上海近代公園信息管理系統(tǒng)及三維可視化建構(gòu)*

Construction of Information Management System and 3D Visualization for Modern Public Gardens in Shanghai

周向頻 李劭杰

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上海近代公園信息管理系統(tǒng)及三維可視化建構(gòu)*

周向頻

同濟(jì)大學(xué)建筑與城規(guī)劃學(xué)院

高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

教授，博士生導(dǎo)師

李劭杰

同濟(jì)大學(xué)建筑與城規(guī)劃學(xué)院

碩士研究生

上海近代公園①本文研究的上海近代公園是指建于1840年至1949年對(duì)公眾開(kāi)放的城市園林，大多經(jīng)歷多次改造，甚至部分已湮滅，但其遺存者仍為市民游憩使用。類型上包括租界公園、政府及私人所建公園、經(jīng)營(yíng)性私園及其他類型（陵園、戶外游園、廣場(chǎng)綠地等），劃分依據(jù)詳見(jiàn)周向頻、陳喆華的《上海公園設(shè)計(jì)史略》一書，同濟(jì)大學(xué)出版社，2009年。在上海公園發(fā)展史上具有重要地位，代表了上海特定歷史時(shí)期下的園林類型，屬于20世紀(jì)遺產(chǎn)②關(guān)于“20世紀(jì)遺產(chǎn)”詳見(jiàn)張松的《歷史城市保護(hù)學(xué)導(dǎo)論:文化遺產(chǎn)和歷史環(huán)境保護(hù)的一種整體性方法》，同濟(jì)大學(xué)出版社，2008年。的范疇。它既體現(xiàn)了多元文化下造園風(fēng)格的嘗試和本土語(yǔ)言的探索，也是上海近代社會(huì)和政治事件的承載場(chǎng)所，同時(shí)又是中西文化交流在近代上海變遷中的物化表現(xiàn)，眾多社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化現(xiàn)象均在近代城市與公園的互動(dòng)共生中得到表現(xiàn)。許多經(jīng)歷不同時(shí)期改造的近代公園在當(dāng)代城市公共空間中仍發(fā)揮著積極的作用，是“活著的遺產(chǎn)”。

近年來(lái)，上海陸續(xù)啟動(dòng)了幾批“老公園”的改造項(xiàng)目，其中就包括了一些近代公園，如魯迅公園、復(fù)興公園、中山公園等，但改造方案、改造過(guò)程和改造結(jié)果都帶來(lái)較多的爭(zhēng)議。在快速城市化與自身功能轉(zhuǎn)變帶來(lái)的使用壓力下，近代公園的改造和更新是必然的，但應(yīng)處理好“活的遺產(chǎn)”與“動(dòng)態(tài)保護(hù)”之間的關(guān)系，以全面的遺產(chǎn)價(jià)值認(rèn)知及科學(xué)評(píng)價(jià)作為改造更新的依據(jù)。而開(kāi)展上海近代公園信息管理工作，摸清家底，充分了解上海近代公園本體的生存狀況，則是進(jìn)一步發(fā)掘與評(píng)價(jià)上海近代公園的歷史、藝術(shù)、科學(xué)等遺產(chǎn)價(jià)值的基礎(chǔ)。作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，目前上海近代公園的資料收集整理面臨著許多問(wèn)題：①分散化，資料龐雜、來(lái)源不清，許多珍貴數(shù)據(jù)面臨損壞和遺失的危險(xiǎn)；②封閉性，記錄形式自我封閉，缺少靈活、可擴(kuò)展的開(kāi)放分類體系來(lái)應(yīng)對(duì)海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；③無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏針對(duì)性強(qiáng)、統(tǒng)一性高、共享性佳的上海近代公園數(shù)據(jù)記錄的分類方法，資源有效配置利用率低；④無(wú)組織，缺少常設(shè)的機(jī)構(gòu)部門負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理上海近代公園的資料檔案，數(shù)據(jù)的記錄管理缺乏統(tǒng)籌安排，導(dǎo)致無(wú)序、重復(fù)性的工作時(shí)有發(fā)生。因此，推進(jìn)上海近代公園信息管理工作向前發(fā)展，不僅十分必要，而且特別緊迫。

傳統(tǒng)的資料收集整理方式是以“手工”勞動(dòng)為主要特征，勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)、信息采集成本高、共享性差。近年來(lái)，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)在歷史建筑調(diào)查、環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)普查、地籍測(cè)量等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用；同樣，在上海近代公園調(diào)查中，數(shù)字化技術(shù)的有效合理利用也會(huì)大大提高上海近代公園調(diào)查的準(zhǔn)確性、有效性和全面性。由于在背景及現(xiàn)狀調(diào)查過(guò)程中獲取的大量圖文資料和信息都具有空間屬性，因此需要利用3S技術(shù)，特別是2D和3DGIS技術(shù)，來(lái)構(gòu)建上海近代公園信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維可視化，有效獲取、管理、利用現(xiàn)狀調(diào)查所獲取的各種資料，為遺產(chǎn)價(jià)值的認(rèn)知評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

上海近代公園信息管理系統(tǒng)及三維可視化建構(gòu)的意義體現(xiàn)在：①建立數(shù)字檔案，利用虛擬空間對(duì)歷史遺存進(jìn)行修復(fù)、復(fù)原研究，為保護(hù)利用提供技術(shù)支持；②彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工手段的諸多不足，將研究成果高效整合與轉(zhuǎn)化，提高工作效率；③使專業(yè)人員快速獲取大量空間信息，分析處理復(fù)雜環(huán)境并可視化展現(xiàn)；④借助數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，保存珍貴檔案數(shù)據(jù)，最大限度地共享文化遺產(chǎn)資源，加深公眾對(duì)上海近代公園遺產(chǎn)的認(rèn)知和理解。

