。

地方志的信息可視化在這里定義為將地方志記載的客觀信息與地理信息系統（Geography Information System， GIS）相結合進行呈現，由于地方志的敘事手法較為單一，如晉朝事件“帝永和五年六月臨漳暴風震雷雹大如升”，我們發現事件的信息都是由基礎的時間、地點、事件內容等語料構成，結合GIS等工具能夠將時間、地點信息在數字地圖上進行標注。舉例來說：《河南通志》記載“望夫石，在新野縣北二十五里白河岸世傳一婦送夫從戍至此別之其後婦望夫佇立忘歸乆之化爲石故名”，在這一段文字中，我們可以知道望夫石的地理位置處于新野縣北二十五里白河岸邊，結合GIS進行位置搜索，并在地圖上進行標注，將望夫石的詳細介紹添加進頁面，以便于用戶查閱。

地方志的知識可視化是在信息可視化的基礎上，將地方志原始數據進行整理、歸類、統計等處理，幫助他人理解地方志文獻記敘內容包含的深層含義。知識可視化的方法包括思維導圖、圖表化、知識專題等，我們可以將這些方法用于地方志的知識呈現，幫助用戶理解地方志內容。地方志記載的內容包含很多方面，如著名人物、災祥事件、賦稅調整、山水名勝、特產、人口等信息，對地方志信息進行篩選后，可以將符合可視化規范的信息提取出來，進行分類，形成不同的知識可視化專題。

1.2 地方志可視化關鍵技術

為了增強地方志電子書的交互性，豐富內容的形式，并使其具有跨終端、跨平臺的功能，進而增加地方志數字資源的可讀性，提高讀者的用戶體驗，達到推廣地方志的目的，我們需要對地方志可視化的關鍵技術展開研究。

在跨平臺方面，超文本標記語言（HTML）具有良好的跨平臺性，可以不受操作系統的限制，在PC端或移動終端，通過各平臺的瀏覽器運行，目前已成為解決應用開發操作系統版本多、不兼容的關鍵技術之一[9]。我們可以嘗試基于HTML5，CSS3，JavaScript及相關技術對地方志資源的交互式跨平臺技術進行研究，擬構建出跨平臺交互式地方志資源開發模型，并依據此模型針對具體內容進行案例實現。

在地方志信息與GIS的結合可視化中，GIS作為一種能夠對地理數據進行輸入、存儲、查詢、分析和顯示的計算機系統，與地方志信息可視化的需求契合度很高。GIS目前分為C/S架構的GIS系統（如ArcGIS）和B/S架構的WebGIS兩種，目前的網頁技術已經有足夠的能力呈現大量的地理信息，而且擁有較多輕量級開發框架，有些研究者已經利用WebGIS展示了一些地學問題的實證研究案例[10]，可以發現，WebGIS使用起來較為簡單，呈現效果也很好，因此，WebGIS對于地方志可視化來說是一個很好的選擇。

對于地方志資源的富媒化、強交互方面，我們可以引入多源知識融合的知識可視化模式，在傳統的文本媒體的基礎上，引入交互體驗模式，結合現實文獻資源和三維仿真技術，實現人機互動，改善地方志可視化展示的用戶體驗。

2 基于HTML5的地方志跨平臺可視化方法

2.1 地方志資源可視化模型

跨平臺交互式地方志資源的可視化是指將傳統的地方志資源處理、制作為具有能夠自適應地在PC端和移動端顯示，且具有良好的交互性的地方志數字資源，使用戶可以得到一致的、完整的、可用的交互體驗。跨平臺交互式地方志資源可視化方法模型主要包括：資源處理層、資源設計層和資源實現層。本方法將資源的設計及實現整體分為了信息模塊、設計模塊和交互模塊三個模塊，如圖2所示。

