南京市历史空间格局数字复原研究成果：基于GIS的实践

基于GIS的城市历史空间格局数字复原研究——以南京市为例

周　岚　叶　斌　王芙蓉　孙玉婷　毛燕翎　赵　伟

摘　要：以南京城市历史空间格局数字复原为研究对象，以GIS为技术手段，提出“由近及远、从整体到局部、先准确后模糊”的复原总体思路，建立由“历史空间与现状资源图件坐标相统一、断代分析与延续性分析相交错、精确定位与模糊定向相结合、传统研究与新技术应用相辅助、历史空间复原与现状普查相校验”构成的复原方法体系。研究表明，基于GIS的历史空间格局数字复原技术是科学、合理和可行的，为未来更好地保护和利用南京城市空间和文化特色、研究南京历史文化内涵提供了坚实的数据基础与有力的技术保障。

关键词：历史空间格局；数字复原；GIS；南京

1　引言

南京是中国著名的古都。为了更好地找寻南京城市历史空间变迁的规律，延续传统文化和把握城市发展脉搏，自2004年起，南京市规划局、南京市城市规划编制研究中心及南京大学文化与自然遗产研究所合作开展了南京市历史空间格局的数字复原研究工作。本次复原研究的空间轴涉及南京老城约50km²的范围，时间轴跨越了东吴西晋、东晋南朝、隋唐、南唐、宋朝、元朝、明朝、清朝及民国时期，对象轴包括了政务、居住和经济等七大类城市内部空间，填补了大范围、长跨度、多类别研究南京历史空间格局的空白。另外，本次复原研究综合运用地理学、历史学、考古学及数理统计等多学科理论和研究，形成了一整套数字化复原方法技术路线和方法体系，创新了城市历史空间格局的复原与逼真研究方法。总之，基于GIS的历史空间格局数字复原研究拓宽和革新了传统的研究思路和手段，为未来更好地保护和利用南京城市空间和文化特色、研究南京历史文化内涵提供了坚实的数据基础与有力的技术保障。

2　GIS技术在城市历史空间格局复原研究中的应用

传统历史学、考古学和地理学中有关空间格局的研究，多限于文献研究和使用示意地图的方式进行空间格局表达等方面，其研究的直观性、精确性和系统性都存在欠缺，尤其在与现代地形、地物的相关关系上存在模糊甚至错误。随着信息技术的迅速发展，GIS技术成为人们组织、挖掘和应用信息的重要手段，不断丰富着各类科学领域的研究方法。越来越多的研究学者尝试将GIS技术引入历史学，尝试重现历史空间并分析其变化发展的规律与成因。金致凡以GIS／RS技术为支持，对福州城区水域的历史变迁、水域分布与水质的变化状况进行了研究［1］。陈刚尝试以六朝时期的建康为时空研究范围，应用现代地理信息技术、超媒体技术和空间数据库技术，建立六朝建康历史地理数据库，进行专题研究及专题制图［2］。王一帆等人以北宋东京城为例，运用地图学方法和GIS技术探讨了古代城市空间结构复原的基本思路［3］。夏鹏等人以武汉旧城某区域为例，探讨了图叠方法在获取旧城历史空间演变信息中的作用［4］。吴俊范运用GIS手段与历史文献考证相结合的方法，力图微观地复原1900—1949年上海水乡景观蜕变的具体过程，并对其内在驱动机制及社会回应做出综合分析［5］。牟振宇以上海法租界为研究个案，运用GIS空间分析方法，复原了城市边缘区土地利用转变的过程［6］。

所有这些研究虽然均应用了GIS技术，但是都没有形成相对完整的数字化复原方法体系，并且都只是针对一个城市或地区的局部范围或重点地区进行的数字复原，没有以纵向时间为线索，依据科学准确的手段，进行关联延续的、大跨度时间范围的历史空间格局的研究。综上所述，由于历史文化名城空间格局的数字复原研究尚无系统的理论基础和完整的方法体系，且国内相关的研究和应用仍处于尝试阶段，因此针对南京历史城市空间格局大范围、长跨度、多类别的数字复原，迫切需要一种新方法。

