地学新技术应用于历史地理学的可行性及实施策略研究分析.doc

地学新技术应用于历史地理学的可行性及实施策略分析 作者： 日期：摘要:针对当前历史地理学研究工作发展的实际需要,对引入地学方面最新技术的可行性和优越性进行了探讨,并对在编绘历史地图中引入数字地图技术、地学图解、虚拟现实等具体方面的应用进行了分析。结论表明,随着全球数字化进程的加快,地学新技术应用于历史地理学越来越显其可行性和优越性。关 键 词:历史地理学;地理信息系统;虚拟现实;地图新技术 作为环境变迁研究的重要学科之一历史地理学,是一门研究人类历史时期地理环境在人类活动影响下发生变化及其规律的新兴学科。作为现代地理学的一个重要分支,其在我国各地区历史时期自然环境变迁研究方面具有不容置疑的科学价值,在复原历史时期这些地区之自然环境,揭明其变化历程方面有独到的作用和贡献,特别是在当今国家大力推进西部大开发战略的形势下,历史地理学对西部的地位更显重要。然而,随着当今世界科技的飞速发展,历史地理学也正面临一些急需要解决的问题,其中最主要的一点就是在研究历史时期自然环境变迁方面,如何采用新的研究方法与研究手段来提高研究成果的精确性,促进学科的进一步发展1,2。1 地学新技术具体应用的初步设想1.1 地图新技术的应用地图是我们进行地学研究的重要工具,许多难以用言语描述的事物、现象用地图则一目了然。目前地图事业在地理学的许多方面展现了巨大作用,已经取得了重大成果3,但在历史地理学界,这方面的工作还有待进一步加强。1.1.1 引入数字地图技术 因为历代疆界、政区、城邑、水系等各项地理要素的变迁极为复杂,而文献记载不够明确,或互有出入,要一一考订清楚,在图上正确定位、定点、定线,以及修改,工作量繁巨,需要大批学者、专家的通力合作,还需要大量的经费。现在最完善的历史地图集是已故的谭其骧先生主持编绘,于1982年首次出版的,其经历了长达30年的制作过程,先后参与编绘制图工作的单位有十几个,人员逾百。有不少人都停止了自己原来的研究计划,夜以继日地投入到这项工作达10余年之久4。现在,由于有了数字制图技术,可以大量节约人力、物力、财力,由于有电子计算机的高速发展作为基本物质条件,有计算机图形学提供一定理论基础和物质基础,还有遥感技术与获取地理数据的各种电子设备的出现,促使机助制图(CAM)向更加纵深的方向发展。目前,随着新一代计算机产品的出现,机助制图、数字地图制图进入了飞跃发展阶段。这其中除了专门的、功能完善的绘图系统之外,还有地图制图专家系统,制图概括也初步实现了智能化,并最终形成了完备的电子出版系统。另外,还有一个重要分支就是地理信息系统,制图系统成为地理信息系统的一个子系统,配合地理信息系统强大的空间分析功能,使制图系统具有自动分析功能,各种专题图的制作也更为方便、精确5。随着计算机网络技术的完善,已有许多网站可以进行网络地图的查询,使地图更便于被用户查询检索和下载。对于这些计算机技术及详尽而精确的当代电子地图,历史地理学界可以加以利用,把有关编绘历史地图的资料借助计算机地理信息输入系统、输入计算机,应用软件建立数字历史地理地图,还可进行本地和网络的分析、检索、查询和管理。复旦大学历史地理研究所已经开始这方面的研究,并已建立了历史地理信息系统1.0版,这项工作就是建立在当今的地形图基础上,利用地理信息系统软件制成的。然而,表达地理信息在地球表面位置的科学方法是近代科学的产物,在中国历史上的大部分时间中还没有这个系统和完善的概念。实际上,历史文献记载中的地理信息是通过另一个系统来表达空间位置的,即众所周知的地名点和区域(行政的或自然的)。比如,某地发生水灾,某地有多少人口,某地有什么样的社会文化习俗,或某现象在某山某河之阳等。这个大部分以人文要素相对位置标记的地点和地区,实际上起着与经纬度相似的作用,可用以标记地理要素所属的空间位置。可以看出,传统上的基础信息的局限性和缺陷是显而易见的,如要素位置的相对性、名称随时间变化等。但是,历史地理研究依赖的历史文献信息就是这样表述的。这极大地阻碍了数字历史地图的发展。在谭其骧先生主持编绘的中国历史地图集里,一定程度上为此问题的解决提供了思路,主要就是把历史上传统的空间信息描述方法和内容,转移到以现代地理坐标为基础的现代地图上,大大方便了阅读和研究历史地理信息的工作,提高了历史地理信息空间位置的准确性。目前,很多原先用一般印刷手段保存的信息都将转移为数字信息,有关的历史空间信息也将如此。利用这种方法我们可以方便、快捷地制作数字历史地图。数字化的历史空间信息有一个重要的前提,即信息的空间可比性。