古舊地圖是人類歷史上的寶貴財富，它以可視化的圖形再現(xiàn)了人類歷史的空間過程。古舊地圖主要以紙質(zhì)形式呈現(xiàn)，進(jìn)入數(shù)字時代，將古舊地圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字地圖是一項(xiàng)極為艱巨的任務(wù)。

01

地圖的數(shù)字化轉(zhuǎn)型

學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，地圖的出現(xiàn)要早于文字的產(chǎn)生。原始人類在標(biāo)記出行、打獵方向與方位時，需要圖形符號進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。因此，原始的地圖都是形象化的山脈、河流、樹木、道路，用圖畫實(shí)物來記錄地理信息。伴隨著人類的進(jìn)步，活動空間不斷擴(kuò)大，對地理方位的認(rèn)知也越來越深化。將人類的活動空間以抽象化的地圖呈現(xiàn)，可以更好地管理空間、認(rèn)知空間。因此，各個時代都有獨(dú)具特色的地圖，而各類地圖呈現(xiàn)出不同類型的地理空間利用。中國古代產(chǎn)生了大量的包括國家輿圖、地方輿圖、山川河流圖、城市輿圖、水利圖、軍防圖、天文圖、占星圖等類型的地圖，成為華夏文明的寶貴遺產(chǎn)。

近代以來，伴隨西方測繪技術(shù)的傳入、地圖投影系統(tǒng)的使用，地圖測繪與空間表達(dá)方式走向全球統(tǒng)一的所謂“科學(xué)化”范式，各種比例尺地圖大量出現(xiàn)，統(tǒng)一經(jīng)緯度的世界地圖開始呈現(xiàn)。這一方面促進(jìn)了人們對全球地理環(huán)境的整體認(rèn)知，另一方面對于地理環(huán)境的空間表達(dá)也更加精確。與中國傳統(tǒng)地圖相比，近代以來測繪地圖雖然有了很大改觀，但地圖載體形式?jīng)]有本質(zhì)變化，地圖內(nèi)容主要繪制在紙質(zhì)載體上。

今天，伴隨計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字地圖的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了地圖發(fā)展史上的一次質(zhì)的飛躍。數(shù)字地圖往往存儲在計算機(jī)硬盤、軟盤等介質(zhì)上，地圖內(nèi)容通過數(shù)字呈現(xiàn)，需要通過專用計算機(jī)軟件對這些數(shù)字進(jìn)行顯示、讀取、檢索、分析，徹底改變了地圖的載體形式。數(shù)字地圖的信息量遠(yuǎn)大于普通地圖，可以進(jìn)行任意形式的要素組合、拼接、修改，以及任意比例尺、范圍的地圖輸出，極大縮短了成圖時間。同時，數(shù)字地圖可以很方便地與衛(wèi)星影像、航空照片等信息源結(jié)合，生成新圖種；還可以利用數(shù)字地圖的等高線和高程點(diǎn)生成數(shù)字高程模型，將地表起伏以數(shù)字形式呈現(xiàn)，直觀立體地呈現(xiàn)地貌形態(tài)。這是普通地圖無法達(dá)到的效果。因此，數(shù)字地圖產(chǎn)生以后，其表達(dá)形式就逐漸取代了紙質(zhì)地圖。

02

古舊地圖的數(shù)字化探索

中國古舊地圖數(shù)字化歷程已近二十年，相關(guān)研究圍繞古舊地圖的形成、技術(shù)含量與認(rèn)知體系等展開。

2005年，中國臺灣學(xué)者賴進(jìn)貴等人利用光緒四年（1878）《全臺前后山輿圖》進(jìn)行數(shù)字化嘗試，將這幅無經(jīng)緯度網(wǎng)格的地圖與現(xiàn)代臺灣地圖實(shí)現(xiàn)套疊。通過對其測繪控制點(diǎn)的考察，發(fā)現(xiàn)該地圖雖形成于光緒年間，但經(jīng)緯度測繪點(diǎn)主要還是沿用康熙、乾隆年間的數(shù)據(jù)。西部地區(qū)地圖繪制基本準(zhǔn)確，東部地區(qū)開發(fā)進(jìn)程較晚，沒有經(jīng)過實(shí)測，因此地圖的變形較大?！度_前后山輿圖》雖是晚清政府為實(shí)現(xiàn)對臺灣的統(tǒng)治所繪，但受地圖數(shù)據(jù)限制，直到1878年清政府對于臺灣的認(rèn)知與康乾時期相比沒有顯著進(jìn)步。

