“我國線性文化遺產保護及時空可視分析技術研究”中期檢查情況

一、研究進展情況

一、研究計劃總體執行情況及各子課題進展情況

按照項目申請書的研究計劃，各個子課題研究工作順利開展，持續推進。子課題1和子課題2作為整個項目研究工作的前期基礎，取得了較為深入的工作進展，且取得了較多的研究成果。協作單位承擔的子課題3進行了大量詳實的研究數據和資料整理歸納工作。子課題4，也在按照計劃開展工作。子課題5可視分析與決策系統的研究前期工作與課題2的長城信息數據庫建設及子課題4檢索技術的開發具有一定的研究交集之處，他們之間將會相互補充，相互協調。下面就各子課題進展情況做如下總結匯報。

•子課題1和子課題2的研究內容包括：

子課題1：明長城線性文化遺產時空分布研究：（1）軍事聚落的整體性研究——突破單個聚落研究的局限性﹔（2）理清長城軍事聚落和防御體系的歷史形成過程﹔（3）揭示長城及其軍事聚落的空間分布規律﹔（4）從建筑學角度對各層次軍事聚落和防御工事的典型實例研究

子課題2: 明長城GIS數據庫建設與空間分析：①建立明長城基礎空間信息數據庫(GIS)﹔② 明長城時空演進與系統分析﹔

課題組經過一年半的研究取得了階段性成果：

1、設備支持。已購買3.6萬元工作站用於數據庫建設，工作站包括Dell Precision T7610 1300W TPM Chassis，雙英特爾至強處理器 E5-2630 v2﹔已購買服務器用於網站建設，並完善光纜設施滿足數據傳輸需要。

2、大規模實地測繪和無人機航拍航測。2013年8月課題組在中國長城學會的大力支持下組織課題組成員和大學生志願者20余人對遵化洪山口至冷嘴頭一線共40公裡的現存長城遺跡進行了為期10天全面勘察，並對其中價值較高的30處遺跡測繪存檔和無人機航測。獲得了寶貴的第一手資料。下圖為測繪敵台分布標注圖

3、學術成果。完成核心期刊學術論文5篇，碩博士畢業論文3篇，書籍初稿1部，會議論文1篇。拓展和深化了對於金長城的認識、對於遼東鎮長城的整體性認識、對於GIS分析方法的認識。

•子課題3“明長城非物質文化遺產基礎數據庫建設”課題的主要研究內容包括：

（1）長城非物質文化遺產基礎信息數據的整理和數據庫建設﹔

（2）明長城典型非物質文化遺產民間傳說、口述史、民間音樂、民間美術等數字化信息的整理、加工﹔

（3）明長城非物質文化遺產基礎信息數據庫構建﹔

（4）長城沿線典型非遺（民間傳說、民間音樂、民間美術）的發展、傳承、演變研究。

•子課題3的進展情況：

從課題確立至今，課題組已根據課題設計方案有計劃地開展了研究工作，並對研究數據和資料進行了整理歸納。

2013年10月，課題組召開成員會議，明確了課題研究的指導思想，完成課題初步分析，制定了課題各階段實施方案，並對課題組成員進行分工。

2013年11月，進行資料的搜集整理工作，通過查閱相關文獻等方式，搜集所需資料，明確明長城途徑的地區（統計結果具體到縣一級）。

2013年12月，開始進行明長城沿線地區非物質文化遺產項目數據統計工作。按照國家級、省級、市級、縣級四級名錄體系，對明長城途徑地區的非物質文化遺產進行統計。

2014年3月，召開課題組成員會議，課題組成員匯報所分配任務的完成現狀，並進行小組討論，總結課題進展情況，提出課題實施現階段存在的問題。

2014年4月，繼續完成明長城沿線地區非物質文化遺產項目數據統計工作，並對所收集的明長城沿線地區非物質文化遺產項目數據進行歸納整理。

2014年5月，召開課題組成員會議，制定田野考察計劃，經討論，選擇明長城分布較多的地區進行田野考察，深入了解當地非物質文化遺產傳承發展情況及保護現狀。

2014年6月，課題組成員前往河北省秦皇島市考察明長城沿線地非遺存續狀態。課題組選取了秦皇島市明長城主要分布的昌黎縣、撫寧縣及山海關區等區縣，通過實地走訪、採訪項目代表性傳承人等方式，了解當地非遺傳承保護情況。

