民国《西京市区》图的数字化、数据提取和应用价值

　　摘要古旧地图作为空间地理信息载体，为历史地理学研究留下了一笔财富。文章依据BingMaps(无偏移)影像分区域选取至今无变化地物作为参考点，配准1932-1933年的一万分一《西京市区》图，数字化并建立该时期西安城郊地区地理数据库，为后续研究提供数据;解译《西京市区》图中的地理信息，不仅对古旧地图起到保护作用，而且为城市化发展、交通网络变迁、水系变迁、重建局部区域土地利用全要素等专题研究提供了翔实的数据。该方法对指导无经纬度、大比例尺城乡地图具有指导意义。

　　关键词大比例尺;城乡地图;数字化;提取方法;应用价值

　　0引言

　　数字地图是伴随计算机技术与地理信息技术发展而产生的新型地图形式，在计算机或电子屏幕上显示，信息量丰富，能提供正确及时的地理信息，修改、检索、传输方便。由于数字地图可以表示的信息量远大于普通地图，成为地图最重要的发展方向。数字地图也是纸制地图的数字存在，纸制地图数字化成为处理早期地图的重要内容，特别是将古旧地图中的信息转化为GIS数据，制成数字地图，可以提取更准确的地理信息，如历史时期的疆域范围、城市结构、聚落分布、山川形势、行政区划、交通网络，并与今天的河流、山脉、政区、路网相叠加，直观地表达出历史时期的地理特征，为后续研究提供数据基础。

　　数字经济论文范例：数字经济管理中的自主决策

　　因此，近年古旧地图数字化成为历史地理学新兴的学科方向[1]。比如，利用古旧地图数字化提取，对历史时期政区的复原[2-3]、历代土地利用格局的重建[4-5]、针对古代交通道路的复原[6-7]、生态环境演变研究[8-10]、地名的演变探析[11-14]、区域经济的研究[15-16]，提升了历史地理学研究精度。然而，古旧地图多以小幅呈现，且年代久远，在保存过程中出现纸张变形、褪色、缺失、破损的现象，因此数字化过程准备工作——地图的处理显得十分重要。

　　此外，进一步得到的GIS数据还受到数字化过程中地图测绘精度、仪器的限制、数字化方法、采样要素等因素影响，存在一定的误差，针对这些问题，相关探讨在逐年增加[17-19]。1980年代末，美国国家地理信息与分析中心(NCGIA)召开空间数据库精度的专题研讨会，目的是为GIS数据误差研究拟定方向和立题，标志着GIS数据误差问题系统研究的开始[20]。目前对古旧地图数字化得到的GIS数据误差大体可归为三大类：

　　一是数据源误差，主要有控制点和地物点引入的误差及展绘点误差、地图投影变形误差、地图编绘、印刷、复制等误差、地图纸质材料变形的误差。二是数字化过程中产生的误差，即处理误差，主要包括数字化仪器精度误差和操作人员引起的误差[21]43-45。三是应用误差，主要指数字化的空间数据在使用过程中产生的误差。为避免GIS空间数据误差的继续传播甚至扩大，最终影响成果的可靠性，GIS空间数据的精度分析与质量控制对后续的研究有着很大的意义，国际上GIS的研究机构(如NCGIA和UCGIS)均把GIS中的精度分析与质量控制作为当代GIS研究的战略重点[21]1。

　　对古旧地图的数字化，误差纠正最核心的步骤还取决于针对第二类误差的修正，也就是在数字化过程中如何选择最好的方法，以达到将误差降低到最小值。它对专业技术人员数字化过程提出更高要求，目前学界针对这一研究的成果包括清代三大舆图——康熙《皇舆全览图》《雍正十排图》《乾隆十三排图》数字化方法探讨[22-23]，民国1：5万、1：10万大比例尺地图的数字化与误差系数研究[15]。本文以民国21年(1932年)《西京市区》图为例，探讨一万分一大比例尺城乡地图的数字化方法及其精度控制，探讨作为史料的《西京市区》图数字提取的价值、意义。

