数字时代：历史地理学研究方法的变革与挑战

原标题：数字时代：历史地理学研究方法的变革与挑战 【光明学术笔谈】 20世纪二三十年代，以顾颉刚为代表的禹贡学派开始了中国历史地理学的探索之路，在谭其骧、侯仁之、史念海等的共同努力之下，中国的历史地理学发展起来。中国历史地理学脱胎于传统沿革地理之学，以现代地理学理论、方法为指导，研究历史时期中国的地理问题，将传统的沿革地理转变为现代、科学的历史地理，学科属性为之一变，研究视角与问题更加丰富，地理学研究方法不断为历史地理研究所使用。20世纪中期，随着航天遥感、计算机、信息技术的普及，地理信息系统（Geographic Information Science，简称GIS）成为地理科学中非常重要的技术方法，在地图处理、可视化分析、智能开发等领域产生了巨大变化。尤其进入21世纪，计算机融合网络信息技术，以虚拟地球为平台，进行全球范围地理空间数据共享的技术成熟，卫星与遥感影像的传输，使地理学进入虚拟表达时代。而历史地理学在古旧地图处理、数字化发展、数据库建设与问题研究的路径上也面临新技术的挑战。历史地理学的数字化发展所带来的改变不仅是外在的、表达方式的变革，而且是根本性的、思维方式的转型。 数字地图：引领历史地理的数字化变革 从学理上讲，数字地图的产生是历史地理学走向数字化发展的必然结果。从地图发展的历史来看，大体可划分为四个阶段：原始地图时期，以方位、地点标注的地图表达，现今发现的泥版地图、木版地图、岩画地图为其代表；古代地图时期，传统的、以位置坐标为基础的古代舆图，或为绢帛，或为纸质地图；现代地图时期，吸收西方测绘技术，以大地坐标为基准的测绘地图，大量表现为纸质地图；数字地图时期，以计算机、数据库系统构建的地图形式，以电脑、显示屏呈现。可以说，在数字地图产生以前，无论何种介质的地图，都可归为平面的、图像式表达，虽然测绘技术越来越精深，绘制的精度越来越高，但其本质没有变化，数字地图则彻底改变了地图的表达方式。 数字地图是以数字的形式记录大地的点、线、面，具有坐标系统，同时还拥有属性数据，在计算机内部以离散、有序的数据存在，呈现在电脑、显示屏上则为任意的地图形式，经过计算机的处理，可以形成地理数据的统计、运算乃至分析。数字地图是一个系统，这是它与以往地图最根本的区别。 形成数字地图的基础是数据库，因此，数据库建设成为构建地图、进行地理分析以及科学研究的第一步。人文地理学需要地图的可视化表达，自然地理或环境变迁研究需要空间模拟，这些都需要地理空间数据库的支撑。历史地理学在处理这一问题的过程中，也同样面临学术路径的转变，其中将历史文献转换为计算机可识别的数字存储形式，进而形成地理信息数据库，也就成为科学研究的第一步。因此，数字地图的产生是地理学乃至历史地理学研究理念的一次革命，数字思维是其关键。 地理信息系统：带动历史地理研究的精度革命 历史地理数字化，地理信息系统（GIS）起到了关键的作用，该系统可以融合和处理文本、矢量、栅格等多元数据，构建数据库，进行地理空间模型分析，是历史地理学走向数字化科研的主要工具。 长期以来，历史地理研究主要依据的是历史文献，具有一定的局限性。例如，历史自然地理研究当中最重要的河流地貌研究，依据历史文献记录，我们只能复原古代河流流向的地点与方位，河流流路在两点之间以直线连接。河床地貌、河道位置与高程信息无法获取，进一步针对河流两岸微地貌的研究根本无从展开。 遥感影像作为一种图像记录，形态特征保留充分。遥感影像是一种栅格数据，通过卫星对地面的俯视，形成地表遗迹记录，空间分辨率高，且不受地理环境与空间范围的限定。同时，遥感图像成像尺度变化范围大，既可纵览全貌，又能细看局部。经过计算机处理的遥感影像可以提供微地貌起伏的详细信息，复原出来的古代河流能够与地貌契合，流路与形态等得以呈现。近年来，学界将该方法运用于黄河下游古河道的重建，将明清以来黄河流路的变迁基本复原，为更深入的河流地貌学研究提供了可资利用的地理数据。该方法在古代城市形态研究、交通道路系统复原中也起到了重要作用。 GIS模型软件是系统中的分析工具，也是GIS的核心，可以直接生成地理信息的空间关系、密度、坡度、形态关系。2000年复旦大学满志敏教授利用清光绪三年（1877年）直隶山东旱涝灾害史料，以及朝廷对这一地区村庄灾赈记载，建立时空数据库，并利用GIS分析软件中克里金（Kriging）插值方法，补充史料缺载地方的旱情数值，建立起光绪三年北方大旱气候过程的连续数据集。通过时空分析，推测出该年梅雨季节北移的天气过程，实现了环境变迁研究由静态描述向动态分析的转化。这种方法对改变历史文献记载不系统，缺载、漏载、数据区域覆盖不完全等情况帮助很大。 批量数据处理是GIS的长项。利用GIS构建历史地理数据库，将时空数据加以整合，以任意时期、不同比例尺形态落实到地球表面，呈现人地关系，探索发展规律，是进行综合性历史地理研究的方便之途。