•子課題4線性文化遺產知識庫構建和基於內容的檢索技術開發

在前面課題研究的基礎上，對信息進行分析、研究、展示提供了基礎數據。但這些數據是多源、異構和海量的，即這些信息包含有結構化的信息，如數據庫條目，又有二進制、無結構的文檔如文字、圖像，甚至還有視頻資料。這些信息之間存在復雜的關系，人們很難將這些信息進行有效檢索和利用，其中的內容和信息需要語義聚合，形成相應的知識，才能為計算機所處理，進而供人類使用。

隨著搜索引擎技術的不斷發展，使得在構建領域數據庫（Domain Database，如本項目中的各種數據庫）時，除了傳統的基於字段的查詢之外，在檢索技術中加入基於內容的檢索，檢索性涵蓋了無結構的文字，甚至圖像和視頻。從而使得像本項目中的數據庫中可以包含除結構化字段外，半結構化的存儲口述史文字、田野普查文字記錄、歷史文檔的數字化版本、照片，視頻等內容。對這些非結構的數據的檢索，可以採用基於內容的檢索方式來進行。

基於內容的圖像檢索（CBIR）和視頻檢索（CBVR）技術等，這些技術的一大特點就是不用或者減少人工文字（關鍵詞）標注。這樣的工作如能成果實現將對本系統的信息檢索會非常有價值。

為此，調研了多國科研機構與公司陸續推出的多媒體素材搜索和挖掘系統，這些系統如IBM的QBIC、Columbia大學的VisualSEEK、MIT媒體實驗室開發的PhotoBook、UIUC開發MARS、Nogoya大學開發Sketch Database系、新加坡國立大學開發的CORE、IBM的CueVideo、CMU開發的informedia等，已開始在眾多領域如醫學影像系統、安全監控系統、軍事指揮系統、地理信息系統、多媒體數據庫等得到應用。

在后續的工作中將現代信息技術，如文本挖掘技術、圖像和視頻特征抽取、分類技術、跨媒體搜索、多模態媒體信息融合等技術應用於線性文化遺產信息中，實現不同模態信息包括文本、圖像、語音、視頻、幾何信息等的融合，可以對待考信息進行確認和驗証，也為某些缺失文化遺產屬性信息的確定提供技術支撐。

•子課題5線性文化遺產時空可視分析技術與決策支持系統開發

本課題組成員通過討論分析進一步凝練了本課題的研究目標與內容：

1. 在文化遺產數字化保護的背景下，分析長城作為線性遺產的特征，基於數據挖掘，可視分析知識，摸索分析長城遺產數據的方法，通過信息聚類分析及可視化設計，遵循目前使用的領域方法，為長城研究領域專家的工作提供信息檢索、分析及假設驗証的工具。

2. 將時間、地理學中的時空路徑、時空棱柱概念引入長城遺產的時空演化分析，通過構建時空路徑和時空棱柱對長城防御體系的時空演化構建可視化分析的信息系統。

3. 構建長城線性文化遺產地的可視化信息技術平台系統，有效地存儲、管理、查詢長城資源普查的信息數據。

4. 在此基礎上進一步提供挖掘信息背后隱藏規律的系統工具，從而為專家和決策者為決策者提供研究手段和決策依據，幫助制定科學合理的預防性保護和管理目標等保護策略。

5. 推動基於現代信息技術支撐下文化遺產探源技術的發展，提高我國文化遺產保護和研究水平，最終為我國的世界線性文化遺產地預防性保護和科學化管理提供理論支撐、方法指導、工具支持和經驗借鑒。

