基于GIS的明長城紫荊關防區防御性聚落空間特征研究

解 丹（河北工業大學建筑與藝術設計學院 天津 300401）

張銘昊（雄安城市規劃設計研究院有限公司 雄安 071000）

譚立峰（天津大學建筑學院 天津 300072）

明長城紫荊關防區連接著山西的高原與河北的平原，所在區域山勢連綿、地形起伏變化多樣。東北方向是京畿要地，西、北方向遠通山西、宣府兩個軍事重鎮，南邊倚靠倒馬、龍泉二關，東南方向180里是保定府，具有四通八達的區位條件。紫荊關防區作為明長城內邊真保鎮重要軍事防區，其空間結構特征、地理選址特征、空間分布特征等具有很高的研究價值。

近年來，紫荊關防區的學術研究價值逐漸引起學者關注，涌現一批相關研究著作。一方面對紫荊關關城內部空間布局、平面形態、建筑材料、修建歷史作了詳細的描述，如張洪印《畿南第一雄關──紫荊關》（1996），武士靖《歷史滄桑話紫荊》（2009），嚴共明《紫荊關 雄關雄姿雄風名貫天下》（2013）；另一方面，對紫荊關防區位于淶源縣境內的長城進行實地考察，其中包括烏龍溝、浮圖峪等眾多堡寨隘口，對于紫荊關防區長城的建筑形制、歷史風貌進行詳盡的敘述，如孫鋼《淶源明長城調查報告》（1999），河北省古代建筑保護研究所《河北省明長城資源調查報告·淶源卷》（2000），何圳泳《淶源縣明長城軍事防御體系研究》（2016），等等。

上述研究主要以文獻分析與實地調研為主，鮮有對防區整體空間特征的量化研究。本文在前人研究基礎之上，運用GIS空間分析技術，將定量與定性相結合應用于紫荊關防區防御性聚落的空間特征研究之中。

一、材料與研究方法

（一）研究區概述

紫荊關，通常有狹義與廣義之分。狹義的紫荊關，指紫荊關城，可以抽象為一個點。而廣義的紫荊關，即是指明長城真保鎮紫荊關路，也就是紫荊關防區，可以抽象為一個面。

據《四鎮三關志》記載，“紫荊關東至易州九十里，西至山西廣昌縣九十里，南至滿城縣一百二十里，北至馬水口一百八十里，東北至沿河口昌鎮界三百里，西南至插箭嶺一百二十里，東南至保定府一百八十里”。據《河北省志·長城志》記載，紫荊關防區的管轄范圍主要位于今天的易縣與淶源縣，有盤石口、烏龍溝、浮圖峪、寧靜安、白石口5座堡寨及45個隘口。紫荊關防區內有邊墻總長63千米，東北自淶源縣的烏龍溝北，西南至該縣南部白石口，與倒馬關路的插箭嶺相接；另有易縣紫荊關以西的邊墻支線也歸其管理（圖1）

圖1 紫荊關防區軍事聚落區位圖

（二）數據來源

本研究的長城聚落信息來源包括《中國文物地圖集·河北分冊》《西關志》《四鎮三關志》《河北省志·長城志》《河北省明長城資源調查報告·淶源卷》《淶源縣志》《易縣志》等。

分析數據來源：河北省淶源縣和易縣的數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）來源于全球科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站的ASTER GDEM數據產品；矢量化信息數據包括現行政區劃電子地圖（省級至縣級）、河流（一至五級河流）等，數據來源于中國國家基礎地理信息中心；長城堡寨數據通過文獻記載與實地調研獲得，并構建明長城紫荊關防區軍事聚落數據庫。

（三）研究方法

本文的量化分析主要依據GIS分析平臺，具體為運用高程分析對紫荊關堡寨隘口做線狀剖切，統計不同區域高度變化；運用GIS的近鄰分析與緩沖區分析，計算聚落與河流之間的距離。運用密度制圖工具分析聚落的疏密分布情況；根據表面成本為基礎的最短路徑原理，探索道路交通在堡寨空間分布與防御機制中起到的作用；基于道路情況統計各聚落之間的距離，對兵馬的可達性進行分析。

