王睛睛，李旭祥，侯 康，劉 偉，李 爽

（1.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

基于GIS的西安城市中心變遷研究

王睛睛1，李旭祥1，侯 康1，劉 偉1，李 爽1

（1.西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

基于西安市7個(gè)區(qū)文化遺產(chǎn)資源點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)、保護(hù)級(jí)別等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)軟件，對(duì)西安市9個(gè)歷史時(shí)期的文化遺產(chǎn)資源點(diǎn)進(jìn)行插值分析。采用自然間斷分級(jí)法得出各個(gè)時(shí)期的城市中心，通過(guò)分析城市中心遷移的客觀規(guī)律得出西安城市中心經(jīng)歷了由西南到東北，然后又向東南轉(zhuǎn)移的過(guò)程。結(jié)果表明，采用GIS技術(shù)可以對(duì)城市歷史規(guī)劃、建設(shè)及發(fā)展軌跡進(jìn)行分析，也可以為城市可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

地理信息系統(tǒng)；西安；文化遺產(chǎn)；城市中心；遷移

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概況

西安市位于中國(guó)大陸黃河流域中部的關(guān)中盆地，在東經(jīng)107°40'～109°49'，北緯33°39'～34°45'之間。市轄十區(qū)三縣，面積10 108 km2，人口846.78萬(wàn)，是我國(guó)西北地區(qū)最重要的城市[7]。 本文以西安市灞橋區(qū)、未央?yún)^(qū)、蓮湖區(qū)、新城區(qū)、碑林區(qū)、雁塔區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)共計(jì)7個(gè)區(qū)為例進(jìn)行研究。

1.2 數(shù)據(jù)采集與整理

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是根據(jù)西安市第3次全國(guó)文物普查不可移動(dòng)名錄，通過(guò)實(shí)地調(diào)研和文獻(xiàn)資料整理獲取西安市863處文化遺產(chǎn)資源點(diǎn)的具體地理位置和保護(hù)級(jí)別，然后采用Google Earth查詢其經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過(guò)ArcMAP全面直觀地展示歷史文化遺產(chǎn)在西安市路網(wǎng)圖中的分布情況（圖1）。結(jié)合資源點(diǎn)的保護(hù)級(jí)別進(jìn)行賦值，進(jìn)而采用反距離權(quán)重法估算新石器時(shí)代、周、秦、漢、隋、唐、元、明、清9 個(gè)時(shí)期的城市中心，結(jié)合歷史資料分析各時(shí)期城市中心遷移規(guī)律。

1.2.2 數(shù)據(jù)整理

本文選取西安歷史上9個(gè)時(shí)期的文化遺產(chǎn)為對(duì)象進(jìn)行分析研究，首先按照國(guó)家文化部規(guī)劃建立的“國(guó)家+省+市+區(qū)縣”4級(jí)保護(hù)體系，對(duì)文化遺產(chǎn)的保護(hù)級(jí)別進(jìn)行分類，然后對(duì)其進(jìn)行合理賦值，如表1所示。運(yùn)用ArcGIS10.0計(jì)算出各時(shí)期文化遺產(chǎn)數(shù)量，如表2所示。

圖1 西安市文化遺產(chǎn)點(diǎn)可視化圖

表1 文化遺產(chǎn)保護(hù)級(jí)別分類

表2 各時(shí)期資源點(diǎn)個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

2 研究方法與概念界定

2.1 反距離權(quán)重法

反距離權(quán)重法（inverse distance weighted，IDW）是ArcGIS中一種簡(jiǎn)便、常用的空間插值方法，它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)之間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。該方法于1986年由Sphepard提出，1985年Watson將其應(yīng)用于空間插值的等值線繪制[9-10]，繼而IDW算法被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域的空間分析與制圖[11]。IDW算法公式可表示為：

