董海平，牛俊杰*，于秋月，赵景波，贺美芳

（1.太原师范学院 历史地理与环境变迁研究所，山西 晋中 030619；2.陕西师范大学 地理科学与旅游学院，陕西 西安 710062；3.太原理工大学 建筑学院，山西 晋中 030619）

古城遗址是一座城市历史的见证，是一定时期内人类生产生活方式的体现，也是古代最为常见的防御性建筑，反映了历史时期区域内政治、经济、军事和建筑等方面的成就[1]。古城遗址的研究有助于了解历史时期人类的经济发展、社会变迁及其环境演变等人地关系，同时有利于遗址的保护和开发利用。遗址的研究涉及很多方面，主要集中于遗址的空间分布[2]、时空演变的驱动力[3，4]、遗址识别[5]和保护措施[6]等。对于遗址空间分布的研究，以往主要是通过文字描述和表格来反映，随着RS和GIS的发展，该研究趋向于定量化、可视化，越来越多的学者利用最近邻指数法[7]、点密度分析方法[8，9]、核密度估算法和不平衡指数法[10]等方法研究遗址的分布特征。古城遗址的分布受到自然、人文等因素的影响，同时这些因素在不同的历史时期所占的地位不同[11]。20世纪90年代以来，GIS被广泛运用于遗址的研究中，如克里木·买买提等利用GIS的空间分析方法对吐鲁番地区古遗址的空间分布及其影响因素进行研究，发现该研究区的遗址具有线性分布的特征[12]；阮浩波等运用最近邻指数法探讨了毛乌素沙地汉代古城遗址的分布，发现该地的汉代古城遗址主要有4个集聚区[13]。

本研究拟利用GIS技术对山西省新石器—明清时期的古城遗址进行Ripley's K函数分析，得出各时期遗址的分布状态，并从自然和人文两个角度研究其影响因素，以期揭示山西省人类活动与环境演变的关系，为今后古城遗址的保护、研究等提供依据。

1 研究区概况

山西省位于黄河中游地区，地理坐标为34°34'N—40°44'N，110°14'E—114°33'E，共包括11个地级市。山西省地形复杂多样，有山地、丘陵、高原和盆地等多种地貌，地势东北高西南低，东有太行山，西有吕梁山，北有恒山、五台山，南有中条山。由于外围被山环绕，受海洋影响较弱，形成温带大陆性季风气候，南北气候差异显著，昼夜温差较大。山西省河流较多，共有大小河流1 000余条，分属黄河、海河两大水系，以季节性河流为主，其中主要的水资源补给为当地降水，由于降水量分布不均，水资源的地域分布也极不均匀，表现为由东南向西北递减。

历史时期，山西在我国政治、军事、经济和文化等发展过程中占有重要地位。因其特殊的地理区位，山西频繁发生战争，修建了很多军事防御性建筑，古代的营建活动最早可以追溯到尧舜禹时代，有“中国古代建筑的宝库”之称。古代山西的道路交通发展较早，对中国道路交通发展具有重要促进作用。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

对《山西省志·古建筑志》及山西省各县志记载的古城遗址进行统计，结合实地考查等方法确定各遗址的实际地理位置，剔除年代不详的古城遗址，选出291座古城遗址作为研究对象。根据每个古城遗址的位置利用百度地图获取其经纬度，从地理空间数据云获取山西省30 m分辨率的DEM数字高程模型，并搜集行政区划图和水系图，利用ArcGIS10.2软件对这些图进行配准和矢量化。

按照时间顺序将历史时期分为新石器、夏—西周、春秋—秦、汉—南北朝、隋唐、宋—元、明清7个时期，各个古城遗址按所属的时期进行归类。

2.2 研究方法

2.2.1 Ripley's K函数分析

Ripley's K函数是分析研究区域中所有点数据聚集程度的一种方法[14，15]，解决了最近距离分析、G函数分析和F函数分析信息缺失大的不足[16]，可以有效地检测各点之间的空间依赖性，并按照空间尺度的变化研究点的分布格局。Ripley's K函数定义公式为

