基于GIS的天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境空間分析*

王 苗 譚加奇 孫昕瑜 王家瑋 許 濤 WANG Miao, TAN Jiaqi, SUN Xinyu, WANG Jiawei, XU Tao

0 引言

城市文化遺產(chǎn)保護經(jīng)歷了從最初的單體標志物靜態(tài)保護向整體歷史環(huán)境的動態(tài)保護歷程。歷史環(huán)境強調(diào)將物質(zhì)形態(tài)的遺產(chǎn)同相關(guān)的自然環(huán)境和文化內(nèi)涵的整體保護和延續(xù)[1]。中國在歷史環(huán)境保護領(lǐng)域的研究與國外相比起步較晚，20世紀60年代初步建成了文物保護制度，在后來的40年拓寬了歷史環(huán)境保護的概念，最終明確了三個層次的保護體系，未來將從政策的整體調(diào)控和數(shù)據(jù)庫的整體構(gòu)建開展研究和實踐[2]。

GIS地理信息系統(tǒng)在實踐應(yīng)用中借助網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對一定區(qū)域空間內(nèi)的地理信息進行搜集、儲存以及分析，廣泛應(yīng)用在城市規(guī)劃、風景園林等領(lǐng)域[3]。隨著GIS技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集在文化遺產(chǎn)保護中的作用也越發(fā)突出。利用信息化方式管理城市歷史和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)資料，在很大程度上能滿足研究對象數(shù)據(jù)搜集、存儲、管理、更新、可視化分析等工作的需求，為城市歷史環(huán)境保護的相關(guān)研究提供了重要技術(shù)支持[4-6]。

天津租界區(qū)作為城市歷史環(huán)境的重要組成部分，由于近代時期特殊的歷史背景使得城市中蘊含了大量的歷史環(huán)境資源，珍貴且豐富，亟待保護和再生[7]。在復雜的歷史原因和自然災(zāi)害的影響下，租界區(qū)見證了天津城市近代以來百余年的歷史變遷：地震的損壞和居民的改造搭建在租界區(qū)原貌上留下特殊的歷史印記，歲月的變遷也使其難以保持風貌的最佳狀態(tài)[8]。城市管理者針對歷史建筑建成時間，根據(jù)不同的保護等級制定了相應(yīng)的保護政策。但對于歷史環(huán)境即建筑及其關(guān)系密切的周邊區(qū)域作為一個整體而開展科學的保護和管理，尚未形成完備的歷史資料整理及信息系統(tǒng)[9]。

本研究以服務(wù)天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境的保護與再生工作為目標，總結(jié)基于GIS技術(shù)的空間分析方法。論文通過大數(shù)據(jù)平臺公眾的關(guān)注度高低篩選出天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境的典型案例；基于GIS技術(shù)，密切關(guān)注城市發(fā)展與變遷過程中歷史空間的變化，將其歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行整合，實現(xiàn)多場景多尺度地可視化表達[10-11]。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

研究運用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析進行典型案例的篩選，在對其進行分析、分類；運用ArcGIS軟件和無人機測繪等技術(shù)，對研究案例的現(xiàn)狀信息進行采集和整理，為歷史環(huán)境保護、管理與更新實踐提供數(shù)據(jù)支持。具體步驟如下（圖1）。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 technical route

第一，基于國內(nèi)知名景點評價網(wǎng)站的開源數(shù)據(jù)獲取游客的評論數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)清洗獲得有效數(shù)據(jù)，結(jié)合論文對研究對象的界定，以及景點的評價數(shù)量排序，最終確定最受公眾關(guān)注的100個歷史環(huán)境景觀點作為研究案例，開展后續(xù)研究。

第二，采用查閱文獻史料、實地勘察等方法，挖掘、整理研究對象的歷史地圖資料等數(shù)據(jù)，并對其進行信息轉(zhuǎn)譯，轉(zhuǎn)換成ArcGIS數(shù)據(jù)，對天津近代歷史環(huán)境案例的歷史信息進行數(shù)據(jù)采集。

