張萍：數(shù)字時(shí)代：歷史地理學(xué)研究方法的變革與挑戰(zhàn)

作者：張 萍，系首都師范大學(xué)歷史學(xué)院教授

20世紀(jì)二三十年代，以顧頡剛為代表的禹貢學(xué)派開始了中國歷史地理學(xué)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(xué)發(fā)展起來。中國歷史地理學(xué)脫胎于傳統(tǒng)沿革地理之學(xué)，以現(xiàn)代地理學(xué)理論、方法為指導(dǎo)，研究歷史時(shí)期中國的地理問題，將傳統(tǒng)的沿革地理轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代、科學(xué)的歷史地理，學(xué)科屬性為之一變，研究視角與問題更加豐富，地理學(xué)研究方法不斷為歷史地理研究所使用。20世紀(jì)中期，隨著航天遙感、計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)的普及，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Science，簡稱GIS）成為地理科學(xué)中非常重要的技術(shù)方法，在地圖處理、可視化分析、智能開發(fā)等領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大變化。尤其進(jìn)入21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)融合網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，以虛擬地球?yàn)槠脚_，進(jìn)行全球范圍地理空間數(shù)據(jù)共享的技術(shù)成熟，衛(wèi)星與遙感影像的傳輸，使地理學(xué)進(jìn)入虛擬表達(dá)時(shí)代。而歷史地理學(xué)在古舊地圖處理、數(shù)字化發(fā)展、數(shù)據(jù)庫建設(shè)與問題研究的路徑上也面臨新技術(shù)的挑戰(zhàn)。歷史地理學(xué)的數(shù)字化發(fā)展所帶來的改變不僅是外在的、表達(dá)方式的變革，而且是根本性的、思維方式的轉(zhuǎn)型。

數(shù)字地圖：引領(lǐng)歷史地理的數(shù)字化變革

從學(xué)理上講，數(shù)字地圖的產(chǎn)生是歷史地理學(xué)走向數(shù)字化發(fā)展的必然結(jié)果。從地圖發(fā)展的歷史來看，大體可劃分為四個(gè)階段：原始地圖時(shí)期，以方位、地點(diǎn)標(biāo)注的地圖表達(dá)，現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的泥版地圖、木版地圖、巖畫地圖為其代表；古代地圖時(shí)期，傳統(tǒng)的、以位置坐標(biāo)為基礎(chǔ)的古代輿圖，或?yàn)榻伈�，或�(yàn)榧堎|(zhì)地圖；現(xiàn)代地圖時(shí)期，吸收西方測繪技術(shù)，以大地坐標(biāo)為基準(zhǔn)的測繪地圖，大量表現(xiàn)為紙質(zhì)地圖；數(shù)字地圖時(shí)期，以計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)建的地圖形式，以電腦、顯示屏呈現(xiàn)。可以說，在數(shù)字地圖產(chǎn)生以前，無論何種介質(zhì)的地圖，都可歸為平面的、圖像式表達(dá)，雖然測繪技術(shù)越來越精深，繪制的精度越來越高，但其本質(zhì)沒有變化，數(shù)字地圖則徹底改變了地圖的表達(dá)方式。

數(shù)字地圖是以數(shù)字的形式記錄大地的點(diǎn)、線、面，具有坐標(biāo)系統(tǒng)，同時(shí)還擁有屬性數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部以離散、有序的數(shù)據(jù)存在，呈現(xiàn)在電腦、顯示屏上則為任意的地圖形式，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理，可以形成地理數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算乃至分析。數(shù)字地圖是一個(gè)系統(tǒng)，這是它與以往地圖最根本的區(qū)別。

形成數(shù)字地圖的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)庫，因此，數(shù)據(jù)庫建設(shè)成為構(gòu)建地圖、進(jìn)行地理分析以及科學(xué)研究的第一步。人文地理學(xué)需要地圖的可視化表達(dá)，自然地理或環(huán)境變遷研究需要空間模擬，這些都需要地理空間數(shù)據(jù)庫的支撐。歷史地理學(xué)在處理這一問題的過程中，也同樣面臨學(xué)術(shù)路徑的轉(zhuǎn)變，其中將歷史文獻(xiàn)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識別的數(shù)字存儲形式，進(jìn)而形成地理信息數(shù)據(jù)庫，也就成為科學(xué)研究的第一步。因此，數(shù)字地圖的產(chǎn)生是地理學(xué)乃至歷史地理學(xué)研究理念的一次革命，數(shù)字思維是其關(guān)鍵。

地理信息系統(tǒng)：帶動歷史地理研究的精度革命

歷史地理數(shù)字化，地理信息系統(tǒng)（GIS）起到了關(guān)鍵的作用，該系統(tǒng)可以融合和處理文本、矢量、柵格等多元數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行地理空間模型分析，是歷史地理學(xué)走向數(shù)字化科研的主要工具。

