基于GIS的明长城紫荆关防区防御性聚落空间特征研究

解 丹（河北工业大学建筑与艺术设计学院 天津 300401）

张铭昊（雄安城市规划设计研究院有限公司 雄安 071000）

谭立峰（天津大学建筑学院 天津 300072）

明长城紫荆关防区连接着山西的高原与河北的平原，所在区域山势连绵、地形起伏变化多样。东北方向是京畿要地，西、北方向远通山西、宣府两个军事重镇，南边倚靠倒马、龙泉二关，东南方向180里是保定府，具有四通八达的区位条件。紫荆关防区作为明长城内边真保镇重要军事防区，其空间结构特征、地理选址特征、空间分布特征等具有很高的研究价值。

近年来，紫荆关防区的学术研究价值逐渐引起学者关注，涌现一批相关研究著作。一方面对紫荆关关城内部空间布局、平面形态、建筑材料、修建历史作了详细的描述，如张洪印《畿南第一雄关──紫荆关》（1996），武士靖《历史沧桑话紫荆》（2009），严共明《紫荆关 雄关雄姿雄风名贯天下》（2013）；另一方面，对紫荆关防区位于涞源县境内的长城进行实地考察，其中包括乌龙沟、浮图峪等众多堡寨隘口，对于紫荆关防区长城的建筑形制、历史风貌进行详尽的叙述，如孙钢《涞源明长城调查报告》（1999），河北省古代建筑保护研究所《河北省明长城资源调查报告·涞源卷》（2000），何圳泳《涞源县明长城军事防御体系研究》（2016），等等。

上述研究主要以文献分析与实地调研为主，鲜有对防区整体空间特征的量化研究。本文在前人研究基础之上，运用GIS空间分析技术，将定量与定性相结合应用于紫荆关防区防御性聚落的空间特征研究之中。

一、材料与研究方法

（一）研究区概述

紫荆关，通常有狭义与广义之分。狭义的紫荆关，指紫荆关城，可以抽象为一个点。而广义的紫荆关，即是指明长城真保镇紫荆关路，也就是紫荆关防区，可以抽象为一个面。

据《四镇三关志》记载，“紫荆关东至易州九十里，西至山西广昌县九十里，南至满城县一百二十里，北至马水口一百八十里，东北至沿河口昌镇界三百里，西南至插箭岭一百二十里，东南至保定府一百八十里”。据《河北省志·长城志》记载，紫荆关防区的管辖范围主要位于今天的易县与涞源县，有盘石口、乌龙沟、浮图峪、宁静安、白石口5座堡寨及45个隘口。紫荆关防区内有边墙总长63千米，东北自涞源县的乌龙沟北，西南至该县南部白石口，与倒马关路的插箭岭相接；另有易县紫荆关以西的边墙支线也归其管理（图1）

图1 紫荆关防区军事聚落区位图

（二）数据来源

本研究的长城聚落信息来源包括《中国文物地图集·河北分册》《西关志》《四镇三关志》《河北省志·长城志》《河北省明长城资源调查报告·涞源卷》《涞源县志》《易县志》等。

分析数据来源：河北省涞源县和易县的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）来源于全球科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站的ASTER GDEM数据产品；矢量化信息数据包括现行政区划电子地图（省级至县级）、河流（一至五级河流）等，数据来源于中国国家基础地理信息中心；长城堡寨数据通过文献记载与实地调研获得，并构建明长城紫荆关防区军事聚落数据库。

（三）研究方法

本文的量化分析主要依据GIS分析平台，具体为运用高程分析对紫荆关堡寨隘口做线状剖切，统计不同区域高度变化；运用GIS的近邻分析与缓冲区分析，计算聚落与河流之间的距离。运用密度制图工具分析聚落的疏密分布情况；根据表面成本为基础的最短路径原理，探索道路交通在堡寨空间分布与防御机制中起到的作用；基于道路情况统计各聚落之间的距离，对兵马的可达性进行分析。