課題5開展研究工作目前的進展情況：

1. 本課題與課題1、課題2組間進行了多次討論，從該課題組獲取了大量關於長城研究的文獻和成果，如：《明遼東鎮軍事聚落分布及防御變遷》《中國長城志卷六邊鎮堡寨關隘》等，這些內容為可視化提供了數據基礎。

2. 為了完成課題研究，課題組成員在統計學、圖形學（Computer Graphics）、地理信息系統（GIS）、數據挖掘(Data Mining)、人機交互等領域分別進行了系統的知識學習及文獻研究。在此基礎上開展了下列工作。

①將半結構化、非結構化的數據轉化為結構化數據﹔

採用數據提取、數據規范化檢查、虛擬表定義、分段導入和表格定制等策略解決關系數據庫與Word表格之間的數據轉換問題。

Eg. 大同鎮城：

城池地理位置：大同鎮城大同城，位於桑干河與十裡河交匯處，西、南、北三面環山，東臨御河，同時地處山西、京師與內蒙古交通要道上，軍事與商業上的地理位置均十分重要。明時城內官兵13.5萬人，馬騾5.1萬頭，為駐守重兵之地。

城池空間結構：洪武五年（1372）徐達將原來的土城加以整修並砌磚，城呈正方形，周12.6裡（7405.2 米），高4丈2尺，四面各開一門，主干道正對城門呈十字形。轉換為：

②對結構化的數據做相關性分析、聚類分析等﹔

長城作為線性遺產的特征，主題繁瑣交錯，涉及的信息量巨大，將整理好的結構化數據進行深入分析，提煉數據間的相關性系數、潛在規律、特點等。具體分為了長城工程建筑、長城公共建筑、地理環境、軍事聚落、歷史事件等部分。下圖為分析表格的局部截圖。

詳細分析結果見附件

3.根據數據預分析的結果設計實現一個可視分析框架。

①時間信息軸與行政區域的可視化設計

因長城遺產地的時間跨度很長，用不同顏色標注不同的時間點劃分，將時間軸設計為可拉伸形態，在歷史全貌與特定時間段之間實現過渡轉換，同時將歷史事件與時間、長城建筑與時間分別建立關聯，提供特定時間點搜索。

②空間、地貌與行政區域的可視化

空間問題涉及了地理信息坐標（空間位置），地形地貌信息（空間形態），也不可或缺的涉及到了行政區域的劃分與變遷（空間聯系）。此處旨在探討一種能夠有效可視化呈現，並結合有效信息檢索的技術方法。將區域、地貌、地理做了高度關聯，結合線性遺產地的特征，設計為拖拉伸展的形式，既可以全盤瀏覽全部，也可以拖拽至特定區域瀏覽局部信息。

③採用多視圖可視化提供用戶交互界面

在復雜的信息可視化環境中，採用清單、字段搜索作為輔助導航工具，採用多視圖的交互界面，合理規劃功能區域，以及不同類型信息的上下文關聯，做到主次分明，令用戶最為直觀、快捷、有效地使用本系統。

二、調查研究及學術交流情況

1、2013年12月課題組參加了中國長城志年會，與董耀會副會長、王子今、曹大為等長城研究專家探討了相關學術問題，與本課題相關的有長城秩序帶認識、防御體系的層級性、軍事聚落的空間分布等。

2、2014年2月至3月，課題組與中國長城學會、中國長城志編輯部展開《中國長城志卷六》的集中寫作工作，完成了古籍史料、今人論著、年鑒志書等相關資料的匯總、整理，6月份完成了相關大量圖片的整理和參考文獻校對工作。《中國長城志卷六》是開始於2019年1月，是本課題申請的基礎，將於本年6月份結束，寫作當中積累的資料、大量實地調研收集的最新信息是本課題展開全面深入研究的支撐，也是本課題研究的一部分。

