 為了要協助德州交通局(Texas Department of Transportation ， TxDOT)的文化資源管理活動， PBS&J 將專案承包下來，要準備一系列使用歷史地圖的地理資訊系統資料集（ geographic information system/GIS data sets ）。開始的工作授權主要重點在於以 GIS 格式記錄的文化資源位置和屬性（ attributes ）的發展；不過在這項專案接近尾聲時，德州交通局的重點已經從向量 GIS 資料的產生，轉移到經過數位掃瞄和地理參考（ georeferenced ）的歷史地圖本身的影像上，因為讓每張地圖都經過空間參考（ spatially referenced ）會相當實用。
被選中要進行這項專案的地區是德州交通局的休士頓區；由南北戰爭時期開始到 1952 年為止的地圖都經過掃瞄和空間參考，而來源地圖資訊和文化資源屬性則記錄在資料庫中。最大的挑戰是要很精準的參考某些日期比 1927 年開始採用北美測量基準面（ North American Datum of 1927 ， NAD27 ）更早的地圖。為了要處理這件事，發展出量身定製的基準面轉換，以將歷史地圖轉換成現代的座標系統。均方根誤差（ Root mean square error ， RMSE ） 計算方式也被用來測試經過空間修正的歷史地圖其位置的準確度；均方根誤差計算方式的進行是應用設定的樣本控制點（ sample control points ），而沒有進行野外實地真相（ field ground-truth ）的調查。
專案的背景
德州交通局負責發展和管理州立高速公路系統，其中包含超過 79000 英里隸屬州政府所管轄維護的道路。許多不同環境都受到這個高速公路系統以及相關的持續需求所影響；其中一個就是我們自己的人造環境。好幾個聯邦法和州法都保護歷史和考古方面重要的人類財產（ human occupation ）和土地使用遺跡，這些通常被視為文化資源。
 德州交通局建立了休士頓區史前以 GIS 為基礎的模型之後，交通局內環境事務部門（ Environmental Affairs Division ）的考古學家要 PBS&J 建立一個和 GIS 標準相容的歷史考古的層疊（ overlay ）。建立這個 GIS 的主要資訊來源就是歷史紀元地圖（ historic era maps ），上面展示出特定的文化地點特徵（ features ），像建築物和橋樑。這個專案的目標是為了在規劃交通運輸改善和維修專案所需時，讓 GIS 提供空間方面很準確而且隨時可找到的資訊。
一開始的構想中，假設每一張歷史地圖都會登錄在一個數位板上，如此一來經過確認的文化資源就可透過電子方式找到。不過 PBS&J 的方式反而是先掃瞄歷史地圖並對每一個影像作空間參考，這樣的話就可以用賓特利系統（ Bentley ）的 MicroStation 和 ESRI 的 ArcGIS 來將地點特徵數位化，不需要數位板。不使用數位板的這項決定，背後的主要原因是由於要取得某些歷史地圖的精確位置參考相當困難，尤其是碰到使用陳舊的座標系統網格（ grids ）或者根本沒有網格的地圖更是如此。
德州交通局的休士頓區包含了六個快速發展的郡：哈里斯(Harris)、蓋爾維斯頓(Galveston)、布瑞柔利亞(Brazoria)、福特班德(Fort Bend)、瓦勒(Waller)、和蒙戈馬利(Montgomery)。這項專案的設計包括兩個階段的資料收集和分析。第一階段由以下任務所組成：從 15 個挑選出的資料貯藏室內為 1930 年之前的地圖作目錄，然後分析這些來源地圖以評估它們的潛力，是否能提供休士頓區內相關的文化資源遺跡的位置。
在超過 1300 張經過辨認的地圖之中，大約有 10% 會被挑選作為來源地圖，再作進一步分析和特定位置資料擷取。第二階段包括取得、進行空間參考、和所選出地圖的數位化，因為必需創作文化資源 GIS 檔案。
