一种城市空间格局数字复原方法

摘要

本发明公开了一种城市空间格局数字复原方法，属于城市空间复原领域。其步骤为：对历史老地图配准扫描，充分利用ArcGIS软件和待复原城市的遥感影像数据，进行配准校正，将历史老地图配准至现势遥感影像数据；城市历史空间复原；城市历史空间复原成果纠偏，借助ArcGIS的空间分析方法以及数理统计方法，进行复原成果的纠偏，获得城市空间格局的数字复原。本发明借助3S技术，改变了以往单纯依靠纸质图纸以及历史文献资料考证的空间格局复原方法，有效地提高了城市历史地图绘制的效率与质量，形成了具有统一空间尺度、统一空间基准和统一空间分类的城市不同历史时期空间格局“一张图”，为城市空间格局的复原、管理、展示与应用提供了保障。

说明书

技术领域

本方法涉及到城市空间格局数字复原方法，具体是指利用地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)等技术进行城市空间格局的复原、纠偏与可视化的方法。

背景技术

目前利用3S技术进行的城市空间数字复原多针对一个城市或地区的局部范围或重点地区。2003年北京水晶石公司运用数字技术，对北京老城门进行复原，2004年对元大都进行了复原，并录制了纪录片《故宫》；武汉数字媒体工程技术有限公司2005年对三峡湖北段地貌进行了数字复原；2006年中央电视台等媒体联合录制了大型史诗电影《圆明园》，数字复原了“圆明园”的全貌；日本奈良国立文化财产研究所对飞鸟时期遗址石雕进行了全方位整体立体摄影的基础上，产生出数字复原图像。吴俊范(吴俊范.1900-1949年间上海水乡景观蜕变的复原与分析[J].中国历史地理论丛，2010，25(1)：26：39)运用GIS手段与历史文献考证相结合的方法复原1900-1949年间上海水乡景观蜕变的具体过程。这些复原研究缺乏对城市整体地理环境、空间格局以及布局形态的复原。在城市历史空间格局相关的研究领域，现有的研究多立足于传统的历史学、考古学、地理学，其研究的直观性与精确性都存在欠缺，其研究过程较少结合GIS、GPS和RS等新技术，其研究成果多以结构图示的方式展示。王一帆以北宋东京城为例运用GIS进行古代城市的框架结构，其研究是仅是GIS在城市空间格局复原领域的初步尝试。

整体而言，目前利用3S技术进行城市整体空间格局复原的研究较少，而在为数不多的研究中，其整个空间格局复原的过程也缺少有机的整合，不能充分有效的加以利用。

发明内容

1.发明目的

为了克服传统城市空间复原方法存在的缺乏直观性与精确性，针对现有的城市空间格局复原方法存在的问题，本发明提供了一种城市空间格局数字复原方法，创新城市历史空间格局数字复原的研究方法体系，充分有效的利用3S技术，追溯历史空间消减和留存的肌理，为城市空间格局复原规划和管理以及历史文化资源的保护和利用提供分析依据，为城市的交通规划和城市的未来发展提供决策依据。

2.技术方案

本发明的原理：一种城市空间格局数字复原方法，利用RS以及GPS手段获取现存典型历史空间，将其作为地图配准参考点，利用GIS的数据处理能力将历史地图配准至现代地形图，通过现势地图与历史老地图的比对，再结合历史文献考证，复原历史城市空间，最后利用GIS的空间分析与统计能力进行复原图形的纠偏。

本发明的技术方案如下：

一种城市空间格局数字复原方法，其步骤为：

(1)对历史老地图配准扫描，利用ArcGIS软件对历史地图进行融合处理后，利用待复原城市的遥感影像数据作为数据源，通过资料考证与分析，将待复原历史时期在现势仍存在的典型建筑的地理位置作为控制点，利用ArcGIS软件进行配准校正，将历史老地图配准至现势遥感影像数据；

(2)城市历史空间复原，复原工作按照山体——城墙——水系——路网——城门——其他重要空间要素的顺序进行，即先定空间大格局，再按功能空间逐级细化的顺序进行空间格局的复原；