　　1民国一万分一《西京市区》图的基本信息

　　西北地区的地图资源相对于东部数量偏少，开展现代地图测绘工作的时间也短，相关地图资源运用于历史研究还有待进一步开发。陕西省地处西北的东大门，测绘工作起步相对早些，大面积测绘地形图始于民国4年(1915)，陕西省陆军测量局测绘1：5万地形图，测绘的范围大体集中于关中地区。但由于时局动荡，人才资金短缺，到民国36年(1947)只完成283幅，占应测图幅数45.3%[24]7，这中间民国6年(1917年)调查陕西全省1：10万地形图，至民国18年(1929)基本完成地形图204幅，覆盖长城以南全省土地。陕西省地图测绘工作最集中的时期是在抗战后。1931年“九一八”事变爆发后，东北、华北、东南相继沦陷，国民政府将经略目光转向西部，开始开发西北。1932年3月国民政府打算以长安(今西安)为陪都，定名西京，组织筹备西京委员会[25]6，1934年成立西京市政建设委员会。

　　本着“筹备西京，首重测绘”[25]196的认识，西京筹备委员会、西京市政建设委员会自行或委托陕西陆地测绘局、参谋本部航空测量队和参谋本部陆地测绘局先后测量、编绘、印制有关西京城关、市郊地形图。本文所述65幅一万分一纸本彩绘《西京市区》图即是其中规模最大的西安城区全图，由西京筹备委员会组织，民国21-22年间测绘，民国23-25年间绘成。《西京市区》图全图共计65幅，覆盖范围东抵灞河，南及樊川，西达沣河，北至渭河，约3328方里①。每幅图幅面长、宽表示实际长7里，宽6.7里[25]159，且有完整的图廓。

　　该套地图由西京筹备委员会测量队进行调查、清绘，参谋本部陆地测量总局代印，六色印刷，比例尺精度1：1万。主要测图、清绘时间均为民国21-22年(1932-1933)，集中于民国22年(1933年)，分别占总图幅的68%和66%;制版时间为民国23-25年(1934-1936)，集中于民国23年(1934)、24年(1935)，分别占总图幅的46%、48%。整套图无平面信息，参考《陕西省志·测绘志》记录可知，民国时期陕西省无统一起算点，只是按测区以天文点为准设独立(假定)坐标系[24]13，标高是由建设厅建国公园(现陕西省西安市儿童公园)内水准点之结果推算以海州(今连云港市西部，陇海铁路上)中等海水面为基面[24]14。

　　受绘制时长及存放条件影响，该套地图各幅色彩显示轻重不同，有些图幅呈现发黄迹象。除钟楼西、钟楼东、七里铺、阁老门、灞桥原图破损，钟楼东、西、阁老门三图有粘贴痕迹，玉女门、鱼化寨、杏园头原图有明显褶皱，徐家湾、兴隆村、马蹄寨原图有污迹外其余图幅基本保存良好。水井、庙宇、河流水系、交通网络、等高线、城市、乡村聚落等信息尤为丰富，从地图学角度来审视，该地图信息量极大，实为城市实体、乡村聚落、河流水系、网络交通综合体，典型性较强，数据资源难能可贵。同时该图虽为大比例尺地图，但缺乏经纬度信息，这为地图数字化工作增加了很大的困难。探讨这种古旧地图的数字化问题，对更精确地利用这种地图资源具有重要意义。

　　2民国一万分一《西京市区》图的配准及数字化

　　2.1基于在线无偏地图的配准

　　由于地图保存质量参差不齐，因此配准前，首先对图幅进行一定处理。根据65幅《西京市区》图，分别扫描为宽9975px，高7376px，分辨率为400dpi的栅格图片。扫描过程中产生细微形变，因此在数字化前，先采用软件PhotoshopCS6对扫描的底图进行透视裁剪，对产生形变的底图进行镜头校正，去掉外图廓，并对底图进行颜色校正，使地图能较好地保证图质质量，且可较好地识别地图中的字体标注等信息;然后再利用Arcgis软件实施地理配准，赋予《西京市区》图空间位置信息。

　　因该套地图没有经纬度参考，且民国21-22年至今约90年，西安发展变化较大，尤以城墙周围地区变化最为明显，因此，配准是否精确直接影响到GIS数据的质量，在数字化数据前对数据进行误差分析有着重大意义，可以避免数据误差逐级的传递。针对像万分之一《西京市区》图这样一套无经纬度坐标，但有参考点的多幅大比例尺古旧地图进行数字化，可以依据可直接定位的图幅来得到其他图幅的经纬度，从而地理配准赋予原图空间位置信息。也可以先将所有图幅拼接起来，然后从现今无偏差的遥感影像选取至今未变化的地物进行配准。还可以小范围拼接然后配准。由于该套地图图幅较多，距今时间较长，西安城市发展变化较大，按在线地图选取大量参考点比较困难，按经纬度配准或一次性大面积整体配准的误差也会变大。

