董海平，?？〗?，于秋月，趙景波，賀美芳

（1.太原師范學(xué)院 歷史地理與環(huán)境變遷研究所，山西 晉中 030619；2.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，陜西 西安 710062；3.太原理工大學(xué) 建筑學(xué)院，山西 晉中 030619）

古城遺址是一座城市歷史的見證，是一定時期內(nèi)人類生產(chǎn)生活方式的體現(xiàn)，也是古代最為常見的防御性建筑，反映了歷史時期區(qū)域內(nèi)政治、經(jīng)濟、軍事和建筑等方面的成就[1]。古城遺址的研究有助于了解歷史時期人類的經(jīng)濟發(fā)展、社會變遷及其環(huán)境演變等人地關(guān)系，同時有利于遺址的保護和開發(fā)利用。遺址的研究涉及很多方面，主要集中于遺址的空間分布[2]、時空演變的驅(qū)動力[3，4]、遺址識別[5]和保護措施[6]等。對于遺址空間分布的研究，以往主要是通過文字描述和表格來反映，隨著RS和GIS的發(fā)展，該研究趨向于定量化、可視化，越來越多的學(xué)者利用最近鄰指數(shù)法[7]、點密度分析方法[8，9]、核密度估算法和不平衡指數(shù)法[10]等方法研究遺址的分布特征。古城遺址的分布受到自然、人文等因素的影響，同時這些因素在不同的歷史時期所占的地位不同[11]。20世紀(jì)90年代以來，GIS被廣泛運用于遺址的研究中，如克里木·買買提等利用GIS的空間分析方法對吐魯番地區(qū)古遺址的空間分布及其影響因素進行研究，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)的遺址具有線性分布的特征[12]；阮浩波等運用最近鄰指數(shù)法探討了毛烏素沙地漢代古城遺址的分布，發(fā)現(xiàn)該地的漢代古城遺址主要有4個集聚區(qū)[13]。

本研究擬利用GIS技術(shù)對山西省新石器—明清時期的古城遺址進行Ripley's K函數(shù)分析，得出各時期遺址的分布狀態(tài)，并從自然和人文兩個角度研究其影響因素，以期揭示山西省人類活動與環(huán)境演變的關(guān)系，為今后古城遺址的保護、研究等提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

山西省位于黃河中游地區(qū)，地理坐標(biāo)為34°34'N—40°44'N，110°14'E—114°33'E，共包括11個地級市。山西省地形復(fù)雜多樣，有山地、丘陵、高原和盆地等多種地貌，地勢東北高西南低，東有太行山，西有呂梁山，北有恒山、五臺山，南有中條山。由于外圍被山環(huán)繞，受海洋影響較弱，形成溫帶大陸性季風(fēng)氣候，南北氣候差異顯著，晝夜溫差較大。山西省河流較多，共有大小河流1 000余條，分屬黃河、海河兩大水系，以季節(jié)性河流為主，其中主要的水資源補給為當(dāng)?shù)亟邓?，由于降水量分布不均，水資源的地域分布也極不均勻，表現(xiàn)為由東南向西北遞減。

歷史時期，山西在我國政治、軍事、經(jīng)濟和文化等發(fā)展過程中占有重要地位。因其特殊的地理區(qū)位，山西頻繁發(fā)生戰(zhàn)爭，修建了很多軍事防御性建筑，古代的營建活動最早可以追溯到堯舜禹時代，有“中國古代建筑的寶庫”之稱。古代山西的道路交通發(fā)展較早，對中國道路交通發(fā)展具有重要促進作用。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

對《山西省志·古建筑志》及山西省各縣志記載的古城遺址進行統(tǒng)計，結(jié)合實地考查等方法確定各遺址的實際地理位置，剔除年代不詳?shù)墓懦沁z址，選出291座古城遺址作為研究對象。根據(jù)每個古城遺址的位置利用百度地圖獲取其經(jīng)緯度，從地理空間數(shù)據(jù)云獲取山西省30 m分辨率的DEM數(shù)字高程模型，并搜集行政區(qū)劃圖和水系圖，利用ArcGIS10.2軟件對這些圖進行配準(zhǔn)和矢量化。

