CN104077394A - 基于空间栅格分层定位的城市历史地图还原方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空间栅格分层定位的城市历史地图还原方法，属于城市规划技术领域。该方法以计算机为基础，配合空间拓扑算法，利用CAD软件将历史地图中的坐标参照点与现实考古选点坐标作为固定参照点，获取各指标数据建立拓扑校正模型，对年代久远、精确度较低的城市历史地图中空间地物的空间坐标进行栅格校正，并通过绘图设备自动输出为城市历史文化名城保护规划、历史文化街区保护规划等法定规划可以直接使用的工程图纸。本发明解决了城市建设工程中城市历史地图解译利用人脑智力活动进行决策所存在的主观性和随机性的不足，大幅提高了工作效率，精确度更高。

Description

基于空间栅格分层定位的城市历史地图还原方法

技术领域

本发明涉及一种基于空间栅格分层定位的城市历史地图还原方法，属于城市规划技术领域。

背景技术

城市历史地图是反映城市自然环境和政治、经济、文化状况及其沿革变化的记录载体，也是显示了较长的时期内地理条件和城市空间变迁。由于历史地图显示了城市历史上的空间格局，成为追溯历史发展沿革和探寻历史文脉的有效方法，为城市未来的发展建设提供借鉴依据，是城市规划工程选址和建设的重要依据。

然而由于城市历史地图绘制时期测绘技术的限制，历史地图的空间地物的图纸表现具有模糊性和意象性，其内涵的真实空间坐标信息很难在现代的矢量地形图上精确再现。无法获取城市历史地图中空间地物的精确坐标，限制了历史地图作为城市规划依据在工程建设中的应用。

对于城市历史地图的编制以及应用方法，如表1所示，许多学者从不同学科角度进行了理论研究。

表1

因此，在数字化技术的基础上，精确解译的历史地图可以传承文脉信息，挖掘城市特色资源，进而形成一体化的历史文脉保护和城市框架发展战略，无论是对城市历史保护规划还是对于城市未来发展规划，都具有重要的价值。为此，提出城市历史地图的空间解译方法，用于系统编译各时期城市古地图，梳理城市空间文脉资源，作为城市历史性研究以及规划设计的依据，并构建富有特色的城市空间格局。

目前国内城市历史地图解译的方法存在以下主要问题：

1、技术操作的主观性：依靠规划师的个人经验进行操作，缺乏定量的数据支持，技术难度大。

2、技术标准的片面性：部分技术方法仍旧依托个别空间要素进行坐标校正，缺乏空间要素参照点筛选的操作方法，技术标准过于片面。

3、技术结果的随意性：技术过程依托人脑的智力活动，在判断的合理性和准确性上存在局限，其地图解译的结果直接指导城市建设实践。

4、工作效率低下：规划技术过程繁琐，在地图解译中需要进行大量重复性的工作，耗时漫长，效率低下。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对城市建设工程中城市历史地图解译利用人脑智力活动进行决策所存在的主观性和随机性的不足，提出一种大幅提高工作效率、识别精确度更高的城市历史地图还原方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于空间栅格分层定位的城市历史地图还原方法，包括以下步骤：

第一步、将城市历史地图扫描下来，得到数字历史地图；

第二步、通过现有的城市市区空间数据得到数字现状地图；

第三步、在所述数字历史地图中，选取至少三处空间要素作为第一校正参照点，并分别记录第一校正参照点的坐标；所述空间要素为不可移动的实体要素，包括城市山水、城市街巷和城市建筑；

第四步、找到所述数字历史地图中的所有第一校正参照点对应的数字现状地图中的第二校正参照点，并记录上述第二校正参照点的坐标，根据所有第一校正参照点和对应的第二校正参照点的坐标对应关系进行坐标校正，将数字历史地图的像点变换到数字现状地图中，从而找到数字历史地图中的每一像点对应的数字现状地图中的像点；

第五步、在所述数字现状地图中的每一像点均叠加对应的数字历史地图中的像点，得到坐标校正后的数字历史地图，从而完成城市历史地图的还原。

本发明中作为第一校正参照点的空间要素必须为不可移动的实体要素，包括城市山水要素、城市街巷要素和城市建筑要素，所选取的空间要素必须具有明确的空间标志以记录坐标(山峰峰顶、水系湾口、有标志性的建筑造型)或具体范围(记录几何中心坐标)，非空间要素或可移动空间要素不可作为第一校正参照点。另外，第一校正参照点必须经过考古调查证实，未经考古调查证实的空间要素不可作为第一校正参照点，这样才能准确的还原历史地图。

本发明步骤四中坐标校正的方法为：根据第一校正参照点的坐标(x_i,y_i)和对应的第二校正参照点的坐标(u_i,v_i)，其中i＝0,1,…,n，n为第一校正参照点的个数，利用仿射变换建立校正函数F(x,y)＝(u,v)，使用该校正函数F(x,y)将数字历史地图中所有像点的坐标变换到数字现状地图中。