3、2013年11月，子課題2負責人李嚴參加東南大學建筑學院主辦的第十屆傳統民居理論國際學術研討會，並作題為“明長城軍事聚落研究”的學術報告，匯報了明長城研究的最新進展。

4、2013年8月韓國國家科學院KAIST文化技術大學院的項目組成員到訪天津，就數字化技術在文化遺產保護領域的應用進行了深入交流討論，該小組介紹了受國立中央博物館委托，於近期完成的韓國世界文化遺產石窟庵的具體保護工作及完成的相應成果，以及越南皇城數字化項目和世界文化遺產地虎圈的數字化場景復原再現的工作情況。

三、研究中存在的主要問題，改進措施

子課題2明長城GIS數據庫建設需要對大量基礎數據進行錄入、統計和分析，數據運算量較大，一般計算機難以滿足穩定數據運算的需要，課題組特配置專業型工作站，滿足數據庫建設的需要。課題組已建設基於2011協同創新中心的網站，並計劃將此數據庫鏈接在網站之下，為滿足快速數據讀取的需求，課題組目前已完成服務器和光纜配置和安裝。在硬件設施完善之后將步入數據庫建設的快速階段。

子課題3在課題開展過程中，課題組成員也遇到了一些問題，如:

所需數據規模較大，資料搜集存在困難。按照課題實施計劃，課題組成員需根據國家級、省級、市級、縣級四級名錄體系，對明長城途徑地區的非物質文化遺產進行統計，數據規模較大，同時，許多地區的市級與縣級非物質文化遺產名錄查找不易，給課題實施增加了難度。

明長城途經地區較多，跨度大，課題完成時間相對有限。明長城途經遼寧、河北、北京、天津、內蒙古、山西、陝西、寧夏、青海、甘肅等10多個省份，要對這些地區的非遺存續狀況進行考察，需要較長的時間。

子課題5需要一些前期研究的結果作為基礎，因此本課題在后期的工作時間壓力可能會比較大，因此需要盡量將可視分析技術部分的工作及系統設計及早完成。交叉開展的工作部分需多與他課題組進行深入交流。.

注：2010年立項的重大項目主要填寫2012年6月以來的研究進展情況。

二、研究成果情況

1、代表性成果簡介

（1）基於Voronoi圖的明代長城軍事防御聚落空間分布

軍事聚落空間分布的探析是子課題1和子課題2的重要研究內容，此成果已整理成學術論文發表在核心期刊上，文章基於明代長城軍事防御聚落生成Voronoi圖，採用變異系數、最鄰近點指數以及ＧＩＳ的密度制圖和地理統計分析等方法，從宏觀和微觀層面，分析軍事防御聚落的空間分布特征，証實其存在明確和復雜的層次結構，並進一步分析地理環境和戰略地位對空間布局的影響。

目前，聚落研究領域廣泛採用地理學分析軟件和多種數學方法以實現目標的精確量化研究。研究將聚落群視為空間點集目標，分析其空間分布特征、歷史演進以及動態變遷等問題，而點集空間分布的研究方法主要涉及變異系數、最近鄰點指數、柯爾摩哥夫－史密爾諾夫公式和羅倫茲曲線等．基於這些有效工具，學者在聚落考古和現代城鎮聚落等方面進行了精確的量化研究。聚落考古方面，對中原地區、兩河等流域、山東等人類文明主要聚落遺址的空間分布、文化特征和歷史演化開展了深入研究﹔現代城鎮聚落方面，就城鎮體系和農村聚落的空間布局、土地利用、規模分布、時空演化等問題進行了廣泛探索。然而，研究工作普遍存在過於側重一般性聚落及熱點領域的問題，忽視了對某些特定功能類型聚落的深入關注，致使其研究長期停滯不前．本文基於Voronoi圖，採用變異系數（ＣＶ）、最鄰近點指數以及ＧＩＳ的密度制圖等分析工具，研究明代長城軍事防御聚落的空間分布特征，分析地理環境和戰略地位等因素對其空間分布的影響。見下圖