按照時間順序?qū)v史時期分為新石器、夏—西周、春秋—秦、漢—南北朝、隋唐、宋—元、明清7個時期，各個古城遺址按所屬的時期進行歸類。

2.2 研究方法

2.2.1 Ripley's K函數(shù)分析

Ripley's K函數(shù)是分析研究區(qū)域中所有點數(shù)據(jù)聚集程度的一種方法[14，15]，解決了最近距離分析、G函數(shù)分析和F函數(shù)分析信息缺失大的不足[16]，可以有效地檢測各點之間的空間依賴性，并按照空間尺度的變化研究點的分布格局。Ripley's K函數(shù)定義公式為

利用ArcGIS10.2軟件使用Ripley's K函數(shù)對山西省7個歷史時期古城遺址的分布狀態(tài)進行分析，采用蒙特卡洛檢驗，設(shè)定置信度為99%，得到觀測值k、置信區(qū)間、觀測值k與期望值k之間的差值DiffK和距離之間的關(guān)系圖。當(dāng)觀測值k在置信區(qū)間上方時，為顯著聚集分布；當(dāng)觀測值k在置信區(qū)間內(nèi)時，為隨機分布；當(dāng)觀測值k在置信區(qū)間下方時，為均勻分布。當(dāng)差值DiffK大于零時，差值DiffK越大聚類程度越強；而當(dāng)差值DiffK小于零時，差值DiffK越小聚類程度越強。

2.2.2 疊加分析和緩沖區(qū)分析

將歷史時期的古城遺址數(shù)據(jù)與山西省DEM圖、坡度圖和坡向圖疊置，分析歷史時期古城遺址的空間分布特征。通過緩沖區(qū)分析研究河流對古城遺址分布的影響，利用相關(guān)文獻資料對山西省古城遺址分布的各種影響因素進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 歷史時期古城遺址的分布類型

分別對各歷史時期的古城遺址進行Ripley's K函數(shù)分析，設(shè)定置信度為99%，得出不同歷史時期古城遺址的分布曲線圖（圖1）。

由圖1可以看出，新石器、春秋—秦和漢—南北朝時期的觀測值k位于置信區(qū)間的上方，且差值DiffK在距離小于160 km時均大于0，這些時期的古城遺址在空間上呈顯著聚集分布。夏—西周、隋唐、宋—元和明清時期的觀測值k基本位于置信區(qū)間內(nèi)，這些時期的古城遺址在空間上呈隨機分布。夏—西周時期的古城遺址在距離為19 km時聚集程度最強；隋唐時期的差值DiffK 均小于0，在距離為30 km時聚集程度最強；宋—元時期的差值DiffK均大于0，在距離為15 km時聚集程度最強；明清時期的古城遺址在距離小于90 km時差值DiffK大于0，大于90 km時差值DiffK小于0，距離為35 km時聚集最為顯著。

3.2 歷史時期古城遺址的空間分布特征

利用ArcGIS10.2軟件在DEM圖上作坡度圖和坡向圖，坡度圖分為0～9°、10～18°、19～30°和31～90°四個范圍，坡向則共劃分為八個方向。將各歷史時期的古城遺址分布圖與坡度圖和坡向圖進行疊加，統(tǒng)計歷史時期各坡度、各坡向所對應(yīng)的古城遺址數(shù)量，得出歷史時期古城遺址坡度、坡向分布表和分布圖（見表1、表2、圖2）。

3.2.1 新石器時期

新石器時期古城遺址的數(shù)量最少，共有9處，占總數(shù)的3.1%，可以稱其為萌芽階段。從古城遺址分布的位置來看，有4處位于臨汾市，其中3處沿汾河分布；有2處位于忻州市，其中1處沿黃河分布；大同市、運城市、晉城市各有1處，位于運城的遺址沿汾河分布。從海拔來看，有4處位于海拔301～600 m的臨汾盆地，位于海拔601～900 m、901～1 200 m、1 201～1 400 m的各有1處。從坡度來看，有7處位于0～9°范圍內(nèi)，位于10～18°和19～30°范圍內(nèi)的各有1處。從坡向來看，正南方向和東南方向的古城遺址數(shù)量多于其他方向。