第三，對研究對象的地理坐標、邊界范圍、衛(wèi)星遙感圖像等信息進行采集，運用無人機測繪建立三維數(shù)據(jù)模型，記錄它們的現(xiàn)狀信息，結(jié)合前面整理的歷史信息，對天津近代歷史環(huán)境的綜合信息進行分析。歷史信息與現(xiàn)狀信息相結(jié)合，保證了研究對象數(shù)據(jù)資料的完整性，有效記錄歷史環(huán)境的現(xiàn)存狀態(tài)。

第四，將研究對象的歷史信息、現(xiàn)狀信息及三維數(shù)據(jù)模型三方面數(shù)據(jù)耦合，可將天津城市歷史環(huán)境空間形態(tài)、經(jīng)營業(yè)態(tài)和分布密度等信息進行可視化分析，為城市中其他有待開發(fā)的歷史環(huán)境或同類案例進行保護與再生管理提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支持。

1.1 基于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)分析的案例篩選

天津租界區(qū)歷史環(huán)境分布廣泛，各類信息數(shù)據(jù)繁多。論文通過對天津城區(qū)近代時期的歷史環(huán)境進行網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)分析，篩選出最受公眾關(guān)注的熱門歷史景觀作為研究對象。

第一，攜程網(wǎng)、去哪兒網(wǎng)、馬蜂窩和大眾點評網(wǎng)站是國內(nèi)知名的景點評論網(wǎng)站，評論內(nèi)容等信息被公眾廣泛認可。本研究借助Python軟件采集四個網(wǎng)站的游客點評信息作為篩選案例的數(shù)據(jù)源。

第二，研究數(shù)據(jù)采集時間階段為2006年4月26日—2020年10月11日共計56 731條，由于網(wǎng)站分類有交叉重復等問題，對采集的數(shù)據(jù)進行清洗，刪除與景點無關(guān)評價、空白評價和重復評價后得到有效數(shù)據(jù)56 439條。

第三，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)評價數(shù)量，最終篩選出網(wǎng)絡(luò)評論數(shù)量排序前100名的天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境景觀點作為本研究的典型案例。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本研究數(shù)據(jù)采集的對象為根據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺篩選出的天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境案例，并對其進行空間分析，采集的信息主要包括歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

1.2.1 歷史信息數(shù)據(jù)采集

第一，通過查閱文獻史料，挖掘、整理研究對象的歷史地圖等資料作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。搜集與研究對象相關(guān)的歷史文獻與地籍資料，按時間順序，逆向推演歷史遺產(chǎn)空間格局的演進歷程。再按空間次序，對歷史環(huán)境的空間格局完整性進行評估。獲取研究對象的設(shè)計者、建成年代、使用功能、歷史變遷事件等信息[7-8]。

第二，以GIS為平臺對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行信息轉(zhuǎn)譯形成歷史信息數(shù)據(jù)庫。將搜集到的數(shù)據(jù)列成表格，在ArcGIS中與要素信息匹配。獲得要素類型，要素年代，要素范圍，要素面積，要素地理坐標等多種數(shù)據(jù)。

1.2.2 現(xiàn)狀信息和三維模型采集

通過現(xiàn)場操控無人機在規(guī)定的航線拍攝鳥瞰照片。采用PhotoScan軟件將獲得的照片進行三維模型的構(gòu)建。

1.2.2.1 無人機場地數(shù)據(jù)獲取

無人機連接電子設(shè)備，在PIX4D中確定飛行范圍；設(shè)置飛行高度、速度、云臺角度和照片重合度等參數(shù)（圖2）；讓無人機自動完成規(guī)劃航線和拍攝任務(wù)并返航，獲得研究對象掃描照片。

圖2 無人機連接設(shè)備設(shè)置示意圖Fig.2 the schematic diagram of setup for connecting drones to other devices

1.2.2.2 利用PhotoScan軟件構(gòu)建模型

以無人機拍攝的系列掃描照片為基礎(chǔ)，通過PhotoScan軟件進行照片建模，作為研究案例的三維模型數(shù)據(jù)。在PhotoScan中導入照片，對齊照片，初步生成點云（圖3）；依據(jù)連接點生成密集點云（圖4）；依據(jù)密集點云生成網(wǎng)格以及紋理（圖5）；最終生成obj模型（圖6）。

