基于GIS的史前聚落選址空間分析
——以甘肅省靖遠縣部分聚落遺址為例

(蘭州大學歷史文化學院 甘肅 蘭州 730030)

一、GIS在聚落考古中的研究回顧

GIS(地理信息系統)是基于計算機技術的地理空間信息采集、存儲、管理、顯示、分析、輸出的計算機系統。國際上將GIS技術引入考古學研究興起與上個世紀八十年代上，主要應用于解決考古學時空性問題[1]；國內GIS考古起步于九十年代中，早期應用重點在于建立考古地理信息系統、文化遺產保護[2]及區域系統考古調查的考古數據采集與管理分析，如長江三角洲地區考古信息管理系統[3]、洹河流域區域考古信息系統的建設[4]以及巢湖流域考古信息系統的建設[5]等，特點在于將理論上的地理信息系統轉化為與考古結合的實用系統。

其次將GIS引入與環境考古密切相關的聚落人地關系研究，包括引入人文地理學觀點的聚落空間關系研究。聚落的形成與發展與當時歷史條件下的生態環境密切相關，具體表現在自然環境對聚落遺址選址布局以及生業模式的影響，在90年代引進GIS技術之后這一研究便大量與之結合，出現了許多新的成果。其中劉建國進行了以GIS為支持的聚落考古研究，介紹了GIS相關的概念與理論方法，對臨汾盆地，洛陽盆地、洹河流域、七星河、美陽河流域的史前聚落進行地理空間分析，探究這些研究區域聚落的空間分布特征以及考古學文化演變[6]；錢耀鵬較早地對史前聚落進行了環境因素分析[7]，強調了人地關系對聚落形成與文明起源的重要意義；牛少靜等人對山東沂沐河流域龍山文化遺址的研究中綜合應用空間分析與統計學的方法分析了龍山文化遺址的空間分布與高程、坡度、坡向以及水系距離等流域環境的關系[8]，畢碩本等人在對鄭洛地區新石器時代聚落遺址的研究中將聚落分為單一性聚落與疊置型聚落，認為單一型聚落的形成與水溫、氣等密切相關，其遺址分布在河流、地形、海拔等自然條件方面有一定規律[9]；齊烏云等人在對山東沐河上游史前文化人地關系的研究中綜合采用聚落考古、動植物考古與科技考古的方法，分析了人類居住地與自然環境的關系、人口的生業活動與氣候環境的變遷[10]，是聚落考古與多學科研究結合的典范。張海則將地理信息系統技術引入到中原地區聚落考古研究中[11]，得出中原地區王灣三期文化的聚落形態所存在的兩種不同模式，以及文化自身由北向南的擴張過程的結論。

在以上研究中，學者多從聚落自然環境或景觀環境角度探討GIS技術在聚落考古中的適用性，而聚落環境是居住人群主觀選址形成的結果，因此，利用GIS技術分析史前聚落的選址空間意向，更能發揮其在聚落考古研究中的主動性。本文從史前聚落的選址角度出發，以甘肅靖遠縣部分史前聚落為例，探討GIS空間分析技術在史前聚落選址研究中的應用。

二、研究區概況與境內史前聚落遺址分布情況

靖遠縣位于白銀市中部，白銀地處中國甘肅省中部，市內轄會寧、景泰、靖遠三縣與白銀、平川兩區，面積約兩萬平方公里。地處黃河上游地區，黃河于境內中部東北—西南方向穿過；海拔介于1.2km—3.3km之間，整體地勢東南高、西北低，位于騰格里沙漠和祁連山脈向黃土高原過渡地帶；地處中溫帶，氣候介于干旱半干旱之間，降雨集中在夏季[12]。

白銀境內歷史文化遺址遺跡眾多，從馬家窯文化時期至齊家文化時期，史前聚落遺址共計67處；以地域來看除平川區外另三縣一區都有所分布，各遺址高程從1.3km到2.3km不等，整體位于白銀市境內的中低海拔區域。各縣區遺址數量情況如下：

表1 白銀市史前聚落遺址統計圖白銀市史前聚落遺址統計

資料來源：第三次全國文物普查資料

所有已知史前聚落遺址分布于白銀市北部到東部以及東南部山地地區,其中東部到東南部一帶分布較均勻連續。從地形來看，白銀市境內史前聚落遺址可分為兩大類，一是沿河型聚落，以靖遠縣城沿河史前聚落遺址分布為代表；二是分布于山間臺地型聚落，以會寧縣南部較集中史前聚落遺址分布為代表。