3　基于GIS技术的南京市历史空间格局复原

3．1　总体思路与目标

利用GIS、计算机等新技术建立科学、可行的历史空间格局数字复原方法体系，再现和分析南京市不同历史时期的历史空间格局，构建具有统一空间尺度、统一空间基准和统一空间分类的南京市历史空间格局“一套图”，并最终建立南京市历史空间格局演变数据库和南京市历史空间格局演变地理信息系统，为城市规划和管理中的历史文化保护和利用提供分析依据，为“文化南京”的创建和特色塑造提供研究依据，为南京的城市地位和区域特色、发展方向的确定提供决策依据。

3．2　研究技术路线设计

首先，收集、整理各类历史文献资料，并对其进行汇总归类、比较筛选。其次，将筛选后的历史地图资料（意向地图除外）统一配准至南京92地方坐标系，利用GIS技术，并结合文献资料确定历史空间要素在纠正后的历史地图上的位置，从而复原不同时期的南京历史空间格局。历史空间格局的复原往往是一个循环往复、逐步求精的过程，为了进一步逼真历史空间格局，在复原的过程中辅助开发了各种计算机工具，对复原成果进行逐级校核与纠偏。最后，研究在复原成果的基础上深度挖掘历史空间格局演变数据库，并进行图形化、多层次、全方位展示（图1）。

图1　基于GIS技术的南京市历史空间格局复原技术路线图

3．3　系统总体框架设计

研究借助．net平台与ArcGIS for Oracle数据管理工具，基于ArcGIS组件开发模式，构建了南京市历史空间格局演变地理信息系统，具体分为历史空间格局演变建库系统与历史空间格局演变应用服务系统。建库系统为复原工作提供数据编辑、数据校验等辅助工具；应用服务系统实现复原成果基于浏览器的发布，提供浏览、查询、统计和GIS分析等功能（图2）。

图2　南京市历史空间格局演变地理信息系统总体框架

4　关键技术设计与实现

4．1　历史空间格局相关资料的收集与整理

历史地图与文献资料是历史空间格局复原的依据，对其进行系统的收集、整理和筛选，是复原工作顺利开展的必要条件。

（1）资料收集。研究中通过走访档案馆、图书馆、资料室等研究及收藏机构，并通过网站、媒体等方式开展民间征集活动，广泛收集了各类历朝历代有关城市建设和空间布局的资料，主要包括历史文献、意象地图、近现代地图与地形图、遥感影像、地质调查报告、地名资料以及近现代学者研究成果等。

（2）资料筛选。①图片资料分析筛选。筛选的原则主要有：在时间上，尽量选择各朝代末期的地图或者地形图，以尽量包容本朝的相关内容；在内容上，地形图和影像图优于普通地图和意象图（准确度高），1∶10 000～1∶20 000的地形图或地图优于其他比例尺的地形图或地图（内容表达深度和形式合适），彩色优于黑白，效果好的优于效果差的（可识别性好），分辨率高的优于分辨率低的（清晰度高），官方制图机构优于非官方机构（可信度高）；在数量上，选择同时期多张图以供校验。②文字资料选择顺序。文献的优先级依次是：考古资料和现存的地面文物资料及相对稳定的山体水体调查资料；地质钻探及分析资料；同时代的历史文献；稍晚于该历史时期的记录文献；历史年代虽晚但考证详实的文献；其他辅助参考资料等。

（3）地图配准。将筛选后的具有一定精度的历史地图进行扫描、拼接，采用现势影像图、地形图与历史地图上的同名点，将历史地图统一纠正到南京市92地方坐标系下，并与现势的基础图件相叠加，作为复原工作的底图。

4．2　历史空间格局“一套图”数字化设计理念

项目从研究范围确定、历史时期划分、功能空间分类、编码体系制定、坐标基准统一等方面为历史空间格局“一套图”的制作提供标准规范上的保障，使数字复原成果在今后历史空间格局的保护中发挥更大的现实意义。

（1）研究范围。以南京历史空间功能核心区为主要研究范围，即明城墙内的南京老城区范围。

（2）历史时期。城市发展是一个动态的连续的历史过程，为能够相对全面地表达城市历史空间的变迁，根据南京建城史的实际状况，将历史南京划分为东吴西晋、东晋南朝、隋唐、南唐、宋朝、元朝、明朝、清朝、民国等9个典型的历史时期。