（1） 資源處理層。資源處理層是將傳統的地方志資源進行數據化處理。首先對傳統資源進行收集、整理、組織，然后將所需的傳統資源數字化處理成相應的可用的數據資源。

（2） 資源設計層。資源設計層主要是對處理好的數據資源的呈現進行設計，具體分為三個模塊設計：信息模塊設計，布局模塊設計，交互模塊設計。

信息模塊設計是指對界面所要顯示的內容信息進行設計，主要包括方志目錄導航信息設計、內容信息呈現形式設計。方志目錄導航設計需要以符合方志主題的目錄的形式將各章節的主題內容和頁碼清晰的展示出來，使讀者能直觀地看出方志內容，跳轉到自己想要閱讀的章節。地方志的內容信息比較多樣化，涵蓋范圍比較廣，在對內容信息呈現形式設計時要根據所呈現的具體信息內容特點，按照人們最能直觀理解的方式和思維習慣進行設計，內容以圖像、影像、聲音、文字等多媒體形式相結合的方式進行呈現，使讀者較為全面、直觀地了解所反映的文化信息[11]，同時提高他們的興趣。

布局模塊設計是指對各個終端平臺的頁面的布局及樣式分別進行設計，主要包括設計符合地方志特色的背景圖，各信息模塊排版的設計，以及根據具體方志信息的內容對顯示的樣式進行優化，使得整個頁面符合與地方志的主題相符，且看起來內容清晰，界面樣式合理、美觀。具體包括對各部分內容的布局進行設計;對整個頁面的背景根據章節的主題內容進行美化;對文字的字體、大小，段落間距、對齊方式等進行設計調整;對圖片的大小、格式等進行調整等。

交互模塊設計是指對用戶與頁面的交互進行設計，即用戶觸發一個動作事件，頁面做出相應的響應。包括目錄導航交互的設計;對手寫舊志中批注、刪改的內容進行交互形式的設計;將地方志內容中較生僻的需要注釋的內容進行交互設計;對頁面的切換及其他特定的需要交互的元素進行交互設計。在這個模塊可以適當設計多種形式的頁面交互，以增加頁面和用戶之間的互動;同時根據不同的情況選擇合適、易用的交互形式，并且要將交互對象突出顯示，使用戶能直觀看出該對象可以進行交互。需要注意的是，不同終端人機交互的方式不同，PC端主要包括鼠標事件和鍵盤事件，而移動端主要使用的是觸摸事件，所以在設計的過程中要對兩個不同終端分別進行交互設計。

（3） 資源實現層。資源實現層主要是根據相應模塊的設計，選取相應的技術，對PC端和移動端分別進行設置，對信息模塊實現、布局模塊實現和交互模塊實現三大模塊進行技術實現。

信息模塊實現是指根據信息設計模塊所設計的具體內容信息按照其呈現形式（如圖片、音頻、視頻等） 利用相應的軟件制作出來，然后利用HTML5語言對信息模塊內容中所要呈現的數據資源進行編寫。需要注意的是，為了使頁面在各終端能夠更加完美的適合屏幕顯示，在編寫標記語言的過程中需要在頭文件中增加對頁面視區viewport屬性的設置，使得所呈現的內容在移動設備中能夠以最佳頁面視區顯示。具體標簽代碼為：

代碼中設置虛擬窗口viewport寬度為設備的屏幕寬度，初始縮放比例及最大最小縮放比例均為1，同時不允許用戶進行縮放，這樣使得頁面在不同設備中均以最佳比例顯示。

布局模塊實現是利用響應式布局編寫層疊樣式表（CSS3），啟用CSS3中Media Queries功能針對不同設備屏幕寬度，在CSS文件中預先定義適用的樣式代碼，使瀏覽器依據具體設備進行選擇性的樣式呈現。Media Queries樣式下網頁訪問流程為服務器首先接收到客戶端設備屏幕的尺寸信息，經過判斷處理后，選擇合適的Media Queries樣式代碼并應用在HTML上，生成最終的頁面再反饋給客戶端[12]，從而使用戶在每個不同的設備上都能看到內容一致，且界面布局顯示最合適的頁面。使用Media Queries根據媒體屏幕大小設置樣式的具體方法如下：

@media screen and （min-width： 1200px） {

//當屏幕寬度 >= 1200px，將會載入這里的 CSS。

}

@media screen and （min-width： 768px） and （max-width： 979px） {

//當屏幕寬度介于768px ～ 979px，將會載入這里的 CSS。

}

@media screen and （max-width： 767px） {

//當屏幕寬度 <= 768px，將會載入這里的CSS。

}

其中“screen”是指采用屏幕這種設備類型來進行判斷;“min-width”指的是媒體類型大于或等于指定寬度時，樣式生效;“max-width”指的是媒體類型大于或等于指定寬度時，樣式生效。

