劉 彬，李丹農(nóng)，姚遠(yuǎn)方

(1.寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波315012;2.浙江省工程勘察院，浙江寧波315012)

一、引 言

城市化是國(guó)家現(xiàn)代化的必經(jīng)之路，不同地區(qū)、不同國(guó)家的城市化發(fā)展呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。有數(shù)字顯示，我國(guó)城鎮(zhèn)化率從20%到40%只用了22年，而西方發(fā)達(dá)國(guó)家用了幾十年至上百年。然而，我國(guó)城鎮(zhèn)化“超速”的負(fù)面效應(yīng)也在顯現(xiàn):城區(qū)擴(kuò)展過(guò)速打破了城市人口、資源、經(jīng)濟(jì)、就業(yè)等平衡狀態(tài)。這些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題迫使人們對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展及其與自然生態(tài)環(huán)境的和諧相處進(jìn)行思考。分析城市空間形態(tài)，掌握城市用地時(shí)空演變規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化城市空間、推動(dòng)城市發(fā)展具有重大意義。

城市發(fā)展演變研究多基于遙感影像，但是高精度、大面積的衛(wèi)星遙感影像是近20年才慢慢發(fā)展起來(lái)的，資料來(lái)源的時(shí)間段受限。歷史地圖作為城市地表直接映像，具有直觀、信息量大、資料來(lái)源豐富等特點(diǎn)，且城市空間發(fā)展演變或多或少地會(huì)受到歷史因素的影響，因此利用不同時(shí)期的歷史地圖可以很好地查明城市建成區(qū)在空間和時(shí)間序列上的變化。本文就如何尋找一種利用不同時(shí)期地圖進(jìn)行空間信息整合，求得系列不同時(shí)期城市建成區(qū)范圍的方法作出嘗試。

二、地圖資料收集

本文基于不同時(shí)期地圖的空間信息整合方法研究寧波市建成區(qū)演變過(guò)程，擬利用寧波市近100年內(nèi)的歷史地圖作為數(shù)據(jù)源，進(jìn)行建成區(qū)范圍的比對(duì)，即從20世紀(jì)初的民國(guó)時(shí)期直至現(xiàn)階段。這期間的主要?dú)v史時(shí)期有民國(guó)時(shí)期、新中國(guó)成立初期、70年代初期、改革開放初期、90年代、21世紀(jì)幾個(gè)階段。

寧波市歷史悠久，從秦漢時(shí)期就已經(jīng)設(shè)縣，有固定的常駐居民;唐朝時(shí)更名為明州，與揚(yáng)州、廣州一起作為我國(guó)三大對(duì)外貿(mào)易港口;宋代時(shí)寧波古城的城池、港口、水網(wǎng)路網(wǎng)格局等已基本定型和完備，自此以來(lái)一直作為我國(guó)對(duì)外主要交通貿(mào)易港口，直至清朝的海禁時(shí)期。但是寧波在近代史上的興起是隨著鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)后作為五港通商口岸漸漸發(fā)展起來(lái)的，城市建設(shè)發(fā)展有了長(zhǎng)足變化，因此本文也就近100年間對(duì)寧波城區(qū)的空間演變進(jìn)行示例分析。

在近代的歷史地圖中，本文分別收集了民國(guó)初期(約1912年)(如圖1所示)、1952年(如圖2所示)、1972年、1982年、1994年、2013年共計(jì)6幅寧波城區(qū)的不同時(shí)期地圖。

圖1 民國(guó)時(shí)期街巷圖(約1912年)

圖2 1952年寧波市區(qū)全圖

三、不同時(shí)期地圖空間整合方法

1.不同時(shí)期地圖重要同名地物點(diǎn)的提取

近百年來(lái)，寧波城區(qū)變化發(fā)展非常大，單憑普通的城區(qū)道路交叉點(diǎn)、橋梁中點(diǎn)、河流拐彎點(diǎn)等常規(guī)的自然、人工地理要素已經(jīng)不能滿足作為地圖糾正的同名地物點(diǎn);且受歷史上測(cè)繪條件的限制，歷史地圖多為寫意性示意圖，數(shù)學(xué)精度無(wú)從考證，原圖存在著較大程度的變形，更加大了數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的難度?；谝陨显?，本文提出以下提取同名地物點(diǎn)定位、配準(zhǔn)的原則。