1 上海近代公園數(shù)據(jù)采集

1.1 數(shù)據(jù)分類

1.1.1 數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

上海近代公園相關(guān)資料涉及多維度的海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有如下特點(diǎn)：①多學(xué)科，涉及歷史、考古、城市建設(shè)、工程技術(shù)、文化、藝術(shù)、社會(huì)、政治、生態(tài)環(huán)境等；②跨時(shí)代，從近現(xiàn)代一直延續(xù)到當(dāng)代；③多維度，包括空中、地表及地下、水上及水下；④多尺度，涉及區(qū)域、市域、園域、單體要素；⑤海量化，隨時(shí)間和事物的變化，其數(shù)據(jù)量逐漸遞增，具有海量特征。

1.1.2 數(shù)據(jù)的內(nèi)容分類

許多國(guó)內(nèi)外法規(guī)準(zhǔn)則均對(duì)文化遺產(chǎn)信息的內(nèi)容記錄做了規(guī)定。例如《威尼斯憲章》（1964）第16條、《古跡、建筑群和遺址的記錄準(zhǔn)則》（1999）、《建筑遺產(chǎn)分析、保護(hù)和結(jié)構(gòu)修復(fù)準(zhǔn)則》（2003）、第三次全國(guó)文物普查、《全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位保護(hù)規(guī)劃編制要求》（2005）第27條、《中國(guó)文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》（2004）以及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，為本文進(jìn)行上海近代公園數(shù)據(jù)分類提供了權(quán)威的參考。

上海近代公園作為一類特殊的文化遺產(chǎn)，有別于歷史建筑、歷史街區(qū)等其他類型遺產(chǎn)，其信息的記錄有其特殊性。因此，本文在充分借鑒上述國(guó)內(nèi)外相關(guān)法規(guī)的基礎(chǔ)上，以《中國(guó)文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》和《全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位保護(hù)規(guī)劃編制要求》為主要依據(jù)，擬定上海近代公園信息記錄的數(shù)據(jù)內(nèi)容分類框架，用以指導(dǎo)上海近代公園的背景及現(xiàn)狀調(diào)查工作。通過(guò)建立開(kāi)放性的體系，使上海近代公園數(shù)據(jù)信息能隨時(shí)間和事物的變化進(jìn)行延展和補(bǔ)充。

按照涵蓋的內(nèi)容，上海近代公園所涉及的數(shù)據(jù)可分為6大類：歷史資料檔案、現(xiàn)狀環(huán)境記錄、文物勘測(cè)報(bào)告、保護(hù)工程報(bào)告、監(jiān)測(cè)檢查記錄、使用管理檔案。

1.2 數(shù)據(jù)采集方式

數(shù)據(jù)采集是將空間及有關(guān)屬性數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)的過(guò)程。根據(jù)是否具有空間屬性作為劃分依據(jù)，可將數(shù)據(jù)分為兩類：一類是文本類數(shù)據(jù)（歷史檔案、歷史圖片、書籍、論文等）；一類是空間類數(shù)據(jù)（遙感影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等）。

1.2.1 文本類數(shù)據(jù)及其采集方式

文本類數(shù)據(jù)是最為常見(jiàn)的一類數(shù)據(jù)，可以通過(guò)不同的方式進(jìn)行采集，如文獻(xiàn)資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、民間走訪、問(wèn)卷調(diào)查等，最后將收集到的資料進(jìn)行歸總分類，放入紙質(zhì)文件夾或錄入掃描到計(jì)算機(jī)中。以上海近代公園的文獻(xiàn)資料收集為例，其主要來(lái)源有：上海市及各區(qū)縣的檔案館、圖書館、展覽館、文獻(xiàn)館；高校及科研單位；政府機(jī)關(guān)及其相應(yīng)網(wǎng)站；知網(wǎng)、萬(wàn)方等電子資源數(shù)據(jù)庫(kù)等。

1.2.2 空間類數(shù)據(jù)及其采集方式

上海近代公園的空間數(shù)據(jù)來(lái)源，包括各種尺度的地形圖、航空影像圖、遙感影像圖，市域不同范圍的行政地圖，各種專題地圖，上海近代公園個(gè)案的總平面圖、剖面圖，城市及園林的三維空間模型。通過(guò)處理，可從地圖中獲取相應(yīng)的地形要素?cái)?shù)據(jù)，主要包括從宏觀到微觀多尺度的數(shù)字線劃圖（DLG）、數(shù)字柵格圖（DRG）、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像圖（DOM）。

普通紙質(zhì)地圖是最廣泛的空間類數(shù)據(jù)來(lái)源之一。地圖數(shù)據(jù)可以從地圖上用手工、半自動(dòng)或全自動(dòng)的方式獲得。根據(jù)所應(yīng)用的方法，以模擬方式描繪的紙質(zhì)地圖可轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的矢量格式或柵格格式。

在某些情況下，現(xiàn)存地圖并不能提供所需的空間數(shù)據(jù)，而必須由設(shè)計(jì)單位通過(guò)其他渠道獲取。目前有兩類獲取空間數(shù)據(jù)的辦法，即“地面測(cè)量”和“遙感”，也就是野外數(shù)據(jù)采集的方法。

