摘要古舊地圖作為空間地理信息載體，為歷史地理學研究留下了一筆財富。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，配準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作用，而且為城市化發(fā)展、交通網(wǎng)絡變遷、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的數(shù)據(jù)。該方法對指導無經(jīng)緯度、大比例尺城鄉(xiāng)地圖具有指導意義。

　　關鍵詞大比例尺;城鄉(xiāng)地圖;數(shù)字化;提取方法;應用價值

　　0引言

　　數(shù)字地圖是伴隨計算機技術(shù)與地理信息技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的新型地圖形式，在計算機或電子屏幕上顯示，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，并與今天的河流、山脈、政區(qū)、路網(wǎng)相疊加，直觀地表達出歷史時期的地理特征，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)基礎。

　　數(shù)字經(jīng)濟論文范例：數(shù)字經(jīng)濟管理中的自主決策

　　因此，近年古舊地圖數(shù)字化成為歷史地理學新興的學科方向[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)濟的研究[15-16]，提升了歷史地理學研究精度。然而，古舊地圖多以小幅呈現(xiàn)，且年代久遠，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)字化過程準備工作——地圖的處理顯得十分重要。

　　此外，進一步得到的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，主要有控制點和地物點引入的誤差及展繪點誤差、地圖投影變形誤差、地圖編繪、印刷、復制等誤差、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的研究機構(gòu)(如NCGIA和UCGIS)均把GIS中的精度分析與質(zhì)量控制作為當代GIS研究的戰(zhàn)略重點[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，相關地圖資源運用于歷史研究還有待進一步開發(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委員會。

　　本著“籌備西京，首重測繪”[25]196的認識，西京籌備委員會、西京市政建設委員會自行或委托陜西陸地測繪局、參謀本部航空測量隊和參謀本部陸地測繪局先后測量、編繪、印制有關西京城關、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65幅，覆蓋范圍東抵灞河，南及樊川，西達灃河，北至渭河，約3328方里①。每幅圖幅面長、寬表示實際長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進行調(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，只是按測區(qū)以天文點為準設獨立(假定)坐標系[24]13，標高是由建設廳建國公園(現(xiàn)陜西省西安市兒童公園)內(nèi)水準點之結(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、等高線、城市、鄉(xiāng)村聚落等信息尤為豐富，從地圖學角度來審視，該地圖信息量極大，實為城市實體、鄉(xiāng)村聚落、河流水系、網(wǎng)絡交通綜合體，典型性較強，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)》圖的配準及數(shù)字化

　　2.1基于在線無偏地圖的配準

　　由于地圖保存質(zhì)量參差不齊，因此配準前，首先對圖幅進行一定處理。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)生細微形變，因此在數(shù)字化前，先采用軟件PhotoshopCS6對掃描的底圖進行透視裁剪，對產(chǎn)生形變的底圖進行鏡頭校正，去掉外圖廓，并對底圖進行顏色校正，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注等信息;然后再利用Arcgis軟件實施地理配準，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，但有參考點的多幅大比例尺古舊地圖進行數(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行配準。還可以小范圍拼接然后配準。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比較困難，按經(jīng)緯度配準或一次性大面積整體配準的誤差也會變大。

　　因此，本次配準選擇適當?shù)男》秶�先拼接再配準。配準所參考的現(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)。在配準前先將原圖小范圍進行拼接，再分區(qū)域選擇參考點進行配準，每個區(qū)域選取參考點至少7個，并且要在圖幅四周選取控制點，以避免造成地圖外擴，盡可能滿幅均勻選取，以達到配準最高精度。

　　本次配準按《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，所以數(shù)字化賦予《西京市區(qū)》圖的地理坐標系為WGS1984。

　　選取的參考點主要是明城墻四頂點、四城門、大雁塔、小雁塔、鐘樓等地標建筑以及河流堤壩、橋梁等具有明確可定位、未位移的相關參照物，且這些地物均勻分布在地圖的各個方位。河流侵蝕導致河床下蝕，且受氣候等因素影響大，本項配準盡量避免不選取河流作為參考點。配準過程中刪除誤差較大的參考點，用以調(diào)整變形較大的區(qū)域;適當參考配準好的地圖邊界處的特征點，以調(diào)整參考點較難選擇的區(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作為評價配準精度高低的參照系。由于一萬分之一地圖當中，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與數(shù)字化民國時期聚落中心點進行誤差的大致估算，通過分析地圖特征，選取民國至今地名一致的31個聚落中心點作為評價配準結(jié)果的參考點，每個區(qū)域選取至少10個參考點，統(tǒng)計31個聚落中心點與實際位置的偏差，得到《西京市區(qū)》圖地理坐標差值及其偏移距差。