3.2.2 夏—西周時期

夏—西周時期的古城遺址共有11處，占總數(shù)的3.8%。其中位于運城市的有6處，位于晉中市、臨汾市的各有2處，位于長治市的有1處，54.5%的遺址沿河流分布。從海拔來看，81.8%的古城遺址位于海拔900 m及以下的地區(qū)。由坡度數(shù)據(jù)可以看出，有9處遺址位于0～9°范圍內(nèi)，其余坡度范圍內(nèi)的遺址數(shù)量較少。由坡向數(shù)據(jù)可知，東南方向遺址數(shù)量較多，其余方向遺址均勻分布。

圖1 歷史時期古城遺址函數(shù)分布曲線圖Figure 1 Distribution curve of function of the ancient city sites in historical periods

3.2.3 春秋—秦時期

春秋—秦時期的古城遺址共有71處，占總數(shù)的24.4%，可以稱其為發(fā)展階段，與前兩個時期相比，北部的古城遺址增多，但遺址數(shù)量仍然呈現(xiàn)出“南高北低”的格局。山西省的各個地級市均有古城遺址分布，其中臨汾市、運城市和呂梁市分布較多。沿黃河、汾河分布的古城遺址數(shù)量較多，受河流影響較大。從海拔看，87.3%的古城遺址分布在海拔1 200 m以下地區(qū)，其中16.9%的古城遺址位于海拔301～600 m的臨汾盆地。從坡度來看，46.5%的古城遺址分布在坡度為0～9°范圍內(nèi)，28.2%的古城遺址分布在坡度為10～18°范圍內(nèi)，其余坡度范圍內(nèi)分布較少。從坡向看，除東向的古城遺址較少外，其余方向上分布較均勻。

表1 歷史時期不同坡度的古城遺址數(shù)量Table 1 The number of the ancient city sites of different slope in historical periods

表2 歷史時期不同坡向的古城遺址數(shù)量Table 2 The number of the ancient city sites of different aspect in historical periods

3.2.4 漢—南北朝時期

漢—南北朝時期的古城遺址數(shù)量最多，共91處，占總數(shù)的31.3%，可稱為輝煌階段，北部和南部相對集聚，形成了“南北多、中部少”的格局。大同市、朔州市、忻州市為富集區(qū)，共占這一時期古城遺址總數(shù)的52.7%。位于海拔901～1 200 m地區(qū)的古城遺址數(shù)量最多，共30處，位于海拔601～900 m盆地和丘陵的古城遺址有21處。從坡度來看，76.9%的古城遺址分布在0～9°坡度范圍內(nèi)，大部分分布在坡度較小的地區(qū)。在坡向上與春秋—秦時期的古城遺址分布類似，東向的遺址數(shù)量較少，其他方向均勻分布。

3.2.5 隋唐時期

隋唐時期的古城遺址數(shù)量出現(xiàn)大幅度下降，僅有15處，占總數(shù)的5.2%，稱之為下降階段。這一時期的古城遺址呈離散隨機分布，相互之間距離較遠(yuǎn)，其中53.3%沿河流分布。從海拔看，73.3%的遺址分布在海拔1 200 m以下地區(qū)，海拔301～600 m的臨汾盆地和運城盆地、海拔601～900 m的忻定盆地、海拔901～1 200 m的大同盆地和長治盆地均有分布，東部和南部的低山丘陵處也有分布。從坡度來看，0～9°坡度范圍內(nèi)古城遺址數(shù)量最多，共10處。從坡向來看，各方向上古城遺址分布較均勻。

3.2.6 宋—元時期

與隋唐時期相比，宋—元時期的古城遺址數(shù)量總體上呈現(xiàn)增加趨勢，北部明顯增多，此時期遺址共有32處，占總數(shù)的11%，稱為回升階段。研究區(qū)北部的古城遺址較多，管涔山和呂梁山的西部、恒山和五臺山之間都有古城遺址分布，在研究區(qū)東南部和中部幾乎沒有分布。0～9°的坡度范圍內(nèi)有19處古城遺址，10～18°坡度范圍內(nèi)有7處古城遺址，坡度越小分布的古城遺址越多。各個坡向上的古城遺址均勻分布。

