美国国会图书馆藏有《山东黄河下游之图》(Library of Congress, 2022)黄河水利古地图, 全册共20页, 由扉页1页、凡例1页、分幅地图 17页、空白页1页组成。该地图绘制的山东下游古黄河状况, 西南起山东长清县东北至利津县, 涵盖了长清县、历城县、齐河县、章丘县、济阳县、齐东县、惠民县、青城县、滨州、蒲台县、利津县等黄河流经的11县域。

扉页由毛笔分2行从右至左、从上到下写有“山东黄河下游之图”字样。第2页为凡例, 相当于现代地图的图例。“凡例”采用从右至左、从上到下的中国传统书写方式, 用毛笔书写, 内容为“凡例: 一是图系按工部准尺勘丈缩成1/32300, 用南北正向以南为上; 每格横直均作3里, 篇幅较大平险易于分别; 一修守堤埝均用红色, 虽非向绘河堤正色, 因与废堤废埝有别易于醒目; 一废堤、废埝均用深黄色、河身用正黄色、溜沟用浅黄色、坝埽用黑赭色; 一是溜沟冲刷靡定, 概用沙点以别正河; 一分界用绿色竹节; 一村庄绘房屋, 以房屋之多少定村庄之大小; 一两堤相距河身阔狭均用机器测量逐处校准”。其大意为:(1)该地图是按照工部制造的准尺量具实地勘察丈量而成, 比例尺为1︰32300, 上南下北方向, 地图上的每个横竖方格为3里, 由于地图较大的原因这样容易区分辨别; (2)修守、堤、埝河工设施用红色表示, 虽然与以往用正色表示方法不同, 目的是与废堤、废埝有所区别, 易于辨认; (3)废堤、废埝均采用深黄色表示, 黄河用正黄色表示, 溜沟用浅黄色表示, 坝、埽用黑赭色表示; (4)由于溜沟冲刷迁徙流向不定, 一概用沙点表示, 以区别黄河; (5)行政界线以绿色的竹节表示; (6)村庄用房屋表示, 以房屋的多少说明村庄的大与小; (7)黄河两堤之间的距离, 是用测量仪器逐处测量的。17幅地图绘制均为黄河山东下游历城至利津之间的分幅地图。每幅均绘有横竖十字网格, 在与上幅接图处写有“X页(指本页)头接X页(指上页)尾”, 与下幅接图处写有“X页(指本页)尾接X页(指下页)头”字样。空白页无任何内容。

古地图中没有绘制人、绘制机构以及地图绘制年代的标注。从凡例内容和地图的规范程度来看应该是由官方绘制, 关于绘制年代美国国会图书馆网站中提供的为1644年至1911年之间, 时间跨度比较大。通过古地图中蕴含的信息, 结合黄河变迁史和其他参考文献资料, 可对其绘制年代做进一步较为精确的判定。

从黄河的整体走势来看, 这是黄河结束“南流”之后“东流”的情景, 也就是于1855年黄河改道之后编制的。自南宋建炎二年(1128)至清咸丰五年(1855), 黄河下游基本由河南经山东曹单入江苏, 在连云港附近入海, 历史学界称之为黄河“南流”时期(张含英, 1986)。1855年“河南兰阳汛, 铜瓦厢三堡决, 水由直隶东明长垣、山东濮州范县至张秋镇, 穿运入大清河, 由铁门关北萧神庙以下盖牡蛎嘴入海”(岳浚, 1986)。这是黄河的“东流”时期, 与该地图描绘的形势一致。“铁门关”在地图上有明确标注, 入海下口与上文描述一致, 而由铁门关入海的河道在地图上已标注为“黄河旧下口”, 在下口的上游还进行了“堵闭”, 地图上黄河新下口在旧下口之南, 新旧下口的分叉处在韩家垣附近。李鸿章在光绪二十五年(1899)二月《勘筹山东黄河会议大治办法折》中提到, “尾闾自在东北, 今利津以下之铁门关即古河故渎, 亦即咸丰以后黄河循行之道。光绪十七年河决于铁门关之南, 改由韩家垣入海”(吴汝纶, 1921), 与地图中黄河的变化形势吻合, 也就是说地图的绘制年代是在光绪十七年之后, 即1891年之后。

