基于GIS的歷史地圖綜合管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王彥君，王冬梅，楊曉玉

(合肥財經(jīng)職業(yè)學院，安徽 合肥 230000)

歷史地圖包括一個國家或地區(qū)的政治、文化、經(jīng)濟和軍事等豐富信息，提供了人類活動的歷史痕跡，是研究一個城市歷史變遷的最佳信息來源，具有非常高的歷史和文化價值[1]。但目前歷史地圖的應用還存在如下問題，一是歷史地圖大多以紙質(zhì)進行保存，移動或使用不方便[2]；二是歷史地圖中歷史文化價值信息挖掘困難、查找效率低、周期長；三是缺乏信息化的手段對歷史地圖進行管理。國內(nèi)許多城市都陸續(xù)開展關于歷史地圖和文化等方面的信息化建設，如北京市建設的北京歷史文化地理信息網(wǎng)，展示了老城整體保護、老城歷史業(yè)績以及地圖見證歷史等內(nèi)容。本文利用GIS、云計算等先進技術，通過對歷史地圖的收集、梳理、整理、標準處理和入庫，搭建歷史地圖綜合管理系統(tǒng)，一方面對歷史地圖進行精準配準，實現(xiàn)在統(tǒng)一坐標系下，各個年代的歷史地圖疊加瀏覽和城市變遷展示，另一方面對歷史地圖中的建筑、道路、地名以及綠地等地物要素進行數(shù)字化處理和入庫，實現(xiàn)歷史地圖信息的查詢、統(tǒng)計和專題圖制作，為政府和公眾提供豐富和詳實的歷史地理信息服務。

1 平臺設計

1.1 設計原則

歷史地圖綜合管理系統(tǒng)建設的設計原則應遵循以下幾點:一是在分析現(xiàn)有先進技術及發(fā)展趨勢的基礎上，結合歷史地圖管理的實際應用需求，使用較為先進、可靠且擴展性強的平臺進行建設[3];二是系統(tǒng)在設計、開發(fā)以及應用整個過程中，應從系統(tǒng)框架結構、軟硬件配置、技術措施和服務以及運維管理等多方面進行考慮，以確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，與此同時，還須全面考慮數(shù)據(jù)保密和安全級別等問題，以確保歷史地圖數(shù)據(jù)的安全性，防止惡意用戶攻擊系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)盜取等;三是系統(tǒng)建設應按照國家、地方以及行業(yè)相關的標準規(guī)范執(zhí)行，如歷史地圖地理要素分類編碼標準、數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標準以及系統(tǒng)技術規(guī)范等;四是系統(tǒng)建設應充分利用已有的軟硬件和數(shù)據(jù)資源，如網(wǎng)絡環(huán)境、服務器、地理信息數(shù)據(jù)等，以便節(jié)約系統(tǒng)建設成本。

1.2 運行模式

歷史地圖綜合管理系統(tǒng)主要包括兩個不同版本，即專業(yè)版部署于政務網(wǎng)，服務于政務其他部門，如歷史文化名城保護處、檔案館等工作人員；公眾版部署于互聯(lián)網(wǎng)，一方面服務于公眾，讓公眾更加了解城市歷史文化知識。為了確保歷史地圖數(shù)據(jù)共享和交換以及數(shù)據(jù)安全，涉密數(shù)據(jù)和非涉密數(shù)據(jù)分別部署于不同的數(shù)據(jù)服務器，不同網(wǎng)絡端的應用服務器，通過網(wǎng)閘、安全設備等網(wǎng)絡技術手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用。

1.3 系統(tǒng)結構設計

歷史地圖綜合管理系統(tǒng)包括B/S端和C/S端混合架構，實現(xiàn)對歷史地圖數(shù)據(jù)的管理、更新維護以及服務等功能。系統(tǒng)結構設計示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構設計

通過對歷史地圖收集、整理和處理后，構建歷史地圖信息管理數(shù)據(jù)庫，包括歷史地圖屬性數(shù)據(jù)和歷史地圖圖形數(shù)據(jù)，歷史地圖屬性數(shù)據(jù)包括地圖數(shù)據(jù)信息和歷史地圖相關建筑、道路以及地名的圖片、文本等數(shù)據(jù)；歷史地圖圖形數(shù)據(jù)包括歷史矢量數(shù)據(jù)和歷史柵格圖。歷史地圖新管理數(shù)據(jù)庫中屬性數(shù)據(jù)采用Oracle 11g方式進行組織和管理；空間數(shù)據(jù)采用 Oracle+ArcSDE方式進行組織和管理；圖片、文本等多媒體數(shù)據(jù)采用文件夾方式進行組織和管理。

