“我国线性文化遗产保护及时空可视分析技术研究”中期检查情况

一、研究进展情况

一、研究计划总体执行情况及各子课题进展情况

按照项目申请书的研究计划，各个子课题研究工作顺利开展，持续推进。子课题1和子课题2作为整个项目研究工作的前期基础，取得了较为深入的工作进展，且取得了较多的研究成果。协作单位承担的子课题3进行了大量详实的研究数据和资料整理归纳工作。子课题4，也在按照计划开展工作。子课题5可视分析与决策系统的研究前期工作与课题2的长城信息数据库建设及子课题4检索技术的开发具有一定的研究交集之处，他们之间将会相互补充，相互协调。下面就各子课题进展情况做如下总结汇报。

?子课题1和子课题2的研究内容包括：

子课题1：明长城线性文化遗产时空分布研究：（1）军事聚落的整体性研究——突破单个聚落研究的局限性；（2）理清长城军事聚落和防御体系的历史形成过程；（3）揭示长城及其军事聚落的空间分布规律；（4）从建筑学角度对各层次军事聚落和防御工事的典型实例研究

子课题2: 明长城GIS数据库建设与空间分析：①建立明长城基础空间信息数据库(GIS)；② 明长城时空演进与系统分析；

课题组经过一年半的研究取得了阶段性成果：

1、设备支持。已购买3.6万元工作站用于数据库建设，工作站包括Dell Precision T7610 1300W TPM Chassis，双英特尔至强处理器 E5-2630 v2；已购买服务器用于网站建设，并完善光缆设施满足数据传输需要。

2、大规模实地测绘和无人机航拍航测。2013年8月课题组在中国长城学会的大力支持下组织课题组成员和大学生志愿者20余人对遵化洪山口至冷嘴头一线共40公里的现存长城遗迹进行了为期10天全面勘察，并对其中价值较高的30处遗迹测绘存档和无人机航测。获得了宝贵的第一手资料。下图为测绘敌台分布标注图

3、学术成果。完成核心期刊学术论文5篇，硕博士毕业论文3篇，书籍初稿1部，会议论文1篇。拓展和深化了对于金长城的认识、对于辽东镇长城的整体性认识、对于GIS分析方法的认识。

?子课题3“明长城非物质文化遗产基础数据库建设”课题的主要研究内容包括：

（1）长城非物质文化遗产基础信息数据的整理和数据库建设；

（2）明长城典型非物质文化遗产民间传说、口述史、民间音乐、民间美术等数字化信息的整理、加工；

（3）明长城非物质文化遗产基础信息数据库构建；

（4）长城沿线典型非遗（民间传说、民间音乐、民间美术）的发展、传承、演变研究。

?子课题3的进展情况：

从课题确立至今，课题组已根据课题设计方案有计划地开展了研究工作，并对研究数据和资料进行了整理归纳。

2013年10月，课题组召开成员会议，明确了课题研究的指导思想，完成课题初步分析，制定了课题各阶段实施方案，并对课题组成员进行分工。

2013年11月，进行资料的搜集整理工作，通过查阅相关文献等方式，搜集所需资料，明确明长城途径的地区（统计结果具体到县一级）。

2013年12月，开始进行明长城沿线地区非物质文化遗产项目数据统计工作。按照国家级、省级、市级、县级四级名录体系，对明长城途径地区的非物质文化遗产进行统计。

2014年3月，召开课题组成员会议，课题组成员汇报所分配任务的完成现状，并进行小组讨论，总结课题进展情况，提出课题实施现阶段存在的问题。

2014年4月，继续完成明长城沿线地区非物质文化遗产项目数据统计工作，并对所收集的明长城沿线地区非物质文化遗产项目数据进行归纳整理。

2014年5月，召开课题组成员会议，制定田野考察计划，经讨论，选择明长城分布较多的地区进行田野考察，深入了解当地非物质文化遗产传承发展情况及保护现状。

2014年6月，课题组成员前往河北省秦皇岛市考察明长城沿线地非遗存续状态。课题组选取了秦皇岛市明长城主要分布的昌黎县、抚宁县及山海关区等区县，通过实地走访、采访项目代表性传承人等方式，了解当地非遗传承保护情况。

?子课题4线性文化遗产知识库构建和基于内容的检索技术开发

在前面课题研究的基础上，对信息进行分析、研究、展示提供了基础数据。但这些数据是多源、异构和海量的，即这些信息包含有结构化的信息，如数据库条目，又有二进制、无结构的文档如文字、图像，甚至还有视频资料。这些信息之间存在复杂的关系，人们很难将这些信息进行有效检索和利用，其中的内容和信息需要语义聚合，形成相应的知识，才能为计算机所处理，进而供人类使用。