利用ArcGIS10.2软件使用Ripley's K函数对山西省7个历史时期古城遗址的分布状态进行分析，采用蒙特卡洛检验，设定置信度为99%，得到观测值k、置信区间、观测值k与期望值k之间的差值DiffK和距离之间的关系图。当观测值k在置信区间上方时，为显著聚集分布；当观测值k在置信区间内时，为随机分布；当观测值k在置信区间下方时，为均匀分布。当差值DiffK大于零时，差值DiffK越大聚类程度越强；而当差值DiffK小于零时，差值DiffK越小聚类程度越强。

2.2.2 叠加分析和缓冲区分析

将历史时期的古城遗址数据与山西省DEM图、坡度图和坡向图叠置，分析历史时期古城遗址的空间分布特征。通过缓冲区分析研究河流对古城遗址分布的影响，利用相关文献资料对山西省古城遗址分布的各种影响因素进行分析。

3 结果与分析

3.1 历史时期古城遗址的分布类型

分别对各历史时期的古城遗址进行Ripley's K函数分析，设定置信度为99%，得出不同历史时期古城遗址的分布曲线图（图1）。

由图1可以看出，新石器、春秋—秦和汉—南北朝时期的观测值k位于置信区间的上方，且差值DiffK在距离小于160 km时均大于0，这些时期的古城遗址在空间上呈显著聚集分布。夏—西周、隋唐、宋—元和明清时期的观测值k基本位于置信区间内，这些时期的古城遗址在空间上呈随机分布。夏—西周时期的古城遗址在距离为19 km时聚集程度最强；隋唐时期的差值DiffK 均小于0，在距离为30 km时聚集程度最强；宋—元时期的差值DiffK均大于0，在距离为15 km时聚集程度最强；明清时期的古城遗址在距离小于90 km时差值DiffK大于0，大于90 km时差值DiffK小于0，距离为35 km时聚集最为显著。

3.2 历史时期古城遗址的空间分布特征

利用ArcGIS10.2软件在DEM图上作坡度图和坡向图，坡度图分为0～9°、10～18°、19～30°和31～90°四个范围，坡向则共划分为八个方向。将各历史时期的古城遗址分布图与坡度图和坡向图进行叠加，统计历史时期各坡度、各坡向所对应的古城遗址数量，得出历史时期古城遗址坡度、坡向分布表和分布图（见表1、表2、图2）。

3.2.1 新石器时期

新石器时期古城遗址的数量最少，共有9处，占总数的3.1%，可以称其为萌芽阶段。从古城遗址分布的位置来看，有4处位于临汾市，其中3处沿汾河分布；有2处位于忻州市，其中1处沿黄河分布；大同市、运城市、晋城市各有1处，位于运城的遗址沿汾河分布。从海拔来看，有4处位于海拔301～600 m的临汾盆地，位于海拔601～900 m、901～1 200 m、1 201～1 400 m的各有1处。从坡度来看，有7处位于0～9°范围内，位于10～18°和19～30°范围内的各有1处。从坡向来看，正南方向和东南方向的古城遗址数量多于其他方向。

3.2.2 夏—西周时期

夏—西周时期的古城遗址共有11处，占总数的3.8%。其中位于运城市的有6处，位于晋中市、临汾市的各有2处，位于长治市的有1处，54.5%的遗址沿河流分布。从海拔来看，81.8%的古城遗址位于海拔900 m及以下的地区。由坡度数据可以看出，有9处遗址位于0～9°范围内，其余坡度范围内的遗址数量较少。由坡向数据可知，东南方向遗址数量较多，其余方向遗址均匀分布。

图1 历史时期古城遗址函数分布曲线图Figure 1 Distribution curve of function of the ancient city sites in historical periods