二、军事聚落的空间结构特征

（一）多级节点，辐射布局

本研究根据《河北省志·长城志》的记载，绘制出紫荆关防区军事聚落之间的辐射关系图（图2），可以看出紫荆关防区长城关城堡寨隘口沿纵深方向布置。这种层层递进的结构对应着层层递进的防御，形成严密的防御网络。整个防区内聚落结构呈现由中心到边缘的辐射状。紫荆关防区的防御呈现三个等级，最核心等级是处于中心的紫荆关关城；其次为沿边墙布置，位于边墙内侧的乌龙沟堡、浮图峪堡、宁静安堡、白石口堡以及靠近紫荆关关城的盘石口堡；最后等级为边墙沿线的隘口。

图2 紫荆关防区军事聚落辐射关系

（二）横向分段，纵向分层

基于长城聚落层级关系图（图3），从横向来看，紫荆关防区边墙沿线可分为四个防守区域，均是由堡寨与其下隘口联防的模式，即乌龙沟、浮图峪、宁静安、白石口四段。乌龙沟堡下辖张虎石口、煤窑沟口、双陀儿口、忙儿沟口；浮图峪堡下辖长岭儿口、长桥儿口、天桥儿口、羊栏沟口、神峪沟口、夹河水口、飞狐口；宁静安堡下辖蜂儿沟口、李贤沟口、薄头安口、北岸沟口、吊驴崖口、五虎岭口、门关口、聂门口、鹰捕岭口、黄草安口、水峪口；白石口堡下辖芦子沟口、歪嘴儿口、胡孩口、西水沟口、黄土岭口、常家沟口、烟薰崖口、白马安口、鹰鸽岭口、羊圈子口。各段的防御既统一布防又相对独立，形成了疏密得当的横向分段模式。

图3 紫荆关防区军事聚落层级关系

从纵向来看，紫荆关防区分为三个防御层次。乌、浮、宁、白四堡与其下辖隘口结合边墙系统抵挡边境上的敌人攻击，成为第一道防线；盘石口与其下隘口既可以为前线提供兵力、物资的补给，又防止敌人突破边墙以后长驱直入关城，成为第二道防线；而紫荆关关城及其周边的小盘石、小金城、奇峰口、官座岭共同构成第三道防线。

（三）烽驿串联，面状防御

驿传的设置，承担着上传下达的任务，如同血液循环系统一般，将沿线堡寨、隘口有机地联系起来。驿递系统不仅起到传递信息的重要作用，在运输物资方面同样重要。

根据《明代驿站考》记载，在紫荆关防区内有两条驿路穿过。源头皆是来自于镇城保定府，途经易州清苑马驿，抵达紫荆关上陈驿。从上陈驿又分出两条岔路，一条通往广昌所城的香山驿；另一条直达宣府镇的蔚州。这两条驿路的设置，使得紫荆关有效接收上级保定府传来的消息，并及时沟通紫荆关防区与大同镇、宣府镇等周边边镇相互之间的联系［2］。

紫荆关防区内的烽火台，在山势较为陡峭的乌龙沟地区，烽火台数量较少，距离较大； 在浮图峪，宁静安地区，烽火台数量较多，布置较为密集。

驿传、烽传之间相互渗透、交叉，将紫荆关防区各级聚落点串联起来，增强了防御的强度。综合“多级节点，辐射布局”的聚落层级和“横向分段，纵向分层”的分布结构，形成了一个面状防御结构（图4）。各层次防御聚落既负责各自的区域，同时又相互联合，这种“相互依存，触一发而动全身”的结构也达到了完美的防御效果。

图4 紫荆关防区军事聚落面状关系

三、军事聚落的地理选址特征

（一）地形地貌影响下的选址特征

蒙古骑兵作战灵活、冲击力强，明朝步兵难与其匹敌。但骑兵受地形限制较大，若在地形起伏较大、缺乏战略纵深的山区，便无法发挥其灵活、快速的作战优势。紫荆关防区就是依靠周边险要的山势延缓敌人骑兵进攻。

通过紫荆关防区军事聚落三维可视化结果可以得出结论：一、紫荆关防区的地势呈现从西南的白石口到中部的浮图峪逐渐降低、再到东北的乌龙沟地区略有回升的情况。二、防区内海拔相差较大，由最高的1600多米下降至100多米，地形复杂，变化丰富。三、在边墙上与内部隘口设置的地方多为山谷敌人易于通行之地；隘口选址灵活性强，对地形条件要求低（图5）。