随着搜索引擎技术的不断发展，使得在构建领域数据库（Domain Database，如本项目中的各种数据库）时，除了传统的基于字段的查询之外，在检索技术中加入基于内容的检索，检索性涵盖了无结构的文字，甚至图像和视频。从而使得像本项目中的数据库中可以包含除结构化字段外，半结构化的存储口述史文字、田野普查文字记录、历史文档的数字化版本、照片，视频等内容。对这些非结构的数据的检索，可以采用基于内容的检索方式来进行。

基于内容的图像检索（CBIR）和视频检索（CBVR）技术等，这些技术的一大特点就是不用或者减少人工文字（关键词）标注。这样的工作如能成果实现将对本系统的信息检索会非常有价值。

为此，调研了多国科研机构与公司陆续推出的多媒体素材搜索和挖掘系统，这些系统如IBM的QBIC、Columbia大学的VisualSEEK、MIT媒体实验室开发的PhotoBook、UIUC开发MARS、Nogoya大学开发Sketch Database系、新加坡国立大学开发的CORE、IBM的CueVideo、CMU开发的informedia等，已开始在众多领域如医学影像系统、安全监控系统、军事指挥系统、地理信息系统、多媒体数据库等得到应用。

在后续的工作中将现代信息技术，如文本挖掘技术、图像和视频特征抽取、分类技术、跨媒体搜索、多模态媒体信息融合等技术应用于线性文化遗产信息中，实现不同模态信息包括文本、图像、语音、视频、几何信息等的融合，可以对待考信息进行确认和验证，也为某些缺失文化遗产属性信息的确定提供技术支撑。

?子课题5线性文化遗产时空可视分析技术与决策支持系统开发

本课题组成员通过讨论分析进一步凝练了本课题的研究目标与内容：

1. 在文化遗产数字化保护的背景下，分析长城作为线性遗产的特征，基于数据挖掘，可视分析知识，摸索分析长城遗产数据的方法，通过信息聚类分析及可视化设计，遵循目前使用的领域方法，为长城研究领域专家的工作提供信息检索、分析及假设验证的工具。

2. 将时间、地理学中的时空路径、时空棱柱概念引入长城遗产的时空演化分析，通过构建时空路径和时空棱柱对长城防御体系的时空演化构建可视化分析的信息系统。

3. 构建长城线性文化遗产地的可视化信息技术平台系统，有效地存储、管理、查询长城资源普查的信息数据。

4. 在此基础上进一步提供挖掘信息背后隐藏规律的系统工具，从而为专家和决策者为决策者提供研究手段和决策依据，帮助制定科学合理的预防性保护和管理目标等保护策略。

5. 推动基于现代信息技术支撑下文化遗产探源技术的发展，提高我国文化遗产保护和研究水平，最终为我国的世界线性文化遗产地预防性保护和科学化管理提供理论支撑、方法指导、工具支持和经验借鉴。

课题5开展研究工作目前的进展情况：

1. 本课题与课题1、课题2组间进行了多次讨论，从该课题组获取了大量关于长城研究的文献和成果，如：《明辽东镇军事聚落分布及防御变迁》《中国长城志卷六边镇堡寨关隘》等，这些内容为可视化提供了数据基础。

2. 为了完成课题研究，课题组成员在统计学、图形学（Computer Graphics）、地理信息系统（GIS）、数据挖掘(Data Mining)、人机交互等领域分别进行了系统的知识学习及文献研究。在此基础上开展了下列工作。

①将半结构化、非结构化的数据转化为结构化数据；

采用数据提取、数据规范化检查、虚拟表定义、分段导入和表格定制等策略解决关系数据库与Word表格之间的数据转换问题。

Eg. 大同镇城：

城池地理位置：大同镇城大同城，位于桑干河与十里河交汇处，西、南、北三面环山，东临御河，同时地处山西、京师与内蒙古交通要道上，军事与商业上的地理位置均十分重要。明时城内官兵13.5万人，马骡5.1万头，为驻守重兵之地。

城池空间结构：洪武五年（1372）徐达将原来的土城加以整修并砌砖，城呈正方形，周12.6里（7405.2 米），高4丈2尺，四面各开一门，主干道正对城门呈十字形。转换为：

