歷史GIS支持下的城市形態(tài)研究技術框架

鄧元媛，張傳芳，周雪

（中國礦業(yè)大學）

1 引言

《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》明確提出，城市更新行動是面對城市發(fā)展的新階段、新形勢和新要求做出的重大戰(zhàn)略決策部署，也是“十四五”以及今后一段時期我國推動城市高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手和路徑。城市形態(tài)學從三個維度描述城市，即時間演進、形態(tài)特征以及層級結(jié)構(gòu)[1]，對其精確的描述有利于形成未來城市空間布局調(diào)整的判斷和依據(jù)。傳統(tǒng)的城市形態(tài)研究基于歷史圖學，即以歷史資料和古籍地圖、口述歷史為基礎數(shù)據(jù)進行研究，數(shù)據(jù)處理過程存在數(shù)據(jù)收集難度大、不同時期數(shù)據(jù)對應性差等問題。因此，本文關注歷史GIS 在城市形態(tài)學的研究進展，梳理其技術框架，試圖為該領域的縱深研究提供基礎性支撐。

2 基于歷史GIS 的城市形態(tài)研究知識圖譜

2.1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

在中國知網(wǎng)中進行數(shù)據(jù)檢索，生成知識圖譜以廓清該領域研究的基本狀況[2]。分別將“GIS”與“城市形態(tài)”、“歷史GIS”與“城市形態(tài)”為關鍵詞在CNKI進行檢索，時間區(qū)間設置2000年至2021年，共檢索出的330 篇論文，經(jīng)人工篩選后得到有效文獻307 篇。首先利用“知網(wǎng)”分析功能對文獻發(fā)表的時間、來源進行詞頻分析和分類統(tǒng)計，然后借助Citespace 軟件對文獻進行合作分析與關鍵詞共現(xiàn)，以可視化的方式分析、解讀當前的研究現(xiàn)狀、知識結(jié)構(gòu)，從而預測未來的發(fā)展趨勢[3]。

2.2 總體研究現(xiàn)狀

文獻的發(fā)文量年度分布統(tǒng)計和論文學科分布統(tǒng)計（見圖1-2），形成了對歷史GIS與城市形態(tài)研究的初步認知。2000年～2021年期間，該領域的相關文獻量呈增長態(tài)勢，其中2012和2019出現(xiàn)了波峰。經(jīng)過對文章內(nèi)容的進一步分析發(fā)現(xiàn)，這兩次波峰反映了學科研究受“事件”影響的結(jié)果。如2012年是GIS引入地理學十周年，大量作者借此契機對研究進行回顧和梳理，使2012年發(fā)文內(nèi)容和數(shù)量激增。

圖1 發(fā)文量統(tǒng)計

由于本文聚焦的研究內(nèi)容是“城市形態(tài)”，從論文的學科分布來看有較大的工學屬性（圖2），主要集中在建筑工程學科、自然地理學和測繪學、計算機軟件及應用等學科，其中居于首位的建筑工程學科（涵蓋了建筑學與城市規(guī)劃兩個方向）以60.17%的占比，處于絕對優(yōu)勢，也體現(xiàn)出目前“城市形態(tài)”研究偏向物質(zhì)空間的屬性特征。

圖2 論文來源統(tǒng)計

3 歷史GIS在城市形態(tài)研究的應用

經(jīng)過前文對歷史GIS 研究的分析，已經(jīng)對其研究的內(nèi)容和方向有了初步的廓形，下面將討論技術的應用場景?；谛螒B(tài)研究的尺度差異，分別從宏觀區(qū)域、中觀城市、微觀地塊三個層面展開。

區(qū)域尺度的城市形態(tài)研究主要關注城市形態(tài)的演變過程及規(guī)律，多源于歷史地理學的研究，這個尺度的研究表現(xiàn)為時間跨度大、空間范圍廣，能充分發(fā)揮GIS平臺數(shù)據(jù)收集和處理的優(yōu)勢。中觀的城市形態(tài)研究，多關注城鄉(xiāng)歷史聚落研究的影響因素。由于研究尺度的縮小，數(shù)據(jù)量有了很大縮減，可以對城市中更加具體空間信息要素進行分析，如山水系統(tǒng)、城垣城池的位置、街巷系統(tǒng)、府衙學宮等。通過將歷史信息要素在現(xiàn)狀城市空間進行坐標定位，對空間要素進行橫向、縱向分析，發(fā)現(xiàn)和總結(jié)城市演變過程與發(fā)展規(guī)律，明晰歷史空間要素對城市格局的作用[4]。地塊及其內(nèi)部的建筑構(gòu)成了城市形態(tài)描述的最小單元，也是城市更新的基本單元。面對我國城市建設中大量的更新項目，如何在歷史研究和規(guī)劃建設工作之間形成有效的對接和轉(zhuǎn)換，使歷史形態(tài)得以保護和延續(xù)，是基于地塊尺度的形態(tài)研究所面對的問題。相對中、宏觀的研究，微觀地塊研究形態(tài)周期短、結(jié)構(gòu)要素變化微弱。

4 基于歷史GIS 的城市形態(tài)研究技術框架

歷史GIS作為一種技術方法已經(jīng)較好地實現(xiàn)了城市形態(tài)研究中的應用，其在數(shù)據(jù)收集、處理和分析方面扮演著越來越重要的作用，突破以往靜態(tài)且不直觀的數(shù)據(jù)模式，將數(shù)據(jù)與空間和時間的演變結(jié)合起來，有效地廓清城市的面貌[5]。在未來的研究中，必將發(fā)揮更加積極的作用。本文遵循研究的思路，將技術路框架分為數(shù)據(jù)采集與處理、空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和城市空間形態(tài)分析[6]三個部分，同時對應地域、城市、地塊三個不同尺度的研究[7]。