3.2.3 春秋—秦时期

春秋—秦时期的古城遗址共有71处，占总数的24.4%，可以称其为发展阶段，与前两个时期相比，北部的古城遗址增多，但遗址数量仍然呈现出“南高北低”的格局。山西省的各个地级市均有古城遗址分布，其中临汾市、运城市和吕梁市分布较多。沿黄河、汾河分布的古城遗址数量较多，受河流影响较大。从海拔看，87.3%的古城遗址分布在海拔1 200 m以下地区，其中16.9%的古城遗址位于海拔301～600 m的临汾盆地。从坡度来看，46.5%的古城遗址分布在坡度为0～9°范围内，28.2%的古城遗址分布在坡度为10～18°范围内，其余坡度范围内分布较少。从坡向看，除东向的古城遗址较少外，其余方向上分布较均匀。

表1 历史时期不同坡度的古城遗址数量Table 1 The number of the ancient city sites of different slope in historical periods

表2 历史时期不同坡向的古城遗址数量Table 2 The number of the ancient city sites of different aspect in historical periods

3.2.4 汉—南北朝时期

汉—南北朝时期的古城遗址数量最多，共91处，占总数的31.3%，可称为辉煌阶段，北部和南部相对集聚，形成了“南北多、中部少”的格局。大同市、朔州市、忻州市为富集区，共占这一时期古城遗址总数的52.7%。位于海拔901～1 200 m地区的古城遗址数量最多，共30处，位于海拔601～900 m盆地和丘陵的古城遗址有21处。从坡度来看，76.9%的古城遗址分布在0～9°坡度范围内，大部分分布在坡度较小的地区。在坡向上与春秋—秦时期的古城遗址分布类似，东向的遗址数量较少，其他方向均匀分布。

3.2.5 隋唐时期

隋唐时期的古城遗址数量出现大幅度下降，仅有15处，占总数的5.2%，称之为下降阶段。这一时期的古城遗址呈离散随机分布，相互之间距离较远，其中53.3%沿河流分布。从海拔看，73.3%的遗址分布在海拔1 200 m以下地区，海拔301～600 m的临汾盆地和运城盆地、海拔601～900 m的忻定盆地、海拔901～1 200 m的大同盆地和长治盆地均有分布，东部和南部的低山丘陵处也有分布。从坡度来看，0～9°坡度范围内古城遗址数量最多，共10处。从坡向来看，各方向上古城遗址分布较均匀。

3.2.6 宋—元时期

与隋唐时期相比，宋—元时期的古城遗址数量总体上呈现增加趋势，北部明显增多，此时期遗址共有32处，占总数的11%，称为回升阶段。研究区北部的古城遗址较多，管涔山和吕梁山的西部、恒山和五台山之间都有古城遗址分布，在研究区东南部和中部几乎没有分布。0～9°的坡度范围内有19处古城遗址，10～18°坡度范围内有7处古城遗址，坡度越小分布的古城遗址越多。各个坡向上的古城遗址均匀分布。

3.2.7 明清时期

明清时期的古城遗址数量与春秋—秦时期相似，共有62处，占总数的21.3%。大部分古城遗址沿河流呈线状分布，位于黄河以东、汾河以西的古城遗址呈零星点状分布。明清时期晋商的商贸活动逐步扩展，形成了晋商商贸之路[17]（图2中红线），有22.6%的古城遗址沿商贸之路分布。古城遗址分布最为密集的地区是位于汾河中下游海拔301～600 m的临汾盆地，海拔601～900 m和901～1 200 m的盆地和丘陵也有分布，如应州古城遗址和马邑古城遗址。69.4%的古城遗址位于0～9°坡度范围内。北向、南向和西南方向的古城遗址数量较多。

综上所述，山西省历史时期古城遗址的数量呈现出明显的“先增大后减少再增大”的趋势，即“N”型变化（如图3）。从新石器时期至南北朝时期，古城遗址的数量逐渐增多，隋唐时期出现了下降，由宋至明清时期又开始增加。古城遗址经历了一个从南到北逐渐均匀的迁移轨迹。古城遗址有点状、线状和团状等不同的分布状态，这些状态的呈现与自然和人文因素密切相关。各时期的古城遗址都有沿河流分布的特点，且大多分布在海拔低、坡度低的地区，河流、地形对古城遗址的分布有重要影响。

图3 各时期古城遗址数量变化图Figure 3 Changes of the number of the ancient city sites in historical periods