(3)城市历史空间复原成果纠偏，借助ArcGIS的空间分析方法以及数理统计方法，进行复原成果的纠偏，获得城市空间格局的数字复原。

步骤(1)中的历史老地图配准具体原则如下：

首先，选取待复原时期的历史地图，选取原则如下：时间上，尽量选择各朝代末期作为绘图对象，以便于包容本朝的相关内容；内容上：

■类别：地图和影像图优于普通地图和意象图(准确度高)

■时代：同时代人和相近历史时期优于其它时期(原真性好)

■比例尺：1∶10000--1∶20000的地形图或地图优于其它比例尺(内容表达深度和形式合适)

■色彩：彩色优于黑白(可识别性好)

■大小：文件像素大的优于文件像素小的(分辨率高，清晰)

■来源：官方制图机构优于非官方机构(可信度高)

■地图图面效果好为佳；

然后，扫描历史老地图，利用ArcGIS软件对历史地图进行融合处理后，利用待复原城市的遥感影像数据作为数据源，通过资料考证与分析，选取待复原历史时期在现势仍存在的典型建筑作为控制点，利用ArcGIS软件进行配准校正，将历史老地图配准至现势遥感影像数据。

步骤(2)城市历史空间复原，各类空间要素的复原采用空间要素倒推的方式，即以现势地图数据为基础，利用ArcGIS数据编辑工具，结合历史文献资料和配准后的历史老地图，通过删除、增加以及修改现势城市空间格局，复原较近历史时期的城市空间格局，再由近及远，依次推演不同历史时期的城市空间格局。

步骤(2)中山体复原以现势DEM数据为基础；城墙、水系、路网、城门复原以现势DLG数据为基础；其他重要空间要素复原以现势土地使用状况图为基础。

对于增加与修改的历史空间要素，复原过程中将其附近区域范围内可辨别的、前后历史时期其空间位置未发生变化的空间要素标示为“地标”，再判断和定位其周边的遗迹点位置准确与否。

步骤(3)城市历史空间复原成果纠偏中，对于单一朝代的复原成果，首先统计其空间要素种类、不同性质空间要素的总数以及总面积，利用统计结果判断复原地图中空间要素分布的合理性。再利用ArcGIS叠加分析，查找其中是否具有叠加的空间要素，对于存在叠加现象的要素，判断其是否存在关联，分析叠加的合理性。对于多个朝代的复原成果，可以利用朝代之间的地图叠加辅助纠偏，分析要素之间叠加的合理性。

此外，部分历史文化资源空间现今依然存在，此类资源的纠正以GPS实地采集数据为准。

3.有益效果

本发明一种利用3S技术进行城市空间格局复原的方法，借助3S技术，形成了空间格局数字化复原方法体系，改变了以往单纯依靠纸质图纸以及历史文献资料考证的空间格局复原方法，有效地提高了城市历史地图绘制的效率与质量，形成了具有统一空间尺度、统一空间基准和统一空间分类的城市不同历史时期空间格局“一张图”，为城市空间格局的复原、管理、展示与应用提供了保障，为历史文化的保护以及城市发展方向的规划提供依据。

附图说明

图1为本发明具体实施例的技术方案流程图；

图2为利用ArcGIS Georeferencing工具进行地图的配准；

图3为“以1946年南京市市区图(英文版)”配准控制点分布；

图4南京老城区地势图；

图5民国水系复原图；

图6民国路网复原图；

图7民国城门城墙复原图；

图8纠正前的局部复原图；

图9纠正后的局部复原图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明方法做进一步的说明。

以民国南京老城空间格局复原为例来对本发明进行说明。

步骤一：历史老地图配准

根据技术方案中分析筛选文献图纸的规则，最终选择的图片资料如表1所示。

表1图片资料分析筛选

将筛选使用的图片进行资料扫描、拼接加工，并将各张底图坐标配准到南京92坐标系下。现势地图使用2005年IKNOS遥感影像图，比例尺为1∶10000。配准工具如图2所示。以“1946年南京市市区图(英文版)”地图配准为例，控制点配准坐标如表2，配准控制点分布见图3(图中黑色圆点)。

