GIS进入历史地理学研究10年回顾

　　【内容提要】地理信息系统进入中国历史地理学研究已经有10年历史，本文回顾了这10年间以CHGIS为主要代表的历史地理信息化建设的主要成果，显示出这一手段已经成为历史地理某些方向的常规方法，特别在历史河流地貌研究中发挥了很大作用，使历史时期河流的相对精细形态得以呈现。以黄河“京东故道”重建为代表的空间矢量数据获得方法为学界相关研究树立了典范，在矢量数据重建的基础上，“度一簇”结构和“分形”在分析所获得的历史空间矢量数据方面具有很大前景。

　　【关键词】历史地理；地理信息；科学格网化

　　【中图分类号】K928　【文献标识码】A　【文章编号】1001—5205（2012）01—0011-07

　　【作者简介】潘威（1981—），男，上海宝山人，陕西师范大学西北历史环境与经济社会发展研究院助理研究员，历史学博士，主要研究方向为历史自然地理、历史地理信息化。

　　历史不可能游离于地理空间之外，而构成地理空间的诸多要素则并非仅靠文字描述就能还原其面貌，已经逝去的地理现象必须依靠一些技术手段去模拟，再在其基础上进行分析探讨，进而审视不同空间尺度下的历史进程。在目前众多可借鉴的技术方法中，地理信息系统是相对最为理想的选择。GIS目前已经是广泛应用于多个学科和研究领域内的一种方法或计算机系统，早已超出了地学领域本身，而是作为一种管理、分析多种具有空间属性的信息或数据的手段。历史地理学使用GIS的深度和广度尚很欠缺，这一现象已经为历史地理学界内所认识。但最近10年来，历史地理学已经开始了具有自己特色的信息化、数字化之路，相信对过去10年此方向的总结和对未来的展望能够促进本学科的信息化建设。需要特别指出的是，本文所评述的论文，都是将 GIS作为一种研究方法，而不是仅仅作为展示手段，因此，一些文章并未被收入。

一、GIS进入历史地理研究的过程

　　1．GIS：地理信息科学

　　Geographical Information System和Geo． graphical Information Science的简称都是GIS．而本文所强调的是后者，作为一门独立学科的地理信息科学，后者是在前者基础上发展而来，当然也包含了前者。20世纪40—50年代尚处于电子管时代的第一代计算机就被试图用来管理地理空间数据——特别是地籍数据。1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统（LIS）用于地籍管理。1963年，加拿大测量学家Tomlinson首先提出了地理信息（Geographical Information）这一术语，并于1971年基于集成电路计算机（第三代计算机）建立了世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划。稍后，美国哈佛大学研究出SYMAP系统软件，以计算机辅助绘制各类地图。由于当时计算机水平的限制，使得GIS趋向于一种计算机管理手段和辅助制图（CAD）手段，尚未应用于地学研究。

　　“地理信息科学”这一概念是Goodchild在其代表著作《Geographical Information Systems and Science》中正式提出。Michael Frank Good child是美国科学院唯一的一位地理信息科学院士，ESRI终身成就奖得主，美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）创始人。Goodchild具有优秀的数学和计算机能力，当与其同时代的学者尚沉迷于地理信息系统带来的精美专题地图或困惑于复杂的海量空间数据计算时，Goodchild已经将自己的思维跳出了将GIS定义为计算机系统的条框，而将地理信息的不确定性、地理现象的空间分析方法、空间模型构建等一系列问题提升到科学的层次去审视，为GIS的进一步发展指明了方向，自此之后，制图功能被强化的同时，更加专注于空间模型的建立和分析。与地理信息系统相比，它更加侧重于将地理信息视作为一门科学，而不仅仅是一门技术，主要在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题地理信息科学在对于地理信息技术研究的同时，还指出了支撑地理信息技术发展的基础理论研究的重要性。

