摘 要:永定客家土楼被正式列入世界文化遗产,但在保护规划和开发管理上目前还缺乏科学、统一的认识。基于当前这种状况,结合土楼资源自身的特点,本文运用GIS技术对永定客家土楼资源管理信息系统的功能和数据库设计进行了研究,并对系统的开发实现和系统中空间信息相关的主要功能进行分析,得出GIS应用于土楼进行科学管理的可操作性和指导方向。
关键词:永定客家土楼GIS信息系统数据库
中图分类号:TP14 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)03-0052-04
1、研究背景
永定客家土楼是指散布于福建闽西山区的土堡式楼房,是客家山村一种独特的民居建筑,其历史悠久、造型独特、规模宏大、结构奇巧、数量众多,具有很高的历史、文化、艺术和科学价值,被联合国教科文组织世界遗产委员会正式列入世界文化遗产名录。永定客家土楼以丰富的闽西客家文化内涵和独特的聚居方式,在中国民居建筑乃至世界民居建筑中独树一帜,为人类学、建筑学、地理学及其其它诸多学科提供了取之不尽的研究素材。福建土楼现今主要分布于永定县、南靖县与华安县(图1)。永定客家土楼建筑风格独具特色,在建筑单体上呈规模浩大之势,占地多在1000平方米以上,最大占地近10000平方米,层高以3～5层为多,圆形土楼直径多在30～80米,同时又具有形式多样的特点,主要有圆形土楼(含椭圆形)、方形土楼、五凤楼(府第式)和其他变异形式。在聚居布局上,依山就势,负阴抱阳,背山面水,与大自然浑然一体,以良好的生态格局与优美的景观效果,形成土楼与山水的最佳配合关系。
近年来,随着闽西南地区的经济快速发展、人口的增加,正日益侵蚀着永定客家土楼历史文化遗产赖以生存的环境。因各种利用目标、操作观念、技术水准等参差不一,缺乏对现状基础资料的快速准确分析,使得客家土楼保护规划无法在综合考虑多源相关资料相互影响基础上做出科学的分析和规划决策。针对当前这种现象,运用地理信息系统(GIS)技术,从客家土楼现状调查、资料整理、输入存储、保护规划编制、管理分析和开发利用等方面,实现客家土楼科学的管理研究、合理的规划保护,在多源数据集成的基础上对土楼建筑、文化、地理等资源进行综合评价,研究开发永定客家土楼资源管理信息系统,为永定客家土楼保护规划提供快速、高效、科学的GIS功能,促进永定客家土楼的旅游开发和区域经济发展,构建永定客家土楼国际旅游品牌,具有重要的历史与现实意义。
2、永定客家土楼资源管理信息系统功能设计
永定客家土楼资源管理信息系统是基于GIS的客家土楼文化遗产资源相关信息的采集、传输、储存、加工、维护和使用的系统。系统以客家土楼资源数据库为核心,将计算机技术、通信技术、网络技术、地理信息系统技术、城市规划及系统科学原理,综合应用于历史文化遗产保护与管理事务的技术集成,具有社会、经济、人文信息的管理信息系统(MIS)特点和图文一体化的GIS特征。
根据福建客家土楼资源管理信息系统的建设规模和总体方案的需要,对于本系统的技术选型,主要考虑了先进性、实用性、开放性、一致性和可扩充性的原则。保证系统建成后,技术上在国内处于领先,应用上能满足土楼日常保护和管控的需要。在土楼资源的开发管理上,具有良好的接口和方便的二次开发工具。
根据系统目标,按照结构化系统分析与设计的思路,客家土楼资源管理信息系统可分为五个模块(应用层):客家土楼资源信息查询模块、旅游信息交互模块、信息分析与评价应用模块、辅助规划与保护决策模块、相关机构与人员管理模块。在系统层,有图层管理、数据管理维护、数据查询、数据分析、数据统计、报表输出、系统维护管理。在数据层,有地理空间数据库、信息化建筑数据库、文化资源属性数据库。整个系统总体结构(图2)所示:
系统的结构决定功能,福建客家土楼资源保护管理信息系统的各个模块主要功能:
2.1 土楼资源信息查询模块
土楼资源信息查询模块包括客家土楼地块空间位置查询、土楼周边建筑环境查询、土楼文史文字资料查询、土楼图纸资料查询、土楼多媒体资料查询、管理机构与人员查询等功能。
2.2 旅游信息交互模块
旅游信息交互模块的功能包括:客家土楼旅游信息发布与查询、旅游者自助旅游线路制定、客家土楼虚拟漫游、农家旅舍预订与特殊需求、客家土楼论坛交流与招商。
2.3 信息分析与评价应用模块
信息分析与评价应用模块的功能包括:客家土楼及其古建筑保护范围分析、客家土楼及其古建筑控制地带分析、客家土楼及其古建筑协调区分析、客家土楼及其古建筑周边影响分析、客家土楼环境评价分析、客家土楼及其古建筑价值分析、客家土楼旅游资源开发收益分析。
2.4 辅助规划与保护决策模块