　　上述統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)本次配準的《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，是因為第一組較第二、第三組圖幅少。

　　但對整套圖來說，31個聚落樣本中心點偏移的位置均較小，基本與實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。應該說以上較小的誤差值在地圖整體利用當中，可以忽略不計，數(shù)字化地圖可以進行下一步的科研利用。

　　需要說明的是，選取樣本具有隨機性，加上考慮到民國以來西安周邊社會經(jīng)濟變化大，聚落擴張的重心具有不確定性。雖然本研究采用的以聚落中心點的位置偏移來探討配準數(shù)據(jù)的精度存在一定的誤差，但從最終配準數(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)，可以認為利用參考點配準底圖得到的結(jié)果與實際位置相差不大，基本可以忽略不計，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)字化過程中配準的參考點的選取是否得當直接影響了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)緯度實施地理配準，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行配準的結(jié)果來說，適當小范圍拼接然后配準的結(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)》圖進行數(shù)字化，然后通過點、線、面等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用坐標形式對圖中的地理實體進行表達，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，點圖層有墳墓、廟宇、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。每個圖層均設計詳細的屬性表，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測地圖當中圖幅較多的一種，同時它有參考點、無經(jīng)緯度坐標，針對這樣一套地圖進行數(shù)字化，如何能得到最精準的定位與最精確的復原，方法非常重要。為與分區(qū)域選擇參考點進行配準的結(jié)果進行比較，我們也曾選取與文中一致的31個聚落中心點，依據(jù)經(jīng)緯度配準，進行整體拼接，發(fā)現(xiàn)誤差值基本都在2-10m，比較小范圍分區(qū)域配準明顯誤差要大，有些區(qū)域誤差會成倍增加。以上實踐為相關地圖的數(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)合文獻統(tǒng)計資料、當代遙感數(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、檔案資料并不豐富，受經(jīng)濟技術(shù)限制，相關器測數(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，使之與今天的西安城市地圖絕對配準，達到了古今地圖的對照，并依據(jù)聚落中心點位置誤差來分析配準的精度，發(fā)現(xiàn)對于依據(jù)定位的圖幅獲取其他地圖經(jīng)緯度實施地理配準，以及先將所有圖幅拼接起來，然后選取參考點進行配準的結(jié)果來說，適當小范圍拼接然后配準的結(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作用。通過對該圖的分層數(shù)字化，建立相應的屬性表，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，西達灃河，北至渭河，約832km2范圍的歷史地理數(shù)據(jù)庫，包含墳墓、廟宇、土墻、水井、道路網(wǎng)絡、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確的聚落用地數(shù)據(jù)，讓我們在以往對聚落用地的采取估計的方法基礎上提升了結(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系強弱奠定了基礎。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)的地圖進行空間對比分析，可以研究陜西不同地圖測繪機構(gòu)技術(shù)間的異同，可進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原提供一個模版。

　　參考文獻

　　[1]成一農(nóng).當代中國歷史地理學研究(1949-2019)[M].北京：中國社會科學出版社，2019：232-250.

　　[2]徐建平.基于地圖數(shù)字化的民國政區(qū)復原——以1934年版《中華民國新地圖》為例[J].歷史地理研究，2020(3)：114-131.

　　[3]韓昭慶.康熙《皇輿全覽圖》與西方對中國歷史疆域認知的成見[J].清華大學學報(哲學社會科學版)，2015(6)：123-142.

　　[4]潘威，滿志敏.大河三角洲歷史河網(wǎng)密度格網(wǎng)化重建方法——以上海市青浦區(qū)1918-1978年為研究范圍[J].中國歷史地理論叢，2010(2)：5-14.

　　[5]DanLiu，ElizabethToman，ZaneFuller，GangChen，AlexisLondo，XuesongZhang，KaiguangZhao.Integrationofhistoricalmapandaerialimagerytocharacterizelong-termland-usechangeandlandscapedynamics：Anobject-basedanalysisviaRandomForests[J].EcologicalIndicators，2018，95：595-605.

　　作者：張萍,雙靜如