另外, 齐东县城在地图上位置的标注为地图编制年代进一步准确推断提供了有力的证据。地图第7页中绘有齐东县城, 县城紧邻黄河南岸湾内, 东西北三面临河。光绪二十年(1894)二月初五, 山东巡抚福润在奏折中描述到“济南府之属齐东县, 三面临河, 形如釜底”(中国水利水电科学研究院水利史研究室, 2004)。这与地图中绘制的齐东城三面临河形势完全吻合。由于齐东河患不绝, 光绪十八年(1892)就出现河水灌城的情况, 福润这次也是奏请朝廷拟迁齐东城事宜, 经批准后于当年4月15日齐东县“呈报新城竣工”(梁中权和于清泮, 1935), 迁于九扈镇。这表明1894年4月以后齐东县城已经从临河处迁出, 因而地图绘制年份最迟为1894年4月。

综上分析可基本判定此地图应绘制于1891年至1894年之间。

对古地图中蕴含的地理信息解读, 是数字化工作前提和基础。对其精准、完全的解读有助于提高制图方法、要素分类、符号表示等方面的认识。

1.3.1 制图方法探究 “凡例”中说“是图系按工部准尺勘丈缩成1/32300, 用南北正向以南为上, 每格横直均作三里。篇幅较大, 平险易于分别”, 其中提到的“每格横直三里”与地图上的表示是一致的。每幅地图上都采用了红色绘制了直角横竖网格, 这是中国传统“计里画方”测绘方法。“计里画方法的制图原理是将地表面视为平面, 把地表面的自然地理和人文地理等要素, 利用方格网控制, 按一定比例缩制到地图平面上, 用各种线条、符号、颜色与注记加以表示, 并加文字说明将缩制的比例, 即地图比例尺明确表示出来”(胡邦波, 1990), “实际上就是通常所说的控制网格, 绘图时在纸上先绘制好网格, 然后将数据按照比例折算后绘入图中”(成一农, 2014)。西方测绘技术在明末已传入中国, 并且至光绪年间已经建立起全国大地控制网(《中国测绘史》编辑委员会, 2002)。在该地图实地测量过程中使用了西方传入的测绘仪器设备, 那为什么绘图过程中没有采用经纬网络, 依然采用传统的绘制方法呢?这应该与地图的实际用途有关。黄河东流后河患依然严重, “对于晚清黄河铜瓦厢北徙后的下游河段沿岸区域, 黄河北徙的确带来不小的灾难, 这场灾难甚至被西方考察者认为是中国之患(China's Sorrow)”(古帅, 2020)。该地图就是在此背景下绘制的, 从地图要素看其主要作用应是用于黄河防灾救灾使用, 包括河工建设和日常维护以及因河患居民点的搬迁等内容, 因而这幅地图可以说是山东黄河下游河工图或防灾救灾专题地图。清代测绘方法与“精准”(指西方测绘方法)相比, “那些‘ 不精准’ (中国传统测绘方法)的地图依然广为流传, 大量运用于实际工作的河工图、道里图、边防图、海防图, 我们就不得不考虑中国古人绘制地图的目的是什么, 以及在他们心目中地图实现使用目的所应采用的技术手段是什么了?”(成一农, 2014)。可以说这幅地图对精度追求不是那么迫切, 其目标是在山东黄河下游出现或可能出现河患时, 供河工建设、抢险救险使用, 因而也就不难理解该地图依然采用了“计里画方”的传统测绘方法, 而非经纬网格。当然测量习惯也是重要的考量, 但不是关键因素。这折射出在西方测绘技术引进过程中, 前人并非泥沙俱下全盘接收, 而是根据实际情况具体分析, 从实用出发取长补短有选择性的吸纳, 并与中国传统测绘技术方法逐步融合, 从而摸索出对自身建设发展更为合适的方法和道路。

1.3.2 地理要素 “凡例”对地理要素分类和表示也都做了比较科学详细的说明。要素包括河、营房、堤、埝、废堤、废埝、溜沟、埽、坝、闸、县界、县城、乡镇、村庄、寺庙、其他组织机构、山、垣、滩、南泺口等20种要素, 还有一些说明描述性文字。在对地理要素解读中发现, “凡例”中提到了11类要素, 除此之外还有县城、其他组织机构、寺庙、山、闸、垣、滩、埽、南泺口等9类“凡例”中没有提及, 而在地图上确有标注及符号表示。同时地图中还有描述性图说标注, 并非地理实体, 比如黄河新旧河口的描述说明等。由于本图为黄河图, 因而图中没有对黄河这一地理实体进行标注, 在地理要素标注数量统计时也统计进去了。具体要素分类和图中标注数量见表 1。地理要素分类分析可为数字化图层分类设计提供更为重要的基础依据, 按现代标准规范《1︰5000、 1︰10000、 1︰25000、 1︰50000、 1︰100000 地形图要素分类与代码》(GB/T 15660-1995)分类方式进行分类(国家测绘局测绘标准化研究所, 1996), 这20种要素可归为居民地、地貌与土质、水系及附属设施、工矿建(构)筑物及其他设施、境界、其他等6大类。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 黄河古地图要素分类及数量统计 Table 1 Classification and quantitative statistics of factors of Yellow River ancient maps 序号 类别 要素名 数量 凡例中有无说明 1 居民地 县城 3 无 2 乡镇 7 无 3 村庄 1111 有 4 其他组织机构 4 无 5 地貌与土质 山 10 无 6 水系及附属设施 河 1 有 7 堤 堤 2 有 8 废堤 2 有 9 埝 埝 2 有 10 废埝 2 有 11 坝 7 有 12 闸 1 无 13 溜沟 6 有 14 滩 11 无 15 垣 1 无 16 埽 95 无 17 营房 11 有 18 南泺口 1 无 19 工矿建(构)筑物及其他设施 寺庙 6 无 20 境界 县界 11 有 21 其他 其他 4 无, 描述性文字 合计 1326

