跨學科 | 古舊地圖的數(shù)字化轉(zhuǎn)換及其未來趨勢

古舊地圖是人類歷史上的寶貴財富，它以可視化的圖形再現(xiàn)了人類歷史的空間過程。古舊地圖主要以紙質(zhì)形式呈現(xiàn)，進入數(shù)字時代，將古舊地圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字地圖是一項極為艱巨的任務(wù)。

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地圖的數(shù)字化轉(zhuǎn)型

學術(shù)界普遍認為，地圖的出現(xiàn)要早于文字的產(chǎn)生。原始人類在標記出行、打獵方向與方位時，需要圖形符號進行可視化呈現(xiàn)。因此，原始的地圖都是形象化的山脈、河流、樹木、道路，用圖畫實物來記錄地理信息。伴隨著人類的進步，活動空間不斷擴大，對地理方位的認知也越來越深化。將人類的活動空間以抽象化的地圖呈現(xiàn)，可以更好地管理空間、認知空間。因此，各個時代都有獨具特色的地圖，而各類地圖呈現(xiàn)出不同類型的地理空間利用。中國古代產(chǎn)生了大量的包括國家輿圖、地方輿圖、山川河流圖、城市輿圖、水利圖、軍防圖、天文圖、占星圖等類型的地圖，成為華夏文明的寶貴遺產(chǎn)。

近代以來，伴隨西方測繪技術(shù)的傳入、地圖投影系統(tǒng)的使用，地圖測繪與空間表達方式走向全球統(tǒng)一的所謂“科學化”范式，各種比例尺地圖大量出現(xiàn)，統(tǒng)一經(jīng)緯度的世界地圖開始呈現(xiàn)。這一方面促進了人們對全球地理環(huán)境的整體認知，另一方面對于地理環(huán)境的空間表達也更加精確。與中國傳統(tǒng)地圖相比，近代以來測繪地圖雖然有了很大改觀，但地圖載體形式?jīng)]有本質(zhì)變化，地圖內(nèi)容主要繪制在紙質(zhì)載體上。

今天，伴隨計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字地圖的出現(xiàn)實現(xiàn)了地圖發(fā)展史上的一次質(zhì)的飛躍。數(shù)字地圖往往存儲在計算機硬盤、軟盤等介質(zhì)上，地圖內(nèi)容通過數(shù)字呈現(xiàn)，需要通過專用計算機軟件對這些數(shù)字進行顯示、讀取、檢索、分析，徹底改變了地圖的載體形式。數(shù)字地圖的信息量遠大于普通地圖，可以進行任意形式的要素組合、拼接、修改，以及任意比例尺、范圍的地圖輸出，極大縮短了成圖時間。同時，數(shù)字地圖可以很方便地與衛(wèi)星影像、航空照片等信息源結(jié)合，生成新圖種；還可以利用數(shù)字地圖的等高線和高程點生成數(shù)字高程模型，將地表起伏以數(shù)字形式呈現(xiàn)，直觀立體地呈現(xiàn)地貌形態(tài)。這是普通地圖無法達到的效果。因此，數(shù)字地圖產(chǎn)生以后，其表達形式就逐漸取代了紙質(zhì)地圖。

02

古舊地圖的數(shù)字化探索

中國古舊地圖數(shù)字化歷程已近二十年，相關(guān)研究圍繞古舊地圖的形成、技術(shù)含量與認知體系等展開。

2005年，中國臺灣學者賴進貴等人利用光緒四年（1878）《全臺前后山輿圖》進行數(shù)字化嘗試，將這幅無經(jīng)緯度網(wǎng)格的地圖與現(xiàn)代臺灣地圖實現(xiàn)套疊。通過對其測繪控制點的考察，發(fā)現(xiàn)該地圖雖形成于光緒年間，但經(jīng)緯度測繪點主要還是沿用康熙、乾隆年間的數(shù)據(jù)。西部地區(qū)地圖繪制基本準確，東部地區(qū)開發(fā)進程較晚，沒有經(jīng)過實測，因此地圖的變形較大?！度_前后山輿圖》雖是晚清政府為實現(xiàn)對臺灣的統(tǒng)治所繪，但受地圖數(shù)據(jù)限制，直到1878年清政府對于臺灣的認知與康乾時期相比沒有顯著進步。

中國古代地圖多為山水畫式形象畫法，其準確度如何？尤其是一些帶有軍事性質(zhì)的防衛(wèi)地圖、沿海地區(qū)航海地圖，一旦地圖出現(xiàn)偏差，可能導(dǎo)致軍事行動失敗或海上航行受阻，造成極大損失，這就涉及對中國古代地圖繪制“科學性”的定位。明代測繪了大量九邊防御地圖，這些地圖多是在政府主導(dǎo)下完成的，用于九邊軍鎮(zhèn)防守或向朝廷匯報軍事守備之需。相較于一般性地圖，這些地圖對精度的要求更高。目前來看，這些地圖都是以傳統(tǒng)山水畫的形式呈現(xiàn)，如何運用于軍事作戰(zhàn)或守備？學者利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，對這類地圖進行數(shù)字化考證，其中比較關(guān)鍵的技術(shù)是利用地圖中地物位置關(guān)系的定位，考察防御性地物間位置關(guān)系的準確程度?？脊乓烟矫髅鏖L城的走向，其中多數(shù)營堡地面遺存比較清晰，這樣就可以將地圖上的信息與今天的遺址點準確定位。將古地圖導(dǎo)入GIS 平臺，選取地圖上地物幾何中心點，得到有計算意義的地物近似的“坐標”數(shù)值，再通過Python 編程計算兩兩地物之間的方位角。對地圖上地物的相對位置關(guān)系進行批量量化計算，并與實際位置比對，結(jié)果顯示，明代具有代表性的九邊地圖取值結(jié)果，與今天地表同位置地物的相對位置關(guān)系相符程度很高，反映出地圖繪制者準確把握了地物實際位置關(guān)系，并將其反映在軍事地圖上，即使這種地圖是以山水畫形式呈現(xiàn)，但并不影響實際使用。這證明確定地物位置關(guān)系是中國傳統(tǒng)地圖繪制的一個有效手段，這類軍事性地圖雖無數(shù)學基礎(chǔ)，但在繪制過程中具備一定的技術(shù)標準，實用價值也較高。