中國古代地圖多為山水畫式形象畫法，其準(zhǔn)確度如何？尤其是一些帶有軍事性質(zhì)的防衛(wèi)地圖、沿海地區(qū)航海地圖，一旦地圖出現(xiàn)偏差，可能導(dǎo)致軍事行動失敗或海上航行受阻，造成極大損失，這就涉及對中國古代地圖繪制“科學(xué)性”的定位。明代測繪了大量九邊防御地圖，這些地圖多是在政府主導(dǎo)下完成的，用于九邊軍鎮(zhèn)防守或向朝廷匯報軍事守備之需。相較于一般性地圖，這些地圖對精度的要求更高。目前來看，這些地圖都是以傳統(tǒng)山水畫的形式呈現(xiàn)，如何運(yùn)用于軍事作戰(zhàn)或守備？學(xué)者利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，對這類地圖進(jìn)行數(shù)字化考證，其中比較關(guān)鍵的技術(shù)是利用地圖中地物位置關(guān)系的定位，考察防御性地物間位置關(guān)系的準(zhǔn)確程度?？脊乓烟矫髅鏖L城的走向，其中多數(shù)營堡地面遺存比較清晰，這樣就可以將地圖上的信息與今天的遺址點(diǎn)準(zhǔn)確定位。將古地圖導(dǎo)入GIS 平臺，選取地圖上地物幾何中心點(diǎn)，得到有計算意義的地物近似的“坐標(biāo)”數(shù)值，再通過Python 編程計算兩兩地物之間的方位角。對地圖上地物的相對位置關(guān)系進(jìn)行批量量化計算，并與實(shí)際位置比對，結(jié)果顯示，明代具有代表性的九邊地圖取值結(jié)果，與今天地表同位置地物的相對位置關(guān)系相符程度很高，反映出地圖繪制者準(zhǔn)確把握了地物實(shí)際位置關(guān)系，并將其反映在軍事地圖上，即使這種地圖是以山水畫形式呈現(xiàn)，但并不影響實(shí)際使用。這證明確定地物位置關(guān)系是中國傳統(tǒng)地圖繪制的一個有效手段，這類軍事性地圖雖無數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但在繪制過程中具備一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)用價值也較高。

耶魯大學(xué)藏有一套《中國古航海圖》，圖幅達(dá)122張，地理空間北起遼東半島及渤海海域，南至越南金甌角外，西抵泰國灣與馬來半島，東達(dá)朝鮮海峽對馬島，地理范圍廣闊、地域涵括中外。圖面用墨色繪制了可能途經(jīng)的島嶼、山峰輪廓，同時還標(biāo)注了航道水深、泥沙礁石分布、航向針路等信息，是中國古代航海圖中典型的“山形水勢圖”。在現(xiàn)代航海圖發(fā)明以前，中國在很長時期的航海實(shí)踐中都使用此類地圖進(jìn)行指南，“諸如此類的航海圖是中國水手賴以航行數(shù)千英里的唯一指南”。