表 1 黄河古地图要素分类及数量统计 Table 1 Classification and quantitative statistics of factors of Yellow River ancient maps

1.3.3 图式符号表示方式 “凡例”中对于11种要素图式符号有详细的文字描述, 并且对其选择原因也作了解释说明。河用正黄色表示, 营房、堤、埝均用红色表示, 堤废、废埝均用深黄色河表示, 溜沟用浅黄色沙点表示, 坝、埽用黑赭色表示, 县界用绿色竹节表示, 村庄用房屋表示, 房屋多少定村庄之大小。在地图判读过程中发现, 图式符号有些描述与地图实际表示是一致的, 个别表示存在不一致。如营房采用了旗杆表示, 旗帜涂有红色; 堤、埝用红色线段表示, 废堤、废埝用深黄色线段表示, 河身用正黄色线段表示, 溜沟用深黄色沙点连线表示, 坝以黑赭色点表示, 埽用黑赭色线段表示, 以上要素的图式符号与凡例描述一致。而行政界线“凡例”介绍中说以“绿色竹节”表示, 而图中实以浅红色竹节线段表示, 与“凡例”介绍有所不符。

“凡例”介绍中说村庄以房屋表示, 而图中实际用深红色圆圈点状表示, 与实际不符。圆圈分为大小2种, 应为区分村庄大小的表示方式。除以上11种外, 其他9种要素进行了图式符号表示, 见表 2。如县城采用灰色双线城墙的表示形式, 通过符号基本可判断县城的形制规则和大小。山采取青色山形表示, 基本也可以判定山的形状、大小。机器局、留养所、火药库等其他组织机构采用用灰色双线墙体表示。寺庙采取寺庙房屋风格的形式表示, 墙面涂有红色。闸采用对应2个灰色方块表示。垣采用黑色双线方式, 可判读出形制大小。滩采用沟网状表示, 涂深青色, 基本可判读出滩涂的大小。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 黄河古地图主要图式符号表示方式 Table 2 Main schematic symbols of Yellow River ancient maps

表 2 黄河古地图主要图式符号表示方式 Table 2 Main schematic symbols of Yellow River ancient maps

通过对“凡例”说明、地图中各要素图式符号表示形式研究可看出, 有些符号表示吸纳了西方的图式方法。比如村庄的表示, 中国传统表示方式一般用房屋表示, “凡例”中也有说明, 而实际表示方式以红色圆圈表示。与现代图式标准规范相比, 则更多的图式符号形式还是沿用中国传统表示方法, 比如山、滩涂的表示形式, 则用了传统的山水表达手法, 县城、坝、闸、埽等也是意象的表达手法。

美国国会图书馆网站直接提供了jpg格式以及tif格式地图扫描数据, 提供的扫描数据无折残、纸张平整、色彩饱满、周边变形较小, 很有利于数字化工作。本次选用jpg格式595×484相对较低像素的图片进行数字化, 这对节省存储、设备快速运行及提高工作效率均有好处, 也是数字化对图片像素需求与古籍保护需要不同之处。从古籍保护的角度进行栅格化处理应是像素越高越好, 而就数字化工作来说, 并非像素越高越好, 也非图片数据量越大越好, 而应坚持在满足数字化的前提下数据尽量小的原则, 只要地图内容能够清晰判读、不影响接边以及后续的矢量化等工作, 数据越小越好。