二、軍事聚落的空間結構特征

（一）多級節點，輻射布局

本研究根據《河北省志·長城志》的記載，繪制出紫荊關防區軍事聚落之間的輻射關系圖（圖2），可以看出紫荊關防區長城關城堡寨隘口沿縱深方向布置。這種層層遞進的結構對應著層層遞進的防御，形成嚴密的防御網絡。整個防區內聚落結構呈現由中心到邊緣的輻射狀。紫荊關防區的防御呈現三個等級，最核心等級是處于中心的紫荊關關城；其次為沿邊墻布置，位于邊墻內側的烏龍溝堡、浮圖峪堡、寧靜安堡、白石口堡以及靠近紫荊關關城的盤石口堡；最后等級為邊墻沿線的隘口。

圖2 紫荊關防區軍事聚落輻射關系

（二）橫向分段，縱向分層

基于長城聚落層級關系圖（圖3），從橫向來看，紫荊關防區邊墻沿線可分為四個防守區域，均是由堡寨與其下隘口聯防的模式，即烏龍溝、浮圖峪、寧靜安、白石口四段。烏龍溝堡下轄張虎石口、煤窯溝口、雙陀兒口、忙兒溝口；浮圖峪堡下轄長嶺兒口、長橋兒口、天橋兒口、羊欄溝口、神峪溝口、夾河水口、飛狐口；寧靜安堡下轄蜂兒溝口、李賢溝口、薄頭安口、北岸溝口、吊驢崖口、五虎嶺口、門關口、聶門口、鷹捕嶺口、黃草安口、水峪口；白石口堡下轄蘆子溝口、歪嘴兒口、胡孩口、西水溝口、黃土嶺口、常家溝口、煙薰崖口、白馬安口、鷹鴿嶺口、羊圈子口。各段的防御既統一布防又相對獨立，形成了疏密得當的橫向分段模式。

圖3 紫荊關防區軍事聚落層級關系

從縱向來看，紫荊關防區分為三個防御層次。烏、浮、寧、白四堡與其下轄隘口結合邊墻系統抵擋邊境上的敵人攻擊，成為第一道防線；盤石口與其下隘口既可以為前線提供兵力、物資的補給，又防止敵人突破邊墻以后長驅直入關城，成為第二道防線；而紫荊關關城及其周邊的小盤石、小金城、奇峰口、官座嶺共同構成第三道防線。

（三）烽驛串聯，面狀防御

驛傳的設置，承擔著上傳下達的任務，如同血液循環系統一般，將沿線堡寨、隘口有機地聯系起來。驛遞系統不僅起到傳遞信息的重要作用，在運輸物資方面同樣重要。

根據《明代驛站考》記載，在紫荊關防區內有兩條驛路穿過。源頭皆是來自于鎮城保定府，途經易州清苑馬驛，抵達紫荊關上陳驛。從上陳驛又分出兩條岔路，一條通往廣昌所城的香山驛；另一條直達宣府鎮的蔚州。這兩條驛路的設置，使得紫荊關有效接收上級保定府傳來的消息，并及時溝通紫荊關防區與大同鎮、宣府鎮等周邊邊鎮相互之間的聯系［2］。

紫荊關防區內的烽火臺，在山勢較為陡峭的烏龍溝地區，烽火臺數量較少，距離較大； 在浮圖峪，寧靜安地區，烽火臺數量較多，布置較為密集。

驛傳、烽傳之間相互滲透、交叉，將紫荊關防區各級聚落點串聯起來，增強了防御的強度。綜合“多級節點，輻射布局”的聚落層級和“橫向分段，縱向分層”的分布結構，形成了一個面狀防御結構（圖4）。各層次防御聚落既負責各自的區域，同時又相互聯合，這種“相互依存，觸一發而動全身”的結構也達到了完美的防御效果。