两幅印刷的地图也许看上去是一样的,但数字化后在空间位置和投影上能否很好地叠加可能就有很大的问题。同样,历史地理信息也是如此,如果不同的人用不同的标准编制了各自的专题历史地理信息,对希望用这些不同来源的信息进行比较时,很可能发现空间数据不能很好地叠加,甚至无从比较。显然,在历史地理信息方面需要有一些技术标准,或称为数据平台,以便今后各种历史地理的专题信息可以准确地叠加和相互比较,为历史地理信息化的发展打下一个好的基础。这也是历史地图研究的一个重要发展方向。1.1.2 引入现代地图图解技术 以图为思维工具,求解地理学规律,获取新知识。传统的手工图解,常通过运用线画、箭头等抽象图形符号,画出某事物的各个部分及其相互关系,或者事物的工作机理,以表达对事物现象与规律的理解。在地学研究领域,地理学家很早就应用图解分析来解释地学问题。现代地图图解中不同阶段(或层次)的空间抽象图解图,被命名为知识图。知识图常见的有3种类型:概念命题图、“图形图像”图和过程图。同现代地理学一样,历史地理学也研究气候、地貌等自然要素,历史时期的环境变迁是历史地理学研究的一个重要课题。目前,历史地理学中的大量现象都需要做分析性工作,但由于条件限制,许多工作只限于在文字中完成,这在一定程度上削弱了工作的价值。在历史地理学研究工作中引入现代图解模型,可利用概念命题图来表达关于某一地学现象之本质与过程中的地学对象及其相互关系的状况;可利用“图形图像”图来表达关于某一地学现象的空间关系状况;可利用过程图来表达某一地学现象随时间动态演化的状况。在利用历史资料和历史地图来研究河流、湖泊及森林、草原等植被变迁时,如果能引入知识图制作出概念命题图、“图形图像图”和过程图,特别是过程图,会使变迁过程一目了然,对我们的研究会有很大帮助。当然,模型尚不具有实际可操作性,在具体应用时还应借助计算机建立地学图解系统。该系统应具有如下特征:地学专家处于系统的核心地位;能处理显示和分析空间三维、时空四维及高维地学数据;具有处理图解系统和显示地学多维数据的能力;具有一般的和专业的数据挖掘方法模型,如统计或空间统计分析模型;具有表达知识图的知识库以及知识工作界面6。依据上面关于地学图解模型,我们建立地学图解工作流程图(图1),在流程图中,历史地理学家与地学对象数据进行交互,地学对象数据先经数据挖掘方法处理后,历史地理学家可直接在数据可视化界面窗口中显示和分析地学对象数据。我们知道历史上的很多资料不全,有些只是片断的,不能构成过程图所需的连续信息,还有很多信息不够准确,所以只有通过多方努力,具备了这些条件,我们才能借助地学图解来更好地进行知识发掘工作,以帮助历史地理学研究工作不断前进。1.2 虚拟现实技术的应用目前,数字地球的发展越来越快,历史地理学也应搭上这辆快车。虚拟现实技术(VR ,Virtual reali-ty)是发展的重要工具。它是传统地理信息系统(GIS)可视化、可视化分析、仿真模拟技术体系的创新,它可实现对地理信息数据的淋漓尽致地表达,可以使用户沉浸到整个地球环境之中,从多角度、多层次、实时地去感受和理解我们对地球环境的分析和模拟。目前,VR技术已经与GIS及其网络信息系统(WebGis,ComGis)结合产生了VR-GIS技术,运用虚拟现实建模语言(VRML)技术,就可以在PC机上进行,使费用大幅降低。虚拟现实技术,特别是其中的VRML建模语言在地理学中应用广泛,而且与JAVA语言结合可建立分布式虚拟环境,这促使了虚拟现实技术在互联网上取得发展。对地球系统的各种现象或过程都可以进行虚拟实验,包括:对地球系统的结构进行虚拟;综合开发与治理虚拟实验;污染与整治虚拟实验。根据调查,下一个研究是VR-GIS可能性的实验:例如,都市规划、环境规划和效果评估、科学可视化、考古模拟、军事模拟和情报应用等,而虚拟地理信息系统特别适用于教育与培训工作7。结合历史地理学研究的具体内容,可引入下面两项应用:1.2.1 历史景观的虚拟 历史地理学的研究也需要虚拟技术。由于大量的历史地理现象是不可重复、不可类比的,而古代留下的历史文献资料又是有限的,用文献的表达方式来表现又不够直观和充分,并且也不一定符合现代地理学和数据库的语法8。然而,利用虚拟现实技术,即可重建目前不存在的三维古代自然景观、城市景观、生态景观等,一方面有利于历史地理研究的深化,另一方面又使历史地理研究更容易被世人了解。这方面考古学已经领先一步,利用虚拟现实技术重建目前不存在的三维古代陆地景观。环境问题一直是历史地理研究的重要内容之一,而黄土高原又被国内历史地理学界视为重点研究领域,也是当前西部大开发中需要重点研究的区域。