對所選出的歷史週期地圖進行空間參考
 若想建立有用的 GIS ，所有的地點特徵都要使用共通的座標系統來定位。因為這項專案中的來源地圖使用了好幾種不同的座標系統，每一個來源地圖影像都要用一種叫作地理參考(georeferencing)的過程，把它空間參考到一個共通的系統。這個過程所使用的技巧是，將未經修正座標的相異集轉換成一個經過修正座標的共通集。
由於大多數來源地圖年代久遠，而且可獲得有關其空間參考資訊的差異很大，於是發展出變數方式（ variable approach ）來對所選出的地圖進行地理參考。一般來說，這種方式是使用適合的向量登錄層疊（ vector registration overlay ），將來源地圖影像轉換成一個共通的座標系統。 有些來源地圖本來就含有座標網格，最精準的向量登錄層疊就是一系列複製了這些來源地圖上座標網格的座標網格線。
在所有例子中都是用MicroStation GeoGraphics來產生向量登錄層疊。因為有些來源地圖沒有這些網格，所以就要用到其他的地點特徵。當來源地圖沒有座標網格時，最普遍使用到的是地產邊界線（ Property boundary lines ）；匯入代表各郡抽象邊界線的 ArcInfo Coverage 檔案後，這些資料可在 MicroStation GeoGraphics 中創作出來。至於其他沒有座標網格或抽象邊界線的地圖，不同的地點特徵 － 例如鐵路、道路、橋樑、或水文特徵 －就用來當作向量登錄層疊的基礎。若重新投影（ reprojecting ）目前德州交通局以 MicroStation DGN 格式所保存的各郡地圖，在 MicroStation GeoGraphics 中也能夠產生這些地點特徵。不過因為時間久遠，歷史地圖上這種地點特徵的呈現並不準確，因此這種方式是別無其他選擇之下的作法。
要對地圖進行地理參考的實際轉換過程，只需要一些和這些地圖相關的基本資料－前題 是它們已經使用共通的座標系統，它可以是市面上可找到的座標轉換軟體中，常見的用來作為輸入 / 輸出座標系統選擇的任何一種座標系統。這種軟體只能轉換以北美測量基準面（ NAD27 ）或更近期的水平測量基準面（ horizontal geodetic datums ）所製作的美國地圖的座標。雖然 NAD27 於 1927 年就在美國被採用為標準量測基準，不過有好些年在美國某些地區還是使用較早期的量測基準來製作地圖；在這項專案中當然也有這種情形。有些地圖在 1960 年代重新印製還使用早於 NAD27 的量測基準。
對於沒有使用 NAD27 的來源地圖，則需要另外的地圖製作資訊，以完成由過時的座標系統到共通的現代系統的轉換。根據研究發現，使用過時座標的地圖多半是採用北美測量基準面 1913 （ North American Datum ， 1913 ）、美國標準基準面 1901 （ U. S. Standard Datum ， 1901 ）、或是其他的地圖製作技術，複製在區域性測量基準面發展之前可得的測量基準面的原貌。
Molodensky 轉換
 用來為這些過時座標系統產生座標相等值的方法，是三參數的 Molodensky 轉換（ three-parameter Molodensky transformation ）。當要定義一個定製的基準面時，這種轉換方法是在 MicroStation GeoGraphics 中可找到的選擇之一。這樣的轉換可以讓使用某種基準面的座標被轉換成使用另一種基準面的座標。經由計算由一個系統到另一個系統的 x 、 y 、和 z 軸上的變化，這個過程就會成功（美國國家影像及地圖繪製局， NIMA 1997 ）。