長期以來，歷史地理研究主要依據(jù)的是歷史文獻(xiàn)，具有一定的局限性。例如，歷史自然地理研究當(dāng)中最重要的河流地貌研究，依據(jù)歷史文獻(xiàn)記錄，我們只能復(fù)原古代河流流向的地點(diǎn)與方位，河流流路在兩點(diǎn)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(jìn)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(tài)特征保留充分。遙感影像是一種柵格數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)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(huán)境與空間范圍的限定。同時(shí)，遙感圖像成像尺度變化范圍大，既可縱覽全貌，又能細(xì)看局部。經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理的遙感影像可以提供微地貌起伏的詳細(xì)信息，復(fù)原出來的古代河流能夠與地貌契合，流路與形態(tài)等得以呈現(xiàn)。近年來，學(xué)界將該方法運(yùn)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(fù)原，為更深入的河流地貌學(xué)研究提供了可資利用的地理數(shù)據(jù)。該方法在古代城市形態(tài)研究、交通道路系統(tǒng)復(fù)原中也起到了重要作用。

GIS模型軟件是系統(tǒng)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(guān)系、密度、坡度、形態(tài)關(guān)系。2000年復(fù)旦大學(xué)滿志敏教授利用清光緒三年（1877年）直隸山東旱澇災(zāi)害史料，以及朝廷對這一地區(qū)村莊災(zāi)賑記載，建立時(shí)空數(shù)據(jù)庫，并利用GIS分析軟件中克里金（Kriging）插值方法，補(bǔ)充史料缺載地方的旱情數(shù)值，建立起光緒三年北方大旱氣候過程的連續(xù)數(shù)據(jù)集。通過時(shí)空分析，推測出該年梅雨季節(jié)北移的天氣過程，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境變遷研究由靜態(tài)描述向動態(tài)分析的轉(zhuǎn)化。這種方法對改變歷史文獻(xiàn)記載不系統(tǒng)，缺載、漏載、數(shù)據(jù)區(qū)域覆蓋不完全等情況幫助很大。

批量數(shù)據(jù)處理是GIS的長項(xiàng)。利用GIS構(gòu)建歷史地理數(shù)據(jù)庫，將時(shí)空數(shù)據(jù)加以整合，以任意時(shí)期、不同比例尺形態(tài)落實(shí)到地球表面，呈現(xiàn)人地關(guān)系，探索發(fā)展規(guī)律，是進(jìn)行綜合性歷史地理研究的方便之途。中國近代海關(guān)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、郵政輿圖的數(shù)字化所形成的地理空間數(shù)據(jù)庫非常典型，尤其是中國近代郵政系統(tǒng)，其空間布局與近代城市、市場的空間分布直接相關(guān)，利用近代郵政空間代替缺失的近代城市人口數(shù)據(jù)，定量分析近代城市體系的位序規(guī)模是一種捷徑。利用郵政網(wǎng)點(diǎn)與近代基層市場網(wǎng)絡(luò)重疊關(guān)系，從宏觀和微觀層面還原國內(nèi)市場網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也為全國范圍內(nèi)建構(gòu)近代基層市場網(wǎng)絡(luò)提供了一種技術(shù)路徑。這些工作集成了龐大的歷史數(shù)據(jù)量，沒有計(jì)算機(jī)以及地理信息系統(tǒng)的輔助無法完成。

地理空間人工智能：歷史地理數(shù)字化的加速器

數(shù)字地圖產(chǎn)生后，使紙質(zhì)地圖與之進(jìn)行時(shí)空對接十分重要。尤其中國傳統(tǒng)輿圖數(shù)量大，時(shí)間跨度長，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)換可建立時(shí)空界面，將地理剖面的時(shí)間軸拉長。

GIS技術(shù)利用該系統(tǒng)中的地圖空間配準(zhǔn)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(guān)系，并進(jìn)行要素提取，形成數(shù)字地圖，進(jìn)行更精確的環(huán)境復(fù)原。近20年來，利用近代實(shí)測大比例尺地圖數(shù)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(jī)制，形成城市形態(tài)學(xué)研究；提取地圖中的河流水系、湖泊渠道等水域面積數(shù)據(jù)，研究區(qū)域的環(huán)境變遷，研究精度大幅提高。然而，面對數(shù)量龐大的中國傳統(tǒng)地圖，半自動化式的地圖配準(zhǔn)與人工數(shù)據(jù)提取工作量巨大。

