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一、研究进展情况
主要内容：①研究计划总体执行情况及各子课题进展情况；②调查研究及学术交流情况（调研数据整理运用、文献资料收集整理、学术会议、学术交流、国际合作等）；③成果宣传推介情况（成果发布会、《工作简报》报送情况、国家社科基金专刊投稿及采用情况等）；④研究中存在的主要问题、改进措施，研究心得、意见建议；⑤其他需要说明的问题。
注：2012年立项的项目主要填写2014年7月以来的研究进展情况。
2015年度，本项目进展顺利，已取得初步研究成果，发表核心期刊论文12篇，完成毕业论文6篇，取得发明专利3项，课题组共培养博士生3名，硕士生5名。课题研究内容包含明长城军事防御体系地理信息数据库的构建、以长城军事聚落为对象的时空可视分析系统构建、防御体系系统关系研究、规划布局机制研究、长城价值评估方法研究以及古建低空摄影测量方法研究等。
一、研究计划总体执行情况及各子课题进展情况
1、子课题二、明长城军事防御体系地理信息数据库
课题组成员经过多次实地考察与文献收集整理获得军堡GPS坐标、建置时间、城池规模、城池级别等属性数据。通过SRTM-3数字高程地图、国家基础地理信息数据、历史地图和GPS数据构成长城军堡的空间数据。数据库内容包括明长城军事防御聚落的地理信息数据和聚落相应的尺寸、面积、等级、驻军、建造年代等属性数据，以及长城周边区域地形地貌、河流等地理环境信息数据。
图1 九边军事防御聚落密度制图
2、明长城宣大山西三镇军事防御聚落体系宏观系统关系研究
研究选择宣大山西三镇长城军事防御聚落体系为研究对象，以分形理论和系统理论为主要视角，基于历史资料、研究成果、调研资料以及试验数据，综合运用 GIS 空间地理信息分析、数学以及统计学等研究方法，多维度、多层次和定量化揭示明长城军事防御聚落体系的宏观系统关系。
研究发现长城军事防御聚落体系，是在传统聚落体系演化模式和线性长城双重动力作用下，生成的聚落体系与线性长城耦合的复杂分形结构。军事防御聚落体系相关的聚落等级规模结构、驻军等级规模结构、交通网络系统以及空间结构，三者在宏观层面遵循一致的生成规则和运行机制；基于此进一步严格界定长城军事防御聚落体系正式形成的标准及时间，并定量和定性描述聚落体系与线性长城耦合的系统关系和动力演化机制；基于理论模型，从宏观系统关系角度，初步探索军事防御聚落体系的主体性、长城的系统性价值、以及军事防御聚落体系与长城的系统关系和协同防御机制。
图2 宣大山西三镇长城军事防御聚落体系分布图（高程图）
图3 宣大山西三镇军事防御聚落规模空间分布
图4 宣大山西三镇中心趋势度分布
图5 宣大山西长城军事防御聚落体系道路复原图
图6 烽传线路与道路分布的关系
图7 宣大山西三镇军事防御聚落体系驿传系统图
3、子课题一、明长城整体性研究之军事防御体系规划布局机制研究
本研究在充分的史料和现场考察基础上，基于军事地理学、地缘学说、“中华民族多元一体”理论和整体史观思想等研究方法理论的支撑，通过实证分析、规范分析等方法，从自然、社会、人三个方面对明长城军事防御体系的规划布局和选址的机制进行研究，强调防御体系的整体性，着眼明长城军事防御体系内外两侧，将农、牧双方均纳入研究范围，解读不同因素与体系层次结构布局的作用关系，并做数据化、图示化整合与梳理，最终综合研究结论，提出明长城秩序带概念是对明代边防地带的社会秩序的精炼概括，从自发秩序和建构秩序两方面，对明长城秩序带概念进行解读。
图8 明长城军事防御体系和秩序带结构示意图
图9 明辽东镇军事防御体系层级结构示意图
图10 明长城沿线重要军事防御体系分布图
4、清代长城北侧城镇研究 ——以漠南地区为例