結論：明長城軍事防御聚落布局呈現明確、復雜的層次結構．其宏觀布局以北京為中心，不同層次聚落密度梯度由近及遠遞減﹔而微觀布局則呈以長城為線性目標的層狀聚集形態，且聚落密度梯度趨向長城遞增。２種尺度下，聚落分布的密度梯度呈反方向變化，形成復雜的層次結構。同時，聚落分布與所處地理環境密切關聯，山巒溝谷地形加密聚落原規劃布局，平緩地形則有助於保持原規劃狀態﹔而沿線聚落布局則與地形要素———溝谷孔道高度相關。軍防聚落以其復雜的層狀結構，與長城本體共同組成層次豐富、連同協動的系統防御整體，在明朝２００多年的進程中有效實現了保家衛國、拓疆實邊的歷史功能，並以其無與倫比的浩大規模、壯美身姿以及豐富文化價值，成為中華民族的象征和人類文明的偉大奇跡。

（2）基於GIS的明代長城邊防圖集地圖道路復原——以大同鎮為例

古地圖道路復原是長城防御體系驛路交通系統研究的關鍵科學問題，課題組基於實地調研成果，借助GIS技術進行復原研究，此項研究將對長城文化遺產整體性原真性研究有重要科學價值。以往研究已對長城牆體和點狀分布的軍事聚落有空間分布的規律的把握和揭示，但各軍事聚落之間的連接，即烽傳驛遞系統，是往來策應、傳遞軍情、后勤給養的生命線，也是整個明長城系統研究的主要內容，因資料匱乏，遺存較差而難以找到歷史真實位置。此項研究已撰寫成期刊論文發表在核心期刊上。

文章基於ＧＩＳ的表面成本和最短路徑分析，以明代長城邊防圖集為依據，計算並繪制明長城軍事防御聚落——大同鎮的道路圖，復原其空間布局、交通網絡和驛傳通行等信息，並論証ＧＩＳ用於復原古代道路的可行性。同時，基於道路圖初步分析大同鎮的防御機制。

（3）明長城軍堡形態規制研究與比較 ——以西北地區為例

軍堡形態規制研究是子課題1中“從建筑學角度對各層次軍事聚落和防御工事的典型實例研究”的專題研究，作者結合西北大同、榆林、寧夏、固原四鎮以往實地考查和研究成果展開比較研究。

文章首先從總體上分析了明長城防御體系的總體概況，並重點統計分析西北四鎮大同鎮、延綏鎮、寧夏鎮和固原鎮修建規模、軍堡數量和修建時間等因素。

其次，從社會學層面的詳細闡釋明長城防御體系在建設和使用過程中的內部管理模式，分析軍堡的制度分級以及各層級之間的相互作用，結合延綏鎮具體數據統計分析明長城軍堡的管理組織以及軍屯軍戶的組織管理狀況，並詳述長城沿線西北四鎮馬市的起源與發展。

再次，以大同鎮為例統計分析軍堡的平面布局、建筑特征，從建筑學層面詳細分析軍堡的形態規制，並試圖總結其建造規律。文章最后對明長城西北四鎮各級軍堡保存現狀進行統計，簡要分析其發展成因，找到明代軍堡等級與現在城市行政區劃之間的對應關系。分析明長城軍堡遭到破壞的各方面原因，並提出相關保護規劃建議。以下是相關圖表。

（4）明遼東鎮軍事聚落分布及防御變遷

遼東鎮軍事聚落分布研究是子課題1的重要內容，以往研究中已對其他六鎮有了專題研究，遼東鎮、寧夏鎮和固原鎮是專題研究的最后三鎮，本篇畢業論文是遼東鎮專題，寧夏鎮和固原鎮專題將在年底完成。