上文已介绍, 每分副图都标注了与上分副图以及下分副图接边的字样, 可根据地图提示快速找到接边处。“拼接前首先要先对图上内容分析, 确定拼接时首要参照地物”(赵锴和姜莉莉, 2016), 本次接边工作主要依据黄河、以及南北堤埝特征点重合部分进行接边, 相对比较单一, 而在实际工作过程中也遇到了一些问题, 比如部分特征点不能完全吻合的问题。如图 1左图, 2分幅图接边时, 黄河、溜沟、堤埝基本吻合, 这是质量较好的接边图幅, 最下方的堤埝还是稍微错位。而图 1右图相对来说接边质量较差, 黄河、堤埝等难以吻合、顾此失彼, 因而采取“优化法”(张振利和孙建华, 2008), 先以一较重要特征点为标准完成接边工作, 即优先满足河身能够最大程度的吻合。接边中无法完全重合的问题, 一般有2个方面原因造成的, 一是地图扫描过程中的变形, 二是地图裁切过程中的损耗, 这种错误的累积会较大影响到地图精度质量。

图 1

Fig.1

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	图 1 黄河古地图接边处理方法示例Fig.1 Example of edge processing method of Yellow River ancient map

由于地图没有坐标系统以及要素无经纬度, 在地图矢量化之前要对地图进行地理配准, 这是数字化工作的基础。“空间配准是通过控制点的选取, 对扫描后的栅格数据进行坐标匹配和几何校正。经过配准后的栅格数据具有地理意义, 在此基础上采集得到的矢量数据才具有一定地理空间坐标, 才能更好地描述地理空间坐标, 解决实际空间问题。配准的精度直接影响到采集空间数据的精度。因此, 栅格配准是进行地图扫描矢量化的关键环节(李晶等, 2010)。通过对地图包含的所有类别要素分析可知, 地图对黄河两岸的村庄标注较多, 共1111个。由于村庄面积较小, 作为地理配准点会更为精准, 因而选择村庄进行地理配准对象是比较科学的。在17分幅图中, 第9分幅图(图 2)所包含的要素最为丰富, 颇具代表性, 下文以这幅图为例对数字化工作进行详细的阐述。

图 2

Fig.2

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	图 2 《山东黄河下游之图》第9分幅图原始资料图Fig.2 Section 9 original data diagram of the Map of the Lower Yellow River in Shandong Province

在选择地理配准点之前, 首先对地图所有村庄与国家天地图中的村庄名称逐一比对。即打印出纸质分幅地图, 对名称、地理位置基本没有发生变化的村庄用红色马克笔进行标记, 对名称或地理位置疑似发生变化的用蓝色笔标记, 而对于在天地图上没有发现的村庄不作处理(图 3)。

图 3

Fig.3

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	图 3 与天地图村庄对比进行红蓝标注的资料图Fig.3 Data map with red and blue marks compared with Tianditu villages

地理配准时要对所有村庄地名进行比对, 然后遵循每分幅均匀分布、选点精确的原则, 优先从红色标记的村庄中选择配准点。从每分幅图四角各选1点, 中间均匀选4点, 除掉第19幅无明显标志物之外, 16幅图计划共需选点128个, 实际选择了132个控制点, 见表 3。村庄有无发生变化的评判标准是, 通过地图、天地图村庄名称及与周边村庄的相对位置(含方向、直线距离)是否一致进行判断, 如一个村庄两图名称一致, 与周边村庄相对关系一致, 基本判断本村庄没有发生变化。

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 《山东黄河下游之图》地理配准点分布统计 Table 3 Statistics of geographical registration point distribution of the Map of the Lower Yellow River in Shandong Province 分幅号 地理基准点名 点数 第1幅 毛家庄, 老屯, 南北泺口中间点, 蒋家庄 4 第2幅 蒋家沟, 褚庄, 小河套圈, 云家, 傅家庄 5 第3幅 冯庄, 路家寨, 胡家岸, 闫庄, 小杜庄, 朱毛店, 史家坞, 范家庄 8 第4幅 刘家庄, 郑庄, 夏家, 小匡家, 南房家, 更衣亭, 十里铺, 土城 8 第5幅 张虎店, 温家, 段家, 毕家集, 新街口, 里上台村, 大寨, 化仁店, 高家楼 9 第6幅 延安镇, 韩家纸坊, 老杨赵, 油坊, 孙家, 西生家寨, 张辛庄, 杨家庄, 大信家, 集店, 唐庄 11 第7幅 大张家, 张文台, 小马家, 李家坊, 演马庄, 高家, 韩家小庄 7 第8幅 沙窝杨家, 归仁镇, 草庙, 庞家, 张韩兰家, 杨家坊子陈于村, 庞家 8 第9幅 郑家纸坊, 篓子孙, 毛家庄, 边家庄, 台子李家, 徐家庄, 张家庙, 王平口, 魏家集, 老君堂, 双庙杨家, 北段家, 赵家口 13 第10幅 刘春家, 毛纸王庄, 寨刘家, 大安定, 沙土魏, 殷家庄, 杨家, 赵家庄, 马小王庄, 小安定 10 第11幅 十里铺, 董庄, 丁家口, 丁家庄, 皂户李家, 小张郭家, 马家坊 7 第12幅 李廷家, 沙家, 雷庄, 双台, 滩郭庄, 大李家, 桑行张家, 南崔庄, 蔡家寨, 毛李庄 10 第13幅 三岔, 皂户王家, 戴家庄, 小马庄, 蒋家, 郑家井, 尚家, 大孙家, 圈里张家 9 第14幅 豆腐巷, 大马庄, 宋王庄, 庄科, 梅家庄, 王家圈, 韩大庄, 扈家庄, 三佛殿, 9 第15幅 姜庄, 宋家, 前左庄, 乔家, 十六户, 刘家庄 6 第16幅 南岭, 北岭, 萧庄, 八里庄, 庄科, 陈庄, 韩家垣, 毕家嘴 8 第17幅 0 合计 132