②对结构化的数据做相关性分析、聚类分析等；

长城作为线性遗产的特征，主题繁琐交错，涉及的信息量巨大，将整理好的结构化数据进行深入分析，提炼数据间的相关性系数、潜在规律、特点等。具体分为了长城工程建筑、长城公共建筑、地理环境、军事聚落、历史事件等部分。下图为分析表格的局部截图。

详细分析结果见附件

3.根据数据预分析的结果设计实现一个可视分析框架。

①时间信息轴与行政区域的可视化设计

因长城遗产地的时间跨度很长，用不同颜色标注不同的时间点划分，将时间轴设计为可拉伸形态，在历史全貌与特定时间段之间实现过渡转换，同时将历史事件与时间、长城建筑与时间分别建立关联，提供特定时间点搜索。

②空间、地貌与行政区域的可视化

空间问题涉及了地理信息坐标（空间位置），地形地貌信息（空间形态），也不可或缺的涉及到了行政区域的划分与变迁（空间联系）。此处旨在探讨一种能够有效可视化呈现，并结合有效信息检索的技术方法。将区域、地貌、地理做了高度关联，结合线性遗产地的特征，设计为拖拉伸展的形式，既可以全盘浏览全部，也可以拖拽至特定区域浏览局部信息。

③采用多视图可视化提供用户交互界面

在复杂的信息可视化环境中，采用清单、字段搜索作为辅助导航工具，采用多视图的交互界面，合理规划功能区域，以及不同类型信息的上下文关联，做到主次分明，令用户最为直观、快捷、有效地使用本系统。

二、调查研究及学术交流情况

1、2013年12月课题组参加了中国长城志年会，与董耀会副会长、王子今、曹大为等长城研究专家探讨了相关学术问题，与本课题相关的有长城秩序带认识、防御体系的层级性、军事聚落的空间分布等。

2、2014年2月至3月，课题组与中国长城学会、中国长城志编辑部展开《中国长城志卷六》的集中写作工作，完成了古籍史料、今人论著、年鉴志书等相关资料的汇总、整理，6月份完成了相关大量图片的整理和参考文献校对工作。《中国长城志卷六》是开始于2019年1月，是本课题申请的基础，将于本年6月份结束，写作当中积累的资料、大量实地调研收集的最新信息是本课题展开全面深入研究的支撑，也是本课题研究的一部分。

3、2013年11月，子课题2负责人李严参加东南大学建筑学院主办的第十届传统民居理论国际学术研讨会，并作题为“明长城军事聚落研究”的学术报告，汇报了明长城研究的最新进展。

4、2013年8月韩国国家科学院KAIST文化技术大学院的项目组成员到访天津，就数字化技术在文化遗产保护领域的应用进行了深入交流讨论，该小组介绍了受国立中央博物馆委托，于近期完成的韩国世界文化遗产石窟庵的具体保护工作及完成的相应成果，以及越南皇城数字化项目和世界文化遗产地虎圈的数字化场景复原再现的工作情况。

三、研究中存在的主要问题，改进措施

子课题2明长城GIS数据库建设需要对大量基础数据进行录入、统计和分析，数据运算量较大，一般计算机难以满足稳定数据运算的需要，课题组特配置专业型工作站，满足数据库建设的需要。课题组已建设基于2011协同创新中心的网站，并计划将此数据库链接在网站之下，为满足快速数据读取的需求，课题组目前已完成服务器和光缆配置和安装。在硬件设施完善之后将步入数据库建设的快速阶段。

子课题3在课题开展过程中，课题组成员也遇到了一些问题，如:

所需数据规模较大，资料搜集存在困难。按照课题实施计划，课题组成员需根据国家级、省级、市级、县级四级名录体系，对明长城途径地区的非物质文化遗产进行统计，数据规模较大，同时，许多地区的市级与县级非物质文化遗产名录查找不易，给课题实施增加了难度。

明长城途经地区较多，跨度大，课题完成时间相对有限。明长城途经辽宁、河北、北京、天津、内蒙古、山西、陕西、宁夏、青海、甘肃等10多个省份，要对这些地区的非遗存续状况进行考察，需要较长的时间。

子课题5需要一些前期研究的结果作为基础，因此本课题在后期的工作时间压力可能会比较大，因此需要尽量将可视分析技术部分的工作及系统设计及早完成。交叉开展的工作部分需多与他课题组进行深入交流。.