式中，Z是插值點(diǎn)的估計(jì)值；Zi是第i個(gè)樣本點(diǎn)觀測(cè)值；di是插值點(diǎn)與第i個(gè)樣本點(diǎn)之間的歐氏距離；n是用于估算插值點(diǎn)值的樣點(diǎn)數(shù)，p是冪指數(shù)。在ArcGIS的計(jì)算程序中，p值通常被默認(rèn)為2，此時(shí)IDW被稱為距離平方反比法。文獻(xiàn)[12]中表明，隨著p值的增大，IDW的插值結(jié)果越具有平滑效果。

2.2 城市中心的概念

城市中心的功能和界定是隨著時(shí)代的發(fā)展而變化的。古代的城市中心是以行政和宗教活動(dòng)為主，附帶少量的商業(yè)活動(dòng)，一般情況是以封建統(tǒng)治者、官員處理政務(wù)和生活的地方構(gòu)成行政中心，城市中的寺廟和前庭是民眾進(jìn)行宗教活動(dòng)以及商業(yè)活動(dòng)的中心。本文將古代城市中心分為5個(gè)等級(jí)，其中一級(jí)城市中心作為每個(gè)時(shí)期的核心區(qū)域，是本文的研究重點(diǎn)。

2.3 城市中心分級(jí)

在ArcGIS10.0中運(yùn)用反距離權(quán)重法對(duì)西安9個(gè)時(shí)期的歷史資源點(diǎn)根據(jù)保護(hù)級(jí)別所賦的值進(jìn)行插值分析。然后采用自然斷點(diǎn)分級(jí)法（NBC, natural breaks classification）進(jìn)行聚類分級(jí)[13]。城市中心共分為5 級(jí)：一級(jí)城市中心賦值2.5～4；二級(jí)城市中心賦值2～2.5；三級(jí)城市中心賦值1.5～2；四級(jí)城市中心賦值1.2～1.5；五級(jí)城市中心賦值1～1.2。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 結(jié)果分析

從圖2a可以看出新石器時(shí)代的一級(jí)城市中心主要集中在西安市東部浐河?xùn)|岸二級(jí)濕地上的半坡遺址、西部的魚(yú)化寨遺址以及南部的郭北村遺址[14]。從圖2b可以看出周朝的城市中心主要是豐鎬遺址。

從圖2c可以看出秦朝的城市中心主要是阿房宮遺址。根據(jù)史料記載，春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期秦將都城遷至南臨渭水、北依高原的咸陽(yáng)。而后秦始皇為擴(kuò)大都城，在渭河南岸修建規(guī)模巨大的阿房宮，其主要原因是渭河南岸比北岸的氣候環(huán)境要優(yōu)越很多，北岸是水流沖擊平原，植物生長(zhǎng)茂盛、河道星羅棋布，更加有利于人類的活動(dòng)[6]。

圖3a顯示漢長(zhǎng)安城遺址位于西安市西北部龍首原之上，而龍首原又是當(dāng)時(shí)長(zhǎng)安的制高點(diǎn)，所以漢長(zhǎng)安城位于高低地形的過(guò)渡地段，與周豐鎬和秦阿房宮相比，漢長(zhǎng)安地勢(shì)有明顯增高。從圖3b和圖3c可以看出隋、唐的城市中心逐漸向東南方向移動(dòng)，呈現(xiàn)遠(yuǎn)離渭河的趨勢(shì)。由于隋、唐長(zhǎng)安城內(nèi)曾出現(xiàn)多次暴雨，如果長(zhǎng)安城建立在遠(yuǎn)離渭河的高地上，不僅可以擴(kuò)大城市的立體空間，還可以很大程度上避免汛期時(shí)渭水對(duì)城市的侵蝕和破壞[15]。

圖2 新石器時(shí)代、周、秦城市中心可視化圖

唐代以后，隨著全國(guó)政治中心的轉(zhuǎn)移，長(zhǎng)安雖失去了其都城的地位，但明、清時(shí)期仍然是西北地區(qū)的軍事重鎮(zhèn)和經(jīng)濟(jì)文化中心。從圖4b可以看出，明朝的城市中心主要集中在鐘樓附近區(qū)域，而如今鐘樓區(qū)域則是西安的政治、經(jīng)濟(jì)、商業(yè)中心。從圖4c可以看出，城市中心逐漸向外擴(kuò)展。明清時(shí)期的發(fā)展為西安經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇和發(fā)展奠定了不可或缺的基礎(chǔ)。