只要使用一對地理座標，就能夠計算 Delta X 、 Y 、和 Z 的 Molodensky 參數。這對座標由來自每張地圖繪製時的三角測量（ triangulation ）調查的一組座標，以及來自最近的美國國家大地測量調查局（ National Geodetic Survey ， NGS ）資訊所表示的相同調查點的另一組座標所組成。若研究美國商業部海岸與測量調查局（ Coast and Geodetic Survey ）的不同出版物，就可以獲得歷史三角測量調查資訊。這個機構於 1851 年開始出版大地與三角測量調查的結果。
 MicroStation GeoGraphics 使用經過比較三角測量調查的歷史和現代座標而計算出來的 Delta X 、 Y 、和 Z 參數，用來製作這個專案所需的每個定製基準面。有兩個這樣的定製基準面會產生，一個是根據貝塞爾 1841 橢球（ Bessel 1841 ellipsoid ）理論，另一個是根據克拉克 1866 橢球理論（ Clarke 1866 ellipsoid ）。 MicroStation GeoGraphics 的選擇完全是實用導向，根據應用軟體的需求來產生網格線，這些網格線是使用以三參數 Molodensky 轉換為基礎的定製基準面。指定合適的橢球定義和為其所計算的三參數 Molodensky 轉換後，每一個過時的基準面都可以在 MicroStation GeoGraphics 中重新產生。
每一個來源地圖影像都使用 Bentley Descartes 來作地理參考，這個軟體可以讓使用者置入地圖影像來放大或縮小、互相選擇登錄點（ registration points ）、從多重登錄模型中挑選、以及在輸出影像產生之前檢視登錄設定的結果。登錄點在這個軟體中叫作控制點（ control points ），控制點對未經修正的影像和存在於合適空間位置的地點特徵來說都很平常。 Bentley Descartes 所用來作地理參考的來源地圖影像的正確座標檔案，就是向量登錄層疊設計檔案。每張來源地圖所使用的控制點的挑選，會因每張來源地圖所產生的向量登錄層疊種類而有所變動。
使用 Bentley Descartes 對來源地圖作地理參考的最大優點是動態校準（ dynamic warping ）環境。動態校準是一種螢幕顯示的檢視環境，在其中正確空間的向量元件（ vector elements ）會被顯示在未經修正影像的上方。這個功能的運作是使用所選定的相同控制點和登錄模型，僅僅執行反向的轉換；這種功能使用在每個來源地圖上和相對應的德州交通局各郡地圖設計檔案。結果相當強而有力，可以讓使用者看到置入每個控制點的效果；使用者也有能力改變登錄模型，並看到使用相同控制點的不同登錄模型的效果。有了動態校準，使用者可以作出有關影像再取樣（ re-sampling an image ）可能結果的重要決定，這個影像使用的是控制點和登錄模型的現有狀態。
評估準確度
 為了要評估地理參考過的歷史地圖其位置準確度，因此要作均方根誤差（ root mean square error ， RMSE ）評估。當和具有較高位置準確度配對資料相比較時，均方根誤差計算方式測量了所產生資料的座標空間變異。在歷史地圖以及符合國家準確度標準（ National Accuracy Standards ）或對應出版的國家大地測量調查局（ NGS ）座標的地圖之間的地點特徵共同點，稱為樣本控制點（ sample control points ， SCPs ）。以優先順序來說，被挑選成為樣本控制點的地點特徵是： 研究控制界碑（ survey control monuments ）、鐵路交叉點、地產邊界記號、公路交叉點、 和地標點位置（ landmark point locations ），例如：燈塔和教堂。沒有任何樣本控制點是使用地理參考過程中作為控制點的地點特徵而產生的。研究控制界碑的樣本控制點，提供了和地圖上地點特徵的實際地表位置相關的最準確評估；非研究控制界碑的樣本控制點，則提供了和作為樣本控制點正確位置的現代美國地質調查局四邊型（ USGS quadrangle ）有關的準確度評估。並沒有作現場調查來對產生的歷史地圖影像的地點特徵準確度作地理真相評估（ ground-truth ），因為這樣就超出了專案的範圍之外。