辅助规划与保护决策模块的功能包括:辅助制定客家土楼保护规划、辅助制定客家土楼环境保护方案、辅助制定客家土楼旅游规划、辅助制定客家土楼修缮方案、客家土楼环境评价分析、客家土楼及其古建筑价值分析、客家土楼旅游资源开发收益分析。
2.5 相关机构与人员管理模块
相关机构与人员管理模块的功能包括:管理部门机构信息、管理部门人员信息、隶属关系、土楼民居户主信息、保护方案制定及修缮单位信息、保护方案制定及修缮人员信息、各机构职责信息。
3、系统数据库设计与数据预处理
3.1 系统数据库的组成
系统的数据分为空间数据和非空间数据。空间数据主要以矢量或影像的形式存在,非空间数据主要是以各种文档、元数据等形式存在,其组成(图3)所示。
永定客家土楼资源管理信息系统数据库设计的实体有:土地、土楼、群落、村民、古树、古井、国土部门、管理部门、专家规划部门、工程部门等。
3.2 系统数据的采集与转换
数据库的建设既是一项开拓性的工作,更是一项基础性的工作。空间数据的采集主要通过现有地图数字化获取,或通过野外实测、GPS和遥感等方法获取。收集的空间数据需要录入到地理空间数据库中。随着GIS应用领域不断拓宽,空间数据的采集量也不断增加,如何能有效地共享和整合不同研究领域的空间数据,加快数据采集的速度和效率,已成为制约GIS发展的一个重要问题。
3.2.1 系统数据的采集
在GIS的几何数据采集中,如果几何数据已存在于其它的GIS或专题数据库中,可以直接经过转换装载。对于测量仪器获取的几何数据,可把测量仪器的数据传输进入数据库。对于栅格数据的获取,GIS主要涉及使用扫描仪等设备对图件的扫描数字化,可通过扫描获取的标准格式图像文件,直接进入GIS地理数据库。从遥感影像上直接提取的专题信息,需要使用几何纠正、光谱纠正、影像增强、图像变换、结构信息提取、影像分类等技术进入数据库。属性数据在GIS中是空间数据的组成部分。属性数据的录入主要采用键盘输入的方法,为了把空间实体的几何数据与属性数据联系起来,必须在几何数据与属性数据之间有一公共标识符。当空间实体的几何数据与属性数据连接之后,就可进行各种GIS的操作与运算。
3.2.2 系统数据的转换
系统中用到的DXF/DWG数据是由AutoCAD软件生成的。AutoCAD制图技术应用广泛,在地图制作中发挥很大的作用,是测绘制图的重要方式。在建立GIS中,CAD数据是重要的信息源,但由于其与GIS数据的结构和存储格式有较大差异,需要进行数据格式的转换。
在ArcGIS Engine的开发环境中,源数据大多为AutoCAD的DXF/DWG格式,从CAD数据格式到GIS数据格式的转换主要包括四方面:(1)图形要素的转换;(2)面、线相关属性要素的导入;(3)独立地物即符号的转换;(4)图面注记的转换。
CAD数据与ARC/INFO数据的转换主要通过ARC模块下的命令进行操作。通过ARC模块下的DXFARC命令可将DXF格式文件转换为ARC格式,通过ARCDXF命令可将ARC格式数据转换为DXF文件格式,AutoCAD也支持DXF文件格式,通过DXF文件可以实现AutoCAD数据与ARC/INFO数据的互相转换。将一个AutoCAD的图形转换成ARC/INFO的层,首先需要在AutoCAD中输出交换文件(DXF文件),再把DXF文件转换成ARC/INFO数据。在此之前,ARC/INFO提供查看DXF文件的命令:DXF、DXFINFO。其中DXF是ARCRLOT模块中的命令,它可以用最接近原图的符号特征来显示DXF文件,DXFINFO命令会列出原始AutoCAD图形包含的内容。
同样的,要将ARC/INFO数据格式转换为CAD数据格式,可以在ARC/INFO中通过构造ACODF和XCODF属性表。根据唯一的地理实体编码产生相应的层、色及线型等属性值,可实现ARC/INFO数据格式到CAD数据格式的转换。数据采集与转换流程(图4)所示:
4、系统实现
4.1 系统开发环境
永定客家土楼资源管理信息系统包括面向内部的资源管理信息系统和面向外部的信息发布系统,内部的资源管理信息系统采用C/S结构(客户机/服务器体系结构),信息发布系统采用B/S结构(浏览器/服务器体系结构)。考虑到客家土楼资源信息量的情况,所有数据管理使用File Geodatabase。系统开发环境如下:
数据管理: File Geodatabase
开发环境及开发语言:Visual Studio 2008 C#
内部的资源管理信息系统开发组件:ArcGIS Engine Develop Kit 9.3
信息发布系统开发:ArcGIS Server 9.3 Javascript API