　　2．拓荒：引入GIS

　　作为GIS一支的遥感技术（RS）被应用于历史时期的古河道、古城研究在1980年代就已经开始，但这些研究并不能算真正意义上的将 GIS引入历史地理学。首先，历史地理最为强调的历史文献在此类研究中并未被系统使用；其次，此类研究实际更关心的是地表现状，而古河道、古城究竟为哪朝哪代、为何湮废等历史地理学所关心的核心问题，则并非这类研究的对象，也并非其学科所长。历史自然地理是历史地理学的传统研究领域，其一方面继承了舆地学的河道沿革传统，另一方面也接受了地理学环境变迁研究的思想，在历史地理的各主要分支中与地理学的“亲缘”关系最为靠近，对地理学研究手段的变化相对其他方向要敏感，因此历史自然地理首先尝试了GIS与历史文献记录相结合。

　　在这一进程中，复旦大学中国历史地理研究中心的满志敏起到了拓荒者的作用，也是目前学界公认的此方面权威，其许多想法（包括某些尚未实现的）在今后很长的一段时间内仍将处于前沿地位。但在当时，历史地理学界内的GIS普及程度基本处于空白。直到20世纪末，历史地理学界对地理信息系统的认识还比较模糊，虽然当时的地理学界已经迅速将3S技术应用到多个分支中，但历史地理业内的图形工作普遍停留在为论文配置手工插图的阶段，很多论文甚至不需要借助图形就能进行恰当的表达。可以说，满志敏是在一个毫无前期理论探讨和必要实验的基础上开始了中国历史地理的信息化工作，其艰难程度可想而知。

　　2000年满志敏《光绪三年北方大旱的气候背景》[1]刊出，这篇论文应该被视为GIS进入历史地理研究的里程碑，所使用的GIS是具有“文献爬梳一数据提取一空间模型建立一分析”的一整套工作方法。作者在文章中将光绪三年（1877年）山西、直隶两省分县旱情进行指数化处理，所用指标是遭灾村落数量，使用Mapinfo的专题制图功能和空间数据插补功能展现了晋直两省在干旱程度上的空间差异，根据重建出的旱灾情况专题地图可以判断出若干个干旱中心的位置和持续时间，而灾情指数的空间差异成为推断当时的降雨带推移的主要依据。

　　在历史气候研究中，将历史文献中的冷暖干湿记录进行量化处理是一种必须使用的方法，而极端年份的探讨则已经进入了天气过程的研究，降雨带与旱灾范围的空间差异是必须首先明确的现象，否则难以解释干旱发生的天气系统背景。而如何将这种空间差异呈现出来呢?则必须依靠选取适当的代用指标，通过代用指标的差异模拟旱涝灾害的差异。光绪三年华北大旱的区域差异性在多份官员奏报所开列的收成分数、成灾分数等记录中已经有所反映，但这些记录在空间上分布很不均匀，缺乏均一性，因此只能作为定性判断的依据而不能支持定量的分析。另一份存在于奏报中的数据引起了作者的注意——受灾村庄数量，这一指标很好地表现了各县的受灾程度，更重要的是其均一性是所见资料中最好的，因此作者基于受灾村庄数量（结合Kringen插值法）构建了光绪三年（1877年）直隶、山西两省连续性的受灾空间格局。

图1　光绪三年直隶和山西旱情指数分布图
（引自满志敏《光绪三年北方大旱的气候背景》）

　　但之后的发展却有些出乎意料，从以上论述中已经可以发现，满志敏最初将GIS引人本学科时起点并不低，GIS已经作为基于历史文献记录来构建专题空间模型，进而模拟出一种历史时期的地理现象，绝不仅是单纯的CAD工具，但给人印象最为深刻的似乎只是用专题地图所表现的直隶山西旱情，似乎只有一种之前未在历史地理学界内使用的新技术本身引起了反响，而技术背后的一系列思考和技术之上的一系列判断并未引起应有的注意。之后历史地理学界内对GIS的使用仅仅是把制作示意图的工具由纸笔变成了计算机，实际上直到现在，学界内对GIS的认识普遍还专注于绘图，而对于GIS可能对历史地理研究理念和方法产生影响的思考并不能说非常深刻。

二、探索

　　1．作为一种研究手段的GIS

　　将GIS作为一种研究手段目前（及今后不短的时间内）仍处于探索阶段，一方面受制于学科人员知识结构，另一方面受制于历史文献记录本身难以量化，同时，历史地理学界的GIS不能将地理学界和地理信息学界内的方法简单照搬，而是要结合具体研究问题修正已有方法，这几方面情况导致探索进程不会太快。

