張萍：數字時代：歷史地理學研究方法的變革與挑戰

　日期：2023-09-25   來源：光明日報

　　作者：張 萍，系首都師范大學歷史學院教授

　　20世紀二三十年代，以顧頡剛為代表的禹貢學派開始了中國歷史地理學的探索之路，在譚其驤、侯仁之、史念海等的共同努力之下，中國的歷史地理學發展起來。中國歷史地理學脫胎于傳統沿革地理之學，以現代地理學理論、方法為指導，研究歷史時期中國的地理問題，將傳統的沿革地理轉變為現代、科學的歷史地理，學科屬性為之一變，研究視角與問題更加豐富，地理學研究方法不斷為歷史地理研究所使用。20世紀中期，隨著航天遙感、計算機、信息技術的普及，地理信息系統（Geographic Information Science，簡稱GIS）成為地理科學中非常重要的技術方法，在地圖處理、可視化分析、智能開發等領域產生了巨大變化。尤其進入21世紀，計算機融合網絡信息技術，以虛擬地球為平臺，進行全球范圍地理空間數據共享的技術成熟，衛星與遙感影像的傳輸，使地理學進入虛擬表達時代。而歷史地理學在古舊地圖處理、數字化發展、數據庫建設與問題研究的路徑上也面臨新技術的挑戰。歷史地理學的數字化發展所帶來的改變不僅是外在的、表達方式的變革，而且是根本性的、思維方式的轉型。

　　數字地圖：引領歷史地理的數字化變革

　　從學理上講，數字地圖的產生是歷史地理學走向數字化發展的必然結果。從地圖發展的歷史來看，大體可劃分為四個階段：原始地圖時期，以方位、地點標注的地圖表達，現今發現的泥版地圖、木版地圖、巖畫地圖為其代表；古代地圖時期，傳統的、以位置坐標為基礎的古代輿圖，或為絹帛，或為紙質地圖；現代地圖時期，吸收西方測繪技術，以大地坐標為基準的測繪地圖，大量表現為紙質地圖；數字地圖時期，以計算機、數據庫系統構建的地圖形式，以電腦、顯示屏呈現。可以說，在數字地圖產生以前，無論何種介質的地圖，都可歸為平面的、圖像式表達，雖然測繪技術越來越精深，繪制的精度越來越高，但其本質沒有變化，數字地圖則徹底改變了地圖的表達方式。

　　數字地圖是以數字的形式記錄大地的點、線、面，具有坐標系統，同時還擁有屬性數據，在計算機內部以離散、有序的數據存在，呈現在電腦、顯示屏上則為任意的地圖形式，經過計算機的處理，可以形成地理數據的統計、運算乃至分析。數字地圖是一個系統，這是它與以往地圖最根本的區別。

　　形成數字地圖的基礎是數據庫，因此，數據庫建設成為構建地圖、進行地理分析以及科學研究的第一步。人文地理學需要地圖的可視化表達，自然地理或環境變遷研究需要空間模擬，這些都需要地理空間數據庫的支撐。歷史地理學在處理這一問題的過程中，也同樣面臨學術路徑的轉變，其中將歷史文獻轉換為計算機可識別的數字存儲形式，進而形成地理信息數據庫，也就成為科學研究的第一步。因此，數字地圖的產生是地理學乃至歷史地理學研究理念的一次革命，數字思維是其關鍵。

　　地理信息系統：帶動歷史地理研究的精度革命

　　歷史地理數字化，地理信息系統（GIS）起到了關鍵的作用，該系統可以融合和處理文本、矢量、柵格等多元數據，構建數據庫，進行地理空間模型分析，是歷史地理學走向數字化科研的主要工具。

　　長期以來，歷史地理研究主要依據的是歷史文獻，具有一定的局限性。例如，歷史自然地理研究當中最重要的河流地貌研究，依據歷史文獻記錄，我們只能復原古代河流流向的地點與方位，河流流路在兩點之間以直線連接。河床地貌、河道位置與高程信息無法獲取，進一步針對河流兩岸微地貌的研究根本無從展開。

　　遙感影像作為一種圖像記錄，形態特征保留充分。遙感影像是一種柵格數據，通過衛星對地面的俯視，形成地表遺跡記錄，空間分辨率高，且不受地理環境與空間范圍的限定。同時，遙感圖像成像尺度變化范圍大，既可縱覽全貌，又能細看局部。經過計算機處理的遙感影像可以提供微地貌起伏的詳細信息，復原出來的古代河流能夠與地貌契合，流路與形態等得以呈現。近年來，學界將該方法運用于黃河下游古河道的重建，將明清以來黃河流路的變遷基本復原，為更深入的河流地貌學研究提供了可資利用的地理數據。該方法在古代城市形態研究、交通道路系統復原中也起到了重要作用。

　　GIS模型軟件是系統中的分析工具，也是GIS的核心，可以直接生成地理信息的空間關系、密度、坡度、形態關系。2000年復旦大學滿志敏教授利用清光緒三年（1877年）直隸山東旱澇災害史料，以及朝廷對這一地區村莊災賑記載，建立時空數據庫，并利用GIS分析軟件中克里金（Kriging）插值方法，補充史料缺載地方的旱情數值，建立起光緒三年北方大旱氣候過程的連續數據集。通過時空分析，推測出該年梅雨季節北移的天氣過程，實現了環境變遷研究由靜態描述向動態分析的轉化。這種方法對改變歷史文獻記載不系統，缺載、漏載、數據區域覆蓋不完全等情況幫助很大。