野外數(shù)據(jù)采集的流程分為兩大部分：外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理。進(jìn)行外業(yè)操作的方法主要有：航空攝影測(cè)量法、激光掃描法、傾斜攝影法、野外實(shí)地測(cè)量法。需要選擇的測(cè)量設(shè)備，常用的有經(jīng)緯儀、全站儀、GPS設(shè)備、3D激光掃描儀等。內(nèi)業(yè)工作主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的質(zhì)量把關(guān)，進(jìn)行初步的編輯和修正，統(tǒng)一規(guī)范化控制。例如，在一個(gè)GIS系統(tǒng)中，不同比例尺的地圖及不同的地圖投影方法常常混合使用。為了使它們互相兼容，必須將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相同的比例尺并采用相同的投影方法。所以，內(nèi)業(yè)整理的部分工作是將不同數(shù)據(jù)處理成相同的格式。

利用現(xiàn)代勘察測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲取上海近代公園及周邊環(huán)境信息，按照數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范化處理后進(jìn)入上海近代公園數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)的比例、格式和數(shù)據(jù)來(lái)源取決于應(yīng)用的目的。例如，上海近代公園的遙感影像宜采用QuickBird或IKONOS影像，即能達(dá)到一個(gè)較為滿意的分辨率。

2 上海近代公園信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1.1 基本組成要素

上海近代公園信息管理系統(tǒng)是具有數(shù)據(jù)采集、管理、分析和表達(dá)數(shù)據(jù)能力的系統(tǒng)，它能夠?yàn)樯虾＝珗@遺產(chǎn)價(jià)值評(píng)價(jià)和保護(hù)利用提供有用的信息。一個(gè)基于數(shù)字化技術(shù)的上海近代公園信息管理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)（構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)）和用戶四大要素，四者缺一不可。

2.1.2 數(shù)據(jù)元和元數(shù)據(jù)

兩者均是信息系統(tǒng)的基本概念。數(shù)據(jù)元（data element）在特定的語(yǔ)義環(huán)境中被認(rèn)為是不可再分的最小數(shù)據(jù)單元。元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)（data about data），是對(duì)數(shù)據(jù)的說(shuō)明?！冻鞘谢A(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（CJJ100－2004）中定義元數(shù)據(jù)（metadata）為“說(shuō)明數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、狀況和其他有關(guān)特征描述的信息”。

數(shù)據(jù)元是相對(duì)固定的，而元數(shù)據(jù)則依賴于其描述的數(shù)據(jù)實(shí)體，是相對(duì)的，當(dāng)數(shù)據(jù)元用來(lái)描述它的上級(jí)組合實(shí)體時(shí)，就成為實(shí)體的元數(shù)據(jù)。以上海市復(fù)興公園基本信息表為例，包含的屬性字段有公園名稱、曾用名、建成時(shí)間、公園面積、園林風(fēng)格等。以上字段屬于描述復(fù)興公園基本信息的數(shù)據(jù)，是它的元數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，這些字段有自己的元數(shù)據(jù)，即描述數(shù)據(jù)，分別是長(zhǎng)度、類型、值域等。

2.1.3 基本體系架構(gòu)

上海近代公園信息管理系統(tǒng)的體系架構(gòu)采用數(shù)據(jù)層、管理層、服務(wù)層、應(yīng)用層4層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）。

數(shù)據(jù)層是在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上海近代公園多源、多時(shí)相、多分辨率數(shù)據(jù)的集成和統(tǒng)一存儲(chǔ)。該信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層由兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)組成：①以上海近代公園屬性與其空間位置相關(guān)聯(lián)的GIS空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)；②以上海近代公園原始文件資料為主的圖文影音數(shù)據(jù)庫(kù)。

管理層主要實(shí)現(xiàn)服務(wù)層與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的鏈接與控制，完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的定義、維護(hù)、訪問(wèn)和修改，同時(shí)管理和滿足服務(wù)層的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，包括執(zhí)行數(shù)據(jù)的增、刪、改、查、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出等操作。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理產(chǎn)品有Microsoft Access、Microsoft SQL Server、Oracle、DB2等。本系統(tǒng)采用ArcGIS 10.2以及Microsoft Access2007完成對(duì)上海近代公園信息管理系統(tǒng)的管理和服務(wù)操作。

服務(wù)層主要提供各種空間信息服務(wù)工具，包括對(duì)數(shù)據(jù)層中空間數(shù)據(jù)的組織管理、查詢檢索，以及空間分析、三維建模與顯示等。通過(guò)結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言（Structured Query Language，SQL）、ArcGIS下的ArcToolBox、ArcScene/ ArcGlobe以及3Ds MAX/SketchUp完成一系列二維、三維的查詢、分析、建模、顯示等功能需求。

應(yīng)用層主要為上海近代公園保護(hù)相關(guān)科研、設(shè)計(jì)、管理人員和普通公眾提供應(yīng)用服務(wù)，因此分為兩類用戶的應(yīng)用，即普通客戶端用戶和專業(yè)應(yīng)用客戶端用戶。普通客戶端主要采用B/S（Brower/Server）模式，基于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，為用戶提供上海近代公園及保護(hù)相關(guān)的信息內(nèi)容；專業(yè)應(yīng)用客戶端用戶則采用C/S（Client/ Server），使用強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、空間分析以及地圖制圖等功能，進(jìn)行遺產(chǎn)價(jià)值評(píng)價(jià)、保護(hù)規(guī)劃制定、空間分析模擬和輔助決策等。應(yīng)用層需要ArcGIS Engine以及相關(guān)的編程語(yǔ)言（如C++、VB.NET、Java等）進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