　　因此，本次配准选择适当的小范围先拼接再配准。配准所参考的现今无偏差遥感影像为Arcgis软件中SimpleGIS在线地图插件forArcMapV3.1下的BingMaps②(无偏移)。在配准前先将原图小范围进行拼接，再分区域选择参考点进行配准，每个区域选取参考点至少7个，并且要在图幅四周选取控制点，以避免造成地图外扩，尽可能满幅均匀选取，以达到配准最高精度。

　　本次配准按《西京市区》图的拼接表列(图2)分为3组，第一组为前两列(12幅)，中间三列为第二组(24幅)，最后三列为第三组(29幅)。因清末至民国时期地图尚无精确的椭球参考基准，所以数字化赋予《西京市区》图的地理坐标系为WGS1984。

　　选取的参考点主要是明城墙四顶点、四城门、大雁塔、小雁塔、钟楼等地标建筑以及河流堤坝、桥梁等具有明确可定位、未位移的相关参照物，且这些地物均匀分布在地图的各个方位。河流侵蚀导致河床下蚀，且受气候等因素影响大，本项配准尽量避免不选取河流作为参考点。配准过程中删除误差较大的参考点，用以调整变形较大的区域;适当参考配准好的地图边界处的特征点，以调整参考点较难选择的区域。最后利用ArcTollbox中的无缝镶嵌工具，将65幅地图拼接成一个整体，方便后续数字化。

　　2.2图幅配准误差分析

　　将上述操作结果叠加到BingMaps(无偏移)影像上，选取一定量的参考点作为评价配准精度高低的参照系。由于一万分之一地图当中，聚落是以面状符号来反映，且民国时期至今聚落持续发展，因此，选择通过提取BingMaps影像中聚落的中心点与数字化民国时期聚落中心点进行误差的大致估算，通过分析地图特征，选取民国至今地名一致的31个聚落中心点作为评价配准结果的参考点，每个区域选取至少10个参考点，统计31个聚落中心点与实际位置的偏差，得到《西京市区》图地理坐标差值及其偏移距差。

　　上述统计发现本次配准的《西京市区》图精度良好。大体来说，各区域间偏移程度不同，第一组聚落样本中心位置整体偏移程度较小，经度位置整体向南偏移，纬度位置整体向东偏移。第二组聚落样本中心点位置整体偏移程度稍大于第一组，经度位置整体向南偏移，纬度位置整体向西偏移。第三组是本次配准过程中误差较大的区域，整体上经度位置向北偏移，纬度位置向西偏移，是因为第一组较第二、第三组图幅少。

　　但对整套图来说，31个聚落样本中心点偏移的位置均较小，基本与实际位置偏移距离都保持在3m以下，整体上经度位置偏移稍大于纬度位置，但偏移方向和程度不同，聚落位置坐标经度整体向西偏移，纬度整体向南偏移，平均偏移距离约1m。应该说以上较小的误差值在地图整体利用当中，可以忽略不计，数字化地图可以进行下一步的科研利用。

　　需要说明的是，选取样本具有随机性，加上考虑到民国以来西安周边社会经济变化大，聚落扩张的重心具有不确定性。虽然本研究采用的以聚落中心点的位置偏移来探讨配准数据的精度存在一定的误差，但从最终配准数据叠加到BingMaps(无偏移)影像结果看，民国时期的聚落区基本落在今天聚落区范围之内，河流也基本落到现今河床之内，因此上文所统计的误差所反映地物整体偏移趋势还是可以作为参考。

　　在误差允许的范围内，可以认为利用参考点配准底图得到的结果与实际位置相差不大，基本可以忽略不计，可以继续后续研究。在本研究中，除“钟楼西”图幅破损带来的原图少许误差外，主要是数字化过程中配准的参考点的选取是否得当直接影响了GIS数据的精度。相比较，依据定位的图幅获取地图经纬度实施地理配准，以及先将所有图幅拼接起来，然后从现今无偏差的遥感影像选取至今未变化的地物进行配准的结果来说，适当小范围拼接然后配准的结果更为精确③。