1)提取亭、臺(tái)、碑、塔等歷史遺跡、遺存的相對(duì)地理位置點(diǎn)作為同名地物點(diǎn)。寧波古城歷史悠久，城區(qū)內(nèi)現(xiàn)存有咸豐塔(建于清咸豐年間)、范宅(建于明代)、白云莊(建于明代)、七塔寺(改建于清代)等歷史遺跡、遺存，這些遺跡、遺存歷經(jīng)戰(zhàn)火依然保留了下來(lái)，古、今時(shí)期的地圖均有標(biāo)識(shí)。雖然這些建筑的位置在歷史地圖中不能準(zhǔn)確定位，但依據(jù)道路、水系形狀在圖中能確定其相對(duì)地理位置關(guān)系，可作配準(zhǔn)之用。

2)提取甬江、奉化江、余姚江三江口中心位置作為同名地物點(diǎn)。寧波是沿海港口型城市，水網(wǎng)在城市的發(fā)展、演變過(guò)程中起著重要作用。其中三江口是甬江、奉化江、余姚江的交叉點(diǎn)，寧波中心城區(qū)依此發(fā)展而來(lái)，其地位及地理位置始終沒(méi)變。

3)提取古城的護(hù)城河與主要道路網(wǎng)交叉點(diǎn)作為同名地物點(diǎn)。寧波古城之外有護(hù)城河，有東、南、西、北4個(gè)城門，另有幾條主干道通出城門。這種城市交通模式在海曙區(qū)(老城區(qū))至今依然如此。因此，可提取古城的護(hù)城河與主要道路網(wǎng)交叉點(diǎn)作為同名地物點(diǎn)。

2.地圖資料的處理

早期的歷史地圖存儲(chǔ)格式為TIFF格式，均由古地圖掃描而成;20世紀(jì)90年代后的地圖均實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)制作，柵格數(shù)據(jù)是從矢量圖中導(dǎo)出而成，地圖的數(shù)學(xué)精度及清晰度都有了保障。不同時(shí)期地圖的糾正步驟如圖3所示。

圖3 地圖資料的處理流程

1)將收集到的不同時(shí)期地圖柵格數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好;再準(zhǔn)備現(xiàn)勢(shì)性好、精度高的參照數(shù)據(jù)(本文利用的是2013年WorldView衛(wèi)星遙感影像)作為糾正參照數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。將不同時(shí)期地圖、影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為*.img格式，衛(wèi)星遙感影像配準(zhǔn)為寧波市獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)。

3)同名地物點(diǎn)的選取。依照前文所述原則分別在不同時(shí)期地圖和遙感影像上選取同名地物點(diǎn)(如圖4所示)。同名地物點(diǎn)盡量均勻分布于圖面上，以保障后期數(shù)據(jù)糾正的正確性。

圖4 同名地物點(diǎn)的選取

4)利用ERDAS軟件進(jìn)行幾何糾正，糾正好的地圖數(shù)學(xué)成果為寧波市獨(dú)立坐標(biāo)系。

3.不同時(shí)期地圖數(shù)據(jù)的疊加分析

經(jīng)過(guò)幾何糾正后的不同時(shí)期地圖具有數(shù)學(xué)精度，生成的*.img文件具有地理坐標(biāo)信息。將糾正過(guò)的不同時(shí)期的地圖同時(shí)加載入ArcGIS 9.3軟件中，分別給予一定的透明度，疊加、比對(duì)，至此基本完成了地圖的空間信息整合(如圖5所示)。由此可以直觀、定性地反映近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)寧波主城區(qū)的發(fā)展、演變。