4.1 數(shù)據(jù)的采集與處理

城市形態(tài)研究的原始數(shù)據(jù)包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)[8]及屬性數(shù)據(jù)。不同尺度的研究需要收集的資料也有區(qū)別。宏觀區(qū)域尺度從全國性地圖資料或歷史數(shù)據(jù)平臺中查找相關歷史資料，如中國歷史地理信息系統(tǒng)（CHGIS）[9]、浙大學術地圖發(fā)布平臺等[10]。通過將區(qū)域交通路線、里程、網(wǎng)絡中的節(jié)點（府、州、縣、驛站等）以及和山川河流的關系整合到一起，形成歷時性的全局觀念。中微觀研究需要收集片區(qū)、地塊尺度等更多詳細數(shù)據(jù)，如路網(wǎng)、土地利用強度等信息。紙本數(shù)據(jù)多為柵格數(shù)據(jù)，需要對其進行矢量轉(zhuǎn)換，才能進入數(shù)據(jù)平臺。紙本資料匯總后，再通過現(xiàn)場調(diào)研甄別資料的準確性。尤其是中小尺度的研究，通過實地走訪，可以獲取現(xiàn)場地形地貌、建筑質(zhì)量與環(huán)境特征等空間信息，以及文化習俗、居民類型等社會信息。調(diào)研可以對文獻中尚未記錄或不方便記錄的各類資料進行補充，作為建立歷史GIS 的基礎數(shù)據(jù)。

4.2 空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

首先要對基礎數(shù)據(jù)進行校準。由于計算機分析的數(shù)據(jù)格式、類型比較嚴格，為了避免偏差度較高的數(shù)據(jù)對研究結(jié)果產(chǎn)生干擾，影響分析的準確性，故需對資料進行“去偽存真”。先剔除一些明顯謬誤的數(shù)據(jù)，再進行人工識別，最后借助SPSS、ORIGIN 等計算機數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件進行進一步的篩選。然后再進行研究范圍輪廓和結(jié)構(gòu)的繪制。篩選數(shù)據(jù)之后利用Google earth網(wǎng)站對當前城市的衛(wèi)星影像圖，結(jié)合歷史文獻繪制出具有實際尺寸城市的輪廓和主要道路[11]；再將其與歷史地圖在AutoCAD 軟件中進行疊加、校驗，證實歷史地圖的準確性；經(jīng)過校核的地圖，可以作為底圖，繼續(xù)添加所需要的信息，最終形成一幅具備查詢和分析功能的地圖。最后使用Arc MAP軟件，將Auto CAD格式的dwg文件中的各個要素導入，加入相關的研究要素，轉(zhuǎn)換成GIS 數(shù)據(jù)，構(gòu)建城市歷史空間的GIS數(shù)據(jù)庫[12]，再進行比較分析。

4.3 城市空間形態(tài)分析

城市空間形態(tài)的分析針對不同的研究目標，從宏觀、中觀、微觀三個尺度進行研究分析。宏觀尺度的研究與歷史地理研究比較接近，通過空間統(tǒng)計分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡分析、領域分析、核密度分析等工具，對區(qū)域空間的形態(tài)演變過程進行分析，如中心區(qū)、擴張范圍和方向等等。中觀尺度在城市范疇進行通過道路、城墻等形態(tài)元素的演變，發(fā)掘空間演變的影響因素。通過對數(shù)據(jù)庫屬性字段增加名稱、類型、地址、創(chuàng)建人、始建時間等信息，對研究范圍內(nèi)各時期影響因素進行賦值并利用相應模塊進行分析操作，有助于獲得城市發(fā)展規(guī)律性認識；微觀尺度的研究著眼于城市地塊，通過對路網(wǎng)等級化、空間結(jié)構(gòu)性要素、建筑肌理的分析，進一步錨定“城市意象”，即城市形態(tài)中具有顯性價值的空間要素，為城市更新中，歷史空間的保護提供依據(jù)。微觀尺度的研究多服務于地塊更新的前期分析，通過建成環(huán)境的演變過程、建筑、景觀、行為要素的疊加，識別形態(tài)中的“記憶”信息，為建筑的保留、景觀的提升、公共活動空間的激活提供有力的依據(jù)。

5 結(jié)論與展望

面對我國城市更新的背景，在拆除和增容的壓力下，如何保留城市形態(tài)的內(nèi)在邏輯，有效識別城市形態(tài)中的歷史要素，是未來城市規(guī)劃研究中的重要命題。城市形態(tài)演變過程中會受到大量人文、地理、事件性要素的影響，如何以直觀、可視化的方式得以呈現(xiàn)，蘊含在城市空間的內(nèi)在演變規(guī)律如何進一步指導未來的城市建設，需要量化分析結(jié)果的支持。文本研究局限于數(shù)據(jù)的有限性，無法全面客觀地發(fā)揮作用，歷史GIS 的運用可以有效提高分析結(jié)果的準確性和科學性，必將在未來的城市形態(tài)研究中發(fā)揮更加積極的作用。不同尺度的形態(tài)研究如何與國土空間規(guī)劃的框架銜接、發(fā)揮更大的應用價值是未來研究的方向。如宏觀尺度與城鎮(zhèn)體系規(guī)劃結(jié)合、中觀尺度與城市總體規(guī)劃結(jié)合、微觀尺度與城市詳細規(guī)劃結(jié)合，以便進一步促進數(shù)據(jù)支持下城市形態(tài)研究在城市建設中價值的實現(xiàn)。