圖2　Microsoft Access建立的上海市復(fù)興公園圖文影音數(shù)據(jù)庫(kù)

2.2 圖文影音數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

圖文影音數(shù)據(jù)庫(kù)，即原始文件資料匯總整理的檔案庫(kù)。把之前數(shù)據(jù)采集工作獲取的各種關(guān)于上海近代公園資料信息的原始文件，通過(guò)掃描、拍攝、影印、拓片等方式轉(zhuǎn)化成電子版本，借助Microsoft Access歸類存檔（圖2）。

原始文件包括文本、位圖、矢量圖、三維模型、視頻、音頻、網(wǎng)站網(wǎng)址7大類（表1）。

上海近代公園圖文影音數(shù)據(jù)庫(kù)的元數(shù)據(jù)應(yīng)該包括：①對(duì)文件的基本表述，名稱、類型、來(lái)源、作者、創(chuàng)建時(shí)間/獲取時(shí)間；②對(duì)文件質(zhì)量的描述，文件大小、比例尺、精度、分辨率等。在此采用科研型元數(shù)據(jù)，其主要目標(biāo)是幫助用戶獲取上海近代公園各種資料的來(lái)源及其相關(guān)信息，便于用戶可以快速進(jìn)行瀏覽、檢索，同時(shí)減少重復(fù)存儲(chǔ)造成的數(shù)據(jù)冗余。以上海復(fù)興公園為例，文件“200907-C1-01 上海市復(fù)興公園毛氈花壇總平面圖.dwg”（表2）。

表1　圖文影音數(shù)據(jù)庫(kù)的文件類型分類

表2　矢量圖信息表范例

圖3　上海近代公園GIS空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

2.3 GIS空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

GIS技術(shù)可以輔助設(shè)計(jì)師和管理者進(jìn)行上海近代公園的數(shù)據(jù)管理。通過(guò)整合園內(nèi)及其背景環(huán)境的歷史文化資源數(shù)據(jù)，構(gòu)建完善、科學(xué)的上海近代公園二維、三維GIS空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)（圖3）。該數(shù)據(jù)庫(kù)具有將上海近代公園屬性與其空間位置相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，包括上海近代公園的全面文字描述，例如上海近代公園的風(fēng)格、出處、發(fā)展歷史等；并且該信息管理數(shù)據(jù)庫(kù)能夠結(jié)合到二維地圖和三維空間中，精確地記錄園林及園內(nèi)要素的二維和三維信息。

2.3.1 二三維數(shù)據(jù)一體化

當(dāng)前，傳統(tǒng)的二維GIS已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足園林信息管理的需求。三維GIS作為地理信息系統(tǒng)新的發(fā)展趨勢(shì)，可以提供更多的信息，表現(xiàn)更多的空間關(guān)系，同時(shí)接近人們的視覺(jué)習(xí)慣而顯得更加真實(shí)。盡管三維GIS跟二維GIS相比具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但在上海近代公園信息管理系統(tǒng)中還無(wú)法完全替代二維GIS的作用。由于二維也有比三維更宏觀、更抽象、更綜合的優(yōu)點(diǎn)，在部分研究分析中也需要忽略真實(shí)細(xì)節(jié)、呈現(xiàn)關(guān)鍵信息，此時(shí)二維就可能比三維更合適。

二維和三維GIS各有優(yōu)點(diǎn)，人們常常希望在一個(gè)系統(tǒng)中能夠同時(shí)包含二維和三維GIS的功能，或者在原有的二維GIS系統(tǒng)增加三維GIS系統(tǒng)。因此，本文通過(guò)ArcMap和ArcScene/ ArcGlobe等軟件，構(gòu)建了一個(gè)二三維協(xié)同操作的信息管理系統(tǒng)。

2.3.2 基本構(gòu)成

無(wú)論是二維還是三維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，都是由空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)兩個(gè)基本數(shù)據(jù)庫(kù)類型構(gòu)成的。

（1）空間數(shù)據(jù)庫(kù)

空間數(shù)據(jù)庫(kù)中兩種常用的數(shù)據(jù)模型分別是矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了地理空間實(shí)體的自身的位置、大小、形狀、方向，以及空間實(shí)體之間的幾何關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系。空間關(guān)系定義了實(shí)體間的地理關(guān)系，通常包括：①度量關(guān)系，如兩個(gè)景觀小品之間的距離遠(yuǎn)近、兩棵樹(shù)的間距；②延伸關(guān)系或方位關(guān)系，如建筑與景觀地物之間的相對(duì)方位；③拓?fù)潢P(guān)系，定義了地物之間的連通、鄰接等關(guān)系，是GIS分析中最基本的關(guān)系，如建筑與院落的從屬關(guān)系、植物組團(tuán)之間的銜接關(guān)系、園路節(jié)點(diǎn)與園路網(wǎng)絡(luò)間的樞紐關(guān)系等。

（2）屬性數(shù)據(jù)庫(kù)

本屬性數(shù)據(jù)庫(kù)所建立的數(shù)據(jù)主要有兩種：一種是以人工或半人工方式輸入的文本數(shù)據(jù)，例如植物要素表中的年份、植物種類名稱、植物種類數(shù)量、樹(shù)種比例、數(shù)量/面積、植物配置方式、保存狀況等；另一種是在ArcMap中建立空間數(shù)據(jù)文件時(shí)自動(dòng)生成的屬性數(shù)據(jù)。第二種屬性數(shù)據(jù)與一般數(shù)據(jù)庫(kù)中的文本數(shù)據(jù)的重要區(qū)別在于它具有空間標(biāo)識(shí)，即每一個(gè)數(shù)據(jù)總是與某一空間實(shí)體相對(duì)應(yīng)的。