研究以清代漠南地区治所城镇为研究对象，遵循“过程——格局——组织——机理”的递进顺序，以 Arc GIS、SPSS、MATLAB以及分形、点轴理论为手段，从沿革历程、空间格局、组织结构、单体形态等方面对其进行系统分析和定量刻画。
对城镇发展历程进行追踪和还原，指出清初长城内侧军管型向民治型政区转变拉开了长城带开发的序幕，在移民和商贸的推动下，蒙地城镇遵循“设官→设治→设官”的渐进模式，以口北三厅为起点沿长城线作横向和纵向扩散，城镇发展具有明显的阶段性。运用分形几何相关理论对城镇体系的空间格局进行定量刻画，以归化城和承德府为核心形成聚集。通过对比分析城镇行政格局、军事格局、市场格局的差异，理解边地城镇体系演化的地域性以及趋势性。对城镇单体形态特征进行总结和概括。
图 11 区域城镇群规模
图12 长城纵向防御体系图
图 13 应激状态下漠南地区可能出现的统辖格局
图 14 清代内蒙古地区治所城镇密度图
5、中国古建筑单体低空摄影测量外业策略研究
研究从测绘的角度分析中国古建筑或文化遗产的自身结构以及其周边环境的特点，进行归纳和分类，分为土石遗址、大型木构建筑、古建筑细部构造、塔、古村落五种类型及特殊环境的测绘，绘制范式图。通过向交叉学科的请教和实地试验，总结出了确保人员、设备以及文物安全的操作经验。从流程管理、数据处理、成图方法更新等角度总结了无人机与其他地面测绘手段的“空地一体化”测绘配合方法。并对低空摄影测量在未来古建筑测绘中发挥的作用和存在的价值进行了梳理，提出了改进的方向。
图15 中国古城墙范式图
图16塔竖向航线标准拍摄范式平面图
图17多源数据拼合与制图辅助
图18寿皇殿南侧正立面测绘图（彩色正射影像与黑白线图的合并展示）
7、“空-地-人协同”模式下古建筑测绘内业图示方法革新研究
本研究基于低空摄影测量和现有地面测绘技术提出了“空-地-人协同”的古建筑新型测绘模式。针对当前新型测绘成果缺少统一的图示规程和使用方法的现状，从现代工程制图的一般性原则出发，在参考古今国内外建筑遗产图示先例的基础上，总结了以“彩色正射影像图”为代表的新型测绘成果内业制图的原则和标准，作为二维线划图的有力补充，丰富了建筑遗产测绘成果的类型。本研究意在对这些新型测绘成果内业成图的可行性、实用性、实施的价值性及合理性进行探究，归纳和总结出新型测绘成果的成图方法和图示的相关统一标准，作为二维线划图的有力补充，并扩大新型测绘成果在建筑遗产测绘领域的实际应用。
图19 景山寿皇殿西侧牌坊东立面彩色正射影像图
图20 景山寿皇门三维点云模型
图21 白塔从点云到三维模型到且水平剖切寻找形心以测量歪闪
8、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的设计与开发实现
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分析的依据。
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。
3.根据数据预分析的结果设计实现一个可视化信息架构设计。
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。
图22 时间轴可视模块
图23 基于朝代及年份选取的时间维度可视化方案
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。
图24空间轴可视模块
图25对应地形特征的空间维度可视化方案
③长城军事防御体系可是分析系统设计
系统框架设计
系统利用SpeedPHP框架。SpeedPHP是一款全功能的中国PHP框架应用系统。由于它的速度飞快，而且上手容易，所以很多小网站都广泛采用此框架。本系统也采用此框架。此框架中，本系统扩展了md5password类。此类用于把明文的密码在客户端的浏览器中加密发送。
数据库设计
