基于地图的城市演变的空间信息提取方法

刘 彬，李丹农，姚远方

(1.宁波市测绘设计研究院，浙江宁波315012;2.浙江省工程勘察院，浙江宁波315012)

一、引 言

城市化是国家现代化的必经之路，不同地区、不同国家的城市化发展呈现出不同的特点。有数字显示，我国城镇化率从20%到40%只用了22年，而西方发达国家用了几十年至上百年。然而，我国城镇化“超速”的负面效应也在显现:城区扩展过速打破了城市人口、资源、经济、就业等平衡状态。这些现实问题迫使人们对城市生态系统的可持续发展及其与自然生态环境的和谐相处进行思考。分析城市空间形态，掌握城市用地时空演变规律，对于优化城市空间、推动城市发展具有重大意义。

城市发展演变研究多基于遥感影像，但是高精度、大面积的卫星遥感影像是近20年才慢慢发展起来的，资料来源的时间段受限。历史地图作为城市地表直接映像，具有直观、信息量大、资料来源丰富等特点，且城市空间发展演变或多或少地会受到历史因素的影响，因此利用不同时期的历史地图可以很好地查明城市建成区在空间和时间序列上的变化。本文就如何寻找一种利用不同时期地图进行空间信息整合，求得系列不同时期城市建成区范围的方法作出尝试。

二、地图资料收集

本文基于不同时期地图的空间信息整合方法研究宁波市建成区演变过程，拟利用宁波市近100年内的历史地图作为数据源，进行建成区范围的比对，即从20世纪初的民国时期直至现阶段。这期间的主要历史时期有民国时期、新中国成立初期、70年代初期、改革开放初期、90年代、21世纪几个阶段。

宁波市历史悠久，从秦汉时期就已经设县，有固定的常驻居民;唐朝时更名为明州，与扬州、广州一起作为我国三大对外贸易港口;宋代时宁波古城的城池、港口、水网路网格局等已基本定型和完备，自此以来一直作为我国对外主要交通贸易港口，直至清朝的海禁时期。但是宁波在近代史上的兴起是随着鸦片战争后作为五港通商口岸渐渐发展起来的，城市建设发展有了长足变化，因此本文也就近100年间对宁波城区的空间演变进行示例分析。

在近代的历史地图中，本文分别收集了民国初期(约1912年)(如图1所示)、1952年(如图2所示)、1972年、1982年、1994年、2013年共计6幅宁波城区的不同时期地图。

图1 民国时期街巷图(约1912年)

图2 1952年宁波市区全图

三、不同时期地图空间整合方法

1.不同时期地图重要同名地物点的提取

近百年来，宁波城区变化发展非常大，单凭普通的城区道路交叉点、桥梁中点、河流拐弯点等常规的自然、人工地理要素已经不能满足作为地图纠正的同名地物点;且受历史上测绘条件的限制，历史地图多为写意性示意图，数学精度无从考证，原图存在着较大程度的变形，更加大了数据配准的难度。基于以上原因，本文提出以下提取同名地物点定位、配准的原则。

1)提取亭、台、碑、塔等历史遗迹、遗存的相对地理位置点作为同名地物点。宁波古城历史悠久，城区内现存有咸丰塔(建于清咸丰年间)、范宅(建于明代)、白云庄(建于明代)、七塔寺(改建于清代)等历史遗迹、遗存，这些遗迹、遗存历经战火依然保留了下来，古、今时期的地图均有标识。虽然这些建筑的位置在历史地图中不能准确定位，但依据道路、水系形状在图中能确定其相对地理位置关系，可作配准之用。

2)提取甬江、奉化江、余姚江三江口中心位置作为同名地物点。宁波是沿海港口型城市，水网在城市的发展、演变过程中起着重要作用。其中三江口是甬江、奉化江、余姚江的交叉点，宁波中心城区依此发展而来，其地位及地理位置始终没变。

3)提取古城的护城河与主要道路网交叉点作为同名地物点。宁波古城之外有护城河，有东、南、西、北4个城门，另有几条主干道通出城门。这种城市交通模式在海曙区(老城区)至今依然如此。因此，可提取古城的护城河与主要道路网交叉点作为同名地物点。

2.地图资料的处理

早期的历史地图存储格式为TIFF格式，均由古地图扫描而成;20世纪90年代后的地图均实现了计算机制作，栅格数据是从矢量图中导出而成，地图的数学精度及清晰度都有了保障。不同时期地图的纠正步骤如图3所示。