图5 紫荆关防区军事聚落三维可视化

1.冲要之地设隘口

据《四镇三关志》对军事通道的评级标准，冲要之地地势平坦、起伏不大、可通过众多骑兵；缓处位于两山鞍部，仅容步兵通过。

从乌龙沟堡及下辖隘口地势图中可以明显看出乌龙沟地区管辖范围最大（图6），约为22.2千米。然而该地区却并未设置过多的隘口。概因乌龙沟地区多为“缓处”难以通行，借助起伏较大的山体形成多处山险墙。仅在防守薄弱处设置了4个隘口、1个堡寨警戒敌情。

图6 乌龙沟堡及下辖隘口地势图

2.军事要地设隘口

从浮图峪堡、宁静安堡及下辖隘口地势图可以看出浮图峪与宁静安地区山谷较多（图7、8），浮图峪地区皆为冲要之地，而宁静安地区更是有4处极冲之地，这是蒙古骑兵长驱直入的首选之地。故浮、宁二地，在25.6千米范围内设置了密集的20个堡寨隘口，在春秋两防的时候，总兵更是直接进驻浮图峪。

图7 浮图峪堡及下辖隘口地势图

图8 宁静安堡及下辖隘口地势图

从白石口堡及下辖隘口地势图中可以看出白石口地区平均地势较高（图9），位于整个紫荆关防区之首。山高沟壑，有较好的防御能力。同时，白石口地区位于紫荆关防区与倒马关防区的交界处，紫荆关与倒马关同属于“京畿藩屏”的内三关。敌人从此进入，既可以北上紫荆，直逼京师；又可以南下倒马，攻占保定。此处在整个紫荆关防区具有举足轻重的军事战略地位，历史上敌人多从此处攻入长城内部。故设置了密集的隘口严防敌人乘虚而入。从图中隘口的疏密程度可以明显看出这一点。

图9 白石口堡及下辖隘口地势图

紫荆关防区借助山势作为屏障，隘口呈现疏密有序的布置。受到地形冲要程度的影响，在山势险峻的乌龙沟地区设置少量隘口，在山谷众多的浮图峪与宁静安地区隘口设置较为密集；同时，在军事战略要地的白石口地区，设置大量隘口以防备敌人袭击。

（二）河流水系影响下的选址特征

河流具有军事防御、交通运输、生活用水三个方面的作用。在进攻时，利用江河水道的流通作用，满足士兵的生活用水和粮草运输；而在防守时，则利用较宽的河床形成天堑，是天然的防御设施。紫荆关防区内河流水系主要为拒马河及其支流。拒马河为国家4级河流，贯穿整个紫荆关防区，与边墙基本呈垂直关系，是防区内部最重要的水系。河干流长254千米，在紫荆关关城上游河床宽1000米，下游河床宽1500～2000米[3]。从涞源境内一直流入北京，是沟通紫荆关防区与京师的重要水上运输通道。同时，拒马河军事作用显著，古人曾形容为“北负拒马之渊”，水流湍急，构成了护卫关城的横向防线。在河流以北，有散布的隘口作为前哨，而紫荆关与隔河相望的小金城之间相传曾有铁索相连。

通过在不同河流缓冲区内，各级别、各区域聚落的数量，来推测河两侧聚落的功能与目的（图10）。

图10 紫荆关防区河流水系

1.聚落近水不邻水

由紫荆关防区长城聚落总体与河流距离分布情况可以清楚地看出，军事聚落与河流的距离集中在1000～5000米、5000～10000米、10000～15000米三个缓冲区段（见表1）。而通常情况下，古代普通民居与水源的最大距离是600米左右，而紫荆关防区在600米缓冲区范围之内只有4个聚落。可见军事聚落与河流的关系远超出了普通聚落对河水的依赖关系。军事聚落并非依水而建，而是建在距离水源一定距离的区域。分析原因主要有以下几点：（1）军事防御的因素：山脉和水系的作用既相互促进又相互制约，山之优则水之劣。山高路险，易守难攻，但缺乏水源。山谷平坦之地水源充足，但不利于防守。而防区军事聚落防御性是第一位的，这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：由于防区内某些河流雨季水量较大，大幅度的涨潮可能会淹没大量的房屋与农田，故聚落近河但不会临河[4]。