耶魯大學藏有一套《中國古航海圖》，圖幅達122張，地理空間北起遼東半島及渤海海域，南至越南金甌角外，西抵泰國灣與馬來半島，東達朝鮮海峽對馬島，地理范圍廣闊、地域涵括中外。圖面用墨色繪制了可能途經(jīng)的島嶼、山峰輪廓，同時還標注了航道水深、泥沙礁石分布、航向針路等信息，是中國古代航海圖中典型的“山形水勢圖”。在現(xiàn)代航海圖發(fā)明以前，中國在很長時期的航海實踐中都使用此類地圖進行指南，“諸如此類的航海圖是中國水手賴以航行數(shù)千英里的唯一指南”。

如何使用這類“山形水勢圖”導(dǎo)航？以往只能根據(jù)地圖上的文字判斷，今天通過數(shù)字化手段，借助地圖軟件生成三維地形模型，并與地圖上標注的地點進行空間定位，既可以從地圖層面考察山形與實際島礁的匹配度，也可以形成古人航海中的空間認知與航向判定依據(jù)。經(jīng)過一系列數(shù)字化分析發(fā)現(xiàn)，地圖上的“山形”分布并不代表真實的相對位置；其繪制既有多角度、跨尺度的特點，又有分組繪制、組間交錯、成組原則不一的特征。事實上，古人既繪制“山形”只是為航行者進行遠距離方向判斷，而非在未知水域提供導(dǎo)引。有關(guān)“山形”準確性的問題，利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)生成的三維地形，與圖冊的“山形”及地形側(cè)視圖對比可以發(fā)現(xiàn)，古人既利用整體山形的基本走勢，也關(guān)注到山形中山峰的數(shù)量與排布間距、相對高差等特征。當然，也有少數(shù)“山形” 與實際情況完全不一致，可能存在定位錯誤，這類偏差會影響到古代水手的導(dǎo)航準確性。

中國古代地圖類型多樣，呈現(xiàn)了地理空間的多樣性。近代以來，受西方地圖測繪技術(shù)的影響，地圖已發(fā)生巨大變革，對中國傳統(tǒng)地圖的空間表達與認知均已模糊，而利用數(shù)字化手段再現(xiàn)地圖場景，能夠讓我們更加清晰地理解傳統(tǒng)輿圖、認識傳統(tǒng)文化，為構(gòu)建中國自主知識體系貢獻力量。

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人工智能與古舊地圖數(shù)字化的未來

中國傳世地圖數(shù)量很大。中國國家圖書館1997年出版的《輿圖要錄》收錄中外文館藏古舊地圖6827種，無具體圖幅數(shù)統(tǒng)計。大量的地圖資源要實現(xiàn)數(shù)字化，無疑是非常困難的。人工智能的出現(xiàn)，為這一工作提供了有效的路徑，利用人工智能技術(shù)實現(xiàn)快速、批量的地圖配準以及數(shù)據(jù)提取，在近代地圖數(shù)字化方面取得了成功。

地圖配準是數(shù)據(jù)提取的第一步，將紙質(zhì)地圖掃描成矢量文檔，按地圖中的經(jīng)緯度網(wǎng)格或利用帶有準確經(jīng)緯度點的方位，疊加到今天的電子地圖上，實現(xiàn)古今對照，逐一手動配準，是地圖數(shù)字化的前提。而對于民國以來大比例尺地形圖來說，這樣的配準方式仍較緩慢。近年來，學者利用人工智能技術(shù)，將北洋政府及南京國民政府時期在全國范圍內(nèi)組織測繪的大比例尺地形圖，利用OpenCV庫與ArcPy方法庫，發(fā)展出一套針對民國地形圖的自動配準方法，對數(shù)千幅民國地形圖掃描歸檔，該方法相較逐一手動配準，極大降低了工作量，且精度更為可靠。

提取數(shù)據(jù)的工作量更大，地圖中的地形地貌、河流水系、城鎮(zhèn)聚落、交通道路，每項數(shù)據(jù)的提取都要花費大量時間，一種基于機器學習和圖像形態(tài)學的方法嘗試運用于彩色大比例尺地圖中，提取1∶50000近代上海地圖中的河湖水系。結(jié)果表明，該方法能夠充分挖掘地圖中的顏色信息和形態(tài)結(jié)構(gòu)信息，以半自動方式快速準確地將彩色近代地圖中的地表水體信息提取出來。這一方法對該類彩色近代地圖的數(shù)字化非常有效。

總之，古舊地圖數(shù)字化是數(shù)字時代地圖發(fā)展的要求，也是展現(xiàn)過去時空環(huán)境變遷的手段之一。近年來，該類工作在地理學、歷史地理學以及地圖史界不斷推進，尤其在人工智能發(fā)展進程中，利用相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)古舊地圖數(shù)字化的數(shù)量與精度方面的發(fā)展，成效顯著。我們相信未來該研究方向還會有更大的拓展空間，為歷史時期地表過程的重建提供更有力的支持。

作者系首都師范大學歷史學院教授