4 讨论

4.1 影响古城遗址分布的自然因素

4.1.1 气候与气候变化因素

由于早期的生产力水平较低，气候变化对早期古城遗址的数量和分布影响较大。全新世大暖期盛行之后气候显著降温变干，随后进入波动缓和的暖湿时期[18]。新石器时期，人类受自然条件的限制较大，人口数量少且聚居范围较小，多呈小规模分散分布，古城遗址数量较少，主要分布在山西省南部。夏—周时期，气候总体变暖，但冷暖波动幅度较大，且逐渐变冷变干，大多数古城遗址仍主要分布在山西省南部。汉代山西气候比较温暖，土壤肥沃，受人类破坏较小，适宜农业耕作，水资源丰富且便于获取，有利于城市发展，因而这一时期古城遗址数量较多。隋唐时期气候明显温暖，但唐朝以来，统治者大兴土木，肆意砍伐，并不断在汾河流域垦荒屯田，致使农耕业向山坡扩展，山地森林植被遭到破坏，汾河流域水土流失严重，自然灾害频发，因此隋唐时期和宋—元时期古城遗址数量较少。明清时期，天然植被毁坏严重，生态环境随之恶化，但随着农业等科学技术的大幅进步，人类适应自然条件的能力明显提高，古城遗址的数量也增加。

4.1.2 地形坡度与坡向因素

坡度是地表单元陡缓的程度，河流的流速随坡度发生变化，在坡度较大的地区，河流流速大且容易造成水土流失，致使土壤形成困难，不利于房屋建造及人类生产活动；坡度较小的地区河流流速较小，河流中的含沙层逐渐沉淀下来使土壤层变厚，植被较为丰富，较适宜人类居住，因此坡度在很大程度上影响着人类聚居地的分布，坡度在0～9°范围内适宜人类居住[19]。历史时期山西省古城遗址的坡度分布情况表明，在0～9°坡度范围内的古城遗址数量最多，随着坡度的增大古城遗址的数量急剧下降，古城遗址的分布受坡度的影响极大。本研究发现在某些坡度较大的地区也有古城遗址的存在，这些古城遗址主要用于军事防御。

坡向是指坡面所朝的方向，不同坡向的日照时间不同，日照时间充足的地方既有利于农业发展，也有利于人类居住。在古代，由于取暖方式等的限制，城址的选择受到坡向的影响。通过对山西省历史时期古城遗址的坡向分析可知，大部分古城遗址分布南向或偏南向。但总体来看，任一时期在不同坡向上分布的古城遗址数量相差不大，可近似看为均匀分布。因此，坡向不是影响山西省古城遗址分布的主要因素。

4.1.3 河流与水资源因素

由山西省新石器—明清时期古城遗址的分布规律可知，河流对古城遗址的分布有重要影响，各个时期的古城遗址均有沿河流呈线状分布的特征。古代生产力水平低下，人们对自然径流的依赖性较强[20]，农业生产和生活需要靠近水源才能得到保障。

本研究利用ArcGIS10.2 软件对山西河流水系图作出距离为2 km 的缓冲区，并将新石器—明清时期的291个古城遗址分布图与缓冲区图进行叠加（见图4）。由图4可知，距河岸2 km之内的古城遗址有131个，占总数的45%，大部分古城遗址分布在距河岸5 km之内，古城遗址具有明显的临河、近河特点。部分古城遗址距离河流较远，主要出于军事防御等需要。

图4 古城遗址河流缓冲区图Figure 4 River buffer maps of the ancient city sites

4.2 影响古城遗址分布的人文因素

4.2.1 政治与政策因素

商朝时期，政治中心分布在山西南部，山西中北部的广大地区尚未被充分开发，因此古城遗址主要集中分布在南部。春秋战国时期，周王室衰微，诸侯国各自扩大势力范围，晋国势力向北部扩张[21]，山西中北部的古城遗址数量逐步增加。汉朝时，山西省被汉王朝直接管辖，实行以农为先的政策，人口数量在短期内大幅增长，古城遗址数量最多，遍布全省。隋唐时期，山西推行均田制并进行屯田，使得山西成为当时的主要粮食产区之一，安史之乱后山西社会经济遭到严重破坏，古城遗址数量下降。宋—元时期，辽在山西北部统治，元末连年战争使得社会经济衰退，土地荒废，人口减少[22]，古城遗址数量较少且主要分布在北部。明初为了安定社会和促进发展，朱元璋提出降低赋税以减轻农民负担的政策，山西出现大面积蝗灾时政府免收当年租赋，赠恤饥荒，稳定民心，古城遗址数量有所增加。平城、曲沃古城、狄城、禹王城等古城遗址的兴建受政治因素影响较大。