在此基礎(chǔ)上，還可通過(guò)超媒體（hypermedia）系統(tǒng)，將空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)與圖文影音數(shù)據(jù)庫(kù)集成，實(shí)現(xiàn)圖片、文本文件、視頻、網(wǎng)站、應(yīng)用程序等非表狀屬性數(shù)據(jù)的鏈接。GIS與超媒體進(jìn)行集成，將大大加強(qiáng)上海近代公園信息管理系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

3 二維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的具體搭建

3.1 框架體系設(shè)計(jì)

按照“二維總庫(kù)—二維子庫(kù)—圖層”的邏輯組成進(jìn)行劃分，上海市近代公園二維GIS總數(shù)據(jù)庫(kù)由市域和園域兩個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)組成：市域子數(shù)據(jù)庫(kù)從宏觀角度出發(fā)，歸納總結(jié)全市所有近代公園的基本信息；園域子數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)記錄每個(gè)公園園內(nèi)具體要素的空間信息。圖層則是依據(jù)公園類型、時(shí)期年份、園林要素類型的不同進(jìn)行分類（圖4）。

3.2 市域子數(shù)據(jù)庫(kù)

市域子數(shù)據(jù)庫(kù)收集記錄了全市范圍內(nèi)所有近代公園的基本信息、發(fā)展歷程、相關(guān)歷史事件信息以及空間位置信息。

3.2.1 市域空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

市域子數(shù)據(jù)庫(kù)分為2個(gè)Ⅰ級(jí)圖層“按公園類型劃分”和“按時(shí)期年份劃分”，分別體現(xiàn)了兩種建構(gòu)思路：同一類型上海近代公園在不同年份的信息分類，不同年份的所有類型上海近代公園的信息分類。

“按公園類型劃分”往下分為4個(gè)Ⅱ級(jí)圖層：租界公園、華人自建公園、經(jīng)營(yíng)性私園和其他類型公園。同時(shí)，每種公園類型的圖層按自身發(fā)展歷程，選取若干年份作為Ⅲ級(jí)圖層。Ⅲ級(jí)圖層中的每一個(gè)要素代表了某個(gè)公園，并且是以點(diǎn)要素（point feature）的數(shù)據(jù)類型存在于視圖中，這樣可以直觀展現(xiàn)同一類型公園在不同發(fā)展階段的空間分布情況（圖5）。

“按時(shí)期年份劃分”往下分為若干個(gè)Ⅱ級(jí)圖層：選取上海近代公園的重要時(shí)期年份，展現(xiàn)同一年代所有類型的公園分布狀況。同時(shí)，每一年份下又分為2個(gè)Ⅲ級(jí)圖層：存在、不存。圖層中的每一個(gè)要素同樣代表了某個(gè)公園，以點(diǎn)要素的數(shù)據(jù)類型存在。這樣通過(guò)開(kāi)關(guān)圖層，可以檢索某個(gè)公園在特定年份下是否已存在或者不存在的狀態(tài)（圖6）。

由于上海近代公園過(guò)去的許多數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失或者沒(méi)有記錄，我們很難收集所有年份的“時(shí)間序列數(shù)據(jù)”③時(shí)間序列數(shù)據(jù)（time series data） 是指含隨著時(shí)間連續(xù)變化的空間對(duì)象的GIS數(shù)據(jù)。，建立一套時(shí)間連續(xù)變化的上海近代公園GIS空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)。因此，在數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建上，本文吸收了歷史地理信息系統(tǒng)（Historical Geographic Information System，HGIS）的建構(gòu)思想，2015年以前采用時(shí)間斷面的分析方式，選取在上海近代公園發(fā)展中的幾個(gè)重要時(shí)期年份的“時(shí)間斷面數(shù)據(jù)”④時(shí)間斷面數(shù)據(jù)（time slice data）是指含單一年份的空間對(duì)象，或“截取一個(gè)時(shí)間斷面” 的GIS數(shù)據(jù)。使用時(shí)間斷面數(shù)據(jù)時(shí)，文件中的所有空間對(duì)象都共同存在于某一年度。時(shí)間序列數(shù)據(jù)（time series data） 是指含隨著時(shí)間連續(xù)變化的空間對(duì)象的GIS數(shù)據(jù)。，進(jìn)行近代公園的發(fā)展變遷梳理。從2015年開(kāi)始，可以逐年對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充更新，構(gòu)建“時(shí)間序列數(shù)據(jù)”。

3.2.2 市域?qū)傩詳?shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

（1）要素屬性表及相應(yīng)屬性字段

基本信息總表：編號(hào)、公園名稱、曾用名、建成時(shí)間、公園類型、地址、公園面積、園林風(fēng)格、管理單位、始建管理單位、始建單位/設(shè)計(jì)師、保護(hù)級(jí)別、荒園時(shí)間、公園性質(zhì)、存在/不存（圖7）。

下面以基本信息總表為例，羅列部分屬性字段詳細(xì)信息（表3）。

（2）作為超鏈接的屬性表及相應(yīng)屬性字段

通過(guò)超鏈接的方式從外部打開(kāi)相應(yīng)的表（圖8）。發(fā)展歷程表：編號(hào)、歷史時(shí)期、歷史階段、公園建設(shè)階段、年份、所處地段、用地名稱/別名、用地性質(zhì)、用地面積、開(kāi)發(fā)單位、管理單位、設(shè)計(jì)師/設(shè)計(jì)單位、建造風(fēng)格、建園/改造構(gòu)想、實(shí)施改造、周邊環(huán)境變遷、開(kāi)放對(duì)象、備注（圖9）。歷史事件表：編號(hào)、年份、事件名稱、事件地點(diǎn)、組織單位、事件類型、重要?dú)v史人物、事件始末。