　　2007年，满志敏《北宋京东故道流路问题的研究》提出了多源资料方法在历史地貌中的应用，为高精度的历史河流地貌研究提供了范式，也为历史地理研究对象的矢量化数据生产树立了典范[2]。2008年，满志敏发表了《小区域研究的信息化：数据架构及模型》[3]，将“格网（Grid）”理念引入了历史地理学，这为GIS进入历史地理学的核心问题——历史时期人地关系研究和区域研究提供了一套新的研究思想和研究手段．要形成对此篇论文意义的认识，还必须从历史地理学界内的“区域”概念及研究手段谈起。“区域”是地理学的核心思想，也是近代地理学的重要成就。德国地理学家赫特纳（Alfred Hettner）是近代地理学区域学派的奠基人，其主要思想在于将地理现象和事物的空间分布和变化作为地理学研究的主要问题；1940年代美国学者哈特向（Richard Hartshorne）是此方面集大成者，但其不承认地理学的科学属性，而认为地理学的主要作用在于“描述区域之间的差异性”，因此也称为地志学派[4]。从赫特纳到哈特向，综合性和差异性始终是“区域”的2个最基本特征，这一思想直到今日仍是历史地理学界内的主要理论思想源头。鲁西奇分别在1996年和1999年发表了《历史地理研究中的“区域”问题》[5]和《再论历史地理研究中的“区域”问题》[6]，强调了通过建立“历史地理剖面”来重建“历史地理过程”的重要性，这体现了历史地理学者对区域演化过程在揭示历史进程中重要性的认知，当然这一认知的实现可以依靠多种途径，并以多种方法呈现给学界，GIS支持下的区域面貌复原只是众多途径之一，但它在串联多个历史时间断面和容纳多种自然一人文要素中具有更大的优势。

　　但要将这一优势转化为具体的研究成果则首先要选择合适的空间模型，格网体系（Grid）是目前地理学界用来进行空间数据标准化处理的主要方式之一。满志敏认为，在小区域尺度上，数据的连续性与标准化非常重要，是空间结构存在的基础，而“格网”具有容纳多源数据并将其标准化处理的优势符合对于数据连续性与标准化的要求，这为揭示地表覆盖的空间形态带来了很大便利[7]。林珊珊、郑景云、何凡能在《中国传统农区历史耕地数据网格化方法》[8]中建立了1820年（清嘉庆二十五年）中国传统农耕区（大致相当于季风气候区）耕地数据的60km×60km网格体系，网格体系中选取了海拔高度、坡度、人口分布、耕地面积等因子，将历史政区土地数据转为标准化数据。2007年、2010年，潘威和满志敏重建了长江口南支冲淤状况（1861—1953年）[9]和青浦区河网密度变化（1915—1978年）[10]，这两篇文章可以说是对格网体系在历史自然地理研究中的2个试验，显示了GIS方法在处理近代海图和地形图中的优势，也初步显示了格网体系在构建区域变化过程中的作用。当然，这2项研究尚没有达到多种地理要素综合的层次，但在其基础上可以引入多种人文一经济地理要素，在格网体系搭建的平台上实现区域的综合，借以达到学界对区域综合的追求。

　　近几年来，GIS技术支持下进行高精度的河流和聚落研究取得了一些进展，近百年前上海地区的河网面貌、市区道路体系和自然村都有所复原，这为我们研究长江三角洲的地表覆盖过程提供了很好的基础性数据。由于这些数据在产生过程中使用了相同的空间基础数据，使得在其基础上进行“网格化”处理就非常便利，而容纳了聚落、水面、道路、地形、耕地等要素的“格网”会呈现出上海地区各地表要素之间的变化关系。同时，也为历史地理学成果为其他学科，特别是相关地学分支利用提供了极大便利。