表 3 《山东黄河下游之图》地理配准点分布统计 Table 3 Statistics of geographical registration point distribution of the Map of the Lower Yellow River in Shandong Province

在对地理配准具体工作过程中情况会变的复杂, 需要对不同的问题进行分析并进行科学的调整。

一是分幅图选点数的差别。就每分幅图而言差别还是比较明显, 最多的图幅选点有13个点, 最少的有4个。例如第1分幅共选择了4个点, 远低于8个, 主要是这幅图位于现在的济南市城区, 地名发生变化较大。有些地名虽然现在也还存在, 其实已是现代社区, 和原来村落的位置并不一致, 因而不能作为配准点选择。有些分幅图所记载的地理要素内容较少, 因而选点也不多。比如第10分幅图, 只在图幅的东南方向绘有内容, 不需选点过多, 选7个点即可满足配准的需要。选点最多的是第9分幅图, 共选点13个。这主要是本分幅图涵盖地理要素丰富, 几乎占满全幅, 同时河道拐点较多, 需多加配准点予以控制。二是个别选点使用了蓝色标记等村庄。为满足配准点分布原则, 在红色标记的村庄不能够完全满足情况下, 个别选用了蓝色标记点为配准点。如图 4中地图上的庞家、王家集、杨家、曲家与天地图中庞家村、王集村、杨家庙村和曲张村, 无论名称、相对方向、还是距离均为一致, 因而可判定这4个村子在两图中是完全对应的, 标记为红色。而在图 5地图中曲家南边有一个村庄叫吴家, 在天地中对应位置有个村庄名字为筢子吴家, 也基本判断为地图中对应的吴家。而吴家周边对应可参照的村庄较少, 且在天地图中曲张家和筢子吴家中间有两个村子为地图中没有的, 因而吴家只能按疑似为筢子吴家处理, 标记为蓝色。在曲家西偏南5° 左右有孙王庄, 而天地图中没有这个村庄, 因而按“无”处理, 不做标记。例如第15幅西北方向村庄基本没有, 面临无点可选的窘境。经仔细核实, 位于地图中北岭村北偏东约3° 七公里、科庄村西偏北2° 三公里处的蓝色标记点“八里庄”, 与影像图中的八中村位置、距离基本一致。且近临八中村西北、东北处分别有八西村和八中村, 因而推断原“八里庄”为现在的“八中村”, 从而作为地理配准点选用。第1幅图中, 能够准确选定的点只有3个, 基本无法满足配准要求。经过分析, 选用了地图中南、北泺口中间连线黄河的中间点对应影像图中相应位置为配准点。因而在地理配准过程中, 在遵循一定原则下尽量满足要求, 同时也要根据实际情况灵活处理具体问题, 使工作更具有可操作性和现实性。

图 4

Fig.4

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	图 4 村庄比对图(一)Fig.4 Comparison chart of villages(Ⅰ )

图 5

Fig.5

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	图 5 村庄比对图(二)Fig.5 Comparison chart of villages(Ⅱ)

本次地理配准采用天地图影像数据(CGCS2000)为工作底图, 以古地图村庄为起点(源, ), 在村庄符号 正中间选定。以天地图卫星影像对应村庄为终点(目标, ), 尽量选定在村庄正中间, 以村中间两条路的交叉口为最优选择对象, 如图 6、图 7地理配准点“双庙杨家”在地图及影像上的选点情况。如果不具备条件, 选择村庄中间有比较明显标志的地方, 比如房屋比较明显的房角。

图 6

Fig.6

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	图 6 地理配准点在古地图上的选点(一)Fig.6 Selected points on an ancient map(Ⅰ )