圖4 紫荊關防區軍事聚落面狀關系

三、軍事聚落的地理選址特征

（一）地形地貌影響下的選址特征

蒙古騎兵作戰靈活、沖擊力強，明朝步兵難與其匹敵。但騎兵受地形限制較大，若在地形起伏較大、缺乏戰略縱深的山區，便無法發揮其靈活、快速的作戰優勢。紫荊關防區就是依靠周邊險要的山勢延緩敵人騎兵進攻。

通過紫荊關防區軍事聚落三維可視化結果可以得出結論：一、紫荊關防區的地勢呈現從西南的白石口到中部的浮圖峪逐漸降低、再到東北的烏龍溝地區略有回升的情況。二、防區內海拔相差較大，由最高的1600多米下降至100多米，地形復雜，變化豐富。三、在邊墻上與內部隘口設置的地方多為山谷敵人易于通行之地；隘口選址靈活性強，對地形條件要求低（圖5）。

圖5 紫荊關防區軍事聚落三維可視化

1.沖要之地設隘口

據《四鎮三關志》對軍事通道的評級標準，沖要之地地勢平坦、起伏不大、可通過眾多騎兵；緩處位于兩山鞍部，僅容步兵通過。

從烏龍溝堡及下轄隘口地勢圖中可以明顯看出烏龍溝地區管轄范圍最大（圖6），約為22.2千米。然而該地區卻并未設置過多的隘口。概因烏龍溝地區多為“緩處”難以通行，借助起伏較大的山體形成多處山險墻。僅在防守薄弱處設置了4個隘口、1個堡寨警戒敵情。

圖6 烏龍溝堡及下轄隘口地勢圖

2.軍事要地設隘口

從浮圖峪堡、寧靜安堡及下轄隘口地勢圖可以看出浮圖峪與寧靜安地區山谷較多（圖7、8），浮圖峪地區皆為沖要之地，而寧靜安地區更是有4處極沖之地，這是蒙古騎兵長驅直入的首選之地。故浮、寧二地，在25.6千米范圍內設置了密集的20個堡寨隘口，在春秋兩防的時候，總兵更是直接進駐浮圖峪。

圖7 浮圖峪堡及下轄隘口地勢圖

圖8 寧靜安堡及下轄隘口地勢圖

從白石口堡及下轄隘口地勢圖中可以看出白石口地區平均地勢較高（圖9），位于整個紫荊關防區之首。山高溝壑，有較好的防御能力。同時，白石口地區位于紫荊關防區與倒馬關防區的交界處，紫荊關與倒馬關同屬于“京畿藩屏”的內三關。敵人從此進入，既可以北上紫荊，直逼京師；又可以南下倒馬，攻占保定。此處在整個紫荊關防區具有舉足輕重的軍事戰略地位，歷史上敵人多從此處攻入長城內部。故設置了密集的隘口嚴防敵人乘虛而入。從圖中隘口的疏密程度可以明顯看出這一點。

圖9 白石口堡及下轄隘口地勢圖

紫荊關防區借助山勢作為屏障，隘口呈現疏密有序的布置。受到地形沖要程度的影響，在山勢險峻的烏龍溝地區設置少量隘口，在山谷眾多的浮圖峪與寧靜安地區隘口設置較為密集；同時，在軍事戰略要地的白石口地區，設置大量隘口以防備敵人襲擊。

（二）河流水系影響下的選址特征

河流具有軍事防御、交通運輸、生活用水三個方面的作用。在進攻時，利用江河水道的流通作用，滿足士兵的生活用水和糧草運輸；而在防守時，則利用較寬的河床形成天塹，是天然的防御設施。紫荊關防區內河流水系主要為拒馬河及其支流。拒馬河為國家4級河流，貫穿整個紫荊關防區，與邊墻基本呈垂直關系，是防區內部最重要的水系。河干流長254千米，在紫荊關關城上游河床寬1000米，下游河床寬1500～2000米[3]。從淶源境內一直流入北京，是溝通紫荊關防區與京師的重要水上運輸通道。同時，拒馬河軍事作用顯著，古人曾形容為“北負拒馬之淵”，水流湍急，構成了護衛關城的橫向防線。在河流以北，有散布的隘口作為前哨，而紫荊關與隔河相望的小金城之間相傳曾有鐵索相連。