注：2010年立项的重大项目主要填写2012年6月以来的研究进展情况。

二、研究成果情况

1、代表性成果简介

（1）基于Voronoi图的明代长城军事防御聚落空间分布

军事聚落空间分布的探析是子课题1和子课题2的重要研究内容，此成果已整理成学术论文发表在核心期刊上，文章基于明代长城军事防御聚落生成Voronoi图，采用变异系数、最邻近点指数以及ＧＩＳ的密度制图和地理统计分析等方法，从宏观和微观层面，分析军事防御聚落的空间分布特征，证实其存在明确和复杂的层次结构，并进一步分析地理环境和战略地位对空间布局的影响。

目前，聚落研究领域广泛采用地理学分析软件和多种数学方法以实现目标的精确量化研究。研究将聚落群视为空间点集目标，分析其空间分布特征、历史演进以及动态变迁等问题，而点集空间分布的研究方法主要涉及变异系数、最近邻点指数、柯尔摩哥夫－史密尔诺夫公式和罗伦兹曲线等．基于这些有效工具，学者在聚落考古和现代城镇聚落等方面进行了精确的量化研究。聚落考古方面，对中原地区、两河等流域、山东等人类文明主要聚落遗址的空间分布、文化特征和历史演化开展了深入研究；现代城镇聚落方面，就城镇体系和农村聚落的空间布局、土地利用、规模分布、时空演化等问题进行了广泛探索。然而，研究工作普遍存在过于侧重一般性聚落及热点领域的问题，忽视了对某些特定功能类型聚落的深入关注，致使其研究长期停滞不前．本文基于Voronoi图，采用变异系数（ＣＶ）、最邻近点指数以及ＧＩＳ的密度制图等分析工具，研究明代长城军事防御聚落的空间分布特征，分析地理环境和战略地位等因素对其空间分布的影响。见下图

结论：明长城军事防御聚落布局呈现明确、复杂的层次结构．其宏观布局以北京为中心，不同层次聚落密度梯度由近及远递减；而微观布局则呈以长城为线性目标的层状聚集形态，且聚落密度梯度趋向长城递增。２种尺度下，聚落分布的密度梯度呈反方向变化，形成复杂的层次结构。同时，聚落分布与所处地理环境密切关联，山峦沟谷地形加密聚落原规划布局，平缓地形则有助于保持原规划状态；而沿线聚落布局则与地形要素———沟谷孔道高度相关。军防聚落以其复杂的层状结构，与长城本体共同组成层次丰富、连同协动的系统防御整体，在明朝２００多年的进程中有效实现了保家卫国、拓疆实边的历史功能，并以其无与伦比的浩大规模、壮美身姿以及丰富文化价值，成为中华民族的象征和人类文明的伟大奇迹。

（2）基于GIS的明代长城边防图集地图道路复原——以大同镇为例

古地图道路复原是长城防御体系驿路交通系统研究的关键科学问题，课题组基于实地调研成果，借助GIS技术进行复原研究，此项研究将对长城文化遗产整体性原真性研究有重要科学价值。以往研究已对长城墙体和点状分布的军事聚落有空间分布的规律的把握和揭示，但各军事聚落之间的连接，即烽传驿递系统，是往来策应、传递军情、后勤给养的生命线，也是整个明长城系统研究的主要内容，因资料匮乏，遗存较差而难以找到历史真实位置。此项研究已撰写成期刊论文发表在核心期刊上。

文章基于ＧＩＳ的表面成本和最短路径分析，以明代长城边防图集为依据，计算并绘制明长城军事防御聚落——大同镇的道路图，复原其空间布局、交通网络和驿传通行等信息，并论证ＧＩＳ用于复原古代道路的可行性。同时，基于道路图初步分析大同镇的防御机制。

（3）明长城军堡形态规制研究与比较 ——以西北地区为例

军堡形态规制研究是子课题1中“从建筑学角度对各层次军事聚落和防御工事的典型实例研究”的专题研究，作者结合西北大同、榆林、宁夏、固原四镇以往实地考查和研究成果展开比较研究。

文章首先从总体上分析了明长城防御体系的总体概况，并重点统计分析西北四镇大同镇、延绥镇、宁夏镇和固原镇修建规模、军堡数量和修建时间等因素。

其次，从社会学层面的详细阐释明长城防御体系在建设和使用过程中的内部管理模式，分析军堡的制度分级以及各层级之间的相互作用，结合延绥镇具体数据统计分析明长城军堡的管理组织以及军屯军户的组织管理状况，并详述长城沿线西北四镇马市的起源与发展。

