历史GIS支持下的城市形态研究技术框架

邓元媛，张传芳，周雪

（中国矿业大学）

1 引言

《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》明确提出，城市更新行动是面对城市发展的新阶段、新形势和新要求做出的重大战略决策部署，也是“十四五”以及今后一段时期我国推动城市高质量发展的重要抓手和路径。城市形态学从三个维度描述城市，即时间演进、形态特征以及层级结构[1]，对其精确的描述有利于形成未来城市空间布局调整的判断和依据。传统的城市形态研究基于历史图学，即以历史资料和古籍地图、口述历史为基础数据进行研究，数据处理过程存在数据收集难度大、不同时期数据对应性差等问题。因此，本文关注历史GIS 在城市形态学的研究进展，梳理其技术框架，试图为该领域的纵深研究提供基础性支撑。

2 基于历史GIS 的城市形态研究知识图谱

2.1 数据来源及研究方法

在中国知网中进行数据检索，生成知识图谱以廓清该领域研究的基本状况[2]。分别将“GIS”与“城市形态”、“历史GIS”与“城市形态”为关键词在CNKI进行检索，时间区间设置2000年至2021年，共检索出的330 篇论文，经人工筛选后得到有效文献307 篇。首先利用“知网”分析功能对文献发表的时间、来源进行词频分析和分类统计，然后借助Citespace 软件对文献进行合作分析与关键词共现，以可视化的方式分析、解读当前的研究现状、知识结构，从而预测未来的发展趋势[3]。

2.2 总体研究现状

文献的发文量年度分布统计和论文学科分布统计（见图1-2），形成了对历史GIS与城市形态研究的初步认知。2000年～2021年期间，该领域的相关文献量呈增长态势，其中2012和2019出现了波峰。经过对文章内容的进一步分析发现，这两次波峰反映了学科研究受“事件”影响的结果。如2012年是GIS引入地理学十周年，大量作者借此契机对研究进行回顾和梳理，使2012年发文内容和数量激增。

图1 发文量统计

由于本文聚焦的研究内容是“城市形态”，从论文的学科分布来看有较大的工学属性（图2），主要集中在建筑工程学科、自然地理学和测绘学、计算机软件及应用等学科，其中居于首位的建筑工程学科（涵盖了建筑学与城市规划两个方向）以60.17%的占比，处于绝对优势，也体现出目前“城市形态”研究偏向物质空间的属性特征。

图2 论文来源统计

3 历史GIS在城市形态研究的应用

经过前文对历史GIS 研究的分析，已经对其研究的内容和方向有了初步的廓形，下面将讨论技术的应用场景。基于形态研究的尺度差异，分别从宏观区域、中观城市、微观地块三个层面展开。

区域尺度的城市形态研究主要关注城市形态的演变过程及规律，多源于历史地理学的研究，这个尺度的研究表现为时间跨度大、空间范围广，能充分发挥GIS平台数据收集和处理的优势。中观的城市形态研究，多关注城乡历史聚落研究的影响因素。由于研究尺度的缩小，数据量有了很大缩减，可以对城市中更加具体空间信息要素进行分析，如山水系统、城垣城池的位置、街巷系统、府衙学宫等。通过将历史信息要素在现状城市空间进行坐标定位，对空间要素进行横向、纵向分析，发现和总结城市演变过程与发展规律，明晰历史空间要素对城市格局的作用[4]。地块及其内部的建筑构成了城市形态描述的最小单元，也是城市更新的基本单元。面对我国城市建设中大量的更新项目，如何在历史研究和规划建设工作之间形成有效的对接和转换，使历史形态得以保护和延续，是基于地块尺度的形态研究所面对的问题。相对中、宏观的研究，微观地块研究形态周期短、结构要素变化微弱。

4 基于历史GIS 的城市形态研究技术框架

历史GIS作为一种技术方法已经较好地实现了城市形态研究中的应用，其在数据收集、处理和分析方面扮演着越来越重要的作用，突破以往静态且不直观的数据模式，将数据与空间和时间的演变结合起来，有效地廓清城市的面貌[5]。在未来的研究中，必将发挥更加积极的作用。本文遵循研究的思路，将技术路框架分为数据采集与处理、空间数据库构建和城市空间形态分析[6]三个部分，同时对应地域、城市、地块三个不同尺度的研究[7]。