图 7

Fig.7

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	图 7 地理配准点在影像上的选点(二)Fig.7 Geographic registration point selected on an image(Ⅱ)

运用天地图对数字黄河古地图进行配准, 可赋予其具体投影系、坐标系以及投影值, 通过对同一村庄地理位置的偏差进行分析可实现对数字黄河古地图的精度质量进行评价。并采用一阶多项式(仿射)方法进行纠正, 它包括对平移、旋转、偏斜及长宽比例差异等常见变形的纠正。残差统计见表 4。

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 132个控制点残差统计 Table 4 Statistics of residuals of 132 control points 序号 影像X坐标 影像Y坐标 古地图X坐标 古地图Y坐标 残差ΔX 残差ΔY 残差ΔS 1 51942.065404 -3844.030123 13037600.178232 4409527.517651 -1008.310 -201.318 1028.210 2 27479.736783 -20665.256006 13128955.836210 4476648.783765 3085.140 -2776.600 4150.620 3 58463.684089 -1993.119563 13013654.691815 4401705.150289 -1519.370 1599.570 2206.150 4 57126.183546 -3291.979514 13018513.672215 4406806.482773 -1407.000 1600.580 2131.080 5 55933.845057 -1487.998768 13023100.340665 4400985.108541 -1243.470 1306.740 1803.820 6 54929.053665 -3216.302300 13026850.358791 4407090.761084 -1010.610 1021.160 1436.700 7 54492.371925 -2006.229407 13028617.103472 4402992.625535 -899.351 816.062 1214.410 8 53659.908844 -3803.756641 13030884.023621 4410373.468095 -1522.710 1658.160 2251.250 9 53134.257385 -3166.942112 13033522.023440 4407062.976416 -824.428 245.462 860.194 10 51215.585049 -3895.670796 13039788.991464 4410557.191797 -1439.990 282.018 1467.350 …… 122 12502.687675 -30160.077295 13175246.496987 4524423.037953 -4102.480 5060.520 6514.540 123 12345.982732 -31165.101333 13174127.197420 4526101.656084 -5722.710 3240.760 6576.620 124 11253.128469 -31315.608578 13178491.008367 4526910.106575 -5296.230 2979.650 6076.880 125 11713.280448 -31480.788070 13177571.875511 4528287.701796 -4542.740 4030.220 6072.820 126 10468.229595 -31284.441555 13182369.721418 4528352.634530 -4254.370 4127.690 5927.690 127 10190.040468 -31837.273759 13183630.423917 4530425.168714 -3962.620 4177.910 5758.240 128 10564.531831 -31985.009767 13181622.958267 4531269.892107 -4607.970 4711.230 6590.070 129 9900.374058 -33351.317219 13182901.410794 4536577.452110 -5639.840 5032.640 7558.780 130 9169.222793 -33215.680034 13186416.804152 4537443.907337 -4773.930 5987.360 7657.610 131 8745.046171 -32561.309727 13187919.335197 4536209.313180 -4845.760 6762.060 8319.060 132 8533.828070 -32103.430096 13188956.206621 4535766.291541 -4601.380 7768.660 9029.110

表 4 132个控制点残差统计 Table 4 Statistics of residuals of 132 control points

通过对控制点在地图上的影像坐标与天地图(CGS2000坐标系)上的坐标校正的残差平均值及中误差的计算, 可分析出地图的校正精度情况。

经计算, X坐标差均值残差ΔX为-0.0001053 m, Y坐标差均值残差ΔY为0.0002530 m; X坐标差绝对值均值残差ΔX为1772.727 m, Y坐标差绝对值均值残差ΔY为1792.754 m。在这里, 绝对误差是指因为控制点的误差所形成的古地图数据的误差。运用公式:

M=±∑i=1nΔi22n

式中: M为成果中误差; n为检测点个数; Δ_i为残差。

可计算出X坐标中误差为ΔX± 1546.462 m, Y坐标中误差ΔY为± 1612.023 m, 残差ΔS为± 2233.867 m。也就是说, 不考虑因控制点形成的误差, 而是因当时测绘设备或人员技术能力等因素所形成的误差为X坐标± 1546.462 m、Y坐标± 1612.023 m、残差± 2233.867 m。如果按照现行测量规范标准对以上统计数据进行评价, 应该说这些数据毫无意义, 若从对古地图以及测绘史的研究方面看, 或者从了解某一时期的古地图测量精度以及古地图精度变化趋势看, 可提供比较客观真实的定量数据, 实现了对清末黄河地图测量精度研究由定性到定量的发展。