历史地理研究长期习惯于只是使用文字来进行描述,可以设想采用虚拟现实技术来进行古代黄土高原局部和全部的复原,并将其放在互联网上,以供大家查询检索,那将极大促使人们了解和关心黄土高原。另外,我国历史上有很多都城,气势非常宏伟,现在大多已荡然无存,我们亦可利用这项技术进行历史复原,可以加深历史地理学对古都的选址与布局的研究,推动对古代城市体系和城市内部空间结构的研究。1.2.2 对历史自然过程进行虚拟 我国历史地理学开创者之一的侯仁之教授曾说过,历史地理学不仅要复原过去时代的地理环境,而且还须寻找其发展演变规律,阐明当前地理环境的形成和特点9。在这一理论指导下,历史地理学家们做了大量研究工作,在揭示历史时期我国气候、河流、湖泊、植被、土壤、地貌、沙漠、海岸线、动物分布区域等自然因素之变化等方面均取得一定进展,如黄河的改道及土地的荒漠化等。然而,过去研究时大多采用语言描述,存在对变迁过程的描述和一般性叙述多,变迁规律深入分析少的缺点,而现在使用虚拟现实技术可以对以上现象进行模拟实验,使我们在这方面的研究实现地学可视化,为历史地理学研究提供一个不受限制的多样化操作空间。利用穷尽法,在与不同选择、不同侧重、不同变化的图形图像的高效信息交互中,探求新的形态特征或新的多变量之间的关系。目前,在历史地理学方面的研究尚无人尝试,但在自然地理方面已经做出了不错的成绩。历史地理学工作者应多借鉴这方面的经验,尽快掌握新技术,突破传统研究带来的局限性,紧跟时代的步伐。1.3 遥感技术的应用遥感技术也是较新的一门技术。遥感应用研究涉及的领域广、类型多,在自然地理学中已有许多应用,如水土保持、地表资源环境监测与评价、农作物估产、灾害监测、全球变化、遥感制图,特别是在解决各种环境变化,如城市化、沙漠化、土地退化、盐渍化、环境污染等方面有其独特的作用。这些都可以为历史地理学研究环境变迁时所用。在此方面的应用,已经完成了诸如黄土高原水土流失与土壤侵蚀遥感、内蒙古自治区草场资源遥感、洞庭湖和鄱阳湖综合遥感研究等项目,其规模、综合程度及专业应用深度均具有国际先进水平,为国家有关部门和地方政府的决策提供了科学依据10。历史地理学经常要利用现今的自然状况与过去的状况进行对比,从中发现变迁规律,这时由于遥感的时效性,可以在短时间内对同一地区进行多次探测,从而为发现地球上许多事物的动态变化提供最新、最准确的信息。遥感技术作为第四纪地质研究的方法之一,比较普及,而应用于考古和古地理环境的调查研究则起步较晚,近年开始引人瞩目,先后开展了以下几个方面的应用尝试,分别是可见光遥感、红外遥感、微波遥感、痕迹分析、时相对比、虚拟再现。虽然历史地理学只是研究全新世以来的地理环境,但也可引入其中部分应用。1.3.1 可见光遥感 利用航空摄影或卫星图像,识别土地覆盖与土地利用变化,分析湖泊、海岸线等自然环境变迁。例如江汉平原上的湖泊只有297个,比旧地图减少一半。1.3.2 红外遥感 从土壤水分、土地温度与植被的微小差别与对比发现很多被埋没、被夷平的古城遗址。在北京市范围内,航空遥感查明:境内长城总长达629 km,比旧地图增加了一倍,其中保存完好的67 km,组成北西及东西两组走势,共有城台827座,主要关口71座,遗址地基多样。1.3.3 微波遥感 在SIR-C雷达图像上,宁夏盐池发现掩埋于沙丘之下的隋、明古长城。1.3.4 痕迹分析 遥感虽然只是瞬时的空间分布记录,但可以根据痕迹分析某些动态现象的空间变化幅度。例如退耕还林、还草、撂荒的梯田,退田还湖后废弃的堤垸,都会留下工程的痕迹。北京的蓟州古城拆除了内城城墙、城壕,修建了二环路,但仍然留下了它们的轮廓。1.3.5 时相对比 航空摄影已历时百年,覆盖陆地面积约70%;卫星遥感图像也积累了半个世纪,它们对于近百年或50年来地理环境变迁都能提供极其宝贵的档案。利用1933年的航空像片,核查北京天坛当年的森林覆盖郁郁葱葱,很有说服力。故宫博物馆把1945年前后美国空军拍摄我国的航空像片买回来,如果加以充分利用,必有新的知识发现。2 引入地学新技术的可行性及优越性分析 引入上述地学新技术后,可以形成如图2所述的完整体系,而且每项新技术在其自身领域已经相当成熟,将其应用于历史地理学,只是将它们有机的组合在一起,不具有太大的障碍。从长远的角度来看,引入地学新技术对历史地理学研究的优越性主要有:使历史地理学从定性向定量化转化;与数字地球进程同步;加快历史地理学研究步伐。3 总 结历史地理学是一门新兴的学科,在21世纪,特别是在国家大力推进西部大开发的形势下,历史地理学更要不断地突破旧的研究方法的局限,加大创新力度,紧跟时代步伐。由于计算机技术在地学领域的飞速发展,地学新技术层出不穷,并逐步成熟,使得在历史地理学