（3）功能空间。虽然古代城市功能和近现代城市功能有很大的差异，但为了能建立相对统一、可分析比对的空间对应关系，结合南京的实际情况，将南京城市历史空间统一划分为政务空间、居住空间、经济空间、文化空间、军事空间、交通空间、其他文物遗迹点7种类型，在此基础上进一步细分为47级，同时制定了详细的图例。

（4）数据的编码体系。为了准确有序地标识每个历史空间要素，保证每一空间要素都具有唯一码，理清各朝代空间要素的延续性，研究中针对历史空间要素进行了编码设计。具体的编码包括：①1位几何类型码，即空间要素的几何类型，其中，0表示点，1表示线，2表示面；②4位功能空间类别编码，即对空间要素所属的功能空间类别进行编码；③2位朝代码，考虑今后进一步完善南京历史空间格局复原工作，朝代码中为旧石器、新石器、商周、春秋战国以及秦汉时期预留了1～5的编码（图3）。

图3　空间要素编码

（5）数据的精度分类。数据精度研究的难度远远超出了当初的预期。首先是由于历史时间跨度大，资料的分布不均、翔实不一。总体而言，古代的、特别是六朝的“原版”资料较少，多为后人的推演，而近现代的资料相对较多；都城时期的历史文献较多，而非都城历史时期的资料较少；对于封建统治阶级使用的空间文献叙述较多，而对于普通市民使用的空间文献介绍极少。其次是资料的鉴别难度较大，对于相同历史事件、相同历史资源，不同版本的史书有时有不同的解读，因而需要进行分析和鉴别。最后是古代历史文献资料对空间、方位的描述方法与原定的“在统一坐标体系下的准确空间定位”的目标有很大出入，“去河三十里”之类的文献记录是古人对距离的典型表述方式。

鉴于上述原因，为客观、真实地反映历史，或者更准确地说，为更准确地反映研究的客观和真实，本研究调整了原定思路，将不同的历史资料根据资料的翔实和定位的准确程度区分为“准确、较准确、模糊”三类信息。其中，“准确”是指遗址尚存、位置可考，或有准确的测绘或航片图，以及准确的考古发掘资料作为依据；“较准确”是指有较为准确的地图为依据；“模糊”是指根据文献进行大致判读。

总体而言，以清末19世纪初的南京第一份用近代测绘技术绘制的相对准确的测绘图为分界，此后的资料大多可归类为“准确”和“较准确”；明朝在清朝的基础上，依据文献史料相对较多的优势，加上明朝至清朝南京城的变化不算太大，也可以基本获得相对准确的历史信息；明朝以前的部分则多为依据文献记载和古人意象图示的模糊判读。从这个角度来说，承认历史研究的相对模糊甚至存疑的态度反而是科学的。

（6）图形坐标基准。采用南京92地方坐标系作为唯一的历史空间格局复原和成果建库坐标基准，以米为图形采集和编辑坐标单位。

4．3　历史空间格局数字化复原方法体系

4．3．1　总体思路

历史空间格局数字复原的总体思路是：在研究时序上由近及远，即先复原民国时期的，再复原清朝、明朝等时期的历史空间格局；在空间分布上从整体到局部，即先定空间大格局，再按功能空间逐级细化，如在复原明朝、清朝和民国时期的历史空间格局时，采用了山系—城墙—水系—路网—城门—其他空间要素的复原顺序；在空间要素表达上先准确后模糊，即先复原准确可定位的要素，再复原文字记载、图形示意等相对模糊要素。

4．3．2　方法体系

根据上述总体思路，本研究主要采用如下方法体系：

（1）历史空间与现状资源图件坐标相统一的方法。研究中采用现势1∶500比例尺的地形图作底图，将遴选出的各个不同时期满足精度要求的历史地图纠正至南京92地方坐标系下，并以此为基础，辅以其他相关文献，逐步复原各时期历史空间要素，从而实现历史空间与现实空间的统一。将历史空间统一落实到现状图件上将更有助于研究人员研究、分析与归纳南京历史空间发展规律。(www.xing528.com)