如何使用這類“山形水勢圖”導(dǎo)航？以往只能根據(jù)地圖上的文字判斷，今天通過數(shù)字化手段，借助地圖軟件生成三維地形模型，并與地圖上標(biāo)注的地點(diǎn)進(jìn)行空間定位，既可以從地圖層面考察山形與實(shí)際島礁的匹配度，也可以形成古人航海中的空間認(rèn)知與航向判定依據(jù)。經(jīng)過一系列數(shù)字化分析發(fā)現(xiàn)，地圖上的“山形”分布并不代表真實(shí)的相對位置；其繪制既有多角度、跨尺度的特點(diǎn)，又有分組繪制、組間交錯、成組原則不一的特征。事實(shí)上，古人既繪制“山形”只是為航行者進(jìn)行遠(yuǎn)距離方向判斷，而非在未知水域提供導(dǎo)引。有關(guān)“山形”準(zhǔn)確性的問題，利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)生成的三維地形，與圖冊的“山形”及地形側(cè)視圖對比可以發(fā)現(xiàn)，古人既利用整體山形的基本走勢，也關(guān)注到山形中山峰的數(shù)量與排布間距、相對高差等特征。當(dāng)然，也有少數(shù)“山形” 與實(shí)際情況完全不一致，可能存在定位錯誤，這類偏差會影響到古代水手的導(dǎo)航準(zhǔn)確性。

中國古代地圖類型多樣，呈現(xiàn)了地理空間的多樣性。近代以來，受西方地圖測繪技術(shù)的影響，地圖已發(fā)生巨大變革，對中國傳統(tǒng)地圖的空間表達(dá)與認(rèn)知均已模糊，而利用數(shù)字化手段再現(xiàn)地圖場景，能夠讓我們更加清晰地理解傳統(tǒng)輿圖、認(rèn)識傳統(tǒng)文化，為構(gòu)建中國自主知識體系貢獻(xiàn)力量。

03

人工智能與古舊地圖數(shù)字化的未來

中國傳世地圖數(shù)量很大。中國國家圖書館1997年出版的《輿圖要錄》收錄中外文館藏古舊地圖6827種，無具體圖幅數(shù)統(tǒng)計。大量的地圖資源要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，無疑是非常困難的。人工智能的出現(xiàn)，為這一工作提供了有效的路徑，利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速、批量的地圖配準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)提取，在近代地圖數(shù)字化方面取得了成功。

地圖配準(zhǔn)是數(shù)據(jù)提取的第一步，將紙質(zhì)地圖掃描成矢量文檔，按地圖中的經(jīng)緯度網(wǎng)格或利用帶有準(zhǔn)確經(jīng)緯度點(diǎn)的方位，疊加到今天的電子地圖上，實(shí)現(xiàn)古今對照，逐一手動配準(zhǔn)，是地圖數(shù)字化的前提。而對于民國以來大比例尺地形圖來說，這樣的配準(zhǔn)方式仍較緩慢。近年來，學(xué)者利用人工智能技術(shù)，將北洋政府及南京國民政府時期在全國范圍內(nèi)組織測繪的大比例尺地形圖，利用OpenCV庫與ArcPy方法庫，發(fā)展出一套針對民國地形圖的自動配準(zhǔn)方法，對數(shù)千幅民國地形圖掃描歸檔，該方法相較逐一手動配準(zhǔn)，極大降低了工作量，且精度更為可靠。

提取數(shù)據(jù)的工作量更大，地圖中的地形地貌、河流水系、城鎮(zhèn)聚落、交通道路，每項(xiàng)數(shù)據(jù)的提取都要花費(fèi)大量時間，一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像形態(tài)學(xué)的方法嘗試運(yùn)用于彩色大比例尺地圖中，提取1∶50000近代上海地圖中的河湖水系。結(jié)果表明，該方法能夠充分挖掘地圖中的顏色信息和形態(tài)結(jié)構(gòu)信息，以半自動方式快速準(zhǔn)確地將彩色近代地圖中的地表水體信息提取出來。這一方法對該類彩色近代地圖的數(shù)字化非常有效。

總之，古舊地圖數(shù)字化是數(shù)字時代地圖發(fā)展的要求，也是展現(xiàn)過去時空環(huán)境變遷的手段之一。近年來，該類工作在地理學(xué)、歷史地理學(xué)以及地圖史界不斷推進(jìn)，尤其在人工智能發(fā)展進(jìn)程中，利用相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)古舊地圖數(shù)字化的數(shù)量與精度方面的發(fā)展，成效顯著。我們相信未來該研究方向還會有更大的拓展空間，為歷史時期地表過程的重建提供更有力的支持。

作者系首都師范大學(xué)歷史學(xué)院教授