交互模塊實現是指應用JavaScript腳本語言對交互模塊設計中PC端和移動端的交互事件同時進行編寫，使得交互設計在兩種終端都能實現。由于PC端和移動端的交互方式不一樣，所以在編寫JavaScript的過程中，需要既使用鼠標事件，又使用觸摸事件，這樣使得無論在PC端還是移動端交互事件都能順利實現，保證跨平臺的同時也體現交互性。

2.2 具體案例實現

為了驗證跨平臺交互式地方志資源可視化方法模型的可行性，并使得該模型的具體技術和使用方法更加具體清晰，本文選取了山西省介休市地方志中的部分內容進行跨平臺交互式的資源設計與實現。

（1） 資源處理。首先搜集記載介休市各年代方志的文獻、圖書、期刊、影像等，將紙質內容通過設備掃描轉化為數字化資源。然后對其內容信息進行整理、組織、編排，其內容主要分為歷史、人文、地理位置、風景名勝幾個部分。

（2） 信息模塊的設計與實現。為了提高地方志資源的生動性和豐富性，資源信息內容模塊采用了豐富的媒體呈現形式。比如在描述介休歷史軌跡時，為了更加清晰地展示該地方在各個時間段所發生的重大事件，采用以時間為主線的魚骨圖的方式代替純文字內容進行呈現。

除了文字和圖片之外，其中還加入了音頻和視頻，使用HTML5新增的標簽實現。代碼如下：

/*添加音頻*/

/*添加視頻*/

（3） 布局模塊的設計與實現。為了增加閱讀的真實感，整個頁面采取電子書的形式呈現，網頁背景選擇了類似于書本樣式的背景圖，內容的布局也采取了書本的排版模式，使內容信息非常清晰直觀。整個內容的背景色、圖標設計以及字體均選擇了復古的方式，更加符合地方志的特色，使整個資源內容更加具有歷史韻味，且增強了界面的美觀性。為了實現跨平臺的顯示，本案例針對PC、平板、手機三種常用的客戶端平臺設置了不同的樣式顯示。各平臺樣式主要區別在排版布局上，在寬度較大的屏幕設備上（如PC以及平板的橫屏模式）采取雙頁顯示的形式;而在寬度較小的設備上（如手機以及平板的豎屏模式） 采取單頁顯示的形式，同時去掉書本樣式的背景邊框。

（4） 交互模塊的設計與實現。本案例中的交互主要為文字批注的顯示以及圖片和文字切換的動態交互，由于PC端和移動端的交互方式不同，需要分別設計交互方式。在PC端可以使用JavaScript中原有的click、onmouseover、onmouseout等對鼠標點擊、鼠標上劃、鼠標移出進行事件設置;但是在移動端由于click事件會有300ms延時，考慮到用戶體驗，使用了一種自定義的tap點擊事件的方法：封裝一個tap函數，通過判斷執行touchstart和touchend時的位移差是否小于一個位移值來判斷是否執行點擊事件，具體代碼如下，其中函數參數中element表示事件對象，handel表示所要執行的事件函數：

function tap（element，handle）{

var startTx， startTy;

element.addEventListener （ 'touchstart'， function（ e ）{

e.stopPropagation（）;

var touches = e.touches[0];

startTx = touches.clientX;

startTy = touches.clientY;

}， false ）;

element.addEventListener（ 'touchend'， function（ e ）{

e.stopPropagation（）;

var touches = e.changedTouches[0]，

endTx = touches.clientX，

endTy = touches.clientY;

if（ Math.abs（startTx - endTx） < 6 && Math.abs（startTy - endTy） < 6 ）{

handle（）;

}

}， false ）;

}

該案例采用純原生的HTML、CSS和JavaScript技術，證實了在目前的網絡技術條件下，實現地方志資源的跨平臺呈現和交互式是可行的。

3 基于GIS的地方志信息可視化方法

3.1 地方志專題信息處理

我們可以在地方志文獻資源的基礎上構建地方志資源數據庫，此數據庫包含地理數據、時間數據和主題信息三大部分，其中地理數據包含某一地方的位置信息、所屬行政區劃、測繪信息等;時間數據則主要是用于將地方志中記載的年號紀念和公元紀念對照;主題信息則需要包含本地區的環境、氣候、農作物和人口等數據。一般地方志文獻記載超過二十多類信息，將這些信息進行梳理，可以發現，戶口、田賦等數據是可以進行數字化的信息，物產、祥異、人物都是可以進行專題呈現的信息，將這些數據按專題分類，整理出各個專題的信息，由于各方志記載的內容不一，可以搜集到的信息包含方方面面，因此需要對其進行人工分類，如人物專題，包含的地方志記載類別有名人、忠烈、名宦、帝王后妃、烈女等;物產專題，包含的記載類別有土產、出產等，對這些信息進行統一歸類后，結合地方志所記載的地理信息，在GIS系統中呈現出來，如圖3所示。