C/S端歷史地圖綜合管理系統(tǒng)采用ArcGIS Engine進行開發(fā)，實現(xiàn)歷史地圖的編輯、入庫以及更新維護等功能。

B/S端歷史地圖綜合管理系統(tǒng)采用Eclipse平臺進行開發(fā)，通過調(diào)用ArcGIS API for JavaScript實現(xiàn)Web瀏覽器GIS相關功能開發(fā)，主要包括歷史地圖瀏覽、查詢、統(tǒng)計和專題圖制作等功能。

1.4 技術指標和軟硬件配置

系統(tǒng)建設主要技術指標如下，一是接入容量，系統(tǒng)需支持海量歷史地圖數(shù)據(jù)、從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、入庫、展示、查詢、統(tǒng)計和分析；二是系統(tǒng)響應能力，如在100個用戶并發(fā)訪問平臺時，系統(tǒng)歷史地圖加載顯示平均時間在1 s以內(nèi)、系統(tǒng)基本功能響應平均時間在2 s以內(nèi)、查詢統(tǒng)計等復雜功能響應平均時間在10 s以內(nèi)；三是系統(tǒng)處理故障能力，系統(tǒng)應具備軟硬件和數(shù)據(jù)定期備份和恢復能力，確保平均無故障時間大于5 100 h，服務器平均無故障率大于99%，服務器故障停機時間小于24 h。為達到上述主要技術指標，系統(tǒng)建設主要軟硬件配置如表1所示。

表1 平臺軟硬件配置表

2 歷史地圖數(shù)據(jù)處理

2.1 技術路線

歷史地圖數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)成果入庫三部分。技術路線示意圖如圖2所示。數(shù)據(jù)收集包括歷史地圖、歷史影像、地方志資料、地理參考、歷史建筑以及全圖參考資料收集；數(shù)據(jù)處理包括歷史地圖處理和歷史地圖數(shù)字化，主要有地圖篩選、地圖裁切、地圖拼接、幾何校正、信息提取以及圖面信息復原等處理；數(shù)據(jù)成果入庫是將處理好的數(shù)據(jù)入庫，主要包括歷史地圖屬性數(shù)據(jù)庫和歷史地圖圖形數(shù)據(jù)庫，有歷史地形圖、歷史街路圖、歷史各類專題數(shù)據(jù)、歷史影像地圖、歷史照片集以及歷史矢量地圖等。

圖2 數(shù)據(jù)處理技術路線

2.2 歷史地圖數(shù)據(jù)收集和整理

為了完善和豐富歷史地圖信息管理數(shù)據(jù)庫，從各種渠道收集資料，包括從國家測繪檔案資料館等單位收集歷史地圖(集)、歷史影像、地名錄、地方志、專題圖件和文字材料[4]，開展歷史地圖數(shù)據(jù)的整理工作，按照元明清時期(1911年前)、民國時期(1949年前)、建國后(1949年后)，分步進行數(shù)據(jù)的整合和篩選?；谑占降脑紨?shù)據(jù)，進行統(tǒng)一編號，統(tǒng)一格式和標準，并建立元數(shù)據(jù)、縮略圖、數(shù)據(jù)文檔，形成歷史地圖數(shù)據(jù)集。

2.3 歷史地圖數(shù)據(jù)處理

歷史地圖數(shù)據(jù)處理包括歷史柵格地圖處理和歷史地圖矢量化處理。

歷史柵格地圖處理是根據(jù)地圖特性進行地圖裁剪、幾何校正、圖面信息復原等。地圖裁切需要在保證圖面信息的情況下進行，不能減少圖上要素。裁切時只保留圖廓內(nèi)幅面，特殊情況下圖廓外仍有地物信息，裁切時需保留，在拼接時依據(jù)相鄰圖幅的地物信息做具體處理。同時，部分柵格地圖掃描后出現(xiàn)圖面整體偏暗、無法辨認地圖中地名或者字體、尺寸較大的地圖需分幅掃描等問題，要對掃描后的地圖進行輻射校正，將地圖內(nèi)的地理信息要素上升到視覺的第一層面[5]。除此以外，歷史地圖很容易因紙張破損、墨跡褪淡等原因導致圖面信息缺失，需結合相應文獻資料和志書圖說，對圖面信息進行修復。