再次，以大同镇为例统计分析军堡的平面布局、建筑特征，从建筑学层面详细分析军堡的形态规制，并试图总结其建造规律。文章最后对明长城西北四镇各级军堡保存现状进行统计，简要分析其发展成因，找到明代军堡等级与现在城市行政区划之间的对应关系。分析明长城军堡遭到破坏的各方面原因，并提出相关保护规划建议。以下是相关图表。

（4）明辽东镇军事聚落分布及防御变迁

辽东镇军事聚落分布研究是子课题1的重要内容，以往研究中已对其他六镇有了专题研究，辽东镇、宁夏镇和固原镇是专题研究的最后三镇，本篇毕业论文是辽东镇专题，宁夏镇和固原镇专题将在年底完成。

辽东镇是明代九边长城防御体系的最东端，为九镇之始。作为“宁国首疆”、“京师左臂”的明代重要军镇，亦是东北亚地缘政治格局之下华夏边缘的核心边疆，军事地位尤为重要。自洪武初期经营，辽东地区的军事防御系统和聚落建置就一直受到朝廷的重视，形成了有史以来最具高度完整性的军事聚落及其防御体系。研究内容涵盖军事管理组织层面、军事聚落层级结构和各级聚落设施实体，在特定的地缘关系和军政制度背景之下发展的聚落层次多义性及其层次之下200余个城堡关驿的分布和历史变迁规律是本文关注的重点。厘清这一体系层次，考证聚落空间分布并标绘军堡空间今地分布图，揭示辽东镇军事聚落整体结构特征，是从综合学科角度对明代辽东军事聚落的全面研究。

本文以明辽东镇这一时空之区划为界，以军事聚落为研究对象，从整体视角梳理空间分布及其历史发展脉络和演变过程，系统构筑其整体结构，分析其成因及变化的内在联系。首先，对明代东北亚地缘政治格局关系进行讨论，明晰辽东镇长城边疆内外的地理环境、军事情势；再通过对军政背景的整理，架构出辽东军事聚落的建置体系，进一步明确社会关系构成特点。

研究通过共时性防御系统内空间分布和历时性历史变迁纵向比较的方法，从规划布局的角度对逻辑层次和空间规律进行分析归纳，并进一步对明辽东军事聚落系统的历史变迁机制做更深层次的分析和提炼；最后，着重因借“长城军事聚落秩序带”的概念，分析其在辽东镇不同聚落层面的秩序性特点，从而揭示影响辽东镇军事聚落秩序的诸多物质或非物质因素。

附：辽东驿路系统图

注：2010年立项的重大项目主要填写2012年6月以来的研究成果情况。

序号	成果名称	作者	成果形式	刊物名或出版社、刊发或出版时间	字数	转载、引用、获奖等情况
1	《基于GIS的清代内蒙古地区城镇时空演变特征研究》	张玉坤、张昊雁	期刊论文	《干旱区资源与环境》（录用）	4000
2	论金长城的整体空间布局与京都位置的关系	解丹	期刊论文	《城市规划》2014年第4期，70-73	3500
3	基于Voronoi图的明代长城军事防御聚落空间分布	曹迎春，张玉坤	期刊论文	《河北大学学报》2014年第2期，129-136	4000
4	基于GIS的明代长城边防图集地图道路复原——以大同镇为例	曹迎春，张玉坤，张昊雁	期刊论文	《河北农业大学学报》2014年第2期，138-144	4000
5	明代长城沿线明蒙互市贸易市场空间布局探析	范熙晅，张玉坤	期刊论文	《城市规划》（录用）	5000
6	明长城军事聚落研究	李严、张玉坤、李哲	会议论文	中国民居学术研讨会2013年11月	5000
7	明长城军堡形态规制研究与比较 ——以西北地区为例	徐凌玉（指导教师：张玉坤）	硕士毕业论文	2013年12月	10万字
8	明辽东镇军事聚落分布及防御变迁	魏琰琰（指导教师：张玉坤）	博士毕业论文	2014年6月	20万字
9	地理因素影响下明蓟镇长城防御体系研究	郭栋（指导教师：张玉坤）	硕士毕业论文	2013年12月	10万字
10	《中国长城志卷六边镇堡寨关隘》	主编：张玉坤	书籍	完稿，交付出版社，2014年12月出版	250万字
11	Thinking Ability Visualization Model based on Wechsler Intelligence Scale for Children	Xinglan Bu,Renming Qiao, Dong Han*	IHMSC 2014会议	2014年6月录入通知	4000字	该会议为EI检索

课题组供稿