基于GIS的西安城市中心变迁研究

王睛睛，李旭祥，侯 康，刘 伟，李 爽

（1.西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，陕西 西安 710049）

基于GIS的西安城市中心变迁研究

王睛睛1，李旭祥1，侯 康1，刘 伟1，李 爽1

（1.西安交通大学 人居环境与建筑工程学院，陕西 西安 710049）

基于西安市7个区文化遗产资源点的经纬度坐标、保护级别等基础数据，运用地理信息系统软件，对西安市9个历史时期的文化遗产资源点进行插值分析。采用自然间断分级法得出各个时期的城市中心，通过分析城市中心迁移的客观规律得出西安城市中心经历了由西南到东北，然后又向东南转移的过程。结果表明，采用GIS技术可以对城市历史规划、建设及发展轨迹进行分析，也可以为城市可持续发展提供借鉴。

地理信息系统；西安；文化遗产；城市中心；迁移

1 研究区域概况及数据

1.1 研究区域概况

西安市位于中国大陆黄河流域中部的关中盆地，在东经107°40'～109°49'，北纬33°39'～34°45'之间。市辖十区三县，面积10 108 km2，人口846.78万，是我国西北地区最重要的城市[7]。 本文以西安市灞桥区、未央区、莲湖区、新城区、碑林区、雁塔区、长安区共计7个区为例进行研究。

1.2 数据采集与整理

1.2.1 数据采集

研究采用的基础数据是根据西安市第3次全国文物普查不可移动名录，通过实地调研和文献资料整理获取西安市863处文化遗产资源点的具体地理位置和保护级别，然后采用Google Earth查询其经纬度坐标，通过ArcMAP全面直观地展示历史文化遗产在西安市路网图中的分布情况（图1）。结合资源点的保护级别进行赋值，进而采用反距离权重法估算新石器时代、周、秦、汉、隋、唐、元、明、清9 个时期的城市中心，结合历史资料分析各时期城市中心迁移规律。

1.2.2 数据整理

本文选取西安历史上9个时期的文化遗产为对象进行分析研究，首先按照国家文化部规划建立的“国家+省+市+区县”4级保护体系，对文化遗产的保护级别进行分类，然后对其进行合理赋值，如表1所示。运用ArcGIS10.0计算出各时期文化遗产数量，如表2所示。

图1 西安市文化遗产点可视化图

表1 文化遗产保护级别分类

表2 各时期资源点个数统计

2 研究方法与概念界定

2.1 反距离权重法

反距离权重法（inverse distance weighted，IDW）是ArcGIS中一种简便、常用的空间插值方法，它以插值点与样本点之间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。该方法于1986年由Sphepard提出，1985年Watson将其应用于空间插值的等值线绘制[9-10]，继而IDW算法被广泛应用于各行业领域的空间分析与制图[11]。IDW算法公式可表示为：

式中，Z是插值点的估计值；Zi是第i个样本点观测值；di是插值点与第i个样本点之间的欧氏距离；n是用于估算插值点值的样点数，p是幂指数。在ArcGIS的计算程序中，p值通常被默认为2，此时IDW被称为距离平方反比法。文献[12]中表明，随着p值的增大，IDW的插值结果越具有平滑效果。

2.2 城市中心的概念

城市中心的功能和界定是随着时代的发展而变化的。古代的城市中心是以行政和宗教活动为主，附带少量的商业活动，一般情况是以封建统治者、官员处理政务和生活的地方构成行政中心，城市中的寺庙和前庭是民众进行宗教活动以及商业活动的中心。本文将古代城市中心分为5个等级，其中一级城市中心作为每个时期的核心区域，是本文的研究重点。

2.3 城市中心分级

在ArcGIS10.0中运用反距离权重法对西安9个时期的历史资源点根据保护级别所赋的值进行插值分析。然后采用自然断点分级法（NBC, natural breaks classification）进行聚类分级[13]。城市中心共分为5 级：一级城市中心赋值2.5～4；二级城市中心赋值2～2.5；三级城市中心赋值1.5～2；四级城市中心赋值1.2～1.5；五级城市中心赋值1～1.2。

3 结果分析与讨论

3.1 结果分析

从图2a可以看出新石器时代的一级城市中心主要集中在西安市东部浐河东岸二级湿地上的半坡遗址、西部的鱼化寨遗址以及南部的郭北村遗址[14]。从图2b可以看出周朝的城市中心主要是丰镐遗址。