表1 聚落总体与河流距离分布情况

2.山谷之地聚落近水源

通过统计不同河流缓冲区内各堡城及其隘口的数量，可以发现浮图峪区域的聚落多集中在距离河流5000米缓冲区范围内，宁静安与盘石口区域的聚落处于5000～10000米之间的缓冲区范围内，而白石口区域的聚落处于10000～15000米的缓冲区范围内（见表2）。与河流距离最近的是浮图峪区域的聚落，宁静安与盘石口次之，白石口相对较远。

表2 不同区域聚落与河流距离分布情况

表3 不同级别聚落与河流距离分布情况

浮图峪、宁静安与盘石口地区多为山谷之地，地势平缓，无险可依，可利用较宽的河流形成天堑，沿河布防设隘口，将敌人完全控制于河岸对侧以集中兵力攻击，体现河流军事防御的作用。而乌龙沟与白石口地区，多借助险要的山势设置隘口，控制沟谷巷道，与河流关系不大。

3.高级别聚落近水源

通过统计不同河流缓冲区内各级别聚落的数量，可以发现路城在距离河流1000～5000米缓冲区范围内，堡城在距离河流5000～10000米之间的缓冲区范围内，而隘口在距离河流5000～10000米与10000～15000米的缓冲区范围内。

从不同级别军事聚落与河流的距离中可以发现，在前线作战的军事聚落中，与河流距离越近，其级别越高。这是因为聚落靠近河流可以更好满足士兵与战马的生活用水，以及物资的运输。可见高级别聚落是前线的作战指挥中心，主要以屯粮屯兵和物资周转为主。

四、军事聚落的空间分布特征

（一）密度分布特征

基于GIS空间分析工具箱的密度制图，以宏观尺度考察紫荆关防区军事聚落的密度分布情况（图11）。

图11 紫荆关防区军事聚落密度分布

从地理特征和防御形势两个方面，分析紫荆关防区军事聚落所呈现的密度分布特征。紫荆关防区内，乌龙沟地区山势险峻，隘口设置巧妙利用山险，数量少，分布较为稀疏，隘口之间的平均距离约3000米。浮图峪与宁静安地区山谷众多，隘口数量多，分布较为密集，隘口之间的平均距离1400米。白石口区域是紫荆关路与倒马关路的交界之处，交界之地远离本路防御核心，加之行政上的分而治之，常为防御薄弱地带，史料多有蒙军自白石口之薄弱地带侵入的记载，因而加密聚落以增强防御。

1.纵向——沿线聚落密度高

纵向来看，紫荆关防区沿边墙军事聚落密度分布明显高于边墙内部，且呈现由边墙沿线向腹内逐渐递减的趋势。边墙沿线军事聚落数量多，聚落间距较小；而边墙腹内聚落数量少，聚落间距较大。

纵向聚落的分布疏密程度，是由防御形势决定的，防御形势涉及战略和战术两方面，是决定聚落密度分布的核心因素。长城沿线直接面临敌人的进攻，防守压力较大。堡城隘口在边境上呈线性伸展开来，力求无防御缺口，聚落加密实现全线防御。腹内聚落防守压力小，聚落分布稀疏。

2.横向——西南聚落密度高

从横向军事聚落的分布情况来看，西南方向的宁静安区域与白石口区域形成高密度斑块聚集的现象，东北部乌龙沟与东部盘石口较为稀疏。进一步计算该区域内每千米长度单位的长城所对应聚落个数，乌龙沟区域为0.23座/千米，浮图峪区域为0.55座/千米，宁静安区域为1.09座/千米，白石口区域为0.59座/千米。可以看出，宁静安的戍守密度最大，其次是白石口与浮图峪，最后是乌龙沟。

（二）交通联系特征

交通联系对于军事聚落的空间分布与防御性研究至关重要，基于表面成本的最短路径方法，分析、计算并绘制紫荆关防区军事聚落间的道路复原图，可为长城聚落的防御机制、可达性研究提供更为科学的依据。

1.层级之间——放射状分布，沿线交通密集

按照军事聚落的层级性，通过表面成本与成本路径计算并绘制路城到堡寨，堡寨之间，堡寨到对应隘口的道路复原图（图12），探索聚落层级之间的交通联系。

图12 紫荆关防区军事聚落层级之间道路关系

（1）从总的交通关系结构来说，较高级别聚落与其下辖各聚落间道路呈明显放射状分布，进一步印证紫荆关长城军事防御体系放射状的层级管理关系；由区域交通网络的发育程度看，紧邻长城边墙的隘口与堡寨之间交通网络发育程度明显较高，而长城内部道路分布明显稀疏。