通過在不同河流緩沖區內，各級別、各區域聚落的數量，來推測河兩側聚落的功能與目的（圖10）。

圖10 紫荊關防區河流水系

1.聚落近水不鄰水

由紫荊關防區長城聚落總體與河流距離分布情況可以清楚地看出，軍事聚落與河流的距離集中在1000～5000米、5000～10000米、10000～15000米三個緩沖區段（見表1）。而通常情況下，古代普通民居與水源的最大距離是600米左右，而紫荊關防區在600米緩沖區范圍之內只有4個聚落。可見軍事聚落與河流的關系遠超出了普通聚落對河水的依賴關系。軍事聚落并非依水而建，而是建在距離水源一定距離的區域。分析原因主要有以下幾點：（1）軍事防御的因素：山脈和水系的作用既相互促進又相互制約，山之優則水之劣。山高路險，易守難攻，但缺乏水源。山谷平坦之地水源充足，但不利于防守。而防區軍事聚落防御性是第一位的，這也是不同于一般居住性聚落的特征之一。（2）河流尺度的因素：由于防區內某些河流雨季水量較大，大幅度的漲潮可能會淹沒大量的房屋與農田，故聚落近河但不會臨河[4]。

表1 聚落總體與河流距離分布情況

2.山谷之地聚落近水源

通過統計不同河流緩沖區內各堡城及其隘口的數量，可以發現浮圖峪區域的聚落多集中在距離河流5000米緩沖區范圍內，寧靜安與盤石口區域的聚落處于5000～10000米之間的緩沖區范圍內，而白石口區域的聚落處于10000～15000米的緩沖區范圍內（見表2）。與河流距離最近的是浮圖峪區域的聚落，寧靜安與盤石口次之，白石口相對較遠。

表2 不同區域聚落與河流距離分布情況

表3 不同級別聚落與河流距離分布情況

浮圖峪、寧靜安與盤石口地區多為山谷之地，地勢平緩，無險可依，可利用較寬的河流形成天塹，沿河布防設隘口，將敵人完全控制于河岸對側以集中兵力攻擊，體現河流軍事防御的作用。而烏龍溝與白石口地區，多借助險要的山勢設置隘口，控制溝谷巷道，與河流關系不大。

3.高級別聚落近水源

通過統計不同河流緩沖區內各級別聚落的數量，可以發現路城在距離河流1000～5000米緩沖區范圍內，堡城在距離河流5000～10000米之間的緩沖區范圍內，而隘口在距離河流5000～10000米與10000～15000米的緩沖區范圍內。

從不同級別軍事聚落與河流的距離中可以發現，在前線作戰的軍事聚落中，與河流距離越近，其級別越高。這是因為聚落靠近河流可以更好滿足士兵與戰馬的生活用水，以及物資的運輸。可見高級別聚落是前線的作戰指揮中心，主要以屯糧屯兵和物資周轉為主。

四、軍事聚落的空間分布特征

（一）密度分布特征

基于GIS空間分析工具箱的密度制圖，以宏觀尺度考察紫荊關防區軍事聚落的密度分布情況（圖11）。

圖11 紫荊關防區軍事聚落密度分布

從地理特征和防御形勢兩個方面，分析紫荊關防區軍事聚落所呈現的密度分布特征。紫荊關防區內，烏龍溝地區山勢險峻，隘口設置巧妙利用山險，數量少，分布較為稀疏，隘口之間的平均距離約3000米。浮圖峪與寧靜安地區山谷眾多，隘口數量多，分布較為密集，隘口之間的平均距離1400米。白石口區域是紫荊關路與倒馬關路的交界之處，交界之地遠離本路防御核心，加之行政上的分而治之，常為防御薄弱地帶，史料多有蒙軍自白石口之薄弱地帶侵入的記載，因而加密聚落以增強防御。