从图2c可以看出秦朝的城市中心主要是阿房宫遗址。根据史料记载，春秋战国时期秦将都城迁至南临渭水、北依高原的咸阳。而后秦始皇为扩大都城，在渭河南岸修建规模巨大的阿房宫，其主要原因是渭河南岸比北岸的气候环境要优越很多，北岸是水流冲击平原，植物生长茂盛、河道星罗棋布，更加有利于人类的活动[6]。

图3a显示汉长安城遗址位于西安市西北部龙首原之上，而龙首原又是当时长安的制高点，所以汉长安城位于高低地形的过渡地段，与周丰镐和秦阿房宫相比，汉长安地势有明显增高。从图3b和图3c可以看出隋、唐的城市中心逐渐向东南方向移动，呈现远离渭河的趋势。由于隋、唐长安城内曾出现多次暴雨，如果长安城建立在远离渭河的高地上，不仅可以扩大城市的立体空间，还可以很大程度上避免汛期时渭水对城市的侵蚀和破坏[15]。

图2 新石器时代、周、秦城市中心可视化图

唐代以后，随着全国政治中心的转移，长安虽失去了其都城的地位，但明、清时期仍然是西北地区的军事重镇和经济文化中心。从图4b可以看出，明朝的城市中心主要集中在钟楼附近区域，而如今钟楼区域则是西安的政治、经济、商业中心。从图4c可以看出，城市中心逐渐向外扩展。明清时期的发展为西安经济的复苏和发展奠定了不可或缺的基础。

图3 汉、隋、唐城市中心可视化图

图4 元、明、清城市中心可视化图

3.2 讨 论

历史文化名城快速城市化带来的遗产保护与城市建设之间的矛盾应得到相关科学家的重视，而古代人类在城市建设方面的经验值得借鉴和研究，因此分析历史上各时期城市中心迁移和规划思想应成为我们研究的重要内容之一。本文基于GIS的空间分析技术，不再片面地依靠史料记载来分析城市中心迁移规律，通过反距离权重插值分析可视化图，能够直观表达西安各历史时期城市中心。根据GIS插值分析结果可以看出周丰镐遗址位于沣河两岸；秦朝都城从渭河北岸的咸阳扩建到渭河南岸的西安；再到西安制高点龙首原附近区域，只有隋唐时期长安城转向东南方向，而这种转移绝不是偶然现象，而是遵循了一定的规律。西安的地形特点是东南较高而西北略低，城址由低处向高处转移与当时城市的规模不断扩大和人类改造自然、利用自然能力的不断提高有着密切的关系，漕渠、永安渠、龙首渠、黄渠的修建是一个显著标志。早期的城市选在在地势较低的地方，是由于当时技术水平的欠缺，只能利用自然条件解决城市的供水问题。而后期城市逐渐向地势较高的地方转移，是因为随着生产水平的提高，人们具备了开凿渠道的能力，即使远离水源，依靠沟渠，城市的用水问题也可以解决，同时还可以在一定程度上防洪防汛。

4 结 语

GIS技术不仅可以实现属性信息和空间特征的双向查询，还能够对复杂的数据进行统计分析。通过GIS平台可以直观展示西安市文化遗产分布情况，更加具有科学性和说服力。更重要的是一些看似毫无关联的资源点，通过GIS的空间分析技术得以系统地整合，从而直观获知各历史时期城市中心，进而分析城市中心迁移规律，为未来的城市规划提供借鉴。

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图2 程序操作界面

6 结 语

ArcGIS软件提供了众多的数据处理工具，但在实际应用中难以满足用户批量处理数据的需求。在面对海量栅格数据处理时，通过简单的程序开发，能够很大程度上替代人工的操作，极大提高工作效率和准确性。本文介绍了ArcGIS Engine中对栅格数据的常用操作和调用工具箱中工具的实现方法，基于本文的框架，很容易在此基础上扩展其他相关工具，使数据处理工作自动化。

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第一作者简介：张建永，高级工程师，主要研究方向为GIS、遥感软件的应用及集成、开发。

P208

B

1672-4623（2016）10-0059-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.017

王睛睛，硕士研究生，主要从事GIS在环境科学与工程中的应用的研究。

2015-07-20。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（51278416）。