歷史地圖矢量化處理，是對歷史地圖中的地物要素進行矢量化表達，主要包括地物要素位置的描述和屬性描述。由于不同年代的歷史地圖表達方式不同，在判別地物時，要素位置描述需結合遙感影像和地物要素分布的地理特征進行矢量化表達[6]；地物屬性描述需要借助其他歷史資料、專題資料、文字材料(地名錄、地方志、統(tǒng)計資料)、圖片資料和其他研究成果、考古資料的信息等。歷史地圖矢量化處理流程如圖3所示。

圖3 歷史地圖矢量化處理流程

3 系統(tǒng)展示

3.1 C/S端系統(tǒng)功能

(1)歷史地圖數(shù)據(jù)編輯。打開處理好的歷史地圖矢量化數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行相應的配圖操作。

(2)歷史地圖數(shù)據(jù)入庫更新。通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎連接Oracle數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)歷史地圖矢量數(shù)據(jù)入庫和更新。

(3)歷史地圖專題圖制作。系統(tǒng)調(diào)用ArcGIS專題圖制作工具，實現(xiàn)歷史道路專題、建筑專題、綠地專題、水系專題以及地名地址專題等專題圖制作。并將保存好的專題圖發(fā)布成服務，為系統(tǒng)瀏覽提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 B/S端系統(tǒng)功能

(1)歷史地圖瀏覽。系統(tǒng)將處理好的歷史柵格地圖和歷史矢量化地圖發(fā)布成服務進行調(diào)用，并在統(tǒng)一的坐標系下進行瀏覽。主要包括地圖基本操作、圖層控制、坐標定位和輔助工具等功能。地圖基本操作，主要功能有全圖、放大、縮小、漫游、長度測量、面積測量、地圖輸出、痕跡清理等[7]，實現(xiàn)了歷史地圖信息管理數(shù)據(jù)庫中多尺度、多時序的歷史地圖數(shù)據(jù)疊加顯示，可以清楚地看到城市某一區(qū)域隨著時間變化而變化；圖層控制，用戶可以控制圖層的顯示與隱藏，通過對各類歷史地圖圖層的上下移動調(diào)整各個圖層之間的疊放順序，而且可以設置圖層的透明度，以更好地在地圖上展現(xiàn)用戶所需要的歷史地圖信息；坐標定位，地圖瀏覽過程中能夠實時顯示用戶鼠標停留位置的坐標信息，既可以顯示地理坐標也可以顯示3度或6度分帶下西安80坐標；輔助工具包括地圖標繪、收藏和導入導出功能，地圖標繪，用戶一方面可以加載標繪信息文件，如在歷史地圖上標繪某些歷史建筑名稱等；另一方面可以根據(jù)需要自己繪制點、線、面以及文本，并可以將標注結果保存下來。收藏可以將常用的歷史地圖進行保存，以便下次瀏覽或應用。

(2)歷史地物要素查詢統(tǒng)計。實現(xiàn)歷史建筑、道路以及地名的查詢統(tǒng)計。以歷史建筑查詢統(tǒng)計為例，查詢包括點查詢和面查詢，點查詢，用戶可在地圖中選擇或手動輸入所需坐標點，并輸入半徑，查詢以該坐標點為圓心的圓形區(qū)域范圍內(nèi)的歷史建筑相關詳細信息(建筑年代、建筑位置、建設保護單位以及建設介紹等信息)，面查詢，用戶可在地圖中相應位置繪制多邊形，平臺即可顯示在該多邊形區(qū)域范圍內(nèi)的歷史建筑相關詳細信息。統(tǒng)計包括專題屬性信息和多邊型統(tǒng)計，專題屬性信息統(tǒng)計可以根據(jù)歷史建筑的年代、區(qū)域以及層數(shù)等屬性進行專項統(tǒng)計；多邊形統(tǒng)計則是直接統(tǒng)計多邊形范圍內(nèi)的歷史建筑的數(shù)量。

(3)城市變遷。城市變遷是系統(tǒng)采用多屏對比或者時間序列播放等方式直觀展示城市的變遷情況，與此同時，還關聯(lián)各歷史年代城市行政區(qū)劃面積和人口等信息進行展示。

4 結語

本文以城市近2000年的歷史地圖為基礎，借助GIS、云計算等先進技術，構建了歷史地圖信息管理數(shù)據(jù)庫，搭建了歷史地圖綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了歷史地圖的整合瀏覽、歷史地圖數(shù)據(jù)編輯和更新、歷史建筑、道路以及地名查詢統(tǒng)計、城市變遷展示等功能，充分挖掘歷史地圖的文化價值，拓展了歷史地理研究的空間，為城市文化宣傳提供支撐，也為歷史地圖編制出版提供重要數(shù)據(jù)資源。