圖3 導入照片 對齊照片 初步生成點云Fig. 3 import of images, alignment of photos, and preliminary generation of point clouds

圖4 依據(jù)連接點生成密集點云Fig.4 generation of dense point clouds based on connection points

圖5 依據(jù)密集點云生成網(wǎng)格以及紋理Fig.5 generation of meshes and textures based on dense point clouds

1.2.2.3 其他現(xiàn)狀信息

在利用無人機進行三維模型構(gòu)建的同時，還采集了研究對象的地理坐標、邊界范圍和衛(wèi)星遙感圖像等內(nèi)容，共同匯集成案例的現(xiàn)狀信息內(nèi)容。

2 結(jié)果分析

2.1 篩選結(jié)果

根據(jù)公眾點評網(wǎng)站評論詞條數(shù)量的排序，再人工剔除不屬于本研究界定范圍內(nèi)的對象，最終篩選出最受公眾關(guān)注的前100個天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境案例如瓷房子、靜園、西開教堂等，作為信息采集的收錄對象。因篇幅原因，將其中排名前10的具體案例列出信息（表1）。

表1 研究案例熱度前10排名表Tab.1 top 10 research case studies

2.2 基于GIS數(shù)據(jù)采集的可視化分析

以天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境案例數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，運用ArcGIS為分析工具，以100個研究案例為樣本分析天津租界區(qū)歷史環(huán)境保護與再生狀況。

2.2.1 天津租界區(qū)歷史環(huán)境分布分析

在ArcGIS中，將研究對象的位置坐標、建成年代、網(wǎng)絡(luò)評價數(shù)量等數(shù)據(jù)，對分布密度、建成年代等內(nèi)容進行可視化分析，得到天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境分布密度圖（圖7）、熱度分析圖（圖8）、建成時間分析圖（圖9）。

圖7 歷史環(huán)境分布密度圖Fig.7 distribution density map of historical environments

圖8 歷史環(huán)境熱度分析圖Fig.8 heat map analysis of historical environments

圖9 歷史環(huán)境建成時間分析圖Fig.9 distribution of historical environment build times

由分布密度圖（圖7）可知，天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境主要分布在和平區(qū)和各區(qū)的海河沿岸。在五大道文化旅游區(qū)和意大利風情區(qū)的分布密度最為廣泛而密集。

由熱度分析圖（圖8）可知，和平區(qū)的五大道、解放北路和鞍山道等所在區(qū)域顏色偏紅，都是游客和市民游覽歷史環(huán)境的熱點地區(qū)。

由年代分析圖（圖9）可看出，在南開區(qū)海河附近的區(qū)域，建成年代最為久遠，五大道區(qū)域的建成年代其次。

總結(jié)以上三個分析可以看出：天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境沿海河兩岸分布，和平區(qū)分布最為密集；歷史環(huán)境的建成年代和熱度值也呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，例如五大道文化旅游區(qū)內(nèi)，建成年代更早的區(qū)域，其熱度也更高。

2.2.2 天津租界區(qū)歷史環(huán)境周邊信息數(shù)據(jù)分析

通過ArcGIS平臺，以研究對象位置坐標為基礎(chǔ)，將其周邊環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)進行可視化分析，如公交站點分布，周邊建筑層高分布，機動車停車位分布等，得到如下分析圖（圖10-11）。

圖10 歷史環(huán)境周邊公交站分布分析圖Fig.10 distribution analysis of nearby bus stations in historical environments

在周邊公交站分布圖（圖10）中，以研究對象為圓心，分別以100 m、300 m、500 m為半徑，統(tǒng)計所得區(qū)域內(nèi)的公交站點，分析交通可達性。從圖中可看出，天津租界區(qū)歷史環(huán)境周邊公交站點大多數(shù)都在300—500 m之間，地標性的歷史環(huán)境則分布有100 m以內(nèi)的公交站點。

