歷史地圖的云平臺構建與信息挖掘

袁三明，朱蘭艷

(昆明理工大學，云南 昆明 650093)

1 引 言

歷史地圖提供了豐富的人類活動與環境變化的歷史痕跡，包括國家與地區的政治、經濟、軍事、人文演變等。梁啟章認為歷史地圖已經成為人們了解或研究歷史變遷最佳的信息來源且應用范圍極廣[1]。吳鵬飛認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，需要提出新的技術和方法完善歷史地圖的研究模式[3]。目前，很多學者對歷史地圖的應用和處理已有很多研究。樂玲等查閱古籍資料使用ArcGIS技術直接制作矢量地圖[4]。趙鍇等探究了計里畫方與現代投影和坐標系統的數理關系，并且提出了新的古今地圖坐標配準方法[5]。熊助國等提出了一種掃描技術來制作數字地圖的方法，可以快速完成歷史地圖影像到矢量數字影像的轉換[6]。但是，單純的數字化歷史地圖使用依舊存在局限性。傳統的桌面GIS軟件使用不同的數據引擎進行數據存儲，需要使用多種數據服務層訪問技術調取數據。矢量數據、柵格數據以及服務數據等在應用和操作時協同性降低且使地圖對比方式單一[7]。ArcGIS Online是基于網絡云技術開發的新一代WebGIS應用，具備不依賴本地資源的空間數據儲存、分析以及管理能力，使用戶能夠以網絡發布的方法使用在線服務器托管地圖數據資源?？梢愿鶕芯磕康拇罱℅IS云平臺并基于云平臺對地圖進行研究以及制作相關應用系統共享數據[8]。沈正波[9]、肖瑋[10]、Jan Miklín[11]以及趙杏杏[12]等學者分別將ArcGIS Online應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，西方的制圖技術進入中國。清末民初，中國的制圖技術更加完善，地圖精度更高。北京曾作為“中華民國”的首都，留下了大量反映當時社會現象和時代背景的地圖[13]。本文以民國時期的北京地圖為例，對其進行數字復原處理、云平臺構建和基于云平臺的動態對比分析研究。探討歷史地圖的數字化Web應用，為更好地發掘歷史信息和研究城市變遷提供方法。

2 研究對象

2.1 地圖數據

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)北京文雅社刊發的《北京市最新詳細全圖》，盡管制圖精度與現代地圖存在差距，卻也相當全面地反映了20世紀三十年代“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年日新輿地學社刊發的比例尺 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、郵務管理局等機構，貿易商池田、日本制鐵株式會社、井上福等洋行，北京電燈、愛知號、華北實業等新興企業，以圖例符號標注教堂、寺廟、倉庫、學校、橋梁、道路、輸電線路、鐵路以及外城及郊區的池塘、樹林、村鎮和墳塋等地物。代表了民國時期北京地圖科學編圖的時代背景和制圖水平，是當時中國地圖出版的一種展示。從水木社區獲取到《北平市全圖》，詳細參數如表1所示。

《北平市全圖》詳細參數 表1

圖1 北平市全圖

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

2.2 研究區域

民國時期至今，北京城經歷過戰亂和戰后重建革新，部分歷史地物已經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、變化與消失，對歷史的解讀和傳統的繼承都有著很多益處。民國時期的北京地圖保存著當時的地理信息，研究這類地圖能夠直觀了解北京百年間的變遷。而在現今最繁華與繁忙的區域，這種變化無疑也是最明顯和最有特點的。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44公頃，可容納100萬人舉行盛大集會[15]。且大面積的建設中必然改變諸多地貌，包括其周圍用地、道路建設與公共設施等?；谝陨显?，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域。

3 技術與方法

3.1 數字化處理

目前，柵格地圖的矢量化處理和桌面軟件專題制圖已經得到廣泛應用[16]。特別是遙感攝影與實測地圖的精確配準：完成同位地物的準確重合與空間位置提取，從而實現地理信息轉繪、地圖更新以及專題地圖制作[17]。將民國時期北京的紙質版地圖或掃描或復制出柵格影像，根據道路交叉點、湖泊、城門、故宮四角等古今同名而位置未發生變化的地物與配準底圖《北京城近郊區》進行配準。配準后的北京地圖可以與其他任何有相同坐標系統的現代地圖進行對比，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》數字化流程如圖2所示，得到矢量道路與地塊等結果(圖3)，本地占用空間減少95.2%。

圖2 數字化流程圖

圖3 民國時期北京矢量圖

3.2 云平臺構建

ArcGIS Online(圖4)是Esri開發的基于網絡的制圖、分析和共享新模式。允許加載包含交互式地圖和3D場景在內的地圖[19]。能夠實現公眾參與，讓大眾了解和測量地理數據。地圖資源和矢量數據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