本发明针对年代久远、精确度较低的城市历史地图，其中地形地物利用人脑智力活动难以较精确定位的问题，构建利用机械设计、计算机图形学、图像处理等领域的技术，对空间坐标进行栅格校正的技术方案，并通过绘图设备自动输出为城市历史文化名城保护规划、历史文化街区保护规划等法定规划可以直接使用的工程图纸。本发明可以较好的替代人在历史地图空间解译的主观人脑智力活动，缩短规划工作时间，有效提高了历史地图解译的工程效率，具有显著的工程技术效果。

本发明解决了城市建设工程中城市历史地图解译利用人脑智力活动进行决策所存在的主观性和随机性的不足，大幅提高了工作效率，精确度更高。

本发明带来的有益效果是：1)精确度提高:以往历史地图的识别与空间解译需要城市规划从业者依靠经验进行主观判断，本发明通过图像算法代替人脑的主观判断，其精确性具有明显的提高。2)效率更高：本发明的技术方案以计算机为平台，通过畸变校正算法自动对城市历史地图进行空间校正，而传统的技术方法需要城市规划从业者进行大量主观判断和反复的调整工作，通过本发明，城市历史地图的解译效率得到了极大的提高，耗时大为缩减。3)可操作性增加：通过外接高分辨率扫描仪、绘图仪等特定设备，本系统可以直接输入纸质历史地图，在自动运行大部分坐标校正工作，最终输出可以与历史文化街区保护规划、控制性详细规划编制工作直接对接的工程图纸，具有很高的实际应用价值。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1是本发明实施例的流程示意图。

图2是本发明实施例采用的部分历史地图。

图3是本发明实施例校正后的部分历史地图。

图4是本发明实施例校正后历史地图图纸。

具体实施方式

本实施例采用潍坊城区某历史地图，通过历史古地图分析可知潍坊历史悠久，至明清时期基本形成了“龟蛇两城相依”的独特城市形态，1912年后城市发展较为迅速，至2000年龟蛇两城城墙及基础基本消失。潍坊城市规划部门为了复原城市历史风貌，通过对历史文献分析，认为“龟蛇相依”的城市形态是潍坊城市历史文化的核心价值之一，是潍坊地方文化特色的重要物质载体，因此将“龟蛇相依”的城市形态特色再现作为未来发展规划的一个关键点。

通过地方县志等文献资料解读，潍坊老城由白浪河东、西二城组合而成。西城又称“城里”，建造年代久远，原城墙全部为青石砌筑而成，因西城形态近方形，地势中高周低，呈龟背状，遂有“龟城”之名。东城又称“东关”，建造年代较晚，其原城墙是三合土的沙坝墙，因其城市形态形似蛇的头部，于是叫做“蛇城”。明清时期“龟城”城墙完整，设有四座城门，东为“朝阳”、西为“迎恩”、南为“安定”、北为“望海”，城墙东南角上建有文昌阁、魁星楼，东北角上建有北极庙，西北、西南角城上原有南极庙和武昌庙，清末倾圯，城市主要职能诸如衙门以及文庙等均聚集于此。蛇城则多为晚晴到民国初年修建的民族资本家的宅邸。

现在潍坊龟蛇城的历史城墙完全保留段总长仅约210米，分别散布于龟城北侧及蛇城西北侧。蛇城西段约730米城墙为后期复建。龟城北段与南段走向可寻，其他部分均在城市发展中逐渐消失。

因此，需要对城市城墙进行部分复原，而其中的难点在于城墙空间坐标的确定，对这些历史空间信息的提取及定位成为规划亟待解决的问题。

如图1所示，本实施例的基于空间栅格分层定位的城市历史地图还原方法，包括以下步骤：

第一步、将潍坊的城市历史地图扫描下来，就得到潍坊的数字历史地图。

搜集潍坊城市历史资料，通过查阅《潍坊县县志》等历史文献，整理出了民国时期的手工绘制的潍坊历史地图，如图2所示。通过工作站外接专用扫描仪，将历史地图输入工作站。其中，使用的输入设备是分辨率DPI大于1200的扫描仪。

将潍坊的城市历史地图正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上，然后启动扫描仪驱动程序后。为了均匀照亮稿件，扫描仪光源为长条形，并沿y方向匀速扫过整个历史地图；照射到历史地图上的光线经反射后形成沿x方向的光带，在CCD上转变为数字电子信号，最后通过串行或者并行等接口送至计算机。扫描仪每扫一行就得到原稿x方向一行的图像信息，随着沿y方向的移动，在计算机内部逐步形成历史地图的全图。

第二步、通过现有的潍坊城市市区空间数据得到数字现状地图。

将包含城市市区地理数据输入工作站进行处理，生成潍坊的城市现状地图。城市市区地理数据为SHP文件，坐标系为工程坐标系，包含街区、水系貌、历史遗迹等要素数据。街区为PLOYGON格式，其他要素为POINT格式。

SHP文件即Shapefile文件，是美国环境系统研究所(ESRI)所研制的GIS文件系统格式文件，是工业标准的矢量数据文件。Shapefile将空间特征表中的非拓扑几何对象和属性信息存储在数据集中，特征表中的几何对象存为以坐标点集表示的图形文件—SHP文件，Shapefile文件并不含拓扑(Topological)数据结构。具体可参考相关资料。