　　批量數據處理是GIS的長項。利用GIS構建歷史地理數據庫，將時空數據加以整合，以任意時期、不同比例尺形態落實到地球表面，呈現人地關系，探索發展規律，是進行綜合性歷史地理研究的方便之途。中國近代海關數據系統、郵政輿圖的數字化所形成的地理空間數據庫非常典型，尤其是中國近代郵政系統，其空間布局與近代城市、市場的空間分布直接相關，利用近代郵政空間代替缺失的近代城市人口數據，定量分析近代城市體系的位序規模是一種捷徑。利用郵政網點與近代基層市場網絡重疊關系，從宏觀和微觀層面還原國內市場網絡，同時也為全國范圍內建構近代基層市場網絡提供了一種技術路徑。這些工作集成了龐大的歷史數據量，沒有計算機以及地理信息系統的輔助無法完成。

　　地理空間人工智能：歷史地理數字化的加速器

　　數字地圖產生后，使紙質地圖與之進行時空對接十分重要。尤其中國傳統輿圖數量大，時間跨度長，實現數字化轉換可建立時空界面，將地理剖面的時間軸拉長。

　　GIS技術利用該系統中的地圖空間配準功能，將古舊地圖疊加到三維地球之上，顯示其與今天地圖之間的空間位置關系，并進行要素提取，形成數字地圖，進行更精確的環境復原。近20年來，利用近代實測大比例尺地圖數字化，研究北京、天津、上海、南京、廣州等近代城市的空間拓展機制，形成城市形態學研究；提取地圖中的河流水系、湖泊渠道等水域面積數據，研究區域的環境變遷，研究精度大幅提高。然而，面對數量龐大的中國傳統地圖，半自動化式的地圖配準與人工數據提取工作量巨大。

　　地理空間人工智能（GeoAI）的出現改變了以上工作模式，利用人工智能技術提取地圖數據方法不斷成熟。如近代測繪的彩色大比例尺地形圖中的顏色和空間結構信息豐富、辨識度高，采用機器學習與圖像形態學方法，進行數字圖像自動化提取省時省力得多，且精度更高。提取地圖中地表水體進行近代以來城市化進程中地表水體變遷過程與趨勢的研究，在上海城市環境變遷中做了有效嘗試。該方法有望為精準復原近代以來地表覆蓋變遷，深入理解人地關系變化提供數據和方法，更加有效和方便近代地圖數據的提取。另外，武漢大學翁子揚利用深度學習（Deeping Learning）技術，將利瑪竇《坤輿萬國全圖》流傳歐洲前后歐洲流行的較典型的中國地圖進行文本識別與標注，比較地圖中的地貌形態、海岸線輪廓、數據點分布、河網路網、城市數據，認為利瑪竇測繪《坤輿萬國全圖》及其引進，極大改變了歐洲對于中國地理知識的認知，地圖精度大為改觀。

　　人工智能應用于歷史地理研究方興未艾，很多工具與研究方法都在摸索當中，相信在未來的數據挖掘、知識獲取與提出問題上都將發揮更大的作用，應用空間更加廣闊，歷史地理數字化發展的進程與效率也將大幅提高。

　　數字賦能：歷史地理學的新機遇與新挑戰

　　歷史地理學走向數字化發展道路是學科本身發展趨勢使然，而數字化為學科進步提供了更豐厚的土壤，也展現了更廣闊的前景，對于深化問題研究、加強學科綜合，起到了關鍵性的作用。滿志敏提出，在區域環境變遷研究過程中，建立包括歷史自然與人文多元要素的地理信息數據集，利用“格網體系”（Grids）的方法，將點、線、面數據進行格網化處理，把過去不能進行比較的人文與自然要素，經過標準化處理，落實到同一水平上，在同等面積之內比較各要素分布的密度差別，從而評估不同地域的要素發展程度與水平，揭示地表覆蓋的空間形態。可以說，這也是解決歷史自然地理與人文地理研究相互割裂問題，突破學科界限、進行歷史地理學綜合研究的一個思路與方法。2017年“絲綢之路歷史地理信息開放平臺”網絡發布，集成了歷史上絲路沿線土地利用、河流水文、生態環境、交通商貿、城址城市等多元數據集，為進行綜合性的人地關系研究提供數據依據。

　　當然，就目前歷史地理數字化發展來看，也面臨一系列挑戰，將中國傳統缺乏計量的文獻史料進行數字轉換，本身就是非常艱難的攻關。這中間需要制定數據標準、設計數據格式、進行數據編碼，從各種文本資料中提取能夠進行時空對接的數據，其中不同的要素都有不同的格式要求。歷史地理工作者既要對中國傳統文獻有基本認知，還要了解數據庫建設的要求，而文本、圖像的自動化提取工具與模型還非常不夠，人工智能的應用也才剛剛開始。

　　目前，經過20余年的攻關，歷史地理研究機構與學者已開發了諸多類型豐富的歷史地理信息數據庫，如中國歷代人口數據庫、中國歷史農業地理數據庫、中國歷代疫災數據庫，清代政區數據庫、清代災荒數據庫等。一些區域或專題數據庫，如西南地區、汕頭歷史地理數據庫，古代長城、運河、黃河、海上絲綢之路歷史地理數據庫也在建設當中。然而，這些分門別類數據庫的整合非常有限，單一類型的數據庫并不能很好地發揮研究的功能與效率，整合數據庫，用好數字資源才能真正實現數字賦能，發揮大數據解決復雜問題的功效。未來，通過合理的數據整合途徑，將形成綜合的“中國歷史地理大數據平臺”，從長時段展現中華文明時空發展的歷史進程，以有效數據開展綜合研究，切實發揮歷史地理學“有用于世”的重要作用。