基于GIS的历史地图综合管理系统设计与实现

王彦君，王冬梅，杨晓玉

(合肥财经职业学院，安徽 合肥 230000)

历史地图包括一个国家或地区的政治、文化、经济和军事等丰富信息，提供了人类活动的历史痕迹，是研究一个城市历史变迁的最佳信息来源，具有非常高的历史和文化价值[1]。但目前历史地图的应用还存在如下问题，一是历史地图大多以纸质进行保存，移动或使用不方便[2]；二是历史地图中历史文化价值信息挖掘困难、查找效率低、周期长；三是缺乏信息化的手段对历史地图进行管理。国内许多城市都陆续开展关于历史地图和文化等方面的信息化建设，如北京市建设的北京历史文化地理信息网，展示了老城整体保护、老城历史业绩以及地图见证历史等内容。本文利用GIS、云计算等先进技术，通过对历史地图的收集、梳理、整理、标准处理和入库，搭建历史地图综合管理系统，一方面对历史地图进行精准配准，实现在统一坐标系下，各个年代的历史地图叠加浏览和城市变迁展示，另一方面对历史地图中的建筑、道路、地名以及绿地等地物要素进行数字化处理和入库，实现历史地图信息的查询、统计和专题图制作，为政府和公众提供丰富和详实的历史地理信息服务。

1 平台设计

1.1 设计原则

历史地图综合管理系统建设的设计原则应遵循以下几点:一是在分析现有先进技术及发展趋势的基础上，结合历史地图管理的实际应用需求，使用较为先进、可靠且扩展性强的平台进行建设[3];二是系统在设计、开发以及应用整个过程中，应从系统框架结构、软硬件配置、技术措施和服务以及运维管理等多方面进行考虑，以确保系统运行的稳定性，与此同时，还须全面考虑数据保密和安全级别等问题，以确保历史地图数据的安全性，防止恶意用户攻击系统以及数据盗取等;三是系统建设应按照国家、地方以及行业相关的标准规范执行，如历史地图地理要素分类编码标准、数据元数据标准以及系统技术规范等;四是系统建设应充分利用已有的软硬件和数据资源，如网络环境、服务器、地理信息数据等，以便节约系统建设成本。

1.2 运行模式

历史地图综合管理系统主要包括两个不同版本，即专业版部署于政务网，服务于政务其他部门，如历史文化名城保护处、档案馆等工作人员；公众版部署于互联网，一方面服务于公众，让公众更加了解城市历史文化知识。为了确保历史地图数据共享和交换以及数据安全，涉密数据和非涉密数据分别部署于不同的数据服务器，不同网络端的应用服务器，通过网闸、安全设备等网络技术手段，实现数据调用。

1.3 系统结构设计

历史地图综合管理系统包括B/S端和C/S端混合架构，实现对历史地图数据的管理、更新维护以及服务等功能。系统结构设计示意图如图1所示。

图1 系统结构设计

通过对历史地图收集、整理和处理后，构建历史地图信息管理数据库，包括历史地图属性数据和历史地图图形数据，历史地图属性数据包括地图数据信息和历史地图相关建筑、道路以及地名的图片、文本等数据；历史地图图形数据包括历史矢量数据和历史栅格图。历史地图新管理数据库中属性数据采用Oracle 11g方式进行组织和管理；空间数据采用 Oracle+ArcSDE方式进行组织和管理；图片、文本等多媒体数据采用文件夹方式进行组织和管理。

C/S端历史地图综合管理系统采用ArcGIS Engine进行开发，实现历史地图的编辑、入库以及更新维护等功能。

B/S端历史地图综合管理系统采用Eclipse平台进行开发，通过调用ArcGIS API for JavaScript实现Web浏览器GIS相关功能开发，主要包括历史地图浏览、查询、统计和专题图制作等功能。

1.4 技术指标和软硬件配置

系统建设主要技术指标如下，一是接入容量，系统需支持海量历史地图数据、从而实现数据的处理、入库、展示、查询、统计和分析；二是系统响应能力，如在100个用户并发访问平台时，系统历史地图加载显示平均时间在1 s以内、系统基本功能响应平均时间在2 s以内、查询统计等复杂功能响应平均时间在10 s以内；三是系统处理故障能力，系统应具备软硬件和数据定期备份和恢复能力，确保平均无故障时间大于5 100 h，服务器平均无故障率大于99%，服务器故障停机时间小于24 h。为达到上述主要技术指标，系统建设主要软硬件配置如表1所示。

表1 平台软硬件配置表

2 历史地图数据处理

2.1 技术路线

历史地图数据处理包括数据收集、数据处理以及数据成果入库三部分。技术路线示意图如图2所示。数据收集包括历史地图、历史影像、地方志资料、地理参考、历史建筑以及全图参考资料收集；数据处理包括历史地图处理和历史地图数字化，主要有地图筛选、地图裁切、地图拼接、几何校正、信息提取以及图面信息复原等处理；数据成果入库是将处理好的数据入库，主要包括历史地图属性数据库和历史地图图形数据库，有历史地形图、历史街路图、历史各类专题数据、历史影像地图、历史照片集以及历史矢量地图等。