三、部分史前聚落遺址選址空間分析

靖遠縣位于白銀市中部地區，縣域內主要地形為黃土高原溝壑區，地勢由西北向東南傾斜；氣候為溫帶干旱半干旱氣候[13]，與白銀市整體氣候狀況一致。本部分選取靖遠縣10個史前聚落遺址，該部分遺址沿黃河呈長條帶分布于靖遠縣城西南、南方及東北方向，除獨石頭遺址與喬家坪遺址外都位于河流南岸沖擊臺地之上，在縣域范圍內較為集中，是較為典型的沿河分布聚落遺址，在研究聚落選址與空間分布上具有較好的分析價值。

圖1 白銀市靖遠縣部分沿河史前聚落遺址分布圖

圖片來源：Google earth

表2 靖遠縣沿河分布史前聚落遺址統計表白銀市靖遠縣部分史前聚落遺址遺址

資料來源：第三次全國文物普查資料

本文采用聚落空間分析方法，借助ArcGIS軟件空間分析功能版塊中的疊置分析、數字地形分析、可視域分析與緩沖區分析功能，對靖遠縣該部分沿河史前聚落遺址的選址要素包括地形(海拔高度與坡向)、光照、可視域、與河流關系等進行分析，探討史前聚落選址與自然環境因素的關系。

(一)高程分析

海拔高度是影響聚落選址的一個重要因素，海拔高度直接決定聚落區域的溫度與氣壓，在沿河分布聚落區域，居住高度還與受洪水災害程度和取水便利程度有關。此處以研究區域的等高線地形數據為基礎，在ArcGIS中應用Spatial Analyst工具生成該區域數字地形模型，在同一坐標系統下與由遺址點坐標數據生成的遺址分布圖進行疊加，得到聚落分布與地形關系圖。

圖2 高程分析圖

地形數據來源：LocaSpaceViewer

由圖中可知，該區域史前聚落遺址分布在兩個高度層，即1.4km高度1.5km高度區域的，為遺址分布區域的中低海拔位置，與河流高差約70m至200m，該高度溫度與氣壓較宜居，且與河流高差適中，既可滿足防洪需求，也方便取水，表明史前居民在聚落選址時較好地考慮了居住高度因素。

(二)坡向分析

在山地地區的聚落選址中，坡向是決定能否接受足夠太陽光照的重要因素，在夏慧君等人的研究中，根據將坡向劃分為4類，并認為南向是最宜居方向，東南方向次之，西北與北向為較宜居坡向，而東向、西向、東北與西南方向為不宜居坡向[14]。該分類根據各坡向可接受太陽光照程度對其宜居性進行劃分，對大部分遺址坡向分析都具有適用性。

圖3 坡向分析圖

本文研究區域在Arc GIS中利用DEM地形數據生成坡向圖，與聚落分布圖疊加后得到聚落分布與地形坡向關系圖。由圖可知，該區域黃河南岸八個史前聚落遺址基本都分布于西北與北向坡向，僅東北部黃河北岸兩個遺址分布為南向與東南方向，結合該地山地高度與緯度可知，西北與北向也可接受到適量太陽光照。且由于該地為干旱與半干旱氣候，南向及偏南向過于充足的太陽光照將加劇干旱程度，并不利于人類生存，因此西北向與北向的坡向選擇與傳統意義上最宜居的南向相比，在此地是更為合理的選擇。

(三)山體陰影分析

山體陰影分析有助于獲得遺址區域的光照信息，在缺乏人工照明的史前時期，光照不僅是熱量的主要來源，也是天然照明的重要影響因素。ArcGIS山體陰影分析可通過計算光源位置與臨近區域的照明度值獲得地形表面的假定照明度，在默認太陽方位角315。與太陽高度為45。條件下將研究區域高程柵格圖像與山體陰影柵格進行疊加，并通過調整透明度等渲染手法，可獲得該區域清晰的山體陰影圖像。

圖4 山體陰影分析圖

由圖可知，在該方位角與太陽高度條件下，聚落遺址點大部分分布于山體陰影較低區域，即位于該區域內的聚落在該時段可獲得較好的光照條件，這一現象形成的原因也與聚落分布的局部地形因素有關，該部分遺址點都分布于河流兩岸的沖擊臺地上，地形總體寬闊平坦，對光照的遮擋削弱差，使得總體能獲得較好的光照條件。在聚落選址的山體陰影分析中還可對不同方位角與太陽高度的山體陰影進行進行分段分析，從而統計聚落遺址在較大時段內的總體光照信息。