對周邊層高分布分析（圖11）中可得出，天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境普遍為1—3層的小建筑，周邊的建筑也基本被限制了層高，較少出現(xiàn)高層建筑。

圖11 歷史環(huán)境周邊層高分布分析圖Fig.11 distribution analysis of nearby building heights in historical environments

上述分析表明：天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境的可達性較高，公共交通發(fā)達，方便游客抵達參觀。同時租界區(qū)周邊建筑，層高較為低矮，較好的延續(xù)了近代時期租界區(qū)建設(shè)保留的城市肌理。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本文以服務(wù)天津歷史環(huán)境保護與再生工作為目標，基于去哪兒網(wǎng)、攜程網(wǎng)等網(wǎng)站獲取的數(shù)據(jù)，篩選出天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境中最受公眾關(guān)注的100個典型案例作為研究對象，通過文獻史料、實地勘察、無人機測繪等方法運用GIS軟件對典型案例的歷史信息、現(xiàn)狀信息和三維模型數(shù)據(jù)進行整合，實現(xiàn)天津近代租界區(qū)的GIS多場景可視化表達。

以ArcGIS為平臺對采集的數(shù)據(jù)信息進行可視化分析，對天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境的分布、保護現(xiàn)狀進行可視化分析，得到以下結(jié)論。

第一，天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境整體性較好，呈沿海河兩岸展開，以天津和平區(qū)區(qū)段的最為密集，呈組團式集中分布，建設(shè)規(guī)模較大，租界風貌已經(jīng)滲透進天津城市的肌理當中；

第二，交通可達性與人群熱點普遍較高，建成年代和熱度值呈正相關(guān)，其中熱度最為突出的地區(qū)是五大道文化旅游區(qū)和意式風情區(qū)。

隨著歷史環(huán)境保護研究的逐步深入和成熟，天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境的保護與再生也逐漸向整體性保護轉(zhuǎn)變；天津中心城區(qū)風貌與近代歷史環(huán)境肌理的融合是歷史環(huán)境保護與再生的重要途徑；天津歷史環(huán)境公共交通系統(tǒng)的精細化建設(shè)和開發(fā)是提升歷史環(huán)境資源利用的有效方法[12]。

3.2 討論

由于研究對象分布廣泛，相關(guān)數(shù)據(jù)搜集、調(diào)研工作量大，調(diào)研設(shè)備精度水平受限等因素，本文尚存在幾點不足。第一，典型案例選擇來源旅游網(wǎng)站相關(guān)信息數(shù)據(jù)，受相關(guān)網(wǎng)站隱私數(shù)據(jù)保護的限制，未能搜集開源數(shù)據(jù)以外諸如人群實時聚集度、人群動線等數(shù)據(jù)；第二，受城市無人機管理條例的限制，本研究現(xiàn)狀信息的數(shù)據(jù)采集僅能在政策允許范圍內(nèi)采集相關(guān)模型數(shù)據(jù)，尚未能全面搜集天津租界區(qū)歷史環(huán)境的現(xiàn)狀信息。

隨著GIS數(shù)據(jù)采集技術(shù)的深入和條件的成熟，還可從以下幾個方面對現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集模式進行拓展。

第一，建立天津近代歷史環(huán)境信息數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)多方數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)，逐步擴大數(shù)據(jù)采集的范圍[13]。

第二，定期更新管理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、管理常態(tài)化[14-15]。

天津近代租界區(qū)歷史環(huán)境數(shù)據(jù)采集是一項需要長期堅持的文化項目，其資源數(shù)據(jù)采集的建設(shè)也不是一成不變的。在建設(shè)的進程中，對數(shù)據(jù)采集需更新迭代，使其更符合時下的要求，有效推動歷史空間可持續(xù)發(fā)展，激發(fā)當代受眾群體對城市文化遺產(chǎn)保護的激情與熱愛，凸顯天津歷史文化的整體價值[16-17]。

圖表來源：

圖1-11：作者繪制

表1：作者繪制