根據歷史地圖的特點，GIS云平臺可分為三個部分：

(1)數據資源：分別是在線底圖數據和數字化歷史地圖；

(2)應用模板：主要是動態對比分析模板；

(3)用戶權限：所有人都可訪問。

通過平臺配置實現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，完成應用程序發布即可對地圖進行查看和分析[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據作為地圖圖層發布到云儲存托管。分析模板基于模型創建器(Model Builder)構建應用模板，模型創建器連接于ArcGIS桌面程序中屬于可調用的工具窗口，通過模型創建器將地理數學模型、分析程序以及分析窗口結合起來，可以在創建器中修改或搭建分析模型。創建完成之后可以將應用模板保存成工具盒中的工具選項，實現調用[21]。本文所構建的GIS云平臺使用了動態對比分析模板來進行信息挖掘，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 云平臺動態對比分析

將組別設置為公共，然后將包含地圖資源和模板的應用程序保存到設置好的組別中。完成歷史地圖云平臺構建后，可將應用程序嵌入網頁、社交群組或微博中，在多種即時程序或聯網設備中共享歷史地圖數據，公眾可以通過瀏覽器、移動電話、URL鏈接(https：//arcg.is/04Duu)和ArcGIS軟件等對數據進行瀏覽和應用[22]。這樣便能實現地圖信息和分析程序的公共閱覽和信息調用。

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，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雜度高會導致錯誤查閱和遺漏查閱，最終不能詳細研究地物變遷。

從動態分析中可以看到，相較于民國時期的西單地區，現代道路以祖邱胡同等巷子為延伸基礎聯通了西單以西，并且成為北京東西方向的主要道路。西單牌樓里有戲院、醫院、飯館等場所，如同現代的商業中心，但關帝廟、后牛肉灣、前牛肉灣和崇德中學等皆被拆除?，F在該地建設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拆除，如北辰報社等建筑已經消失；西單東北方的北安里、崇善里、南安里、馬館、西二條、大柵欄等地方已經被規劃成為西單廣場；魯迅中學原址為民國時期的民國學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。同時也出現了新的胡同和道路，如鬧市口北街和西單北大街中間區域里的大木倉胡同、皮庫胡同、二龍路和華遠街等。

天安門廣場拓寬所占區域包括中華門東邊的部分公安局、消防局、郵政局等區域，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、大四嚴井和小四嚴井、宋家胡同、前府胡同等部分區域?，F在，公安街已經被拆除，天安門周圍的道路也得到改良與重新設計。清末民初時的各國使館已經被重新規劃，各使館之間的道路已經被拓寬，且在澳大利亞使館和兵營、德國兵營、天主教堂、法國兵營、海關稅務司辦事處等建筑之間新增了道路。

動態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為主體道路、輔助道路以及小路巷子等道路數量的總體增加。而在地塊對比中可以發現，現代北京城的建設較之民國時期，建筑更加密集，地塊使用率更高，道路規劃更加通暢。中海、南海及北海的湖泊面積增加，且北海被規劃為公園。

5 結 論

北京城擁有深厚的歷史文化底蘊，需要進一步保護和挖掘。但大到整個北京城的規劃建設，小到一戶人家的搬遷變動都在歷史推進中不斷變遷。歷史地圖能夠提供具體時間節點下的詳細地貌，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。信息技術的發展和WebGIS技術的應用，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和歷史地理的結合更加深入和緊密。歷史地圖云平臺不僅能實現地圖的數字復原、坐標糾正和數據儲存，還可以將云平臺發布到網絡實現歷史數據共享。公眾參與到歷史地理的瀏覽和研究中，最終能夠實現歷史地圖的多領域應用，最大限度地開發地圖的歷史價值。

構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據的共享需求。例如，①在系統中直觀地比較當代地圖與歷史地圖數百年來的區域變化，為歷史研究提供詳細信息；②將當代地圖服務和歷史地圖服務聚合，兩者疊加對比，可以評估歷史地圖的精度特征；③在特定區域內，針對聚落分布進行空間分析，可以發現聚落結構的變化；④統計歷史地名特征，探討地名變化；⑤以歷史地圖為參照，將歷史文獻數據空間化并制作歷史專題地圖。結果表明WebGIS是歷史地理學發展中的一種研究方法，對歷史地理的梳理、儲存、展示、新的發展方向有重要的影響。將歷史地圖數字化并搭建GIS云平臺進行在線分析和數據共享，便于進行歷史地理的研究。