(四)視域分析

視域或與其它聚落間的通視性也是聚落選址與影響聚落空間分布的重要因素，選址時對可視性的要求會直接影響遺址的高度與微地貌選擇。劉建國認為戰略要地與墓冢等特殊遺址點通常會選擇地勢較高視線較好的地點，聚落間的通視性在景觀結構中具有重要角色，甚至大小聚落間的通視性可反映出聚落之間的統治與被統治關系[15]。從聚落安全角度考慮，同一聚落群不同聚落之間維持通視性也有利于維持聯系以保證聚落集體安全。

本文以該研究區域地形數據為基礎，以區域內10個史前聚落遺址點為觀察點對該區域做了簡單的可見性分析，得到該區域內遺址點的可視范圍。由圖可知，該區域內史前聚落幾乎都互不通視，各聚落可視范圍僅限于海拔較低區域，少部分就近的兩兩遺址之間具備一定通視性，而總體可視性較差。

圖5 視域分析圖

由于該區域內10個史前聚落遺址分布于馬家窯文化時期與齊家文化時期，該現象形成原因首先與相鄰遺址形成于不同時期有關；同時史前居民在進行聚落選址時，可視域并不是選址第一要素，地形、水源、光照等因素選擇易影響遺址最終選址的可視域，在最終的空間分布上形成不可視狀態；而且在本分析中，只將地形最為可視域分析的唯一要素，而在實際情況中地形并不是影響可視域的唯一要素，還與人為因素和植被等有關。

(五)河流緩沖區分析

水源是影響史前人類居住選址與聚落空間分布的最重要因素，在沿河流分布的聚落中，距離河流遠近不僅決定取水便捷程度，還與防洪有一定聯系。緩沖區分析是GIS空間分析的重要方法之一，廣泛用于量化分析地理空間對象的服務范圍或影響范圍，基于地形數據提取的矢量河網緩沖區分析可較形象準確地反映聚落遺址與河流的相互位置關系。

利用該區域地形數據通過ArcGIS水文分析提取出區域內河網與可視為水系的集水通道，形成區域水系圖，分別對該水系建立覆蓋范圍為300m與600m的緩沖區，在分別與聚落分布圖疊加的同時將兩者也進行疊加，可得到聚落分布與河流空間位置關系圖。

圖6 緩沖區分析

由圖可見，該區域聚落幾乎都分布于河流300m至600m緩沖區之間，劉建國認為600m緩沖區是多個聚落與河流關系研究所得出的經驗值[16]，在聚落布局時聚落與河流距離超出此值建設者將傾向于重新選址，選擇距離河流更近地點。因此在該區域聚落布局中，聚落分布于據河流300m至600m區間內，不僅有便于生活取水需求，與河流保持適當距離還能有效防范洪水災害，同時滿足用水與防洪需求。

在分析聚落與河流空間關系中還需指出的問題是，本分析所用河流水系數據皆為現代數據，未考慮在歷史時期中河流因自然或人為原因偏移改道可能性，因此該分析可能與史前真實情況存在一定偏差，有待考證。

四、結論

本文將白銀境內史前聚落遺址按地形分類為兩大類，分別為沿河型聚落與山間臺地型聚落。并借助Arc GIS的疊置分析、數字地形分析與緩沖區分析功能，對靖遠縣城沿河流分布的10個史前聚落遺址進行了初步選址要素空間分析，發現該區域內史前聚落遺址都位于1.4及1.5km左右高度，具有較好的氣溫與氣壓條件；在坡向上總體上位于北向與西北坡向，光照強度與地表天然照明條件良好；各聚落間基本不具備通視性且可視范圍較小，聚落之間聯系不緊密；聚落幾乎都位于距離河流300m到600m范圍內，這一距離能夠充分滿足用水與防洪需求。表明該區域內史前居民在選址時充分考慮了水源與地形因素，并且將水源最為聚落選址與布局最重要因素，而光照因素與視域在聚落選址布局中則未做過多考慮。

該研究在小范圍內取少量聚落遺址為分析樣本，作出聚落選址與空間分布的初步分析，分析結果與遺址實際地理環境具有較高的符合性，且能更直觀便捷地反映遺址分布與自然地理環境關系，表明GIS技術在聚落遺址空間分析中具有較好的可行性與實用性，在更大范圍內的聚落空間分布特征分析中將更好地發揮作用。