圖5 歷史地圖資料疊加

4.不同時(shí)期城區(qū)范圍線的提取

由于早期歷史地圖顏色單一，加上年代較久、退色、圖紙保存不當(dāng)?shù)仍?，掃描?shù)據(jù)清晰度受到一定的影響;另外，早期歷史地圖采用單純底色、單色線條的描繪方法，對(duì)城市建成區(qū)的描繪不能清晰可見，需要通過(guò)使用人工判讀的方法勾繪建城區(qū)范圍線。至于近現(xiàn)代的不同時(shí)期地圖，地圖表現(xiàn)方法有大幅度提高，已用色塊區(qū)分出了建城區(qū)范圍，因此可用一些軟件中的空間分析工具獲取同色系面狀區(qū)域的范圍線。

基于上述原因，在不同時(shí)期地圖上判讀城市建成區(qū)的過(guò)程中，總結(jié)如下幾個(gè)方法:

1)城區(qū)道路判別法。歷史地圖中交通、水系要素作為主要地理要素是一直存在的，其中道路交通要素作為人類活動(dòng)的結(jié)果是鑒證城市建城區(qū)的重要標(biāo)識(shí)。寧波市是依江、河航道而發(fā)展起來(lái)的城市，在歷史地圖中可以看出以舊城為中心向外呈散射狀。因此，可以通過(guò)對(duì)城市主干道的判讀，選擇主干道外延區(qū)域提取、繪制城區(qū)建成范圍面。

2)居民地判別法。主城區(qū)與外圍郊區(qū)存在一定的中間區(qū)域，即城郊結(jié)合部分。在歷史地圖中，此區(qū)域面積較小，這與從前的生產(chǎn)力是相適應(yīng)的。郊區(qū)農(nóng)村居民以點(diǎn)狀符號(hào)和文字注記作為主要表達(dá)形式，在已構(gòu)成主城區(qū)建成范圍面的基礎(chǔ)上加繪與之相連的農(nóng)村居民區(qū)域，共同構(gòu)成城市主城區(qū)范圍面。

通過(guò)各不同時(shí)期地圖的疊加、判讀、勾繪，得出各取樣年代寧波市城區(qū)的擴(kuò)展演變圖(如圖6所示)，以及各年代的建成區(qū)面積增長(zhǎng)曲線(如圖7所示)。從這兩幅圖上不難看出，寧波市在近百年間城區(qū)范圍不斷增大，尤其是近20年間內(nèi)擴(kuò)張?zhí)貏e明顯;寧波市作為對(duì)外港口型城市，港口的發(fā)展促進(jìn)了與之相聯(lián)系的交通干線的伸展，交通干線促進(jìn)城市沿軸線走廊式生長(zhǎng)。這種生長(zhǎng)將控制城市的總體格局與伸展趨勢(shì)(向東和向南方向)，決定著城市的發(fā)展前景。

圖6 寧波市城區(qū)的擴(kuò)展演變圖

圖7 寧波市建成區(qū)面積增長(zhǎng)曲線

四、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)歷史地圖進(jìn)行空間定位、糾正、配準(zhǔn)、判讀、提取建成區(qū)范圍線等工作，將寧波市近百年來(lái)的城市空間發(fā)展變化在一張圖上體現(xiàn)出來(lái)，可以清晰地看出其中的發(fā)展和變化趨勢(shì)。以寧波市為例，該方法拓展了研究時(shí)間跨度，豐富了研究數(shù)據(jù)來(lái)源，彌補(bǔ)了由于缺少遙感資料而不能作大時(shí)間跨度建成區(qū)空間發(fā)展演變分析的不足，為城市空間擴(kuò)展研究提供了新的方法和思路。但是這種方法也有一定的弊端:首先是數(shù)據(jù)分析成果受歷史地圖的詳細(xì)程度影響很大，地圖的質(zhì)量直接與提取的建成區(qū)面積相關(guān)，存在一定的不確定性;其次，對(duì)于較早期的歷史地圖進(jìn)行人工判讀提取城區(qū)范圍線，雖有一定的原則和指導(dǎo)方法，但不同的人提取的建成區(qū)范圍線會(huì)不盡相同，存在一定的主觀性。

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