4.2 主要功能实现
4.2.1 空间信息查询
永定客家土楼资源管理信息系统使数据库与应用系统紧密结合,将遥感图像与GIS数据库中的大量背景数据进行叠合分析,并设计了分类查询、模糊查询、空间查询、空间条件查询以及综合条件查询等查询方式,能满足用户对基础地图和文化遗产专题地图、遥感影像地图数据的查询需求,实现空间数据与属性数据的相互查询与检索。用户可以根据需要进行空间至属性的空间查询和属性至空间的逻辑查询(图5、图6),使用户能更深入地研究空间与属性数据的一体化关系。
4.2.2 空间信息分析
相对于计算机辅助制图系统,地理信息系统具有较强的空间信息分析功能。在永定客家土楼辅助规划与保护决策模块中,利用空间信息分析功能,通过对原始数据模型的观察和实验,用户可以获得新的经验和知识,并以此作为空间行为的决策依据。下面从缓冲区分析和空间叠置分析作简要研究。
(1)缓冲区分析。根据土楼群落保护等级及保护原则措施,缓冲地带内的各种修建性活动应根据保护规划要求进行,以达到与保护对象之间合理的空间景观过渡,对不符合要求的新旧建筑必须搬迁和拆除以达到环境的统一。缓冲地带为保护区范围以外约50米的范围,缓冲地带的新建筑不超过2层,檐口高度不超过6米。要获取相应的缓冲区内地物信息,可利用系统的空间缓冲分析功能提取目标分析范围内的地物信息并筛选出不符合要求的建筑(图7),或者以土楼为点分析土楼对周边经济发展的影响作用,分析的前提是资源数据库中有相应的属性信息,在此也突显了数据管理维护更新的重要性。
(2)叠置分析。地理信息系统中以层的概念来组织专题信息,如河流层、道路层、乡镇区层、滑坡灾害点层等,每一层包含一类相似空间地物的集合。叠置分析就是对各不同层之间的一种分析功能,它是地理信息系统提取空间隐含信息的手段之一。在客家土楼风险评估中,GIS能将不同的数据集结合在一起,以每个层记录一个专题,如道路、土地利用、水文数据层等(图8)。叠置分析用来判断哪些特征或属性共享相同的实体空间。在自然灾害防护方面,简单的叠置分析能够用于评价指定区域内土楼群落的自然风险系数数据。例如,将地质灾害图层与土楼群图层进行叠置分析,就可识别区域内的土楼可能存在的风险情况,以此做出相应的保护决策。
5、结语
基于GIS的永定客家土楼资源管理信息系统是一类强大的空间信息管理、分析工具,是以地理信息为主要对象的数据库。规模庞大的客家土楼文化遗产本身及所有相关情况的海量信息数据采集,是一项长期积累的过程。2000年4月,福建省决定把永定、南靖、华安三县土楼联合起来,以福建土楼的名义申报世界文化遗产。在2001年初,笔者参加了永定客家土楼的“申遗”工作,通过踏勘、访谈、测绘等方法对永定客家土楼现状进行了深入细致的调查研究,获得了丰富的调研成果。结合GIS的技术优势,通过分析研究文化资源管理信息系统的特点,论证了采用GIS技术解决文化资源管理信息系统的可行性。同时向有关部门广泛的调研和收集资料,获得了大量的图件、文字和统计数据,为系统的设计研究得以顺利进行提供了保障。永定客家土楼资源管理信息系统的建立为永定客家土楼的规划、保护、发展提供了一个现代化信息传输和管理的手段,虽然系统的建设还处在初始阶段,但随着GIS技术的逐步发展将为系统的不断完善提供了坚实的技术保证。GIS应用技术对文化遗产空间信息研究的不断深入,必然会开拓出更加广阔的研究领域,并对文化遗产保护工作产生极大的促进。GIS 技术能够适应文化遗产管理工作的新要求,能够为多学科多部门联合保护提供便捷的技术平台,能够为今后文化遗产研究工作提供新技术,开拓新领域。
参考文献
[1] 吴荣水.探秘神奇民居.凝望土楼[M].广东旅游出版社,2003:3.
[2] 王超.信息技术在古村落保护研究中的应用[D].西安建筑科技大学硕士论文,2007:13-18.
[3] 曾群华.重庆文物保护信息系统设计与实现[D].重庆师范大学硕士论文,2004:22.
[4] 胡鹏,黄杏元,华一新.地理信息系统教程[M].武汉大学出版社,2002:116-119.
[5] 高洪俊.AutoCAD图形数据向ArcGIS转换关键技术的研究[J].城市勘测,2006(06):24-25.
[6] C. Dana Tomlin. Geographic Information Systems and Cartographic Modeling[M].Englewood Cliffs,New Jersey:Prentice-Hall Inc.1990.
[7] 陈博,孙璐.GIS与文化遗产保护刍议[J].科教文汇,2009(03):233.