图2　时空数据概念模型
（引自满志敏《小区域研究的信息化：数据架构及模型》）

　　2．历史地理信息系统建设

　　目前历史地理学界内相对最为成熟的GIS成果当首推中国历史地理信息系统，其以历史政区为主要管理对象，由复旦大学中国历史地理研究中心和美国哈佛大学（Harverd University）共同开发，该项目试图建立一套中国历史时期连续变化的基础地理信息库，为研究者提供GIS数据平台、时间统计以及查寻工具和模型。 CHGIS数据的精髓在于“Time Series时间序列数据”，以秦朝建立的公元前221年到清朝灭亡的宣统三年（1911年）为时间范围，力图反映不同历史时期政区的逐年变化情况。CHGIS最大的意义并不仅是已经发布的具有地理意义的政区数据，而是它为历史地理学的信息化奠定了重要的基础。历史文献中记录的地理现象和事物绝大多数都与政区联系在一起，因此政区的位置、形状、治所等信息成为重建多种地理要素和现象的载体，这一工作不仅为历史地理学界提供了一套地名查询系统和政区空间数据，更为多个研究方向的信息化建设提供了基础平台。而最大的贡献则是解决了“时间一空间”维度的整合问题，历史上的政区存在着多种变化形式，包括新建、撤销、等级提升、治所迁移、境界调整等等，每一种变化都会在时间和空间上同时反映，表现为一定时间范围内的存在着连续性的政区形状变化过程和变化结果，CHGIS使用了“生存期”概念，用对政区变化进行定义的前提下，只提取对象某种状态的开始时间和结束时间，这足以描述政区在时空2个维度所发生的所有变化[11]。

图3　网格方法在历史地理研究中的2个试验

　　（左图引自潘威：《1861—1953年长江口南支冲淤状况重建及相关问题研究》；右图引自潘威、满志敏：《大河三角洲历史河网密度格网化重建方法——以上海市青浦区1918—l978年为研究范围》）

　　中国人口地理信息系统（CPGIS）是目前在建的一套长时间段中国人口地理信息系统，由复旦大学中国历史地理研究中心的侯杨方教授和路伟东副研究员设计、建立。据负责人介绍，该系统是世界第一套中国历史时期的人口地理信息系统，目前来看，也是基于CHGIS平台最为成熟的专题型历史地理信息系统。其已经发布了1820、191l、1936和2000年中国人口空间分布电子地图，其中1820和l911年人口分布图正是基于CHGIS的1820和1911年政区（http：／／ yugong．fudan．edu．cn／Iehg—database／index．asp?mymod=2）。

三、展望

　　满志敏就小区域建立时空数据的几点认识可以认为是指导时空数据框架搭建的原则，特别是在对数据之间关系分析的基础上，在数据库结构中实现三维时空数据向二维关系表中的转化，在多种空间尺度下进行区域研究中具有普适性。而以下几种方法是笔者对GIS在图形分析中的一些认识，是在矢量空间数据建立的基础上进一步揭示空间结构面貌的方法，这些目前在地理学界使用较为广泛的方法可能有助于历史地理学界借助GIS更好得描述空间结构，并形成对空间结构形态的全面认识。

　　1．基于图论的“度一簇”结构研究

　　“度一簇”结构是现实地理世界广泛存在的一类结构现象，最为典型的代表便是空间网络，如河网、交通网和市场网络等都可以认为具有这一结构。根据拓扑学原理可以认识到，空间网络是由抽象的“点”（不考虑形状和大小）和“线”组成的集合。近10年来，国内外学者基于图论和拓扑学等已经总结了复杂空间网络的分析方法并总结出“Scale—free”、“Small World”、“Hub— and—Spoke”等众多模型[12]，在交通空间网络的研究中已经进行了一系列研究[13]。基于图论可知网络是系统内部节点间相互关系的集合， Barabasi，Albert定义“度”为网络中节点衔接的边数目[14]，“度”指标可以有效描述网络中节点的关系。度度相关性（Degree—degree Correlation）：是节点vi与其邻节点平均度之间的相关系数。王姣娥2009年在分析中国航空网络复杂性中所使用的测度方法：Vi的“度”记为ki，“度”值为k的所有节点的邻节点平均“度”用以下公式表达，其中N（k）是“度”为k的节点个数。

