白晶

（地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100088）

原始定居點(diǎn)是古代人類社會的基本地理單位，是根據(jù)特定的社會經(jīng)濟(jì)條件建立的。景觀的空間格局被視為原始定居點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，它的形成與意識形態(tài)、精神信仰及人與自然的關(guān)系密不可分，正確地保護(hù)和研究遺產(chǎn)景觀很重要［1］。

分析原始定居點(diǎn)的空間格局，有助于揭示幕后信息。現(xiàn)有研究主要基于風(fēng)水學(xué)理論和地理環(huán)境要素，分析傳統(tǒng)村莊的空間形態(tài)，這些特征將是定性的，并且會簡化景觀的空間關(guān)系。而詳細(xì)的勘測和GPS測量雖能獲取詳細(xì)的空間信息，但對景觀的其他信息無法獲取。近年來，城市化正在以越來越高的速度侵蝕和重塑傳統(tǒng)環(huán)境，破壞并改變了傳統(tǒng)村莊的結(jié)構(gòu)，迫切需要一種實(shí)時、客觀、有效的數(shù)據(jù)采集及可以擴(kuò)展信息量的分析方法［2］。

本文提出將無人機(jī)獲取的多光譜圖像與分層景觀識別方法相結(jié)合，用于原始村莊的空間格局分析。

1 研究區(qū)域概述

獨(dú)特的自然和平民條件最終導(dǎo)致了區(qū)域上獨(dú)特的景觀。他們的古老建筑最初是為軍事目的而建造的，這些建筑物遵循“內(nèi)部八字形”布局，該布局以祖堂為中心，并形成一個近似圓的閉合環(huán)。該村四面環(huán)山。其中一座山位于村莊的北部，其余的位于村莊的南部。此外，他們古老的灌溉系統(tǒng)發(fā)達(dá)［3］，他們在包括水壩和運(yùn)河在內(nèi)的古代建筑中采用了一種分水機(jī)制，從而通過重力灌溉為大量農(nóng)田施肥，整個灌溉系統(tǒng)完好無損，得到了良好的保護(hù)。

然而，在城市化的推動下，該村的狀況近年來變得越來越糟。自然和人為因素造成大部分景觀遭受侵蝕和破壞，村莊北部的演習(xí)場已被完全摧毀，更多的景觀，尤其是古代建筑，已被現(xiàn)代人工建筑所取代。在較短的時間內(nèi)，景觀要素發(fā)生了巨大變化，因此，迫切需要用于遺產(chǎn)保護(hù)的實(shí)時、準(zhǔn)確和量化的數(shù)據(jù)［4］。

在研究中，對基于村莊的擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行了調(diào)查，以完整記錄與該古老村莊相關(guān)的目標(biāo)景觀。正如圖1所顯示，該研究站點(diǎn)占地面積4.02km2，地形條件很復(fù)雜。在村莊內(nèi)部，古建筑和新建建筑是交叉分布的，這導(dǎo)致某些地方的建筑間隔很小。古代建筑形狀各異，而新建建筑的顏色和質(zhì)地則各不相同。

圖1 研究地點(diǎn)的地理位置

2 景觀結(jié)構(gòu)規(guī)則與提取方案

2.1 定義景觀結(jié)構(gòu)規(guī)則

在研究中，分類規(guī)則是提取感興趣的對象（受保護(hù)的遺產(chǎn)景觀或?qū)z產(chǎn)遺址有潛在影響的景觀）的標(biāo)準(zhǔn)，并且還有助于景觀分類［5］。圖2給出了三級分類規(guī)則，其分為自然景觀和人工景觀。根據(jù)父類，區(qū)分第二級的6 個子類：自然景觀包括河流、山脈和植被，人工景觀則包括農(nóng)田、建筑和道路。第三級中的兩個子類都在建筑范圍內(nèi)進(jìn)一步分類（父類），包括古建筑和現(xiàn)代建筑。

圖2 研究中使用的景觀分類規(guī)則

2.2 有針對性的景觀提取結(jié)果

圖3顯示了整個測量區(qū)域的提取結(jié)果，其中包含4個目標(biāo)景觀元素和新建建筑物。將評估的模型應(yīng)用于預(yù)處理的多功能數(shù)據(jù)來生成結(jié)果，在此過程中，由于龐大的數(shù)據(jù)量，根據(jù)空間X、Y坐標(biāo)，將整個區(qū)域平均分為6 個子集（每個子集0.72km2）。通過訓(xùn)練的模型，對所有6 個區(qū)域進(jìn)行了分析，并將分析的區(qū)域縫合在一起以形成顯示的結(jié)果。