我們對地方志文獻進行處理后，將專題信息分為物產、人物、地名、風俗、災祥、科舉專題，這些專題信息的特點是具有較為完整的描述和地理與時間信息結構，便于GIS的輸入與呈現。如對于人物進行描述的信息，把《大清一統志》 記載中的包括流寓、列女、仙釋、名宦等人物，都將其歸為人物專題進行呈現。

3.2 GIS交互設計與實現

基于GIS的地方志信息可視化在地圖服務功能上，要向用戶提供包括地圖瀏覽、地圖縮放、地名查詢、信息標注、距離量算等功能，方便用戶的操作。在界面元素的呈現上，由于已經將地方志的信息進行了專題分類，可以將專題信息結合地圖設計相應的頁面。如人物專題，其界面元素包括地圖、搜索框、人物列表、信息框、文獻鏈接等，初始界面呈現地圖和左邊功能框，功能框中包含人物的名稱和時代等檢索條件，用戶輸入檢索詞后，即可顯示該人物在方志文獻中的記載資料，同時在右側地圖上標出該人物所屬的地理位置，彈出氣泡框，顯示人物的具體記載信息，如果用戶對該信息的原始來源有興趣，可以點擊原文鏈接，瀏覽地方志原文記載的資料。其它專題的表現方式基本相同，在具體信息的呈現上會增加一些形式，相比文字資料更加直觀。

4 地方志三維仿真可視化方法

我們把地方志資源與三維仿真技術結合起來，探究運用三維建模技術對山西永濟鸛雀樓進行仿真，并制作交互展示，使地方志資源價值得到充分的開發和利用，為地方志資源建設提供新的思路和方法，采用Unity3D平臺進行呈現。Unity3D最大的優勢是性價比高， 并且可以發布成網頁瀏覽的方式， 不用下載客戶端， 就可以直接體驗[13]。

4.1 地方志三維仿真技術路線

三維交互展示設計的開發是一個復雜的過程，需要進行腳本策劃、原型設計、三維制作、程序編寫、測試等。

（1） 信息采集、數字化處理。信息采集的途徑有兩種，一是親自現場調研繪制，得到真實可靠的第一手信息;二是通過間接的方式，收集現有的資料。有了這些原始資料，接下來就將采集的信息進行數字化處理，建立信息數據庫，實現建筑文物資源的科學、高效和永久的保存。

（2） 建模技術。虛擬模型的建構是虛擬漫游系統的首要工作，其中建筑物的模型構建則是整個系統的基石。虛擬模型建構是以客觀實物為參考，通過對研究對象的數據采集和處理，利用三維建模技術、計算機圖形學、遙感技術等逼真地模擬現實世界， 利用計算機在各種載體上進行客觀、形象地再現。虛擬模型的建構既是主要技術手段同時也是重要的可視化成果。

（3） 三維交互展示技術。我們可以在三維場景中設計各種交互手段，方便用戶與虛擬環境進行互動，與傳統展示方式相比，這種三維交互展示具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和構想性（Imagination）的特征[14]，使得展示方式更加富有趣味，仿佛置身其中。

4.2 具體案例實現

鸛雀樓的三維交互展示設計大致分為平臺結構設計、信息采集、虛擬模型建構設計、材質設定和交互展示設計五個階段。

（1） 平臺結構設計。鸛雀樓的三維交互展示設計結構如圖4所示。

（2） 實地取景，拍攝素材。前期準備階段，通過拍攝等手段采集大量鸛雀樓影像數據，同時收集建筑原有的各種數據，包括建筑規劃設計圖、空間關系、地理環境、幾何紋理等重要資源。此環節中，需要拍攝岳鸛雀樓全部細節（牌區、門窗、雕塑、彩繪等）的高清圖片。