2.3.1 数据分层 由于国家没有相关的历史地图数据库建设的标准规范, 且要素比较少, 因而本次采取每个要素建立一个图层原则进行。如表 5所示。

表 5

Table 5

表 5(Table 5)

表 5 主要地理空间数据采集图层类型统计 Table 5 Statistics of main geospatial data acquisition layer types 图 层类型 图 层名称 点 营房, 闸, 乡镇, 村庄, 寺庙, 垣, 滩, 其他组织机构 线 堤, 埝, 废堤, 废埝, 溜沟, 埽, 坝, 县界 面 河, 县城, 山

表 5 主要地理空间数据采集图层类型统计 Table 5 Statistics of main geospatial data acquisition layer types

2.3.2 要素采集 本次数据录入采取手工的方式进行。数据采集精度为3个像素以内。采集要素的同时, 在要素属性表中“NAME”字段输入要素具体名称, 如XX村等。

2.3.3 符号化 对所有的要素进行符号配置, 配置要求主要参考GB/T 20257.1-2017《国家基本比例尺地图图式第1部分1︰500、1︰1000、 1︰2000 地形图图式》进行。符号化成果, 如图 8所示。

图 8

Fig.8

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	图 8 数据库符号化示意图Fig.8 Symbolic diagram of database

利用ArcGIS Pro可直接进行数据建库, 从而实现黄河古地图空间数据和属性数据的入库与管理, 也代表着基本完成了基于GIS的历史地图信息的现代数字化整理工作。

清咸丰年间, 惠民县属武定府, 根据《武定府志》^①(①（清）武定府志· 第9卷.清咸丰九年刻本.)记载“洪教寺属清河镇”, 在第8分幅图绘有清河镇, 其正西南方向420 m处即为洪教寺, 和史书记载相符。清光绪《惠民县志》^①(①(清)惠民县志· 第4卷.清光绪二十五年柳堂校补刻本.)对黄河河道记述“自济阳县唐张道口入县界东经马头镇、清河镇至老君堂计行八十里入滨州界”。这与在ArcGIS数据库环境下通过对惠民黄河河道测量距离为41.9 km(1 km为2里)基本相差无几, 其中老君堂位于惠民县和滨州的行政界线处, 和古地图表示也完全吻合。在民国《山东省志》^②(②(民国)山东省志· 第7卷.钞本.)中有清河镇距离蒲台、齐东县城距离的记载, 对进一步验证数字化地图精度帮助甚大, “清河镇距齐东五十里, 属惠民县”, 接着又说“蒲台距清河镇六十五里。”通过在数据库中对相关距离进行测量, 清河镇离蒲台县城直线距离为31.9 km, 和史书记载距离基本一致。而距齐东县城距离为20.6 km, 和省志记载有将近5 km距离的差距。如果按照以上对相对精度的验证来看不应该误差那么大, 其原因如上文所述, 齐东县在1894年已经迁城, 因而民国时期统计的清河镇至齐东县城的距离为清河镇到迁城后的齐东县城的距离。结合以上文献资料记载的有关道里距离对数据库精度验证可知, 这幅古地图相对精度还是极高的, 在现实河道治理工作中既具应用价值, 为黄河河工部署、防灾抢险、河工建设、日常维护等工作提供空间数据基础, 同时也真实验证了中国的“计里画方”测绘技术具有较强的实用价值。

“元至元十七年(1280), 命都实为招讨使, 佩金虎符, 往求河源┈是冬还报, 并图其城传位置以闻”(宋濂, 1976)。“这是有史以来第一次测了河源图, 都实所测河源图已亡佚, 当时翰林院侍读学士潘昂根据阔阔出所述记录撰写了《河源志》附《黄河源》图, 但潘书也已亡佚, 而在陶宗仪所著《南村辍耕录》第二十二卷全文照录了潘所著《河源志》附《黄河源》及柯九思《序》。古代地图比较简单, 仅能表示黄河河源附近的概略情况”(喻沧和廖克, 2010)。“今天所能见到的最早的河工图是元代王喜撰《治河图略》一书, 其书首列6图, 以表现古今黄河河道经行与治河方略; 该书撰于元至正年间(1341—1368)黄河决口为患之际, 《治河之图》及其所附图说详细描绘黄河走势与险工地段, 并据此提出相应的治河方略, 属于典型的黄河水利工程图, 此图应该是明清河工图的渊源”(李孝聪, 2008)。之后的明、清、民国时期各类黄河水利专题图层出不穷, 质量残差不齐。就黄河水利专题地图数字化而言, 首先要对黄河古地图进行甄别。是否能够数字化研究, 数学基础是重要前提, 无论是采取中国传统的“计里画方”技术, 还是采取西方的投影技术、经纬度网络, 起码要具备其中之一。如《黄河源》图可视为一份示意图, 没有数学基础, 应该说没有直接数字化的基础, 也没有数字化的意义。而本次数字化黄河古地图使用了“计里画方”技术, 具有了一定的数学基础, 因而具备了条件。通过对古地图要素类别的梳理以及符号表达方式研究, 可以与其他黄河水利专题古地图的情况对比研究, 从而探索要素及符号表达的变化形态, 并分析引起这种形态变化的历史背景及内在逻辑。通过数字化工作, 在现代坐标系下山东黄河下游河道长度为280余千米。数字化不是目的, 数据建库也只是手段, 其重要目的是在现代坐标系下对不同时期的数字化地图进行对比分析, 充分利用平台系统丰富的统计分析功能, 发现不同地图主体之间的普遍性和差别, 这不仅可以大大提高研究效率, 也可以更好拓宽研究的视野。相较于具备数字化条件的黄河水利专题地图, 更多的是不具备数字化条件的专题图, 这些地图是否无法进入数字化研究领域?也并非全是。因为同为黄河水利专题图的不同地图之间还是有很多相重合的地理实体, 比如通过村庄、埽、坝、营房等相重合的地理实体使两幅古地图产生关联, 从而为更深入广阔的研究奠定基础。