圖5　按公園類型劃分的市域子數(shù)據(jù)庫(kù)界面

圖6　按時(shí)期年份劃分的市域子數(shù)據(jù)庫(kù)界面

圖7　在市域子數(shù)據(jù)庫(kù)中打開(kāi)1943年的屬性表

圖8　通過(guò)超鏈接把復(fù)興公園的外部屬性表與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)

圖9　通過(guò)超鏈接打開(kāi)復(fù)興公園發(fā)展歷程表

3.3 園域子數(shù)據(jù)庫(kù)

園域子數(shù)據(jù)庫(kù)指的是各個(gè)園林單體不同時(shí)期的造園要素信息檔案。下面以復(fù)興公園為例進(jìn)行具體分析。

3.3.1 園域空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

從初建至今，復(fù)興公園的許多歷史數(shù)據(jù)處于缺失狀態(tài)，我們無(wú)法建立一套時(shí)間連續(xù)變化的復(fù)興公園園域子數(shù)據(jù)庫(kù)。因此在數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建上，依然采用與市域子數(shù)據(jù)庫(kù)相同的做法，選取了1925年、1955年、1992年、2009 4個(gè)不同年份的“時(shí)間斷面數(shù)據(jù)”，進(jìn)行復(fù)興公園的發(fā)展變遷梳理。從2015年開(kāi)始，可以逐年對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)充更新，構(gòu)建“時(shí)間序列數(shù)據(jù)”（圖10）。

復(fù)興公園的園域數(shù)據(jù)庫(kù)按1925年、1955年、1992年、2009年4個(gè)不同年份建立了4個(gè)Ⅰ級(jí)圖層。Ⅰ級(jí)圖層往下按照造園要素又分為8個(gè)Ⅱ級(jí)圖層：建筑、植物、硬質(zhì)場(chǎng)地、小品、水體、物理邊界、園路、假山。其中，線要素（line feature）有園路、物理邊界；面要素（polygon feature）有建筑、植物、硬質(zhì)場(chǎng)地、小品、水體、假山。

3.3.2 園域?qū)傩詳?shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)狀資料是最容易獲取的，也是最能保證數(shù)據(jù)的真實(shí)和質(zhì)量，園域?qū)傩员碛涗浀男畔⒔^大部分是現(xiàn)狀信息，輔以部分的歷史信息（圖11）。與空間數(shù)據(jù)庫(kù)相對(duì)應(yīng)，園域的要素屬性表主要包括了以下幾大類：建筑、小品、植物、硬質(zhì)場(chǎng)地、水體、物理邊界、園路、假山、古樹(shù)名木等。以建筑要素表為例，其屬性字段有：編號(hào)、建筑名稱、最初來(lái)源方式、最初落成時(shí)間、最初園中位置、最初建造風(fēng)格、最初占地面積、最初建筑面積、最初建筑層數(shù)、最初建筑高度、最初類型、最初功能、設(shè)計(jì)手法、施工工藝、建筑結(jié)構(gòu)、建造材料、保護(hù)級(jí)別、歷史事件、紀(jì)念意義、現(xiàn)狀使用人群、現(xiàn)狀容納活動(dòng)類型、保存狀況等。

4 三維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的具體搭建

目前雖然有眾多平臺(tái)提供三維場(chǎng)景顯示，而且非常逼真，但它們均缺乏三維空間分析功能，缺乏二維矢量圖形跟三維場(chǎng)景的互動(dòng)，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)、科研、管理等需求，因此需要利用ArcGIS下的ArcGlobe、ArcScene、ArcCatalog產(chǎn)品來(lái)構(gòu)建上海近代公園三維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。

通過(guò)構(gòu)建上海近代公園三維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，為規(guī)劃設(shè)計(jì)研究人員、園林管理人員提供一個(gè)在可視化環(huán)境中探尋上海近代公園的時(shí)空演變過(guò)程，探究城市變遷下的城園互動(dòng)關(guān)系，探討上海近代公園的規(guī)劃和保護(hù)以及直觀描繪上海近代公園未來(lái)的平臺(tái)。

4.1 框架體系設(shè)計(jì)

本文主要針對(duì)園域尺度，即上海近代公園個(gè)案，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建?？蚣荏w系按照“三維總庫(kù)—三維子庫(kù)—圖層”的邏輯組成進(jìn)行劃分。上海近代公園三維GIS總數(shù)據(jù)庫(kù)（圖12）由3個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，分別是：現(xiàn)狀三維園林子庫(kù)、歷史三維園林子庫(kù)、規(guī)劃三維園林子庫(kù)。按照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T 9015—2012）的分類，上海近代公園的圖層應(yīng)分為7大類：地形要素、建筑要素、園路要素、水系要素、場(chǎng)地要素、植被要素和其他要素（如輔助設(shè)施和美化設(shè)施）。

圖10　復(fù)興公園園域子數(shù)據(jù)庫(kù)界面

圖11　在復(fù)興公園園域子數(shù)據(jù)庫(kù)中打開(kāi)建筑屬性表

圖12　上海近代公園三維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)框架

圖13　上海近代公園三維可視化實(shí)現(xiàn)的流程

4.2 操作流程

整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：原始數(shù)據(jù)（空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)）的獲取和整理，三維建模貼圖以及三維空間數(shù)據(jù)管理（圖13）。