圖3 目標(biāo)景觀元素的提取結(jié)果

由于準(zhǔn)確的建筑物提取將直接影響進(jìn)一步的空間分析，因此，通過計(jì)算模型提取結(jié)果和人工解釋結(jié)果中擬合的像素?cái)?shù)來定量研究提取精度。評估結(jié)果是通過隨機(jī)采樣20 個目標(biāo)景觀檢查對象獲得的。古建筑和道路的精確度分別達(dá)到0.792 和0.803，河流和植被的精確度分別為0.852和0.904。

3 基于GIS的景觀格局分析

進(jìn)行了空間分析，以調(diào)查自然景觀要素（河流和山脈）與人工景觀要素（古建筑和新建建筑）之間的關(guān)系［6］。這些自然因素是古村落的基本框架，在村落的形成和發(fā)展中起著關(guān)鍵作用，同時，它們也與人類活動直接相關(guān)。

區(qū)域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)描述了目標(biāo)景觀的數(shù)量，該數(shù)量是通過使用空間X、Y坐標(biāo)計(jì)算得出的，主要景觀要素包括建筑物、植被、河流、道路和山脈。建筑面積包括古代建筑和現(xiàn)代建筑的總面積。此外，還根據(jù)建筑物與行政區(qū)劃之間的空間位置關(guān)系對這兩種建筑物類型進(jìn)行了進(jìn)一步分類。

利用歐幾里得距離定量，描述了景觀之間的相對空間分布，該距離是根據(jù)空間坐標(biāo)計(jì)算得出的。表1所示為主要河流與建筑物（古代建筑物和新建建筑物）之間的相對空間關(guān)系。如圖4所示，通過計(jì)算從房屋中心到主要河流邊界的距離獲得數(shù)據(jù)，房屋的中心是房屋的幾何中心，它是根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查提取的。

圖4 建筑物到主要河流的距離

表1 古代建筑與現(xiàn)代建筑到主要水道的距離（單位：m）

表2描述了古建筑到寶氏宗祠堂之間的距離。數(shù)據(jù)基于房屋的幾何中心。表3中顯示了古村落與周圍6 座山脈之間的距離。通過計(jì)算，從位于村莊最外部的古代建筑的邊界到山脈邊界之間的最近距離來獲得數(shù)據(jù)。表4展示了通過K-means聚類算法獲取的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表示不同類型房屋的聚類程度及其聚類中心的空間位置。根據(jù)提取的房屋幾何中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這些房屋位于寶家屯村的行政區(qū)劃范圍內(nèi)。使用平均距離、極值距離（最大和最?。┖途嚯x的中位數(shù)，定量地證明聚類程度，并記錄聚類中心及其空間坐標(biāo)。

表2 古建筑與祠堂之間的距離（單位：m）

表3 古村落與周圍6 山之間的距離（單位：m）

表4 距離統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（單位：m）

城堡村及其古建筑遵循一定的分布模式［7］，古村落分布不均勻，主要分布在沿河，五面山環(huán)抱。為了更準(zhǔn)確、更定量地描述這種模式，基于分類輸出進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。超過50%的古建筑（70.8%）分布在距河149～236m的距離內(nèi)，而距離河不到93m的建筑很少，此外，大多數(shù)古代建筑距離5座山至少有100m的距離（見圖5）。在村子里，古建筑和祠堂的空間布局遵循一定的規(guī)則，如圖6所示，在113 座古老建筑中，有86 座（占76.1%）集中在距祠堂40～148m處。

圖5 古建筑到6 座山脈的距離

圖6 從建筑物（古老和現(xiàn)代建筑物）到聚類中心的距離

4 結(jié)語

本文利用地理空間數(shù)據(jù)對景觀空間格局進(jìn)行的定量分析，發(fā)現(xiàn)了村莊與山脈、河流之間的空間關(guān)系，在小范圍內(nèi)，古老建筑和祖先祠堂之間的空間格局也被揭示出來，這兩個都有助于解釋村莊的選址和建筑功能的變化。盡管古建筑的集聚中心和祖先的集會中心之間有微小的偏差，但這可能是由于村莊整體布局受到破壞而造成的。