地理空間人工智能（GeoAI）的出現(xiàn)改變了以上工作模式，利用人工智能技術(shù)提取地圖數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)信息豐富、辨識度高，采用機(jī)器學(xué)習(xí)與圖像形態(tài)學(xué)方法，進(jìn)行數(shù)字圖像自動化提取省時(shí)省力得多，且精度更高。提取地圖中地表水體進(jìn)行近代以來城市化進(jìn)程中地表水體變遷過程與趨勢的研究，在上海城市環(huán)境變遷中做了有效嘗試。該方法有望為精準(zhǔn)復(fù)原近代以來地表覆蓋變遷，深入理解人地關(guān)系變化提供數(shù)據(jù)和方法，更加有效和方便近代地圖數(shù)據(jù)的提取。另外，武漢大學(xué)翁子揚(yáng)利用深度學(xué)習(xí)（Deeping Learning）技術(shù)，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(jìn)行文本識別與標(biāo)注，比較地圖中的地貌形態(tài)、海岸線輪廓、數(shù)據(jù)點(diǎn)分布、河網(wǎng)路網(wǎng)、城市數(shù)據(jù)，認(rèn)為利瑪竇測繪《坤輿萬國全圖》及其引進(jìn)，極大改變了歐洲對于中國地理知識的認(rèn)知，地圖精度大為改觀。

人工智能應(yīng)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(dāng)中，相信在未來的數(shù)據(jù)挖掘、知識獲取與提出問題上都將發(fā)揮更大的作用，應(yīng)用空間更加廣闊，歷史地理數(shù)字化發(fā)展的進(jìn)程與效率也將大幅提高。

數(shù)字賦能：歷史地理學(xué)的新機(jī)遇與新挑戰(zhàn)

歷史地理學(xué)走向數(shù)字化發(fā)展道路是學(xué)科本身發(fā)展趨勢使然，而數(shù)字化為學(xué)科進(jìn)步提供了更豐厚的土壤，也展現(xiàn)了更廣闊的前景，對于深化問題研究、加強(qiáng)學(xué)科綜合，起到了關(guān)鍵性的作用。滿志敏提出，在區(qū)域環(huán)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(shù)據(jù)集，利用“格網(wǎng)體系”（Grids）的方法，將點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)化處理，把過去不能進(jìn)行比較的人文與自然要素，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理，落實(shí)到同一水平上，在同等面積之內(nèi)比較各要素分布的密度差別，從而評估不同地域的要素發(fā)展程度與水平，揭示地表覆蓋的空間形態(tài)�？梢哉f，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(xué)科界限、進(jìn)行歷史地理學(xué)綜合研究的一個(gè)思路與方法。2017年“絲綢之路歷史地理信息開放平臺”網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，集成了歷史上絲路沿線土地利用、河流水文、生態(tài)環(huán)境、交通商貿(mào)、城址城市等多元數(shù)據(jù)集，為進(jìn)行綜合性的人地關(guān)系研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

當(dāng)然，就目前歷史地理數(shù)字化發(fā)展來看，也面臨一系列挑戰(zhàn)，將中國傳統(tǒng)缺乏計(jì)量的文獻(xiàn)史料進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，本身就是非常艱難的攻關(guān)。這中間需要制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)格式、進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼，從各種文本資料中提取能夠進(jìn)行時(shí)空對接的數(shù)據(jù)，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(tǒng)文獻(xiàn)有基本認(rèn)知，還要了解數(shù)據(jù)庫建設(shè)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(yīng)用也才剛剛開始。

目前，經(jīng)過20余年的攻關(guān)，歷史地理研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者已開發(fā)了諸多類型豐富的歷史地理信息數(shù)據(jù)庫，如中國歷代人口數(shù)據(jù)庫、中國歷史農(nóng)業(yè)地理數(shù)據(jù)庫、中國歷代疫災(zāi)數(shù)據(jù)庫，清代政區(qū)數(shù)據(jù)庫、清代災(zāi)荒數(shù)據(jù)庫等。一些區(qū)域或?qū)ｎ}數(shù)據(jù)庫，如西南地區(qū)、汕頭歷史地理數(shù)據(jù)庫，古代長城、運(yùn)河、黃河、海上絲綢之路歷史地理數(shù)據(jù)庫也在建設(shè)當(dāng)中。然而，這些分門別類數(shù)據(jù)庫的整合非常有限，單一類型的數(shù)據(jù)庫并不能很好地發(fā)揮研究的功能與效率，整合數(shù)據(jù)庫，用好數(shù)字資源才能真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字賦能，發(fā)揮大數(shù)據(jù)解決復(fù)雜問題的功效。未來，通過合理的數(shù)據(jù)整合途徑，將形成綜合的“中國歷史地理大數(shù)據(jù)平臺”，從長時(shí)段展現(xiàn)中華文明時(shí)空發(fā)展的歷史進(jìn)程，以有效數(shù)據(jù)開展綜合研究，切實(shí)發(fā)揮歷史地理學(xué)“有用于世”的重要作用。