基于GIS的村莊地理空間景觀格局分析研究

白晶

（地理信息工程國家重點實驗室 北京 100088）

原始定居點是古代人類社會的基本地理單位，是根據特定的社會經濟條件建立的。景觀的空間格局被視為原始定居點的結構，它的形成與意識形態、精神信仰及人與自然的關系密不可分，正確地保護和研究遺產景觀很重要［1］。

分析原始定居點的空間格局，有助于揭示幕后信息。現有研究主要基于風水學理論和地理環境要素，分析傳統村莊的空間形態，這些特征將是定性的，并且會簡化景觀的空間關系。而詳細的勘測和GPS測量雖能獲取詳細的空間信息，但對景觀的其他信息無法獲取。近年來，城市化正在以越來越高的速度侵蝕和重塑傳統環境，破壞并改變了傳統村莊的結構，迫切需要一種實時、客觀、有效的數據采集及可以擴展信息量的分析方法［2］。

本文提出將無人機獲取的多光譜圖像與分層景觀識別方法相結合，用于原始村莊的空間格局分析。

1 研究區域概述

獨特的自然和平民條件最終導致了區域上獨特的景觀。他們的古老建筑最初是為軍事目的而建造的，這些建筑物遵循“內部八字形”布局，該布局以祖堂為中心，并形成一個近似圓的閉合環。該村四面環山。其中一座山位于村莊的北部，其余的位于村莊的南部。此外，他們古老的灌溉系統發達［3］，他們在包括水壩和運河在內的古代建筑中采用了一種分水機制，從而通過重力灌溉為大量農田施肥，整個灌溉系統完好無損，得到了良好的保護。

然而，在城市化的推動下，該村的狀況近年來變得越來越糟。自然和人為因素造成大部分景觀遭受侵蝕和破壞，村莊北部的演習場已被完全摧毀，更多的景觀，尤其是古代建筑，已被現代人工建筑所取代。在較短的時間內，景觀要素發生了巨大變化，因此，迫切需要用于遺產保護的實時、準確和量化的數據［4］。

在研究中，對基于村莊的擴展區域進行了調查，以完整記錄與該古老村莊相關的目標景觀。正如圖1所顯示，該研究站點占地面積4.02km2，地形條件很復雜。在村莊內部，古建筑和新建建筑是交叉分布的，這導致某些地方的建筑間隔很小。古代建筑形狀各異，而新建建筑的顏色和質地則各不相同。

圖1 研究地點的地理位置

2 景觀結構規則與提取方案

2.1 定義景觀結構規則

在研究中，分類規則是提取感興趣的對象（受保護的遺產景觀或對遺產遺址有潛在影響的景觀）的標準，并且還有助于景觀分類［5］。圖2給出了三級分類規則，其分為自然景觀和人工景觀。根據父類，區分第二級的6 個子類：自然景觀包括河流、山脈和植被，人工景觀則包括農田、建筑和道路。第三級中的兩個子類都在建筑范圍內進一步分類（父類），包括古建筑和現代建筑。

圖2 研究中使用的景觀分類規則

2.2 有針對性的景觀提取結果

圖3顯示了整個測量區域的提取結果，其中包含4個目標景觀元素和新建建筑物。將評估的模型應用于預處理的多功能數據來生成結果，在此過程中，由于龐大的數據量，根據空間X、Y坐標，將整個區域平均分為6 個子集（每個子集0.72km2）。通過訓練的模型，對所有6 個區域進行了分析，并將分析的區域縫合在一起以形成顯示的結果。

圖3 目標景觀元素的提取結果

由于準確的建筑物提取將直接影響進一步的空間分析，因此，通過計算模型提取結果和人工解釋結果中擬合的像素數來定量研究提取精度。評估結果是通過隨機采樣20 個目標景觀檢查對象獲得的。古建筑和道路的精確度分別達到0.792 和0.803，河流和植被的精確度分別為0.852和0.904。

3 基于GIS的景觀格局分析

進行了空間分析，以調查自然景觀要素（河流和山脈）與人工景觀要素（古建筑和新建建筑）之間的關系［6］。這些自然因素是古村落的基本框架，在村落的形成和發展中起著關鍵作用，同時，它們也與人類活動直接相關。

區域統計數據描述了目標景觀的數量，該數量是通過使用空間X、Y坐標計算得出的，主要景觀要素包括建筑物、植被、河流、道路和山脈。建筑面積包括古代建筑和現代建筑的總面積。此外，還根據建筑物與行政區劃之間的空間位置關系對這兩種建筑物類型進行了進一步分類。

利用歐幾里得距離定量，描述了景觀之間的相對空間分布，該距離是根據空間坐標計算得出的。表1所示為主要河流與建筑物（古代建筑物和新建建筑物）之間的相對空間關系。如圖4所示，通過計算從房屋中心到主要河流邊界的距離獲得數據，房屋的中心是房屋的幾何中心，它是根據現場調查提取的。

圖4 建筑物到主要河流的距離

表1 古代建筑與現代建筑到主要水道的距離（單位：m）

表2描述了古建筑到寶氏宗祠堂之間的距離。數據基于房屋的幾何中心。表3中顯示了古村落與周圍6 座山脈之間的距離。通過計算，從位于村莊最外部的古代建筑的邊界到山脈邊界之間的最近距離來獲得數據。表4展示了通過K-means聚類算法獲取的統計數據，該數據表示不同類型房屋的聚類程度及其聚類中心的空間位置。根據提取的房屋幾何中心進行統計，這些房屋位于寶家屯村的行政區劃范圍內。使用平均距離、極值距離（最大和最小）和距離的中位數，定量地證明聚類程度，并記錄聚類中心及其空間坐標。

表2 古建筑與祠堂之間的距離（單位：m）

表3 古村落與周圍6 山之間的距離（單位：m）

表4 距離統計數據（單位：m）

城堡村及其古建筑遵循一定的分布模式［7］，古村落分布不均勻，主要分布在沿河，五面山環抱。為了更準確、更定量地描述這種模式，基于分類輸出進行了統計。超過50%的古建筑（70.8%）分布在距河149～236m的距離內，而距離河不到93m的建筑很少，此外，大多數古代建筑距離5座山至少有100m的距離（見圖5）。在村子里，古建筑和祠堂的空間布局遵循一定的規則，如圖6所示，在113 座古老建筑中，有86 座（占76.1%）集中在距祠堂40～148m處。

圖5 古建筑到6 座山脈的距離

圖6 從建筑物（古老和現代建筑物）到聚類中心的距離

4 結語

本文利用地理空間數據對景觀空間格局進行的定量分析，發現了村莊與山脈、河流之間的空間關系，在小范圍內，古老建筑和祖先祠堂之間的空間格局也被揭示出來，這兩個都有助于解釋村莊的選址和建筑功能的變化。盡管古建筑的集聚中心和祖先的集會中心之間有微小的偏差，但這可能是由于村莊整體布局受到破壞而造成的。