3.2.7 明清時期

明清時期的古城遺址數(shù)量與春秋—秦時期相似，共有62處，占總數(shù)的21.3%。大部分古城遺址沿河流呈線狀分布，位于黃河以東、汾河以西的古城遺址呈零星點狀分布。明清時期晉商的商貿(mào)活動逐步擴展，形成了晉商商貿(mào)之路[17]（圖2中紅線），有22.6%的古城遺址沿商貿(mào)之路分布。古城遺址分布最為密集的地區(qū)是位于汾河中下游海拔301～600 m的臨汾盆地，海拔601～900 m和901～1 200 m的盆地和丘陵也有分布，如應(yīng)州古城遺址和馬邑古城遺址。69.4%的古城遺址位于0～9°坡度范圍內(nèi)。北向、南向和西南方向的古城遺址數(shù)量較多。

綜上所述，山西省歷史時期古城遺址的數(shù)量呈現(xiàn)出明顯的“先增大后減少再增大”的趨勢，即“N”型變化（如圖3）。從新石器時期至南北朝時期，古城遺址的數(shù)量逐漸增多，隋唐時期出現(xiàn)了下降，由宋至明清時期又開始增加。古城遺址經(jīng)歷了一個從南到北逐漸均勻的遷移軌跡。古城遺址有點狀、線狀和團狀等不同的分布狀態(tài)，這些狀態(tài)的呈現(xiàn)與自然和人文因素密切相關(guān)。各時期的古城遺址都有沿河流分布的特點，且大多分布在海拔低、坡度低的地區(qū)，河流、地形對古城遺址的分布有重要影響。

圖3 各時期古城遺址數(shù)量變化圖Figure 3 Changes of the number of the ancient city sites in historical periods

4 討論

4.1 影響古城遺址分布的自然因素

4.1.1 氣候與氣候變化因素

由于早期的生產(chǎn)力水平較低，氣候變化對早期古城遺址的數(shù)量和分布影響較大。全新世大暖期盛行之后氣候顯著降溫變干，隨后進入波動緩和的暖濕時期[18]。新石器時期，人類受自然條件的限制較大，人口數(shù)量少且聚居范圍較小，多呈小規(guī)模分散分布，古城遺址數(shù)量較少，主要分布在山西省南部。夏—周時期，氣候總體變暖，但冷暖波動幅度較大，且逐漸變冷變干，大多數(shù)古城遺址仍主要分布在山西省南部。漢代山西氣候比較溫暖，土壤肥沃，受人類破壞較小，適宜農(nóng)業(yè)耕作，水資源豐富且便于獲取，有利于城市發(fā)展，因而這一時期古城遺址數(shù)量較多。隋唐時期氣候明顯溫暖，但唐朝以來，統(tǒng)治者大興土木，肆意砍伐，并不斷在汾河流域墾荒屯田，致使農(nóng)耕業(yè)向山坡擴展，山地森林植被遭到破壞，汾河流域水土流失嚴(yán)重，自然災(zāi)害頻發(fā)，因此隋唐時期和宋—元時期古城遺址數(shù)量較少。明清時期，天然植被毀壞嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境隨之惡化，但隨著農(nóng)業(yè)等科學(xué)技術(shù)的大幅進步，人類適應(yīng)自然條件的能力明顯提高，古城遺址的數(shù)量也增加。

