跨学科 | 古旧地图的数字化转换及其未来趋势

古旧地图是人类历史上的宝贵财富，它以可视化的图形再现了人类历史的空间过程。古旧地图主要以纸质形式呈现，进入数字时代，将古旧地图转换为数字地图是一项极为艰巨的任务。

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地图的数字化转型

学术界普遍认为，地图的出现要早于文字的产生。原始人类在标记出行、打猎方向与方位时，需要图形符号进行可视化呈现。因此，原始的地图都是形象化的山脉、河流、树木、道路，用图画实物来记录地理信息。伴随着人类的进步，活动空间不断扩大，对地理方位的认知也越来越深化。将人类的活动空间以抽象化的地图呈现，可以更好地管理空间、认知空间。因此，各个时代都有独具特色的地图，而各类地图呈现出不同类型的地理空间利用。中国古代产生了大量的包括国家舆图、地方舆图、山川河流图、城市舆图、水利图、军防图、天文图、占星图等类型的地图，成为华夏文明的宝贵遗产。

近代以来，伴随西方测绘技术的传入、地图投影系统的使用，地图测绘与空间表达方式走向全球统一的所谓“科学化”范式，各种比例尺地图大量出现，统一经纬度的世界地图开始呈现。这一方面促进了人们对全球地理环境的整体认知，另一方面对于地理环境的空间表达也更加精确。与中国传统地图相比，近代以来测绘地图虽然有了很大改观，但地图载体形式没有本质变化，地图内容主要绘制在纸质载体上。

今天，伴随计算机与网络技术的发展，数字地图的出现实现了地图发展史上的一次质的飞跃。数字地图往往存储在计算机硬盘、软盘等介质上，地图内容通过数字呈现，需要通过专用计算机软件对这些数字进行显示、读取、检索、分析，彻底改变了地图的载体形式。数字地图的信息量远大于普通地图，可以进行任意形式的要素组合、拼接、修改，以及任意比例尺、范围的地图输出，极大缩短了成图时间。同时，数字地图可以很方便地与卫星影像、航空照片等信息源结合，生成新图种；还可以利用数字地图的等高线和高程点生成数字高程模型，将地表起伏以数字形式呈现，直观立体地呈现地貌形态。这是普通地图无法达到的效果。因此，数字地图产生以后，其表达形式就逐渐取代了纸质地图。

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古旧地图的数字化探索

中国古旧地图数字化历程已近二十年，相关研究围绕古旧地图的形成、技术含量与认知体系等展开。

2005年，中国台湾学者赖进贵等人利用光绪四年（1878）《全台前后山舆图》进行数字化尝试，将这幅无经纬度网格的地图与现代台湾地图实现套叠。通过对其测绘控制点的考察，发现该地图虽形成于光绪年间，但经纬度测绘点主要还是沿用康熙、乾隆年间的数据。西部地区地图绘制基本准确，东部地区开发进程较晚，没有经过实测，因此地图的变形较大。《全台前后山舆图》虽是晚清政府为实现对台湾的统治所绘，但受地图数据限制，直到1878年清政府对于台湾的认知与康乾时期相比没有显著进步。

中国古代地图多为山水画式形象画法，其准确度如何？尤其是一些带有军事性质的防卫地图、沿海地区航海地图，一旦地图出现偏差，可能导致军事行动失败或海上航行受阻，造成极大损失，这就涉及对中国古代地图绘制“科学性”的定位。明代测绘了大量九边防御地图，这些地图多是在政府主导下完成的，用于九边军镇防守或向朝廷汇报军事守备之需。相较于一般性地图，这些地图对精度的要求更高。目前来看，这些地图都是以传统山水画的形式呈现，如何运用于军事作战或守备？学者利用地理信息系统（GIS）技术，对这类地图进行数字化考证，其中比较关键的技术是利用地图中地物位置关系的定位，考察防御性地物间位置关系的准确程度。考古已探明明长城的走向，其中多数营堡地面遗存比较清晰，这样就可以将地图上的信息与今天的遗址点准确定位。将古地图导入GIS 平台，选取地图上地物几何中心点，得到有计算意义的地物近似的“坐标”数值，再通过Python 编程计算两两地物之间的方位角。对地图上地物的相对位置关系进行批量量化计算，并与实际位置比对，结果显示，明代具有代表性的九边地图取值结果，与今天地表同位置地物的相对位置关系相符程度很高，反映出地图绘制者准确把握了地物实际位置关系，并将其反映在军事地图上，即使这种地图是以山水画形式呈现，但并不影响实际使用。这证明确定地物位置关系是中国传统地图绘制的一个有效手段，这类军事性地图虽无数学基础，但在绘制过程中具备一定的技术标准，实用价值也较高。