4.3 三維可視化管理的實(shí)現(xiàn)

仍以上海市復(fù)興公園為例，詳解三維可視化的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

4.3.1 數(shù)據(jù)獲取及整理

二三維數(shù)據(jù)的一體化可以使得通過(guò)數(shù)據(jù)共享來(lái)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)庫(kù)的屬性信息管理。而對(duì)于模型空間數(shù)據(jù)的采集，則可根據(jù)不同類型采用不同方式。

（1）現(xiàn)狀三維模型

針對(duì)現(xiàn)狀三維模型，主流的三維測(cè)繪包括：基于近景和航空攝影測(cè)量、三維激光掃描和基于實(shí)地外業(yè)測(cè)量。針對(duì)復(fù)興公園，2009年同濟(jì)大學(xué)景觀學(xué)系2007級(jí)本科生曾進(jìn)行一次詳細(xì)的外業(yè)測(cè)量。時(shí)至今日，公園的整體布局未發(fā)生較大改變，但園中的造園要素部分發(fā)生了變動(dòng)，為保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性，在本次三維模型建庫(kù)前進(jìn)行了實(shí)地的復(fù)查、校正，更新了數(shù)據(jù)。

（2）歷史三維模型

對(duì)缺失的不同時(shí)期空間形態(tài)、要素進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原。歷史三維庫(kù)的建設(shè)擬在反映不同年代上海近代公園整體風(fēng)貌和造園要素的變遷，選擇有重大變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是反映上海近代公園變遷的關(guān)鍵。以復(fù)興公園為例，從資料收集情況來(lái)看，能夠完整全面記錄復(fù)興公園變遷歷史的資料并不完善，需要進(jìn)一步補(bǔ)充。特別是與現(xiàn)狀三維模型數(shù)據(jù)相比，上海近代公園的三維空間信息獲取相對(duì)困難，僅有少量平面圖紙，輔以部分歷史照片及文字記錄。因此，本文僅重點(diǎn)復(fù)原了1925年和1992年復(fù)興公園的基本面貌。

（3）規(guī)劃三維模型

對(duì)于不同保護(hù)原則的上海近代公園，三維模型制作工藝也不盡相同。對(duì)于以修繕維修為主的上海近代公園，規(guī)劃三維模型應(yīng)以現(xiàn)狀三維模型為主，制作主要依據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)現(xiàn)狀三維模型進(jìn)行局部修改。對(duì)于改造為主的上海近代公園，規(guī)劃模型制作需結(jié)合現(xiàn)狀三維模型和保護(hù)規(guī)劃總平圖共同制作。

4.3.2 三維建模貼圖

本文采用3Ds MAX進(jìn)行模型建構(gòu)。首先，在ArcGIS Desktop中加載復(fù)興公園某個(gè)年份的平面圖CAD，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、圖形和屬性數(shù)據(jù)編輯處理、精確配準(zhǔn)地理坐標(biāo)，并存入Geodatabase，建立拓?fù)潢P(guān)系。然后在ArcMap中利用導(dǎo)出CAD工具（ExportCAD），將所需要建模的區(qū)域?qū)С蒀AD格式；在3Ds MAX中建模，進(jìn)行材質(zhì)貼圖，并根據(jù)圖層分別導(dǎo)出3Ds格式的各要素模型。最后利用Import 3D Files將文件轉(zhuǎn)換成MultiPatch（*.mdb）格式，保存入Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.3.3 三維空間數(shù)據(jù)管理

對(duì)于ArcGIS而言，創(chuàng)建三維場(chǎng)景跟創(chuàng)建二維場(chǎng)景類似，需要將獲取的幾類數(shù)據(jù)，如影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)等，進(jìn)行相應(yīng)的編輯、格式轉(zhuǎn)換以及地理配準(zhǔn)之后，加載到三維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中。在應(yīng)用方面，三維GIS提供了常用的三維瀏覽、信息查詢、空間測(cè)量、可視性分析、表面分析、天際線等功能。

5 應(yīng)用展望

在進(jìn)行遺產(chǎn)價(jià)值評(píng)價(jià)之前，需要對(duì)上海近代公園有一個(gè)整體全面的價(jià)值認(rèn)知。因此，本文在上海近代公園信息管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，從源流譜系、時(shí)空演變、城園互動(dòng)3個(gè)層面出發(fā)，構(gòu)建上海近代公園的整體圖景，展望如何應(yīng)用GIS技術(shù)和信息管理系統(tǒng)認(rèn)知上海近代公園的遺產(chǎn)價(jià)值。

5.1 源流譜系梳理

基于上海近代公園信息管理系統(tǒng)的建立與完善，梳理上海近代公園的圖文資料，為發(fā)掘、登錄、保護(hù)、利用上海近代公園遺存提供可依據(jù)的基礎(chǔ)資料；借助GIS提供的多種信息檢索查詢功能以及屬性表的關(guān)聯(lián)和連接，運(yùn)用譜系學(xué)的理論方法，研究上海近代公園總體特征及演化脈絡(luò)，梳理設(shè)計(jì)的風(fēng)格和思想流變及時(shí)空交織關(guān)系，建構(gòu)上海近代公園的“風(fēng)格”和“思想”譜系，并綜合兩者獲得整體演變的綜合圖譜。