数据库设计是整个系统设计中非常重要的步骤。本设计把数据库按照朝代，省和对象特征来分成。对象特征分为本体建筑，军事聚落，公共建筑，防御编制，经济贸易，民族文化和军事史料。有长城的省为新，青，甘，宁，蒙，秦，晋，豫，翼，京，津，鲁，辽，吉和黑。 除了这些长城数据的表之外，还有用户表，用户授权表，用户编辑提交数据名称表，用户表的状态表，省镇关系表，英中文对应表。
图26 长城军事防御体系可是分析系统架构图
图27长城时空演化可视分析系统的总体结构
图28系统可选择模块
后台系统流程设计
设计后台有两种角色：一种为一般管理员，另一种为超级管理员。一般管理员负责录入数据，修改数据，而超级管理员负责审核一般管理员提交的数据。如果审核通过，将数据覆盖到数据库，如果审核不通过，将修改意见会送到一般管理员。一般管理员的编辑数据和提交数据的数量没被限制。超级管理员有管理自己的账号和一般管理员账号的功能。一般管理员和超级管理员的业务处理流程图。
前台系统流程设计
系统前台利用Ajax技术跟后台进行数据通信。一共生成7个线程。每个线程根据选择的朝代和省从服务器带来JSON格式的数据。JSON格式的数据由PHP生成。然后在客户端的浏览器根据选择的菜单选项来过滤要显示的对象。7个线程都运行完之后，根据要显示的对象查找最大最小的经纬度。根据此四个经纬度计算出中心点的位置。系统前台的流程图如图所示：
图29后台系统流程图
图30前台系统流程图
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）明长城文化遗产整体性价值评估研究
研究从明长城文化遗产的研究现状入手，阐述了现阶段国内对明长城研究的主要成果以及不足，提出对其的价值评估并不全面的观点。阐述了西方学界以盖蒂保护研究所（GCI）为代表的文化遗产价值评估体系，介绍了体系中价值的描述、价值评估的方法论、价值评估的具体工具、价值评估和遗产保护决策制定之间的关系四部分内容，结合该体系，来生成明长城文化遗产整体性价值评估框架。以经济价值为衡量指标，在对文化遗产经济价值评估方法进行综述后，运用模糊矩阵评价法对明长城文化遗产进行模拟价值评估，并提出相关的方法建议。
（5）开发完成了面向线性文化遗产以长城军事聚落为对象的时空可视分析系统
子课题5成员根据课题申报的计划开展工作，进一步分析了知识库内容的构成特征，对以长城军事聚落为对象的时空可视分析系统做了定义及深化设计。实现了在复杂的信息可视化环境中，采用时空维度的便捷定位，同时结合清单、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。长城遗产可视分析系统建设的根本目的对长城军事防御体系的数据进行管理并建立数据间的关联：将复杂的、海量的、非结构性的长城军事防御体系的遗产数据转化成易于理解、易于识别的图形图像，并支持交互浏览的系统。功能处理方面，它能够实时帮助前台用户直观查看遗产的时空演化等情况、后台管理员能高效方便的提交数据。数据管理方面，因为系统采用分层架构的原因，因此能够实现全国范围内统一时空框架结构下的长城遗产多元数据等相关数据库的存储，集中管理。在信息采集和传输上，它能够通过互联网，方便全国各地的系统管理员及时将长城遗产数据进行采集并存储在中央的数据库中。
本系统基于Google地图实现长城数据的可视化。系统的主界面如图所示。
该可视化系统，是面向能够支撑从漫长的时间和空间维度对长城这一线性文化遗产进行有效组织、管理及调用等目标，期望通过可视化的呈现方式，提供直观、科学、准确的数据结果，辅助专家学者进行长城遗产的分析和研究，并为将来长城遗产保护规划的制定和监督管理提供依据，达到及时反馈、分析、管理和决策。对于长城信息的整合管理及有效利用无疑是具有深远的意义。该系统目前正在申请软件测试及软件著作权。
课题组供稿