圖3 漢、隋、唐城市中心可視化圖

圖4 元、明、清城市中心可視化圖

3.2 討 論

歷史文化名城快速城市化帶來(lái)的遺產(chǎn)保護(hù)與城市建設(shè)之間的矛盾應(yīng)得到相關(guān)科學(xué)家的重視，而古代人類在城市建設(shè)方面的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒和研究，因此分析歷史上各時(shí)期城市中心遷移和規(guī)劃思想應(yīng)成為我們研究的重要內(nèi)容之一。本文基于GIS的空間分析技術(shù)，不再片面地依靠史料記載來(lái)分析城市中心遷移規(guī)律，通過(guò)反距離權(quán)重插值分析可視化圖，能夠直觀表達(dá)西安各歷史時(shí)期城市中心。根據(jù)GIS插值分析結(jié)果可以看出周豐鎬遺址位于灃河兩岸；秦朝都城從渭河北岸的咸陽(yáng)擴(kuò)建到渭河南岸的西安；再到西安制高點(diǎn)龍首原附近區(qū)域，只有隋唐時(shí)期長(zhǎng)安城轉(zhuǎn)向東南方向，而這種轉(zhuǎn)移絕不是偶然現(xiàn)象，而是遵循了一定的規(guī)律。西安的地形特點(diǎn)是東南較高而西北略低，城址由低處向高處轉(zhuǎn)移與當(dāng)時(shí)城市的規(guī)模不斷擴(kuò)大和人類改造自然、利用自然能力的不斷提高有著密切的關(guān)系，漕渠、永安渠、龍首渠、黃渠的修建是一個(gè)顯著標(biāo)志。早期的城市選在在地勢(shì)較低的地方，是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的欠缺，只能利用自然條件解決城市的供水問(wèn)題。而后期城市逐漸向地勢(shì)較高的地方轉(zhuǎn)移，是因?yàn)殡S著生產(chǎn)水平的提高，人們具備了開(kāi)鑿渠道的能力，即使遠(yuǎn)離水源，依靠溝渠，城市的用水問(wèn)題也可以解決，同時(shí)還可以在一定程度上防洪防汛。

4 結(jié) 語(yǔ)

GIS技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)屬性信息和空間特征的雙向查詢，還能夠?qū)?fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)GIS平臺(tái)可以直觀展示西安市文化遺產(chǎn)分布情況，更加具有科學(xué)性和說(shuō)服力。更重要的是一些看似毫無(wú)關(guān)聯(lián)的資源點(diǎn)，通過(guò)GIS的空間分析技術(shù)得以系統(tǒng)地整合，從而直觀獲知各歷史時(shí)期城市中心，進(jìn)而分析城市中心遷移規(guī)律，為未來(lái)的城市規(guī)劃提供借鑒。

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圖2 程序操作界面

6 結(jié) 語(yǔ)

ArcGIS軟件提供了眾多的數(shù)據(jù)處理工具，但在實(shí)際應(yīng)用中難以滿足用戶批量處理數(shù)據(jù)的需求。在面對(duì)海量柵格數(shù)據(jù)處理時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單的程序開(kāi)發(fā)，能夠很大程度上替代人工的操作，極大提高工作效率和準(zhǔn)確性。本文介紹了ArcGIS Engine中對(duì)柵格數(shù)據(jù)的常用操作和調(diào)用工具箱中工具的實(shí)現(xiàn)方法，基于本文的框架，很容易在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展其他相關(guān)工具，使數(shù)據(jù)處理工作自動(dòng)化。

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第一作者簡(jiǎn)介：張建永，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)镚IS、遙感軟件的應(yīng)用及集成、開(kāi)發(fā)。

P208

B

1672-4623（2016）10-0059-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.017

王睛睛，碩士研究生，主要從事GIS在環(huán)境科學(xué)與工程中的應(yīng)用的研究。

2015-07-20。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278416）。