用均方根誤差計算的結果來計算地理參考過的歷史地圖影像的位置準確度，精準程度在 90% 。換句話說，地圖準確度的結果是正或負幾英呎，其中 90% 的來源地圖影像地點特徵被定位和較高的位置準確度相關。
發現的結果以及結論
 在意料之中的是，位置準確度最高的地理參考過的地圖，就是使用 NAD27 的距現在最近出版的地圖。同樣的，我們發現使用 NAD27 地圖的位置準確度，比使用美國標準基準面（ U.S. Standard Datum ）或貝塞爾 1841 本地基準面（ Bessel 1841 local datum ）的地圖要高。較大比例尺（ scale ）的地圖通常會比較小比例尺的地圖準確，不過也發現許多以 1 ： 80000 比例尺所作的美國海岸調查圖（使用定製基準面作地理參考）比其他類似比例尺的地圖具有更佳的位置準確度。
即使廣泛調查了這些地圖的製圖歷史，以及這些地圖創作期間所使用的技術，還是有好幾個特定的資訊鴻溝有待解決。許多地圖並沒有包含用來製作地圖的投影（ projections ） 或基準面的資訊，必需根據創作地圖的人所決定使用的製圖技巧來作一些假設；而這些假設肯定會對資料集產生位置準確度有些影響。
在前一項專案進行期間， PBS&J 已經多次使用歷史地圖來決定文化地點特徵的位置，不過這項專案是首度這麼廣泛而努力的修正歷史地圖的登錄，以獲取最高的位置準確度。
 「我們過去使用歷史地圖為海洋及陸地方面的文化資源預測位置的經驗並沒有很成功，尤其是在蓋維斯頓灣（ Galveston Bay ）地區，因為現代和歷史座標系統之間並不一致。」這項專案的首席研究員 Eugene Foster 說明。「此外，過去也缺乏在它們之間作出準確判斷的技術。雖然我們現在的方法還不必透過地理真相評估來進行應用或驗證，我還是信心滿滿， PBS&J 為德州交通局所研發出來的這個系統，將可提供改善許多而且很實用的工具來作定位（ locating ），並且避免文化遺址因為道路重新定位或營建專案而受到影響。」
「德州交通局也很感興趣，要將這種歷史地圖層疊技術應用到其他環境變數的分析方面，例如一段時間之後海岸線和植物的變化。我們之中在 PBS&J 這裏參與這項專案的人都很高興能有這個機會，為德州交通局研發這個系統；我們很期待能提供這項服務給德州交通局，和其他位於德州和美國境內的環境資源管理機構。」
德州交通局的環境部門專案經理 Jim Abbott 表示，「德州交通局對 PBS&J 所提供的這個產品非常滿意。在電腦裏就能找到並且比較歷史地圖，這樣的效能讓我們在文化資源規劃上有了相當強力好用的工具。它也提供了在規劃過程中我們得考慮的許多其他環境變數可適用的資料。」
超過 12000 項資源進行數位化，並在 GIS 中呈現，專案後期的重點由資源點 ArcView GIS shapefile 格式轉移到地理參考過的歷史地圖本身。因為任何向量 GIS 或 CAD 檔案，只是呈現為向量元件的來源資料的一般化，具有來源資料完整影像的話就會有很明顯的優點。這個效果對德州交通局來說，在傳送地理參考過的歷史地圖影像時立刻就顯現出來；完整的歷史地圖可以同時和不同的其他地理空間資料集一起檢視。
考古學家和歷史學家將可以利用這些地圖，作為這個機構所進行的文化資源管理的一部份。不過，它們也可以用在發展土地使用、開發、和植物變遷的歷史趨勢。很可能地圖影像還有尚未被發現的用途；以歷史文件和地圖格式存放於不同檔案室內的豐富資訊，有時可能毫無侷限。很明顯的，歷史地圖和地理空間軟體共同使用的發展，將可長期滿足文化資源管理者和其他相關人士的需求。
作者：
Ty Summerville ，資深地理資訊系統(GIS)分析師， PBS&J
原文出處：MSMonline/Case Study
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