1.縱向——沿線聚落密度高

縱向來看，紫荊關防區沿邊墻軍事聚落密度分布明顯高于邊墻內部，且呈現由邊墻沿線向腹內逐漸遞減的趨勢。邊墻沿線軍事聚落數量多，聚落間距較小；而邊墻腹內聚落數量少，聚落間距較大。

縱向聚落的分布疏密程度，是由防御形勢決定的，防御形勢涉及戰略和戰術兩方面，是決定聚落密度分布的核心因素。長城沿線直接面臨敵人的進攻，防守壓力較大。堡城隘口在邊境上呈線性伸展開來，力求無防御缺口，聚落加密實現全線防御。腹內聚落防守壓力小，聚落分布稀疏。

2.橫向——西南聚落密度高

從橫向軍事聚落的分布情況來看，西南方向的寧靜安區域與白石口區域形成高密度斑塊聚集的現象，東北部烏龍溝與東部盤石口較為稀疏。進一步計算該區域內每千米長度單位的長城所對應聚落個數，烏龍溝區域為0.23座/千米，浮圖峪區域為0.55座/千米，寧靜安區域為1.09座/千米，白石口區域為0.59座/千米。可以看出，寧靜安的戍守密度最大，其次是白石口與浮圖峪，最后是烏龍溝。

（二）交通聯系特征

交通聯系對于軍事聚落的空間分布與防御性研究至關重要，基于表面成本的最短路徑方法，分析、計算并繪制紫荊關防區軍事聚落間的道路復原圖，可為長城聚落的防御機制、可達性研究提供更為科學的依據。

1.層級之間——放射狀分布，沿線交通密集

按照軍事聚落的層級性，通過表面成本與成本路徑計算并繪制路城到堡寨，堡寨之間，堡寨到對應隘口的道路復原圖（圖12），探索聚落層級之間的交通聯系。

圖12 紫荊關防區軍事聚落層級之間道路關系

（1）從總的交通關系結構來說，較高級別聚落與其下轄各聚落間道路呈明顯放射狀分布，進一步印證紫荊關長城軍事防御體系放射狀的層級管理關系；由區域交通網絡的發育程度看，緊鄰長城邊墻的隘口與堡寨之間交通網絡發育程度明顯較高，而長城內部道路分布明顯稀疏。

（2）從紫荊關關城與下級堡寨之間的交通聯系來說，盤石口是保衛紫荊關的核心。無論紫荊關關城和哪座堡寨溝通，必先經過盤石口。盤石口的駐軍可以及時偵查沿拒馬河來犯的敵軍，進行有效的阻擊。

（3）從堡寨與隘口之間的道路網來說，堡寨向其下隘口調兵為主要的調兵方式。由于各隘口駐軍人數有限，隘口之間調兵必然導致某一處防御的薄弱，而敵軍正好采用“調虎離山”之計由空虛處攻入[5]。

2.內外之間——戰略性節點，聯系整個防區

其次，復原內部隘口之間的道路以及內部隘口與邊墻隘口之間的道路，將兩種類型的道路與第一步層級之間的道路疊加在一起（圖13），查看紫荊關防區內部與邊墻沿線交通的聯系情況以及從外到內的防御重心。

圖13 紫荊關防區內部整體道路關系

（1）浮圖峪地區的道路交通結構相比其他地區更加復雜。綠色線條是邊墻沿線與防區內部隘口的道路，可以看出，敵人要想最快速度、最短時間拿下紫荊關，多會選擇從浮圖峪突破。

（2）銀山口、小龍門口、墳營口、瓦窯安口是防區內部的戰略性據點。藍色線條是防區內部隘口之間的道路。通過統計每個隘口連接道路的數量，得知這四個據點是最多的，同時資料顯示這四個隘口駐軍數量也領先其他隘口。

3.區域之間——紫荊關為核心，交通組織靈活

最后，繪制紫荊關防區與周邊馬水口防區、倒馬關防區堡寨之間的道路圖（圖14），從宏觀的角度探索紫荊關防區的戰略地位以及堡寨之間的防御機制。

圖14 紫荊關防區周邊道路關系

（1）紫荊關防區是核心樞紐，重中之重。紫荊關防區的交通網更加密集，而與其相鄰的馬水口防區與倒馬關防區的交通網相對稀疏，紫荊關防區交通網路關系復雜程度遠遠超過了馬水口防區與倒馬關防區。