第三步、在所述数字历史地图中，选取至少三处空间要素作为第一校正参照点，并分别记录第一校正参照点的坐标；所述空间要素为不可移动的实体要素，包括城市山水、城市街巷和城市建筑。

表2为本实施例第一校正参照点的筛选标准，本实施例选取以下空间要素作为第一校正参照点：白浪河、龟城护城河以及城内的大型水面；城市街巷要素—龟城和蛇城内主要街巷的轮廓及走向；城市建筑要素—龟蛇城城墙、4座城门、十岉园、城隍庙、万印楼、孔相祠、撞钟院、山园、陈氏园、温氏园、刘氏园、民园、颐园以及牌坊若干。本实施例中所有的第一校正参照点均经过考古调查证实，未经考古调查证实的空间要素不可作为第一校正参照点。

表2

第四步、找到所述数字历史地图中的所有第一校正参照点对应的数字现状地图中的第二校正参照点，并记录上述第二校正参照点的坐标，根据所有第一校正参照点和对应的第二校正参照点的坐标对应关系进行坐标校正，将数字历史地图的像点变换到数字现状地图中，从而找到数字历史地图中的每一像点对应的数字现状地图中的像点。

在工作站中对潍坊的数字历史地图和数字现状地图进行叠合，建立拓扑校正模型，根据两幅图像的一些已知对应点(第一校正参照点及相对应的第二校正参照点)，利用仿射变换建立起函数关系式F(x,y)＝(u,v)，将数字历史地图的坐标变换到数字现状地图中的坐标，从而实现历史地图空间信息的几何位置校正，使历史地图中的每一像点都可以在标准图中找到对应像点。

具体说明如下：数字历史地图的总体变形可以看作是平移、缩放、仿射、偏扭、弯曲以及更高次的基本变形综合作用的结果，因而校正前后相应控制点对之间的坐标关系可以用一个适当的多项式来表达，其数学模型为：

$x_k=F_x(u_k,v_k)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n-i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{u}_k^i{v}_k^j$

$y_k=F_y(u_k,v_k)=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n-i}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{ij}}{u}_k^i{v}_k^j$

式中：u、v为数字现状地图的坐标，x、y为数字历史地图的坐标；n为第一校正参照点的个数；a_ij、b_ij为畸变系数，它可以采用已知的坐标校正点，用曲面拟合方法，按最小二乘法准则求出，即使：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_k-\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n-i}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{ij}}{u}_k^i{v}_k^i)}^2$

${\mathrm{\ϵ}}_y=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_k-\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n-i}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{\mathrm{ij}}{u}_k^i{v}_k^i)}^2$

具体作法是对上式的各畸变系数求一阶偏导数并令其为零，这样便可以得到关于畸变系数的两个联立线性方程组，分别解方程组即可求出a_ij和b_ij，从而建立数字历史地图与数字现状地图的对应关系。

根据上述对应关系，将数字历史地图的坐标变换到数字现状地图中的坐标，从而实现历史地图空间信息的几何位置校正，使历史地图中的每一像点都可以在标准图中找到对应像点。

第五步、在所述数字现状地图中的每一像点均叠加对应的数字历史地图中的像点，得到坐标校正后的数字历史地图，从而完成城市历史地图的还原。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于空间栅格分层定位的城市历史地图还原方法，包括以下步骤：

第一步、将城市历史地图扫描下来，得到数字历史地图；

第二步、通过现有的城市市区空间数据得到数字现状地图；

第三步、在所述数字历史地图中，选取至少三处空间要素作为第一校正参照点，并分别记录第一校正参照点的坐标；所述空间要素为不可移动的实体要素，包括城市山水、城市街巷和城市建筑；

第四步、找到所述数字历史地图中的所有第一校正参照点对应的数字现状地图中的第二校正参照点，并记录上述第二校正参照点的坐标，根据所有第一校正参照点和对应的第二校正参照点的坐标对应关系进行坐标校正，将数字历史地图的像点变换到数字现状地图中，从而找到数字历史地图中的每一像点对应的数字现状地图中的像点；

第五步、在所述数字现状地图中的每一像点均叠加对应的数字历史地图中的像点，得到坐标校正后的数字历史地图，从而完成城市历史地图的还原。

2.根据权利要求1所述的基于空间栅格分层定位的城市历史地图还原方法，其特征在于，步骤四中坐标校正的方法为：根据第一校正参照点的坐标（x_i,y_i）和对应的第二校正参照点的坐标(u_i,v_i)，其中i=0,1,…,n，n为第一校正参照点的个数，利用仿射变换建立校正函数F(x,y)=(u,v)，使用该校正函数F(x,y)将数字历史地图中所有像点的坐标变换到数字现状地图中。

3.根据权利要求1所述的基于空间栅格分层定位的城市历史地图还原方法，其特征在于：第一步中所述第一校正参照点为经过考古调查证实的空间元素。