　　这一方法能够很好得阐释网状地理事物或现象的空间形态，此处以陕西地区邮政网络1908—1935年发育过程为例加以说明，图3是在 CHGIS提供的政区数据基础上恢复的1908年和1935年通邮节点和不同等级的邮路，这一邮政网络和当时陕西的城镇体系之间的关系值得深入探讨，而其必须建立在对本区邮政网络的空间形态进行准确描述的基础上，特别是其覆盖程度的变化，和邮政可达性的变化，是本区城镇体系重要的组成方面，“度一簇”可以准确得定义不同等级节点所具有的连通性和链接指向性，为陕西城镇的联系程度做一说明。

图4　近代陕西邮政网络形态

　　2．分形理论支持下的平原河流形态研究

　　准确描述河流形态是水文学研究的基础性工作。2002年Brierley和Fryirs提出“河流形态结构框架”（Geomorphci River Styles）之后这一工作的重要性被重新强调[15]。河道具有复杂多变的平面形态，而曲率、弦高、弦长等指数受到研究资料分辨率的制约（地形图、遥感数据皆不同程度上存在此问题），并不能完全准确描述河流平面形态，河流地貌研究中为解决此问题在1980s末引入了分形（Fractal）。分形由Benoit Mandelbrod于1975年提出，是指介于完全规则的欧式几何与完全不规则的混沌之间的一类形态，具有无特征尺度和自相似性，其参数称为分维或分维数，记为D[16]。河流水系是自然界中常见的分形现象，1980年代末，Barbera和Rossor等人的研究已经揭示了Horton—Strahler定律和Hack定律所隐含的水系分形性质[17]。国内研究在1990年代后兴起[18]，目前有学者正尝试将分形理论应用于构建河流模型。但已有成果基本针对某一时间断面内河流的分形特征，并未深入关注平原河流普遍存在的形态易于发生变化的性质与其分维之间的关系。有鉴于此，目前已经有学者提出要加强河流等地表事物在不同时间上的分形变化研究[19]。基于分形理论的渭河下游河道近百年来变迁研究发现，渭河下游分维在1915—1958年为动态平衡状态，1958年后持续增大，显示出相对天然状态下的渭河下游具有自我调整河流形态复杂程度的能力；近50年来的裁弯取直并没有使河道形态趋于顺直，相反，由于潼关高程抬高导致的溯源淤积和漫滩垦殖驱动下的筑堤束缚，渭河下游无法通过在河漫滩范围内的自然摆动调整其顺直状态，形态复杂程度实际是在增加[20]。但渭河下游的个案毕竟只有不到百年的时间覆盖范围，如何揭示河流在更长历史时期内，比如近500年或近1000年内的发展趋势呢?当然首先是要就河流形态的高精度复原提出，满志敏对于宋代黄河京东故道的重建为解决这一问题提供了很好的范式，基于多源资料的使用，更为精细的历史时期河流形态得以恢复，而在河流形态恢复的基础上可以考虑使用分维数来描述河流形态的复杂程度，由此进一步支持研究者分析平原河流的发展趋势，并举出河流对流路的选择原因。

四、结论

　　历史地理的信息化之路已经走过了10年，在建立具有学科特色的地理信息系统的同时，GIS也开始作为一种手段直接参与进历史地理研究，越来越多的矢量化空间数据被重建，在其基础上引入一些地理学界的形态分析方法将有助于对历史时期地理事物和现象变化规律的认识，“度一簇”和分形能很好得阐释多种地理现象的形态特征和发育过程，但其基础为对于研究对象空间形态或格局的高精度重建。而适当的空间模型，比如“格网”模型的应用，将更加深刻的揭示区域形态及其发展过程。GIS等一系列信息化手段为历史地理研究带来便利的同时，对其作为研究手段的思考则更需被强调。

The Review of GIS entered into Chinese Historical Geography since 2000 and Outlook

Pan Wei㈠ , Sun Tao㈡ , Man Zhimin㈡

　　㈠. Center for Historical Environment and Socio–Economic Developmentin Northwest China of Shaanxi Normal University, Xi ‘ an,710062;

　　㈡. Center for Historical Geography of Fudan University, Shanghai,200433

　　Abstract: Geographic Information Systems into the historical geography of China has been 10 years, this paper reviews the 10 years to CHGIS historical geography as the main representative of the main results of information technology shows that the means of historical geography has become rou tine in some direction methods, particularly in the history of fluvial geomorphology has played a big role, so that historical period to the river showing the relative fine form. “Jingdong old course” as the representative of the spatial reconstruction of vector data access method for set an example for academ ic research, the vector data based on the reconstruction, we believe that the “degree — cluster” struc ture and “fractal” in the analysis of the history obtained vector data has great prospects.