（2）堡寨的防御相對靈活，并不嚴格遵守防區的界限。通過不同防區堡寨之間的交通聯系，發現馬水口防區下轄的金水口、奇峰口反而距離紫荊關防區更近，關系更密切。而紫荊關防區下轄的白石口距離倒馬關防區更近。堡寨之間交叉防守，形成一個更大的防御網絡。

（三）可達性特征

長城聚落的空間布局遵循一個基本原則，就是均將距離作為設置的重要考量。軍堡遇到敵人圍攻，周邊軍堡援兵若能在規定的時間趕到，則這個軍堡就能守住。而其所通行的距離要滿足兵馬可達性的需求。

長城聚落之間的距離必須控制在一個合理的空間范圍內。距離過遠起不到相應的作用，距離過近造成不必要的浪費。各級軍堡的相互策應與救援，有效地解決了防線過長，兵力分散的缺陷。

1.聚落之間分布合理，滿足兵馬可達

通過道路復原圖統計紫荊關防區軍事聚落之間的距離（圖15），得到數據如下：堡寨之間的平均距離為13842.5米，約為28里，步兵半天即可到達，若騎兵馳援，則一個時辰足矣，完全滿足兵馬及時援助的要求。

圖15 紫荊關防區堡寨之間距離

隘口的援助主要來自于其上一級別的堡寨。通過統計堡寨與下轄隘口之間的距離遠近，發現烏龍溝轄區平均距離為6，683米，浮圖峪轄區平均距離為4，406米，寧靜安轄區平均距離為8，464米，白石口轄區平均距離為6，525米，盤石口轄區平均距離為13，347米。總的堡寨與隘口之間的平均距離為7，925米，約為16里。以5千米為間隔統計不同范圍內堡寨與隘口距離占總數的百分比，距離在5千米以內的占總數的38%；距離在5～10千米之間的占總數的28%；距離在10～15千米之間的占總數的18%；距離在15～20千米之間的占總數的10%；距離在20千米以上的占總數的6%。各軍事聚落分布比較合理，按照一定的比例遞減，遠近得當，相互之間可以及時提供兵力與物資支援[6]。

2.可達域范圍覆蓋整個防區

通過對可達域覆蓋范圍的分析，紫荊關防區內分別以烏龍溝堡、浮圖峪堡、寧靜安堡、白石口堡、盤石口堡為中心，以滿足防御最大限度的20里為半徑畫圓（圖16），可以明顯看出，軍事聚落基本都位于可達域的范圍內，可以在規定的時間內救援。可以得出各級別軍事聚落之間距離分布合理，可以在最短的時間內進行相互救援。

圖16 紫荊關防區軍事聚落可達域范圍

五、結語

綜上所述，對于紫荊關防區軍事聚落進行空間分析，可以得出以下結論：

1.紫荊關防區軍事聚落呈現“多級節點，輻射布局”的放射結構，“橫向分段，縱向分層”的線性結構以及“烽驛串聯，面狀防御”的面狀結構空間結構特征。

2.紫荊關防區軍事聚落受地形地貌影響，在沖要之地與防區交界之地設置較多數量的隘口；受河流水系影響，聚落近水，但不鄰水，同時山谷之地的聚落與高級別的聚落與水源關系更近。

3.紫荊關防區軍事聚落密度分布呈現縱向——沿線聚落密度高于腹內，橫向——西南地區聚落密集；聚落交通聯系層級之間呈放射狀，內外之間依靠戰略性節點聯系防區，區域之間以紫荊關為核心，靈活組織交通；軍事聚落空間分布合理，滿足兵馬可達性的需求。

運用GIS空間分析技術對紫荊關防區軍事聚落的空間特征進行研究，揭示了其防區聚落地理選址與空間分布的特征，挖掘其防御性空間結構的內涵：為日后更廣泛的紫荊關長城聚落研究提供全新的視野與工具。