5.2 時(shí)空演變模擬

借鑒“時(shí)空GIS”的理念，通過(guò)處理時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)⑤時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)可視化是按照時(shí)間順序展示地理數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。ArcGIS 10實(shí)現(xiàn)了時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)，提供了時(shí)空數(shù)據(jù)的可視化界面。可以通過(guò)“時(shí)間滑塊”工具瀏覽時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)、創(chuàng)建時(shí)間動(dòng)畫，利用“追蹤分析”功能創(chuàng)建追蹤圖層，以及利用“數(shù)據(jù)圓環(huán)圖”對(duì)時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。，展現(xiàn)上海近代公園的演變軌跡，揭示內(nèi)在的發(fā)展規(guī)律。選取上海近代公園典型案例，以GIS技術(shù)為主，輔以VR技術(shù)、三維建模技術(shù)等建立公園個(gè)案空間模型，對(duì)缺失的不同時(shí)期空間形態(tài)、要素進(jìn)行數(shù)字化復(fù)原。以時(shí)間為軸，通過(guò)與Web的集成，鏈接聲音、照片、遙感影像、視頻動(dòng)畫，對(duì)園林空間模型進(jìn)行全方位虛擬。在此基礎(chǔ)上，闡明在西方近代園林技術(shù)、制度、觀念的影響下以及近代民眾思想轉(zhuǎn)變下，上海近代公園內(nèi)部空間結(jié)合功能變化的演進(jìn)過(guò)程，分析、提煉其所呈現(xiàn)的典型空間特征，為價(jià)值認(rèn)知提供更為直觀的依據(jù)。

5.3 城園互動(dòng)分析

借助GIS、VR等技術(shù)研究近代公園和城市空間在不同尺度（市域—園域）下的互動(dòng)關(guān)系，探究上海公園與上海近代的社會(huì)政治、文化藝術(shù)、城市發(fā)展等多種因素的相互影響和作用，從城市空間的角度剖析近代公園的遺產(chǎn)價(jià)值所在。具體將歷史地理信息系統(tǒng)“時(shí)間+空間+事件”的概念融入城園互動(dòng)分析當(dāng)中。市域?qū)用嫔?，可以模擬一個(gè)完整連續(xù)時(shí)期下，不同年份上海近代公園的發(fā)展歷程，以及歷史事件對(duì)不同類型近代公園發(fā)展變遷的影響；研究上海華界—租界雙城模式，以及晚清—民國(guó)多重權(quán)力下的公園發(fā)展與分布格局，描繪上海公園以租界為基點(diǎn)輻射至全城的發(fā)展規(guī)律。園域?qū)用嫔希捎诮虾３鞘锌臻g形態(tài)懸殊，破碎化嚴(yán)重，在對(duì)上海城市空間進(jìn)行類型學(xué)劃分的基礎(chǔ)上，運(yùn)用GIS技術(shù)，結(jié)合三維模型，對(duì)上海近代公園邊界、內(nèi)部及外部空間的通視性、可達(dá)性進(jìn)行定量分析，研究公園空間界面與城市公共空間的交互關(guān)系。

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Construction of Information Management System and 3D Visualization for Modern Public Gardens in Shanghai

周向頻 李劭杰

摘 要在快速的城市化發(fā)展及緊迫的遺產(chǎn)保護(hù)背景下，上海近代公園的改造更新必須要有科學(xué)的依據(jù)。上海近代公園的信息管理作為一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，是開(kāi)展遺產(chǎn)評(píng)價(jià)和保護(hù)工作的第一步，但卻一直處于缺失狀態(tài)。提出運(yùn)用GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)建立上海近代公園信息管理系統(tǒng)的思路，搭建圖文影音數(shù)據(jù)庫(kù)和二三維GIS空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，二維GIS空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)又分為市域、園域兩個(gè)子數(shù)據(jù)庫(kù)。在實(shí)現(xiàn)信息有效管理的基礎(chǔ)上，從二三維數(shù)據(jù)一體化的角度出發(fā)，建立上海近代公園三維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)三維可視化，為規(guī)劃設(shè)計(jì)、科研、管理人員提供了一個(gè)在三維環(huán)境中進(jìn)行上海近代公園整體圖景遺產(chǎn)價(jià)值認(rèn)知的有效途徑。

AbstractUnder the rapid urbanization and the urgent heritage conservation in China, there must be a scientific basis for the renovation of modern public gardens in Shanghai. As a fundamental work, the information management for modern public gardens in Shanghai remained unfilled. Using the technologies of GIS and database, this paper presents a way of establishing information management system for modern public gardens in Shanghai, which includes graphic-video database and 2D&3D GIS spatial information databases. Among them, 2D-GIS spatial information database consists of two sub-databases at city and garden levels. Meanwhile, on the basis of effective management of information, from the perspective of the integration of 2D&3D data, 3D-GIS spatial information database realizes 3D visualization, offering an effective approach to the recognition of heritage values of modern public gardens in Shanghai for designers, scientific researchers and administrators.

關(guān) 鍵 詞近代公園 | 20世紀(jì)遺產(chǎn) | 信息管理系統(tǒng) | 三維可視化 | 上海

KeywordsModern public gardens | The 20th century heritage | Information management system | 3D visualization | Shanghai

*基金項(xiàng)目：上海市社科基金項(xiàng)目“上海近代公共園林空間演變研究”（批準(zhǔn)號(hào)：2014JG008-BLS1321）。

作者簡(jiǎn)介

文章編號(hào)1673-8985（2016）02-0064-08

中圖分類號(hào)TU981

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A