　　Key words: historical geography; geographical infomaition science； Grid

注释：

[1]满志敏：《光绪三年北方大旱的气候背景》，《复旦学报》（哲学社会科学版），2000年第6期，第28—35页。

[2]满志敏：《北宋京东故道流路问题的研究》，《历史地理》（第22辑），（上海）上海人民出版社，第1—9页。

[3]满志敏：《小区域研究的信息化一数据架构及模型》，《中国历史地理论丛》，2008年第2辑，第1—10页。

[4] [美]理查德．哈特向著，黎樵译：《地理学性质的透视》，（上海）商务印书馆，1963年。

[5]鲁西奇：《历史地理研究中的“区域”问题》，《武汉大学学报》（人文社会科学版），1996年第6期，第81—86页。

[6]鲁西奇：《再论历史地理研究中的“区域”问题》，《武汉大学学报》（哲学社会科学版），2000年第2期，第222—228页。

[7]张永生、贲进：《地球空间信息球面离散网格一理论、算法及应用》，（北京）科学出版社，2007年4月第 l版。

[8]林珊珊、郑景云、何凡能：《中国传统农区历史耕地数据网格化方法》，《地理学报》，2008年第1期，第83—92页。

[9]潘威：《1861—1953年长江口南支冲淤状况重建及相关问题研究》，《中国历史地理论丛》，2009年第1辑，第22—28页。

[10]潘威、满志敏：《大河三角洲历史河网密度格网化重建方法——以上海市青浦区1918—1978年为研究范围》，《中国历史地理论丛》，2010年第2辑，第1—15页。

[11]满志敏：《走进数字化：中国历史地理信息系统的一些概念和方法》，《历史地理》（第18辑），（上海）上海人民出版社，2002，第l2—22页。

[12] Amaral L A N，Scala A et al．Classes of small world networks．PNAS，2000，97（21）：PP．11149—11152；金凤君：《我国航空客流网络发展及其地域系统研究》，《地理研究》，2001年第1期，第31—39页。

[13]莫辉辉、王姣娥、金凤君：《交通运输网络的复杂性研究》，《地理科学进展》，2008年第6期，第112—120页。王姣娥、莫辉辉等：《中国航空网络空间结构的复杂性》，《地理学报》，2009年第8期，第900—908页。

[14] Barabdsi A，Albert R．Emergence of Scaling in random networks．Science，1999，286：PP．509—512．

[15] Brierley G，Fryirs K．Application of the River Styles framework as a basis for river management in New South Wales，Aus．Applied Geography，2002，（22）： PP．91—122．

[16] Michael Frame，Benoit Mandelbrot，Nial Neger． Fractal Geometry．Yale University，2010，6．

[17] La Barbera，P Ross0．On the fractal dimension of stream networks．Water Resources Research，1989，25（4）：PP．735—741．

[18]陈嵘、艾南山、李后强：《地貌发育与汇流的自组织临界性》，《水土保持学报》，冯金良、张稳：《海滦河流域水系分形》，1993年第7卷第4期，第8—12页。《泥沙研究》，1999年第1期，第62—65页。冯平、冯焱：《河流形态特征的分维计算方法》，《地理学报》，1997年，第52卷第4期，第324—330页。

[19]王卫红、徐鹏、田世民：《分形理论在河型研究中的应用探讨》，《泥沙研究》，2010年第2期，第35—42页。

[20]潘威：《基于分形理论的1915—2000年渭河泾河口一潼关段河道变迁研究》，《沉积学报》，2011年第29卷第5期，第946—952页。

（作者单位：潘威，陕西师范大学西北历史环境与经济社会发展研究院，陕西西安，710062；孙涛 满志敏，复旦大学历史地理研究中心，上海，200433）