图2 数据处理技术路线

2.2 历史地图数据收集和整理

为了完善和丰富历史地图信息管理数据库，从各种渠道收集资料，包括从国家测绘档案资料馆等单位收集历史地图(集)、历史影像、地名录、地方志、专题图件和文字材料[4]，开展历史地图数据的整理工作，按照元明清时期(1911年前)、民国时期(1949年前)、建国后(1949年后)，分步进行数据的整合和筛选。基于收集到的原始数据，进行统一编号，统一格式和标准，并建立元数据、缩略图、数据文档，形成历史地图数据集。

2.3 历史地图数据处理

历史地图数据处理包括历史栅格地图处理和历史地图矢量化处理。

历史栅格地图处理是根据地图特性进行地图裁剪、几何校正、图面信息复原等。地图裁切需要在保证图面信息的情况下进行，不能减少图上要素。裁切时只保留图廓内幅面，特殊情况下图廓外仍有地物信息，裁切时需保留，在拼接时依据相邻图幅的地物信息做具体处理。同时，部分栅格地图扫描后出现图面整体偏暗、无法辨认地图中地名或者字体、尺寸较大的地图需分幅扫描等问题，要对扫描后的地图进行辐射校正，将地图内的地理信息要素上升到视觉的第一层面[5]。除此以外，历史地图很容易因纸张破损、墨迹褪淡等原因导致图面信息缺失，需结合相应文献资料和志书图说，对图面信息进行修复。

历史地图矢量化处理，是对历史地图中的地物要素进行矢量化表达，主要包括地物要素位置的描述和属性描述。由于不同年代的历史地图表达方式不同，在判别地物时，要素位置描述需结合遥感影像和地物要素分布的地理特征进行矢量化表达[6]；地物属性描述需要借助其他历史资料、专题资料、文字材料(地名录、地方志、统计资料)、图片资料和其他研究成果、考古资料的信息等。历史地图矢量化处理流程如图3所示。

图3 历史地图矢量化处理流程

3 系统展示

3.1 C/S端系统功能

(1)历史地图数据编辑。打开处理好的历史地图矢量化数据，对数据进行相应的配图操作。

(2)历史地图数据入库更新。通过ArcSDE空间数据库引擎连接Oracle数据库，实现历史地图矢量数据入库和更新。

(3)历史地图专题图制作。系统调用ArcGIS专题图制作工具，实现历史道路专题、建筑专题、绿地专题、水系专题以及地名地址专题等专题图制作。并将保存好的专题图发布成服务，为系统浏览提供数据支撑。

3.2 B/S端系统功能

(1)历史地图浏览。系统将处理好的历史栅格地图和历史矢量化地图发布成服务进行调用，并在统一的坐标系下进行浏览。主要包括地图基本操作、图层控制、坐标定位和辅助工具等功能。地图基本操作，主要功能有全图、放大、缩小、漫游、长度测量、面积测量、地图输出、痕迹清理等[7]，实现了历史地图信息管理数据库中多尺度、多时序的历史地图数据叠加显示，可以清楚地看到城市某一区域随着时间变化而变化；图层控制，用户可以控制图层的显示与隐藏，通过对各类历史地图图层的上下移动调整各个图层之间的叠放顺序，而且可以设置图层的透明度，以更好地在地图上展现用户所需要的历史地图信息；坐标定位，地图浏览过程中能够实时显示用户鼠标停留位置的坐标信息，既可以显示地理坐标也可以显示3度或6度分带下西安80坐标；辅助工具包括地图标绘、收藏和导入导出功能，地图标绘，用户一方面可以加载标绘信息文件，如在历史地图上标绘某些历史建筑名称等；另一方面可以根据需要自己绘制点、线、面以及文本，并可以将标注结果保存下来。收藏可以将常用的历史地图进行保存，以便下次浏览或应用。

(2)历史地物要素查询统计。实现历史建筑、道路以及地名的查询统计。以历史建筑查询统计为例，查询包括点查询和面查询，点查询，用户可在地图中选择或手动输入所需坐标点，并输入半径，查询以该坐标点为圆心的圆形区域范围内的历史建筑相关详细信息(建筑年代、建筑位置、建设保护单位以及建设介绍等信息)，面查询，用户可在地图中相应位置绘制多边形，平台即可显示在该多边形区域范围内的历史建筑相关详细信息。统计包括专题属性信息和多边型统计，专题属性信息统计可以根据历史建筑的年代、区域以及层数等属性进行专项统计；多边形统计则是直接统计多边形范围内的历史建筑的数量。

(3)城市变迁。城市变迁是系统采用多屏对比或者时间序列播放等方式直观展示城市的变迁情况，与此同时，还关联各历史年代城市行政区划面积和人口等信息进行展示。

4 结语

本文以城市近2000年的历史地图为基础，借助GIS、云计算等先进技术，构建了历史地图信息管理数据库，搭建了历史地图综合管理系统，实现了历史地图的整合浏览、历史地图数据编辑和更新、历史建筑、道路以及地名查询统计、城市变迁展示等功能，充分挖掘历史地图的文化价值，拓展了历史地理研究的空间，为城市文化宣传提供支撑，也为历史地图编制出版提供重要数据资源。