4.1 数据的采集与处理

城市形态研究的原始数据包括矢量数据、栅格数据[8]及属性数据。不同尺度的研究需要收集的资料也有区别。宏观区域尺度从全国性地图资料或历史数据平台中查找相关历史资料，如中国历史地理信息系统（CHGIS）[9]、浙大学术地图发布平台等[10]。通过将区域交通路线、里程、网络中的节点（府、州、县、驿站等）以及和山川河流的关系整合到一起，形成历时性的全局观念。中微观研究需要收集片区、地块尺度等更多详细数据，如路网、土地利用强度等信息。纸本数据多为栅格数据，需要对其进行矢量转换，才能进入数据平台。纸本资料汇总后，再通过现场调研甄别资料的准确性。尤其是中小尺度的研究，通过实地走访，可以获取现场地形地貌、建筑质量与环境特征等空间信息，以及文化习俗、居民类型等社会信息。调研可以对文献中尚未记录或不方便记录的各类资料进行补充，作为建立历史GIS 的基础数据。

4.2 空间数据库构建

首先要对基础数据进行校准。由于计算机分析的数据格式、类型比较严格，为了避免偏差度较高的数据对研究结果产生干扰，影响分析的准确性，故需对资料进行“去伪存真”。先剔除一些明显谬误的数据，再进行人工识别，最后借助SPSS、ORIGIN 等计算机数据统计分析软件进行进一步的筛选。然后再进行研究范围轮廓和结构的绘制。筛选数据之后利用Google earth网站对当前城市的卫星影像图，结合历史文献绘制出具有实际尺寸城市的轮廓和主要道路[11]；再将其与历史地图在AutoCAD 软件中进行叠加、校验，证实历史地图的准确性；经过校核的地图，可以作为底图，继续添加所需要的信息，最终形成一幅具备查询和分析功能的地图。最后使用Arc MAP软件，将Auto CAD格式的dwg文件中的各个要素导入，加入相关的研究要素，转换成GIS 数据，构建城市历史空间的GIS数据库[12]，再进行比较分析。

4.3 城市空间形态分析

城市空间形态的分析针对不同的研究目标，从宏观、中观、微观三个尺度进行研究分析。宏观尺度的研究与历史地理研究比较接近，通过空间统计分析、缓冲区分析、网络分析、领域分析、核密度分析等工具，对区域空间的形态演变过程进行分析，如中心区、扩张范围和方向等等。中观尺度在城市范畴进行通过道路、城墙等形态元素的演变，发掘空间演变的影响因素。通过对数据库属性字段增加名称、类型、地址、创建人、始建时间等信息，对研究范围内各时期影响因素进行赋值并利用相应模块进行分析操作，有助于获得城市发展规律性认识；微观尺度的研究着眼于城市地块，通过对路网等级化、空间结构性要素、建筑肌理的分析，进一步锚定“城市意象”，即城市形态中具有显性价值的空间要素，为城市更新中，历史空间的保护提供依据。微观尺度的研究多服务于地块更新的前期分析，通过建成环境的演变过程、建筑、景观、行为要素的叠加，识别形态中的“记忆”信息，为建筑的保留、景观的提升、公共活动空间的激活提供有力的依据。

5 结论与展望

面对我国城市更新的背景，在拆除和增容的压力下，如何保留城市形态的内在逻辑，有效识别城市形态中的历史要素，是未来城市规划研究中的重要命题。城市形态演变过程中会受到大量人文、地理、事件性要素的影响，如何以直观、可视化的方式得以呈现，蕴含在城市空间的内在演变规律如何进一步指导未来的城市建设，需要量化分析结果的支持。文本研究局限于数据的有限性，无法全面客观地发挥作用，历史GIS 的运用可以有效提高分析结果的准确性和科学性，必将在未来的城市形态研究中发挥更加积极的作用。不同尺度的形态研究如何与国土空间规划的框架衔接、发挥更大的应用价值是未来研究的方向。如宏观尺度与城镇体系规划结合、中观尺度与城市总体规划结合、微观尺度与城市详细规划结合，以便进一步促进数据支持下城市形态研究在城市建设中价值的实现。