图3 地图资料的处理流程

1)将收集到的不同时期地图栅格数据准备好;再准备现势性好、精度高的参照数据(本文利用的是2013年WorldView卫星遥感影像)作为纠正参照数据。

2)数据预处理工作。将不同时期地图、影像数据转为*.img格式，卫星遥感影像配准为宁波市独立坐标系坐标。

3)同名地物点的选取。依照前文所述原则分别在不同时期地图和遥感影像上选取同名地物点(如图4所示)。同名地物点尽量均匀分布于图面上，以保障后期数据纠正的正确性。

图4 同名地物点的选取

4)利用ERDAS软件进行几何纠正，纠正好的地图数学成果为宁波市独立坐标系。

3.不同时期地图数据的叠加分析

经过几何纠正后的不同时期地图具有数学精度，生成的*.img文件具有地理坐标信息。将纠正过的不同时期的地图同时加载入ArcGIS 9.3软件中，分别给予一定的透明度，叠加、比对，至此基本完成了地图的空间信息整合(如图5所示)。由此可以直观、定性地反映近一个世纪以来宁波主城区的发展、演变。

图5 历史地图资料叠加

4.不同时期城区范围线的提取

由于早期历史地图颜色单一，加上年代较久、退色、图纸保存不当等原因，扫描数据清晰度受到一定的影响;另外，早期历史地图采用单纯底色、单色线条的描绘方法，对城市建成区的描绘不能清晰可见，需要通过使用人工判读的方法勾绘建城区范围线。至于近现代的不同时期地图，地图表现方法有大幅度提高，已用色块区分出了建城区范围，因此可用一些软件中的空间分析工具获取同色系面状区域的范围线。

基于上述原因，在不同时期地图上判读城市建成区的过程中，总结如下几个方法:

1)城区道路判别法。历史地图中交通、水系要素作为主要地理要素是一直存在的，其中道路交通要素作为人类活动的结果是鉴证城市建城区的重要标识。宁波市是依江、河航道而发展起来的城市，在历史地图中可以看出以旧城为中心向外呈散射状。因此，可以通过对城市主干道的判读，选择主干道外延区域提取、绘制城区建成范围面。

2)居民地判别法。主城区与外围郊区存在一定的中间区域，即城郊结合部分。在历史地图中，此区域面积较小，这与从前的生产力是相适应的。郊区农村居民以点状符号和文字注记作为主要表达形式，在已构成主城区建成范围面的基础上加绘与之相连的农村居民区域，共同构成城市主城区范围面。

通过各不同时期地图的叠加、判读、勾绘，得出各取样年代宁波市城区的扩展演变图(如图6所示)，以及各年代的建成区面积增长曲线(如图7所示)。从这两幅图上不难看出，宁波市在近百年间城区范围不断增大，尤其是近20年间内扩张特别明显;宁波市作为对外港口型城市，港口的发展促进了与之相联系的交通干线的伸展，交通干线促进城市沿轴线走廊式生长。这种生长将控制城市的总体格局与伸展趋势(向东和向南方向)，决定着城市的发展前景。

图6 宁波市城区的扩展演变图

图7 宁波市建成区面积增长曲线

四、结束语

本文通过对历史地图进行空间定位、纠正、配准、判读、提取建成区范围线等工作，将宁波市近百年来的城市空间发展变化在一张图上体现出来，可以清晰地看出其中的发展和变化趋势。以宁波市为例，该方法拓展了研究时间跨度，丰富了研究数据来源，弥补了由于缺少遥感资料而不能作大时间跨度建成区空间发展演变分析的不足，为城市空间扩展研究提供了新的方法和思路。但是这种方法也有一定的弊端:首先是数据分析成果受历史地图的详细程度影响很大，地图的质量直接与提取的建成区面积相关，存在一定的不确定性;其次，对于较早期的历史地图进行人工判读提取城区范围线，虽有一定的原则和指导方法，但不同的人提取的建成区范围线会不尽相同，存在一定的主观性。

［1］李加林，朱晓华，张殿.群组型港口城市用地时空扩展特征及外部形态演变——以宁波市为例［J］.地理研究，2008(3):275-283.

［2］裴勇军，周光红，田学军.基于GIS和RS的城市空间形态变化研究——以西昌市为例［J］.测绘通报，2013(S2):217-221.

［3］张赫，陈天，程功，等.基于历史地图数字化分析的城市空间特色演进研究［J］.城市发展研究，2013，20(7):I0011-I0016.

［4］杨勇，任志远.基于GIS的西安市城镇建设用地扩展研究［J］.遥感技术与应用，2009(1):46-51.

［5］李建，董卫.古代城市地图转译的历史空间整合方法——以杭州市古代城市地图为例［J］.城市规划学刊，2008(2):93-98.

［6］王磊，段学军.长江三角洲地区城市空间扩展研究［J］.地理科学，2010，30(5):703-709.

［7］李保杰，顾和和，纪亚洲，等.基于地学信息图谱的矿业城市空间扩展研究——以徐州市为例［J］.地域研究与开发，2012，31(1):50-54.

［8］李飞雪，李满春，刘永学，等.建国以来南京城市扩展研究［J］.自然资源学报，2007，22(4):524-535.

［9］李晓峰，张树清，韩富伟，等.基于多重信息融合的高分辨率遥感影像道路信息提取［J］.测绘学报，2008，37(2):178-184.

［10］LI L，YOHEI S，ZHU H.Simulating Spatial Urban Expansion Based on a Physical Process［J］.Landscape and Urban Planning，2003(4):67-76.