表2控制点配准坐标

  X source  Y source  X Map  Y Map  2788.675  -4989.27  129350.4  143428.9714  3145.531  -914.408  129977.2  151867.2911  1465.374  -2933.22  126619.7  147734.2827  4901.504  -3516.95  133673.5  146369.5305  2911.375  -3379.39  129584.4  146715.6499  2929.163  -2541.41  129588.5  148588.9502  1799.381  -1343.41  127261.1  150978.8032

  X source  Y source  X Map  Y Map  3699.347  -4199.86  131238.5  144993.8413  2128.915  -4844.5  127957  143740.9342  3274.34  -5175.63  130363.9  142972.4456  2498.738  -3592.44  128715.6  146294.7604

步骤二：山体、城墙、水系、路网、城门以及其他复原

各类空间要素的复原采用空间要素倒推的方式，即以现势地图数据为基础，利用ArcGIS数据编辑工具，结合历史文献资料和配准后的民国历史老地图，通过删除、增加以及修改现势城市空间格局，复原民国时期的南京城市空间格局，下面具体介绍各类空间要素的复原过程。

山体复原。假定山体不变，以现状山体作为民国的山体。利用南京市DEM数据展示山体格局，如图4所示。

城墙的复原以现势南京测绘成果中的城墙作为基础，首先通过将南京现势矢量地形图数据与民国《最新道路明细图》进行空间要素的的叠加比较，补充完善现势消失的南京城墙，再辅以南京1929年地形图作为纠正底图，对局部进行纠正，使复原的城墙逼近准确。复原后的民国城墙如图4所示。

水系复原。民国水系的复原以现代水系为基础，利用1∶10000“抗战以后地形图”(1947年南京都市发展计划委员会工作底图)和“1951年南京市城区详图”复原。如图5所示。

路网复原。民国道路的复原以现代道路为基础，利用“1∶10000抗战以后地形图”(1947年南京都市发展计划委员会工作底图)，复原民国时期道路，同时也确保道路的延续性。复原后的路网如图6所示。

城门复原。民国城门的复原以现代城门为基础，利用1∶10000“抗战以后地形图”(1947年南京都市发展计划委员会工作底图)、《南京建置志》等图片及文献资料复原民国时期城门、城墙。复原后的城门如图7所示。

其他空间要素复原。

(1)以已复原的民国空间大格局为工作基础；

(2)按照“1948年南京市城区土地使用现状图”图例内容，分层数字化该图，标注空间要素名称，得到民国建设用地空间复原的工作基础图；

(3)按照本项目用地分类标准，将上述工作基础图重新归类，得到民国空间要素复原图。

步骤三：空间复原的纠偏

民国空间要素的校正主要分为以下几个步骤。

(1)对于现势依然存在的历史文化资源空间，采用GPS实地勘察，利用实地调查数据对复原成果进行纠正对城市历史空间进行核查、校正；

(2)利用“1946年航空影像”和“1946年航摄小照片”辅助判读、核查、校正；

(3)利用1947年南京市城区居住现状图、1947年南京市城区官署分布图再次核查、校正。

纠正过程中出现矛盾时，准确度的判断优先顺序为1、2、3依次下降。

(4)统计民国空间复原图中空间要素种类、不同性质空间要素的总数以及总面积，利用统计结果判断复原地图中空间要素分布的合理性，对不合理的现象进行分析，并纠正复原结果。利用ArcGIS叠加分析，查找其中是否具有叠加的空间要素，对于存在叠加现象的要素，判断其是否存在关联，分析叠加的合理性，对于不合理的叠加现象进行修改。如在叠加分析的纠正当中，发现道路横穿过某居民地，如图8，而道路是不应该存在与单个居民地要素相交现象，将居民地移动后修改为图9所示。通过上述复原与纠偏的步骤最终形成了民国南京历史空间格局复原图。