中国近代海关数据系统、邮政舆图的数字化所形成的地理空间数据库非常典型，尤其是中国近代邮政系统，其空间布局与近代城市、市场的空间分布直接相关，利用近代邮政空间代替缺失的近代城市人口数据，定量分析近代城市体系的位序规模是一种捷径。利用邮政网点与近代基层市场网络重叠关系，从宏观和微观层面还原国内市场网络，同时也为全国范围内建构近代基层市场网络提供了一种技术路径。这些工作集成了庞大的历史数据量，没有计算机以及地理信息系统的辅助无法完成。 地理空间人工智能：历史地理数字化的加速器 数字地图产生后，使纸质地图与之进行时空对接十分重要。尤其中国传统舆图数量大，时间跨度长，实现数字化转换可建立时空界面，将地理剖面的时间轴拉长。 GIS技术利用该系统中的地图空间配准功能，将古旧地图叠加到三维地球之上，显示其与今天地图之间的空间位置关系，并进行要素提取，形成数字地图，进行更精确的环境复原。近20年来，利用近代实测大比例尺地图数字化，研究北京、天津、上海、南京、广州等近代城市的空间拓展机制，形成城市形态学研究；提取地图中的河流水系、湖泊渠道等水域面积数据，研究区域的环境变迁，研究精度大幅提高。然而，面对数量庞大的中国传统地图，半自动化式的地图配准与人工数据提取工作量巨大。 地理空间人工智能（GeoAI）的出现改变了以上工作模式，利用人工智能技术提取地图数据方法不断成熟。如近代测绘的彩色大比例尺地形图中的颜色和空间结构信息丰富、辨识度高，采用机器学习与图像形态学方法，进行数字图像自动化提取省时省力得多，且精度更高。提取地图中地表水体进行近代以来城市化进程中地表水体变迁过程与趋势的研究，在上海城市环境变迁中做了有效尝试。该方法有望为精准复原近代以来地表覆盖变迁，深入理解人地关系变化提供数据和方法，更加有效和方便近代地图数据的提取。另外，武汉大学翁子扬利用深度学习（Deeping Learning）技术，将利玛窦《坤舆万国全图》流传欧洲前后欧洲流行的较典型的中国地图进行文本识别与标注，比较地图中的地貌形态、海岸线轮廓、数据点分布、河网路网、城市数据，认为利玛窦测绘《坤舆万国全图》及其引进，极大改变了欧洲对于中国地理知识的认知，地图精度大为改观。 人工智能应用于历史地理研究方兴未艾，很多工具与研究方法都在摸索当中，相信在未来的数据挖掘、知识获取与提出问题上都将发挥更大的作用，应用空间更加广阔，历史地理数字化发展的进程与效率也将大幅提高。 数字赋能：历史地理学的新机遇与新挑战 历史地理学走向数字化发展道路是学科本身发展趋势使然，而数字化为学科进步提供了更丰厚的土壤，也展现了更广阔的前景，对于深化问题研究、加强学科综合，起到了关键性的作用。满志敏提出，在区域环境变迁研究过程中，建立包括历史自然与人文多元要素的地理信息数据集，利用“格网体系”（Grids）的方法，将点、线、面数据进行格网化处理，把过去不能进行比较的人文与自然要素，经过标准化处理，落实到同一水平上，在同等面积之内比较各要素分布的密度差别，从而评估不同地域的要素发展程度与水平，揭示地表覆盖的空间形态。可以说，这也是解决历史自然地理与人文地理研究相互割裂问题，突破学科界限、进行历史地理学综合研究的一个思路与方法。2017年“丝绸之路历史地理信息开放平台”网络发布，集成了历史上丝路沿线土地利用、河流水文、生态环境、交通商贸、城址城市等多元数据集，为进行综合性的人地关系研究提供数据依据。 当然，就目前历史地理数字化发展来看，也面临一系列挑战，将中国传统缺乏计量的文献史料进行数字转换，本身就是非常艰难的攻关。这中间需要制定数据标准、设计数据格式、进行数据编码，从各种文本资料中提取能够进行时空对接的数据，其中不同的要素都有不同的格式要求。历史地理工作者既要对中国传统文献有基本认知，还要了解数据库建设的要求，而文本、图像的自动化提取工具与模型还非常不够，人工智能的应用也才刚刚开始。 目前，经过20余年的攻关，历史地理研究机构与学者已开发了诸多类型丰富的历史地理信息数据库，如中国历代人口数据库、中国历史农业地理数据库、中国历代疫灾数据库，清代政区数据库、清代灾荒数据库等。一些区域或专题数据库，如西南地区、汕头历史地理数据库，古代长城、运河、黄河、海上丝绸之路历史地理数据库也在建设当中。然而，这些分门别类数据库的整合非常有限，单一类型的数据库并不能很好地发挥研究的功能与效率，整合数据库，用好数字资源才能真正实现数字赋能，发挥大数据解决复杂问题的功效。未来，通过合理的数据整合途径，将形成综合的“中国历史地理大数据平台”，从长时段展现中华文明时空发展的历史进程，以有效数据开展综合研究，切实发挥历史地理学“有用于世”的重要作用。 （作者：张 萍，系首都师范大学历史学院教授）（张 萍）