Transportation infrastructure, such as road or railroad networks, represent a fundamental component of our civilization. For sustainable planning and informed decision making, a thorough understanding of the long-term evolution of transportation infrastructure such as road networks is crucial. However, spatially explicit, multi-temporal road network data covering large spatial extents are scarce and rarely available prior to the 2000s. Herein, we propose a framework that employs increasingly available scanned and georeferenced historical map series to reconstruct past road networks, by integrating abundant, contemporary road network data and color information extracted from historical maps. Specifically, our method uses contemporary road segments as analytical units and extracts historical roads by inferring their existence in historical map series based on image processing and clustering techniques. We tested our method on over 300,000 road segments representing more than 50,000 km of the road network in the United States, extending across three study areas that cover 53 historical topographic map sheets dated between 1890 and 1950. We evaluated our approach by comparison to other historical datasets and against manually created reference data, achieving F-1 scores of up to 0.95, and showed that the extracted road network statistics are highly plausible over time, i.e., following general growth patterns. We demonstrated that contemporary geospatial data integrated with information extracted from historical map series open up new avenues for the quantitative analysis of long-term urbanization processes and landscape changes far beyond the era of operational remote sensing and digital cartography.


翻译:公路或铁路网等运输基础设施是我国文明的一个基本组成部分。为了进行可持续的规划和知情决策,必须彻底了解公路网等运输基础设施的长期演变,对公路网等运输基础设施的长期演变具有至关重要的意义。然而,空间清晰的多时公路网数据非常稀少,在2000年代之前很少提供。在这里,我们提出一个框架,利用越来越多的扫描和地理参照历史地图系列来重建过去的公路网络,将来自历史地图的丰富、当代公路网数据和彩色资料综合起来。具体地说,我们的方法利用当代公路段作为分析单位,通过根据图像处理和集群技术推断它们在历史地图系列中的存在来提取历史道路。我们测试了30多万个代表美国公路网50 000多公里的公路段路段,涵盖1890年至1950年期间的53个历史地形图表。我们通过与其他历史数据集进行比较,对照手动创建的参考数据,评估了我们的方法,得出了0.95至0.95分的F-1数据,并表明,经过一段时间的地图绘制后,从历史增长和远方程的地理空间图层分析,我们用远远的地理空间图解了当代数据。

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