4.1.2 地形坡度與坡向因素

坡度是地表單元陡緩的程度，河流的流速隨坡度發(fā)生變化，在坡度較大的地區(qū)，河流流速大且容易造成水土流失，致使土壤形成困難，不利于房屋建造及人類生產(chǎn)活動；坡度較小的地區(qū)河流流速較小，河流中的含沙層逐漸沉淀下來使土壤層變厚，植被較為豐富，較適宜人類居住，因此坡度在很大程度上影響著人類聚居地的分布，坡度在0～9°范圍內(nèi)適宜人類居住[19]。歷史時期山西省古城遺址的坡度分布情況表明，在0～9°坡度范圍內(nèi)的古城遺址數(shù)量最多，隨著坡度的增大古城遺址的數(shù)量急劇下降，古城遺址的分布受坡度的影響極大。本研究發(fā)現(xiàn)在某些坡度較大的地區(qū)也有古城遺址的存在，這些古城遺址主要用于軍事防御。

坡向是指坡面所朝的方向，不同坡向的日照時間不同，日照時間充足的地方既有利于農(nóng)業(yè)發(fā)展，也有利于人類居住。在古代，由于取暖方式等的限制，城址的選擇受到坡向的影響。通過對山西省歷史時期古城遺址的坡向分析可知，大部分古城遺址分布南向或偏南向。但總體來看，任一時期在不同坡向上分布的古城遺址數(shù)量相差不大，可近似看為均勻分布。因此，坡向不是影響山西省古城遺址分布的主要因素。

4.1.3 河流與水資源因素

由山西省新石器—明清時期古城遺址的分布規(guī)律可知，河流對古城遺址的分布有重要影響，各個時期的古城遺址均有沿河流呈線狀分布的特征。古代生產(chǎn)力水平低下，人們對自然徑流的依賴性較強[20]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活需要靠近水源才能得到保障。

本研究利用ArcGIS10.2 軟件對山西河流水系圖作出距離為2 km 的緩沖區(qū)，并將新石器—明清時期的291個古城遺址分布圖與緩沖區(qū)圖進行疊加（見圖4）。由圖4可知，距河岸2 km之內(nèi)的古城遺址有131個，占總數(shù)的45%，大部分古城遺址分布在距河岸5 km之內(nèi)，古城遺址具有明顯的臨河、近河特點。部分古城遺址距離河流較遠(yuǎn)，主要出于軍事防御等需要。

圖4 古城遺址河流緩沖區(qū)圖Figure 4 River buffer maps of the ancient city sites

4.2 影響古城遺址分布的人文因素

4.2.1 政治與政策因素

商朝時期，政治中心分布在山西南部，山西中北部的廣大地區(qū)尚未被充分開發(fā)，因此古城遺址主要集中分布在南部。春秋戰(zhàn)國時期，周王室衰微，諸侯國各自擴大勢力范圍，晉國勢力向北部擴張[21]，山西中北部的古城遺址數(shù)量逐步增加。漢朝時，山西省被漢王朝直接管轄，實行以農(nóng)為先的政策，人口數(shù)量在短期內(nèi)大幅增長，古城遺址數(shù)量最多，遍布全省。隋唐時期，山西推行均田制并進行屯田，使得山西成為當(dāng)時的主要糧食產(chǎn)區(qū)之一，安史之亂后山西社會經(jīng)濟遭到嚴(yán)重破壞，古城遺址數(shù)量下降。宋—元時期，遼在山西北部統(tǒng)治，元末連年戰(zhàn)爭使得社會經(jīng)濟衰退，土地荒廢，人口減少[22]，古城遺址數(shù)量較少且主要分布在北部。明初為了安定社會和促進發(fā)展，朱元璋提出降低賦稅以減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)的政策，山西出現(xiàn)大面積蝗災(zāi)時政府免收當(dāng)年租賦，贈恤饑荒，穩(wěn)定民心，古城遺址數(shù)量有所增加。平城、曲沃古城、狄城、禹王城等古城遺址的興建受政治因素影響較大。