遼東鎮是明代九邊長城防御體系的最東端，為九鎮之始。作為“寧國首疆”、“京師左臂”的明代重要軍鎮，亦是東北亞地緣政治格局之下華夏邊緣的核心邊疆，軍事地位尤為重要。自洪武初期經營，遼東地區的軍事防御系統和聚落建置就一直受到朝廷的重視，形成了有史以來最具高度完整性的軍事聚落及其防御體系。研究內容涵蓋軍事管理組織層面、軍事聚落層級結構和各級聚落設施實體，在特定的地緣關系和軍政制度背景之下發展的聚落層次多義性及其層次之下200余個城堡關驛的分布和歷史變遷規律是本文關注的重點。厘清這一體系層次，考証聚落空間分布並標繪軍堡空間今地分布圖，揭示遼東鎮軍事聚落整體結構特征，是從綜合學科角度對明代遼東軍事聚落的全面研究。

本文以明遼東鎮這一時空之區劃為界，以軍事聚落為研究對象，從整體視角梳理空間分布及其歷史發展脈絡和演變過程，系統構筑其整體結構，分析其成因及變化的內在聯系。首先，對明代東北亞地緣政治格局關系進行討論，明晰遼東鎮長城邊疆內外的地理環境、軍事情勢﹔再通過對軍政背景的整理，架構出遼東軍事聚落的建置體系，進一步明確社會關系構成特點。

研究通過共時性防御系統內空間分布和歷時性歷史變遷縱向比較的方法，從規劃布局的角度對邏輯層次和空間規律進行分析歸納，並進一步對明遼東軍事聚落系統的歷史變遷機制做更深層次的分析和提煉﹔最后，著重因借“長城軍事聚落秩序帶”的概念，分析其在遼東鎮不同聚落層面的秩序性特點，從而揭示影響遼東鎮軍事聚落秩序的諸多物質或非物質因素。

附：遼東驛路系統圖

注：2010年立項的重大項目主要填寫2012年6月以來的研究成果情況。

序號	成果名稱	作者	成果形式	刊物名或出版社、刊發或出版時間	字數	轉載、引用、獲獎等情況
1	《基於GIS的清代內蒙古地區城鎮時空演變特征研究》	張玉坤、張昊雁	期刊論文	《干旱區資源與環境》（錄用）	4000
2	論金長城的整體空間布局與京都位置的關系	解丹	期刊論文	《城市規劃》2014年第4期，70-73	3500
3	基於Voronoi圖的明代長城軍事防御聚落空間分布	曹迎春，張玉坤	期刊論文	《河北大學學報》2014年第2期，129-136	4000
4	基於GIS的明代長城邊防圖集地圖道路復原——以大同鎮為例	曹迎春，張玉坤，張昊雁	期刊論文	《河北農業大學學報》2014年第2期，138-144	4000
5	明代長城沿線明蒙互市貿易市場空間布局探析	范熙晅，張玉坤	期刊論文	《城市規劃》（錄用）	5000
6	明長城軍事聚落研究	李嚴、張玉坤、李哲	會議論文	中國民居學術研討會2013年11月	5000
7	明長城軍堡形態規制研究與比較 ——以西北地區為例	徐凌玉（指導教師：張玉坤）	碩士畢業論文	2013年12月	10萬字
8	明遼東鎮軍事聚落分布及防御變遷	魏琰琰（指導教師：張玉坤）	博士畢業論文	2014年6月	20萬字
9	地理因素影響下明薊鎮長城防御體系研究	郭棟（指導教師：張玉坤）	碩士畢業論文	2013年12月	10萬字
10	《中國長城志卷六邊鎮堡寨關隘》	主編：張玉坤	書籍	完稿，交付出版社，2014年12月出版	250萬字
11	Thinking Ability Visualization Model based on Wechsler Intelligence Scale for Children	Xinglan Bu,Renming Qiao, Dong Han*	IHMSC 2014會議	2014年6月錄入通知	4000字	該會議為EI檢索

課題組供稿