（3） 虛擬模型建構。鸛雀樓仿真設計借助于Maya三維建模技術，分為“鸛雀樓模型制作”和“場景制作”兩部分。鸛雀樓模型制作主要采用多邊形建模。首先，按照前期搜集的建筑規劃設計圖在 Auto CAD 中繪制樓體的平面圖，CAD是矢量圖形，不管放大還是縮小，都可以準確反映樓體的比例。然后，將CAD文件導入Maya中，在Maya中使用放樣建模和修改器建模完成樓體輪廓制作，隨后使用多邊形建模進行細化，制作樓體并不斷修改直至完善。

搭建鸛雀樓模型是一個工作量巨大且繁瑣的工作，要把整個模型劃分為多個模塊，然后分給不同的項目組成員，共享重復部件，最后再把各個模塊集成起來。建模過程中需要充分考慮到整體場景的優化設計，在建模過程中減少模型的面數、分段數及材質。模型精度越高，數據量就越大，就會影響計算機運算處理能力，高精度的材質貼圖也會影響運算速度，為了得到更好的漫游體驗，在建模過程中，需要把一些復雜的細節忽略掉，直接用貼圖進行彌補，也就是使用法線貼圖，用低模代替高模，但又能達到高模的視覺效果。在保證后期交互能夠流暢運行的前提下，最大限度追求場景的真實感。

（4） 材質設定，增強藝術感染力。材質是指對象構成元素的外觀效果，如顏色、光澤、凹凸和透明度等[15]。在虛擬漫游中，三維建筑物的材質設定很大程度上決定了場景的逼真程度和藝術感染力，因此制作三維模型進行材質貼圖也是建模過程中重要的環節。

樓體建模是場景制作中的重點部分。為了數據的真實性，需要根據建筑圖紙細化模型，并為各部分貼上合適的貼圖。鸛雀樓模型中所用到的貼圖大都是根據實地考察拍攝照片得來，最大化保持其原貌。樓體采用木材質，通過調節材質球屬性中的漫反射、高光等參數表現木材質特性。當樓體模型制作完成后，使用環境球添加天空貼圖來模擬自然環境，添加平行光模擬太陽光，并適當添加泛光燈表現局部光源。通過賦予模型材質，我們看到的鸛雀樓樓頂覆蓋黃色琉璃瓦，四面斗拱飛檐，且有回廊相通。造型奇偉、雕梁畫棟、美輪美奐。最后，使用Material渲染器渲染查看整體效果，并將鸛雀樓模型生成Fbx格式導入到Unity平臺中。

（5） 交互設計。鸛雀樓交互展示設計遵循實用、美觀原則，主要分為圖文介紹、視頻介紹、三維展示、虛擬漫游四個部分。圖文介紹和視頻介紹板塊主要是通過文字、圖片、視頻等介紹鸛雀樓的概況，這一功能集從視覺和聽覺的角度，更加生動形象的向用戶傳達鸛雀樓的相關歷史文化信息。三維展示板塊中，用戶在訪問時可以通過鼠標和鍵盤控制漫游相機，這樣，用戶可以跟隨漫游相機360度觀察鸛雀樓外觀和整個場景，還可以更清晰、近距離觀察鸛雀樓細節特征。用戶控制鍵盤鼠標，以角色扮演的形式在場景中漫游，這一功能給用戶帶來更強的沉浸感。

5 結語

綜上，對地方志進行可視化在技術和方法上是可行的，本研究對相關技術和方法進行了探索和初步實現。技術上，對地方志文獻進行數字化處理并建設數據庫，采用當前流行的WebGIS技術、HTML5網頁技術以及三維仿真技術，完成地方志數據、信息和知識的可視化案例。

本研究在知識可視化的層面上還有許多可以探索的地方，對于歷史事件，其發生必然是多個因素綜合影響的結果，我們可以搜索出與該事件相關的信息并進行篩選，找出可能會對該事件造成影響的信息，生成關系圖，這種將地方志客觀信息進行組合生成的關系圖對用戶學習產生的影響也是知識可視化的一種體現。另外，對地方志進行語料切分后，可以嘗試進行文本挖掘，將知識發現應用在地方志文獻中，也許可以找出新的知識。

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