（2）断代分析与延续性分析相交错的方法。城市发展是一个动态过程，不同的阶段有各自不同的发展特征。研究中将南京城市发展划分为9个典型的历史时期，参考各时期的历史文献以及地图资料初步复原南京不同历史时期的城市形态、空间布局，分析其出现的历史背景、原因和构成的法则。而城市发展又是一个连续的过程，为了弥补断代性空间复原工作中无法反映历史空间演变动态过程的缺陷，研究以时间为轴线，在各时期空间格局恢复及校正的过程中，对不同时期的历史空间格局之间进行全方位和多种类的比较分析，从而描述历史空间形态、空间布局及重要空间要素的空间演变过程，并分析其先后的关联性和规律性。

（3）精确定位与模糊定向相结合的方法。各类历史文献资料和古代历史地图，特别是意向图，具有模糊性，有些历史文献资料没有具体地点的记载，无法得到准确落实，也有些历史文献对各个空间要素的记载只有相对位置和方向。各种文献在记载上的差异以及历史文献词句本身的模糊性，给合理利用文献提取空间位置信息带来困难。研究中首先把已确认准确的空间要素进行定位，再根据各类文献的记载，使用了多种空间定位手段，将模糊定向的空间要素落在相对准确的地理空间中，逐渐校合、逼真历史上存在的模糊空间。

（4）传统研究与新技术应用相辅助的方法。在传统历史地理学、考古学和人文地理学等学科的基础上，通过引入GIS、计算机、数据库、数字图像图形处理、三维动画等新技术手段，建立新型的历史空间格局数字复原的研究平台，并在此新技术平台上建立不同历史时期的南京市历史空间资源基础资料库，分析南京市不同时期历史空间格局的演变规律。

（5）历史空间复原与现状普查相校验的方法。现存的遗迹点是确定历史空间要素的重要依据。研究中在依据历史资料与地图将历史空间复原的同时，收集现存的各级文物保护单位资料和考古调查、发掘资料，通过现场调查，复核纠正图中尚存的历史空间要素，并以现存历史要素为地标，恢复与纠正已经消失的其他历史空间。

4．3．3　具体方法

城市历史空间复原研究是一个复杂、繁琐的过程，各时期、各类空间要素的复原通常需要综合运用多种复原与纠偏方法，从而达到逐步细化、求精的效果。本研究中，具体的复原方法包括资料应用分析法、历史地图纠正法、空间要素地标法、空间要素倒推法等；具体的纠偏方法包括延续性检查法、空间要素纵向叠加法、空间要素横向叠加法、实地调查法等。

5　数字化复原成果及应用研究

5．1　数字化复原成果

（1）历史空间格局复原图。通过螺旋上升、纵横交错的复原和纠偏，以明朝、清朝和民国时期为例，复原后的历史空间格局如图4所示。

图4　明朝、清朝和民国时期的南京市城市历史空间格局复原图

（2）复原数据库及信息系统。南京市历史空间格局地理信息系统运用计算机技术、“3S”技术实现了历史空间格局的复原与纠偏，构建了一套完整的历史空间格局数字复原工具，并构建了具有统一空间尺度、统一空间基准和统一空间分类的南京市历史空间格局演变数据库，为研究南京历史文化演变与传承提供了数据基础与研究平台。

5．2　复原成果应用研究

基于历史空间格局“一套图”理念的南京市历史空间格局演变数据库，目前已为南京市历史文化名城保护规划等规划编制和规划研究工作提供了较好的数据基础。同时，通过GIS技术对历史空间格局“一套图”进行深度挖掘，总结、提炼出南京市历史城市空间格局发展演变的规律。

（1）城市空间叠加分析。南京城的历史演变经历了由内秦淮河两岸而起、由南向北发展的过程，因此老城南是南京历史积淀最深厚的地区，需要给予特别的重视（图5）。

图5　南京市城市历史空间叠加分析图

图6　南京市道路格局演变分析图

（2）道路年轮分析。多朝历史确立了南京老城南、东、北3种路网格局和城市肌理。比如，老城南还保持了不少明清甚至六朝时期的南偏西的路网肌理，城东则主要是明朝皇城和宫城的路网历史遗存，鼓楼以北的部分则主要是民国以后的路网遗存。这些文化特点和内涵在后续的历史文化名城保护和利用中均应加以强化（图6）。