耶鲁大学藏有一套《中国古航海图》，图幅达122张，地理空间北起辽东半岛及渤海海域，南至越南金瓯角外，西抵泰国湾与马来半岛，东达朝鲜海峡对马岛，地理范围广阔、地域涵括中外。图面用墨色绘制了可能途经的岛屿、山峰轮廓，同时还标注了航道水深、泥沙礁石分布、航向针路等信息，是中国古代航海图中典型的“山形水势图”。在现代航海图发明以前，中国在很长时期的航海实践中都使用此类地图进行指南，“诸如此类的航海图是中国水手赖以航行数千英里的唯一指南”。

如何使用这类“山形水势图”导航？以往只能根据地图上的文字判断，今天通过数字化手段，借助地图软件生成三维地形模型，并与地图上标注的地点进行空间定位，既可以从地图层面考察山形与实际岛礁的匹配度，也可以形成古人航海中的空间认知与航向判定依据。经过一系列数字化分析发现，地图上的“山形”分布并不代表真实的相对位置；其绘制既有多角度、跨尺度的特点，又有分组绘制、组间交错、成组原则不一的特征。事实上，古人既绘制“山形”只是为航行者进行远距离方向判断，而非在未知水域提供导引。有关“山形”准确性的问题，利用数字高程数据生成的三维地形，与图册的“山形”及地形侧视图对比可以发现，古人既利用整体山形的基本走势，也关注到山形中山峰的数量与排布间距、相对高差等特征。当然，也有少数“山形” 与实际情况完全不一致，可能存在定位错误，这类偏差会影响到古代水手的导航准确性。

中国古代地图类型多样，呈现了地理空间的多样性。近代以来，受西方地图测绘技术的影响，地图已发生巨大变革，对中国传统地图的空间表达与认知均已模糊，而利用数字化手段再现地图场景，能够让我们更加清晰地理解传统舆图、认识传统文化，为构建中国自主知识体系贡献力量。

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人工智能与古旧地图数字化的未来

中国传世地图数量很大。中国国家图书馆1997年出版的《舆图要录》收录中外文馆藏古旧地图6827种，无具体图幅数统计。大量的地图资源要实现数字化，无疑是非常困难的。人工智能的出现，为这一工作提供了有效的路径，利用人工智能技术实现快速、批量的地图配准以及数据提取，在近代地图数字化方面取得了成功。

地图配准是数据提取的第一步，将纸质地图扫描成矢量文档，按地图中的经纬度网格或利用带有准确经纬度点的方位，叠加到今天的电子地图上，实现古今对照，逐一手动配准，是地图数字化的前提。而对于民国以来大比例尺地形图来说，这样的配准方式仍较缓慢。近年来，学者利用人工智能技术，将北洋政府及南京国民政府时期在全国范围内组织测绘的大比例尺地形图，利用OpenCV库与ArcPy方法库，发展出一套针对民国地形图的自动配准方法，对数千幅民国地形图扫描归档，该方法相较逐一手动配准，极大降低了工作量，且精度更为可靠。

提取数据的工作量更大，地图中的地形地貌、河流水系、城镇聚落、交通道路，每项数据的提取都要花费大量时间，一种基于机器学习和图像形态学的方法尝试运用于彩色大比例尺地图中，提取1∶50000近代上海地图中的河湖水系。结果表明，该方法能够充分挖掘地图中的颜色信息和形态结构信息，以半自动方式快速准确地将彩色近代地图中的地表水体信息提取出来。这一方法对该类彩色近代地图的数字化非常有效。

总之，古旧地图数字化是数字时代地图发展的要求，也是展现过去时空环境变迁的手段之一。近年来，该类工作在地理学、历史地理学以及地图史界不断推进，尤其在人工智能发展进程中，利用相关技术实现古旧地图数字化的数量与精度方面的发展，成效显著。我们相信未来该研究方向还会有更大的拓展空间，为历史时期地表过程的重建提供更有力的支持。

作者系首都师范大学历史学院教授