　　2.3图幅的数字化赋予《西京市区》图地理位置信息后，借助地理信息系统软件ArcGIS，先对《西京市区》图进行数字化，然后通过点、线、面等数据结构，采用坐标形式对图中的地理实体进行表达，提取民国21年-22年(1932-1933年)西京市区各要素的几何位置和属性信息，建立《西京市区》图信息数据库。其中，点图层有坟墓、庙宇、水井、土地庙等地物，线图层有河流、城墙、土墙、交通路线等地物;面图层有湖泊、沙洲、居民区等，整个区域覆盖西京市城郊地区约832km2范围。每个图层均设计详细的属性表，方便查询与使用。

　　2.4图幅数字化方法的探讨

　　民国万分之一大比例尺地图保存较多，多数为城市地图，部分城乡一体的图幅也采用该比例尺编绘，其间仍有差异。针对这样一批图幅进行数字化提取，可以建立多个时空界面的地理信息图层，意义重大。然而，目前该比例尺图幅的数字化工作多未展开，《西京市区》图具有一定的典型性，它属民国万分之一大比例尺实测地图当中图幅较多的一种，同时它有参考点、无经纬度坐标，针对这样一套地图进行数字化，如何能得到最精准的定位与最精确的复原，方法非常重要。为与分区域选择参考点进行配准的结果进行比较，我们也曾选取与文中一致的31个聚落中心点，依据经纬度配准，进行整体拼接，发现误差值基本都在2-10m，比较小范围分区域配准明显误差要大，有些区域误差会成倍增加。以上实践为相关地图的数字化可以提供一个参考。

　　3民国一万分一《西京市区》图数字化的价值与意义

　　3.1建立民国时期西京市区历史地理数据库

　　借助地图数字化得到民国21-22年西京市自然与人文要素地理数据库，结合文献统计资料、当代遥感数据，为研究西安城市形态、人文景观以及环境变迁提供了资料支撑。西北地区文献、档案资料并不丰富，受经济技术限制，相关器测数据在民国时期存留少，且不成体系，有这样一套数字化地图资源，对复原民国年间西安市区的环境信息帮助极大。

　　4结语

　　将无经纬度参考的多幅民国大比例尺《西京市区》图依据Arcgis软件的SimpleGIS在线地图插件下的BingMaps(无偏移)影像小范围拼接，然后分区域选取至今未发生变化的地物作为参考点，使之与今天的西安城市地图绝对配准，达到了古今地图的对照，并依据聚落中心点位置误差来分析配准的精度，发现对于依据定位的图幅获取其他地图经纬度实施地理配准，以及先将所有图幅拼接起来，然后选取参考点进行配准的结果来说，适当小范围拼接然后配准的结果更为精确。

　　它为民国其它区域同比例尺地图的数字化提供了一个可参考的方法，是该比例尺地图数字化的一个较好样本。精确解译《西京市区》图中的地理要素，极大程度地保留了民国时期西安地区的原始信息，对该图起到了很好的保护作用。通过对该图的分层数字化，建立相应的属性表，形成了一套以该图完成的民国21-22年为时间界面的覆盖西安市区东抵灞河，南及樊川，西达沣河，北至渭河，约832km2范围的历史地理数据库，包含坟墓、庙宇、土墙、水井、道路网络、河流水系、城乡居住区等信息，为研究西安市历史地理提供便利，尤其是在聚落地理的研究上，可以通过数字化直接获取更为准确的聚落用地数据，让我们在以往对聚落用地的采取估计的方法基础上提升了结果的可靠性。

　　而且也为我们研究聚落的规模、形态、各聚落用地的时空变迁以及聚落间互动关系强弱奠定了基础。同时，通过对该图的数字化，并与此后各个时期陕西绘制的相同地区的地图进行空间对比分析，可以研究陕西不同地图测绘机构技术间的异同，可进一步完善陕西的测绘史。最后，我们通过一万分一《西京市区》图的数字化方法探讨，也为相关类似地图的数字化提供了一个方法依据，为以后此类地图更加精确的复原提供一个模版。

　　参考文献

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　　作者：张萍,双静如