4.2.2 交通與經(jīng)濟因素

新石器時代，堯建都平陽（今山西臨汾市），山西的南部成為當(dāng)時的發(fā)展中心，形成了以晉南為中心通向四域的道路，農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)開始出現(xiàn)，人口有所增加，經(jīng)濟發(fā)展水平仍然較低，古城遺址數(shù)量較少且主要分布在山西省南部。商周時期，鐵器的出現(xiàn)使生產(chǎn)力得到較大發(fā)展，周王朝所封的諸侯國都分布于太原以南的地區(qū)，農(nóng)業(yè)仍然是以農(nóng)耕為主，道路交通、手工業(yè)和商業(yè)等不斷發(fā)展，山西南部的古城遺址增多。春秋戰(zhàn)國時期，鐵器的廣泛使用和社會生產(chǎn)關(guān)系的確立使當(dāng)時的經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，道路網(wǎng)也初具規(guī)模，同時隨著戰(zhàn)爭規(guī)模的擴大開辟的道路也不斷增多，古城遺址數(shù)量也相應(yīng)增多且逐漸向北移動。西漢時期，秦代設(shè)的四郡在山西境內(nèi)繼續(xù)保持，其中上黨郡是商業(yè)往來要道，交通比較發(fā)達(dá)，東漢時期與匈奴的友好往來使得山西成為南北交通的必經(jīng)之路[23]，促進了山西的交通發(fā)展，因此漢朝時期的古城遺址數(shù)量較多。宋—元時期，農(nóng)業(yè)、手工業(yè)、畜牧業(yè)和工商業(yè)的發(fā)展使得山西北部的經(jīng)濟繁榮發(fā)展，因此古城遺址主要分布在山西北部。明朝統(tǒng)治者注重在邊境地區(qū)發(fā)展屯田制，征調(diào)大量物資運送到沿北部長城的軍事地帶[24]，由此晉商逐步崛起，進一步推動經(jīng)濟發(fā)展。清代蒙古部落歸順于清王朝，打破了幾百年的邊境隔閡，中原地區(qū)的絲綢、藥材得以和蒙古部落的皮革實現(xiàn)互通，北部商貿(mào)更加繁榮。明清時期，隨著商品經(jīng)濟等的發(fā)展，逐漸形成較完整的商運交通網(wǎng)，如建于大同市的市場城遺址曾是內(nèi)地與蒙古通商后開放互市的集中點；與隋唐—元宋時期相比，古城遺址數(shù)量有所增加。

4.2.3 軍事防御因素

山西特殊的地理區(qū)位使之成為兵家的必爭之地，用作軍事防御的古城遺址較多。商朝時期的垣曲商城和東下馮商城軍事色彩極濃，能防止戎狄南下騷擾。西漢時期，戰(zhàn)爭頻繁，右玉縣古城即為一戰(zhàn)略要地[25]。西魏堅守玉璧城且在玉璧之戰(zhàn)時靠它進行防御，東魏、北齊在山西修筑長城以防御外敵。唐朝時期，山西在軍事上也具有重要的地位，太原為邊防重鎮(zhèn)，在之前的基礎(chǔ)上擴建了晉陽城以防御突厥侵?jǐn)_[26]。明朝時，為剿滅殘元勢力唐勝宗用圍困的方法增筑了寧化古城，加強了防御；為了防御蒙古軍事貴族的南下在山西北部設(shè)立了九邊重鎮(zhèn)軍事防線，擴建了太原城以加強防衛(wèi)；在山西晉中為防御外敵南擾而修建平遙古城。清代在山西北部修筑長城等進行軍事防御。

5 結(jié)論

本研究將GIS的Ripley's K函數(shù)引入山西省歷史時期古城遺址分布研究，發(fā)現(xiàn)新石器、春秋—秦和漢—南北朝時期的古城遺址在空間上呈顯著聚集分布，夏—西周、隋唐、宋—元和明清時期的古城遺址在空間上呈隨機分布，但各時期最強聚類程度的距離不同；隨著時間的推移，各時期古城遺址數(shù)量呈“N”型變化，古城遺址在坡度低、海拔低的地區(qū)分布較多，有點狀、線狀和聚集狀的分布形態(tài)；古城遺址的分布受自然因素和人文因素共同影響，早期生產(chǎn)力水平較低，遺址受自然條件的影響較大，主要分布在氣候相對溫暖濕潤的地區(qū)，后期隨著經(jīng)濟水平的提高，遺址主要受政策、交通、經(jīng)濟和軍事防御等因素的影響。