4.2.2 交通与经济因素

新石器时代，尧建都平阳（今山西临汾市），山西的南部成为当时的发展中心，形成了以晋南为中心通向四域的道路，农业和畜牧业开始出现，人口有所增加，经济发展水平仍然较低，古城遗址数量较少且主要分布在山西省南部。商周时期，铁器的出现使生产力得到较大发展，周王朝所封的诸侯国都分布于太原以南的地区，农业仍然是以农耕为主，道路交通、手工业和商业等不断发展，山西南部的古城遗址增多。春秋战国时期，铁器的广泛使用和社会生产关系的确立使当时的经济蓬勃发展，道路网也初具规模，同时随着战争规模的扩大开辟的道路也不断增多，古城遗址数量也相应增多且逐渐向北移动。西汉时期，秦代设的四郡在山西境内继续保持，其中上党郡是商业往来要道，交通比较发达，东汉时期与匈奴的友好往来使得山西成为南北交通的必经之路[23]，促进了山西的交通发展，因此汉朝时期的古城遗址数量较多。宋—元时期，农业、手工业、畜牧业和工商业的发展使得山西北部的经济繁荣发展，因此古城遗址主要分布在山西北部。明朝统治者注重在边境地区发展屯田制，征调大量物资运送到沿北部长城的军事地带[24]，由此晋商逐步崛起，进一步推动经济发展。清代蒙古部落归顺于清王朝，打破了几百年的边境隔阂，中原地区的丝绸、药材得以和蒙古部落的皮革实现互通，北部商贸更加繁荣。明清时期，随着商品经济等的发展，逐渐形成较完整的商运交通网，如建于大同市的市场城遗址曾是内地与蒙古通商后开放互市的集中点；与隋唐—元宋时期相比，古城遗址数量有所增加。

4.2.3 军事防御因素

山西特殊的地理区位使之成为兵家的必争之地，用作军事防御的古城遗址较多。商朝时期的垣曲商城和东下冯商城军事色彩极浓，能防止戎狄南下骚扰。西汉时期，战争频繁，右玉县古城即为一战略要地[25]。西魏坚守玉璧城且在玉璧之战时靠它进行防御，东魏、北齐在山西修筑长城以防御外敌。唐朝时期，山西在军事上也具有重要的地位，太原为边防重镇，在之前的基础上扩建了晋阳城以防御突厥侵扰[26]。明朝时，为剿灭残元势力唐胜宗用围困的方法增筑了宁化古城，加强了防御；为了防御蒙古军事贵族的南下在山西北部设立了九边重镇军事防线，扩建了太原城以加强防卫；在山西晋中为防御外敌南扰而修建平遥古城。清代在山西北部修筑长城等进行军事防御。

5 结论

本研究将GIS的Ripley's K函数引入山西省历史时期古城遗址分布研究，发现新石器、春秋—秦和汉—南北朝时期的古城遗址在空间上呈显著聚集分布，夏—西周、隋唐、宋—元和明清时期的古城遗址在空间上呈随机分布，但各时期最强聚类程度的距离不同；随着时间的推移，各时期古城遗址数量呈“N”型变化，古城遗址在坡度低、海拔低的地区分布较多，有点状、线状和聚集状的分布形态；古城遗址的分布受自然因素和人文因素共同影响，早期生产力水平较低，遗址受自然条件的影响较大，主要分布在气候相对温暖湿润的地区，后期随着经济水平的提高，遗址主要受政策、交通、经济和军事防御等因素的影响。