图 9

Fig.9

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	图 9 山东黄河下游河道古今对比Fig.9 Ancient and modern comparison of the lower Yellow River channels in Shandong Province

130年来黄河两岸城、镇、村庄发生了很大变化。这种变化, 除当时地图编制过程中可能出现的记录有误外, 更多还是黄河对周边生态环境的影响。通过对17分幅图 1111个村庄逐个比对分析, 共统计出村庄基本没有发生变化385个, 占比34.65%; 村庄或村名发生变化的300个, 占比27%; 其余为无法判定村庄已消失或村名发生变化的, 占比38.35%。主要有以下4个特点。(1)村庄消失或村名发生了变化。很多村庄在天地图上已经不存在了, 主要原因应为由于黄河泛滥以及河道工程治理, 村庄发生了迁徙, 特别是以齐东县城、蒲台县城的搬迁为代表。通过古地图数字化这些村庄已具有了现代时空特征, 可结合文献史料进一步研究黄河对周边城镇村庄的影响。有些村庄名称发生了变化。比如上文提到的王家集、庞家、杨家、曲家, 通过比对可明确确定为天地图上的4个村子, 而3个村庄的村名已发生了变化, 这种现象比较普遍, 为地名沿革研究提供了素材。(2)靠近现代城市区域发生变化较大。通过古地图和不同时期卫星影像对比来看, 改革开放以来城市建设取得了长足发展, 村庄的合并拆迁导致村庄的消失, 比如济阳东部的10多个村庄已经在天地图上无觅踪迹。或者村名还存在, 但现在已经为新建社区, 地理位置也会发生变化, 济南历城附近的盖家庄、李家庄、新徐家等也是这种情况。(3)行政建制发生了变化。地图出现的县级地理名称, 长清县、历城县、章丘县、济阳县等4县如今成为济南下辖的区建制, 滨州上升为地级市, 齐河县、惠民县、利津县3县没有变化, 青城县、蒲台县、齐东县3县已经消失成为了历史。其中青城县于1948年“与高苑县合并为高青县”(高青县地方史志编纂委员会, 1991), “1956年蒲台撤并入博兴”(山东图书馆, 2005), 齐东县于1958年“撤销, 分别并入邹平、博兴”(高青县地方史志编纂委员会, 1991)。地图中出现的7个乡镇建制也变化较大。历城堰头镇现在变为了村庄; 齐东延安镇已消失, 现在邹平延西村应为延安镇演变而来, 曹务镇已变为曹务村; 位于溜沟和黄河间的青城小清河镇已消失; 惠民归仁镇已变为归仁村, 大清河镇变为清河镇; 滨州北镇现为北镇街道办事处。在以上7个镇中, 有2个现在仍然为镇或街道办, 4个镇建制发生了变化降为村, 1镇消失。(4)一些历史地名本身包含着历史信息。如据《山东省志》^①记载, 清河镇“位于河北岸, 为河中往来民船之中继地, 货物之集散颇盛”, 而其附近有郑家纸坊、毛家纸坊、尚家纸坊等4个以“纸坊”命名的村庄, 可为区域经济研究提供信息支撑。另外, 通过数字化地图黄河口和天地图中黄河口量距可知, 在130年在时间内黄河口往前推进了60余千米。如果再结合其他古地图和史料可以对1855年以来黄河口的变化、推进进程以及对生态环境的影响做更为微观细致的研究。