基于GIS的西安城市中心變遷研究

王睛睛，李旭祥，侯 康，劉 偉，李 爽

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

基于西安市7個區文化遺產資源點的經緯度坐標、保護級別等基礎數據，運用地理信息系統軟件，對西安市9個歷史時期的文化遺產資源點進行插值分析。采用自然間斷分級法得出各個時期的城市中心，通過分析城市中心遷移的客觀規律得出西安城市中心經歷了由西南到東北，然后又向東南轉移的過程。結果表明，采用GIS技術可以對城市歷史規劃、建設及發展軌跡進行分析，也可以為城市可持續發展提供借鑒。

地理信息系統；西安；文化遺產；城市中心；遷移

1 研究區域概況及數據

1.1 研究區域概況

西安市位于中國大陸黃河流域中部的關中盆地，在東經107°40'～109°49'，北緯33°39'～34°45'之間。市轄十區三縣，面積10 108 km2，人口846.78萬，是我國西北地區最重要的城市[7]。 本文以西安市灞橋區、未央區、蓮湖區、新城區、碑林區、雁塔區、長安區共計7個區為例進行研究。

1.2 數據采集與整理

1.2.1 數據采集

研究采用的基礎數據是根據西安市第3次全國文物普查不可移動名錄，通過實地調研和文獻資料整理獲取西安市863處文化遺產資源點的具體地理位置和保護級別，然后采用Google Earth查詢其經緯度坐標，通過ArcMAP全面直觀地展示歷史文化遺產在西安市路網圖中的分布情況（圖1）。結合資源點的保護級別進行賦值，進而采用反距離權重法估算新石器時代、周、秦、漢、隋、唐、元、明、清9 個時期的城市中心，結合歷史資料分析各時期城市中心遷移規律。

1.2.2 數據整理

本文選取西安歷史上9個時期的文化遺產為對象進行分析研究，首先按照國家文化部規劃建立的“國家+省+市+區縣”4級保護體系，對文化遺產的保護級別進行分類，然后對其進行合理賦值，如表1所示。運用ArcGIS10.0計算出各時期文化遺產數量，如表2所示。

圖1 西安市文化遺產點可視化圖

表1 文化遺產保護級別分類

表2 各時期資源點個數統計

2 研究方法與概念界定

2.1 反距離權重法

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

式中，Z是插值點的估計值；Zi是第i個樣本點觀測值；di是插值點與第i個樣本點之間的歐氏距離；n是用于估算插值點值的樣點數，p是冪指數。在ArcGIS的計算程序中，p值通常被默認為2，此時IDW被稱為距離平方反比法。文獻[12]中表明，隨著p值的增大，IDW的插值結果越具有平滑效果。

2.2 城市中心的概念

城市中心的功能和界定是隨著時代的發展而變化的。古代的城市中心是以行政和宗教活動為主，附帶少量的商業活動，一般情況是以封建統治者、官員處理政務和生活的地方構成行政中心，城市中的寺廟和前庭是民眾進行宗教活動以及商業活動的中心。本文將古代城市中心分為5個等級，其中一級城市中心作為每個時期的核心區域，是本文的研究重點。

2.3 城市中心分級

在ArcGIS10.0中運用反距離權重法對西安9個時期的歷史資源點根據保護級別所賦的值進行插值分析。然后采用自然斷點分級法（NBC, natural breaks classification）進行聚類分級[13]。城市中心共分為5 級：一級城市中心賦值2.5～4；二級城市中心賦值2～2.5；三級城市中心賦值1.5～2；四級城市中心賦值1.2～1.5；五級城市中心賦值1～1.2。

3 結果分析與討論

3.1 結果分析

從圖2a可以看出新石器時代的一級城市中心主要集中在西安市東部浐河東岸二級濕地上的半坡遺址、西部的魚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。根據史料記載，春秋戰國時期秦將都城遷至南臨渭水、北依高原的咸陽。而后秦始皇為擴大都城，在渭河南岸修建規模巨大的阿房宮，其主要原因是渭河南岸比北岸的氣候環境要優越很多，北岸是水流沖擊平原，植物生長茂盛、河道星羅棋布，更加有利于人類的活動[6]。

圖3a顯示漢長安城遺址位于西安市西北部龍首原之上，而龍首原又是當時長安的制高點，所以漢長安城位于高低地形的過渡地段，與周豐鎬和秦阿房宮相比，漢長安地勢有明顯增高。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，呈現遠離渭河的趨勢。由于隋、唐長安城內曾出現多次暴雨，如果長安城建立在遠離渭河的高地上，不僅可以擴大城市的立體空間，還可以很大程度上避免汛期時渭水對城市的侵蝕和破壞[15]。

圖2 新石器時代、周、秦城市中心可視化圖

唐代以后，隨著全國政治中心的轉移，長安雖失去了其都城的地位，但明、清時期仍然是西北地區的軍事重鎮和經濟文化中心。從圖4b可以看出，明朝的城市中心主要集中在鐘樓附近區域，而如今鐘樓區域則是西安的政治、經濟、商業中心。從圖4c可以看出，城市中心逐漸向外擴展。明清時期的發展為西安經濟的復蘇和發展奠定了不可或缺的基礎。

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的遺產保護與城市建設之間的矛盾應得到相關科學家的重視，而古代人類在城市建設方面的經驗值得借鑒和研究，因此分析歷史上各時期城市中心遷移和規劃思想應成為我們研究的重要內容之一。本文基于GIS的空間分析技術，不再片面地依靠史料記載來分析城市中心遷移規律，通過反距離權重插值分析可視化圖，能夠直觀表達西安各歷史時期城市中心。根據GIS插值分析結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擴建到渭河南岸的西安；再到西安制高點龍首原附近區域，只有隋唐時期長安城轉向東南方向，而這種轉移絕不是偶然現象，而是遵循了一定的規律。西安的地形特點是東南較高而西北略低，城址由低處向高處轉移與當時城市的規模不斷擴大和人類改造自然、利用自然能力的不斷提高有著密切的關系，漕渠、永安渠、龍首渠、黃渠的修建是一個顯著標志。早期的城市選在在地勢較低的地方，是由于當時技術水平的欠缺，只能利用自然條件解決城市的供水問題。而后期城市逐漸向地勢較高的地方轉移，是因為隨著生產水平的提高，人們具備了開鑿渠道的能力，即使遠離水源，依靠溝渠，城市的用水問題也可以解決，同時還可以在一定程度上防洪防汛。

4 結 語

GIS技術不僅可以實現屬性信息和空間特征的雙向查詢，還能夠對復雜的數據進行統計分析。通過GIS平臺可以直觀展示西安市文化遺產分布情況，更加具有科學性和說服力。更重要的是一些看似毫無關聯的資源點，通過GIS的空間分析技術得以系統地整合，從而直觀獲知各歷史時期城市中心，進而分析城市中心遷移規律，為未來的城市規劃提供借鑒。

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圖2 程序操作界面

6 結 語

ArcGIS軟件提供了眾多的數據處理工具，但在實際應用中難以滿足用戶批量處理數據的需求。在面對海量柵格數據處理時，通過簡單的程序開發，能夠很大程度上替代人工的操作，極大提高工作效率和準確性。本文介紹了ArcGIS Engine中對柵格數據的常用操作和調用工具箱中工具的實現方法，基于本文的框架，很容易在此基礎上擴展其他相關工具，使數據處理工作自動化。

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第一作者簡介：張建永，高級工程師，主要研究方向為GIS、遙感軟件的應用及集成、開發。

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在環境科學與工程中的應用的研究。

2015-07-20。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（51278416）。