（3）明城墙和城门演变分析。明城墙和城门是南京宝贵的历史文化遗产和名片。清朝在较好地保留了明朝的13座城门的基础上，增加了草场门、钟阜门和丰润门，城门数量达到16座；民国时期又继续开设了汉中门、海陵门、中央门、武定门、雨花门和新民门等城门，城门数量达到22座，并且将中山门的单拱改为三拱。目前中华门、汉西门、清凉门、中山门和神策门都是明代遗存，在历史文化名城保护规划和名城墙保护规划中均给予了明城墙和城门强有力的保护。

（4）城市用地扩张分析。以明朝、清朝和民国时期为例，明朝南京城市的功能分区主要分布在旧城区南部沿秦淮河两岸地带；清朝在明朝城市格局的基础上继续发展，城北有一定的城市建设活动，但没有大的格局改变；国民政府定都南京后，大力发展城北，形成了新的城市轴线（图7）。

图7　明朝、清朝和民国时期的南京城市用地墨迹图

6　结论与展望

历时五年有余的历史空间格局复原、逼真和成果应用证明，基于GIS技术的历史空间格局数字化复原技术是科学、合理和可行的，大大提高了南京市历史空间格局复原的工作效率、工作质量和成果利用水平。基于GIS技术的南京市历史空间格局“一套图”与南京市现存的历史文化资源“一张图”进行整合之后，已为规划管理、城市建设和科学研究等提供了实用、便捷的基础依据，为未来更好地保护和利用历史文化资源以及研究南京城市特色与文化内涵提供了有力的数据保障。

历史空间格局的复原与保护是一项长期工作，为了更好地服务于南京市历史文化名城的保护与发展，今后将继续推行和完善以下几项工作：

（1）继续修正、完善复原研究成果。吸纳社会各界对历史空间格局复原与保护的新思路、新方法，将有利于修正、完善、监督与更新南京市历史空间格局演变研究成果。

（2）继续开展历史空间格局演变数据库的数据挖掘工作。利用GIS技术对历史空间格局演变数据库进行深度挖掘，总结提炼城市空间格局发展演变的规律，讨论城市空间与文化的互动关系，探索“文化基因”在南京城市空间建构中的影响。

（3）为其他历史文化名城的历史空间格局复原工作提供借鉴，在应用过程中再度深化提升，互相促进。

参考文献

［1］金致凡．基于GIS／RS技术的福州城区水域时空动态变化研究［J］．福建地理，2003（3）：43－46，11．

［2］陈刚．超媒体地理信息技术在六朝建康历史地理研究中的应用刍议［J］．南京晓庄学院学报，2004（3）：41－46．

［3］王一帆，孔云峰，马海涛．运用GIS进行古代城市结构复原的尝试：以北宋东京城为例［J］．地球信息科学，2007（5）：43－49．

［4］夏鹏，龙元．“图叠”历史空间——获取旧城历史空间演变信息方法探讨［J］．建筑学报，2010（2）：26－30．

［5］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（1）：26－39．

［6］牟振宇．近代上海城市边缘区土地利用方式转变过程研究——基于GIS的近代上海法租界个案研究（1898—1914）［J］．复旦学报：社会科学版，2010（4）：106－113．

GIS Based Digital Reinvention of Historical City Space Layout——Nanjing Example

Zhou Lan Ye Bin Wang Furong Sun Yuting Mao Yanling Zhao Wei

Abstract：The paper studies Nanjing’s historical city space layout with GIS technology．A“recent to remote，integral to segment，precise to vague”reinvention concept is adopted to establish“the coordinate of history and status quo，dynastical and continuity，precise and vague orientation，tradition and new technology，reinvention to survey test”methodology．Research shows the approach is scientific，reasonable，and feasible．It provides technical support for future historical preservation of Nanjing city．

Key words：Historical spatial layout；Digital reinvention；GIS；Nanjing

（本文原载于《规划师》2011年第4期）