（2）从紫荆关关城与下级堡寨之间的交通联系来说，盘石口是保卫紫荆关的核心。无论紫荆关关城和哪座堡寨沟通，必先经过盘石口。盘石口的驻军可以及时侦查沿拒马河来犯的敌军，进行有效的阻击。

（3）从堡寨与隘口之间的道路网来说，堡寨向其下隘口调兵为主要的调兵方式。由于各隘口驻军人数有限，隘口之间调兵必然导致某一处防御的薄弱，而敌军正好采用“调虎离山”之计由空虚处攻入[5]。

2.内外之间——战略性节点，联系整个防区

其次，复原内部隘口之间的道路以及内部隘口与边墙隘口之间的道路，将两种类型的道路与第一步层级之间的道路叠加在一起（图13），查看紫荆关防区内部与边墙沿线交通的联系情况以及从外到内的防御重心。

图13 紫荆关防区内部整体道路关系

（1）浮图峪地区的道路交通结构相比其他地区更加复杂。绿色线条是边墙沿线与防区内部隘口的道路，可以看出，敌人要想最快速度、最短时间拿下紫荆关，多会选择从浮图峪突破。

（2）银山口、小龙门口、坟营口、瓦窑安口是防区内部的战略性据点。蓝色线条是防区内部隘口之间的道路。通过统计每个隘口连接道路的数量，得知这四个据点是最多的，同时资料显示这四个隘口驻军数量也领先其他隘口。

3.区域之间——紫荆关为核心，交通组织灵活

最后，绘制紫荆关防区与周边马水口防区、倒马关防区堡寨之间的道路图（图14），从宏观的角度探索紫荆关防区的战略地位以及堡寨之间的防御机制。

图14 紫荆关防区周边道路关系

（1）紫荆关防区是核心枢纽，重中之重。紫荆关防区的交通网更加密集，而与其相邻的马水口防区与倒马关防区的交通网相对稀疏，紫荆关防区交通网路关系复杂程度远远超过了马水口防区与倒马关防区。

（2）堡寨的防御相对灵活，并不严格遵守防区的界限。通过不同防区堡寨之间的交通联系，发现马水口防区下辖的金水口、奇峰口反而距离紫荆关防区更近，关系更密切。而紫荆关防区下辖的白石口距离倒马关防区更近。堡寨之间交叉防守，形成一个更大的防御网络。

（三）可达性特征

长城聚落的空间布局遵循一个基本原则，就是均将距离作为设置的重要考量。军堡遇到敌人围攻，周边军堡援兵若能在规定的时间赶到，则这个军堡就能守住。而其所通行的距离要满足兵马可达性的需求。

长城聚落之间的距离必须控制在一个合理的空间范围内。距离过远起不到相应的作用，距离过近造成不必要的浪费。各级军堡的相互策应与救援，有效地解决了防线过长，兵力分散的缺陷。

1.聚落之间分布合理，满足兵马可达

通过道路复原图统计紫荆关防区军事聚落之间的距离（图15），得到数据如下：堡寨之间的平均距离为13842.5米，约为28里，步兵半天即可到达，若骑兵驰援，则一个时辰足矣，完全满足兵马及时援助的要求。

图15 紫荆关防区堡寨之间距离

隘口的援助主要来自于其上一级别的堡寨。通过统计堡寨与下辖隘口之间的距离远近，发现乌龙沟辖区平均距离为6，683米，浮图峪辖区平均距离为4，406米，宁静安辖区平均距离为8，464米，白石口辖区平均距离为6，525米，盘石口辖区平均距离为13，347米。总的堡寨与隘口之间的平均距离为7，925米，约为16里。以5千米为间隔统计不同范围内堡寨与隘口距离占总数的百分比，距离在5千米以内的占总数的38%；距离在5～10千米之间的占总数的28%；距离在10～15千米之间的占总数的18%；距离在15～20千米之间的占总数的10%；距离在20千米以上的占总数的6%。各军事聚落分布比较合理，按照一定的比例递减，远近得当，相互之间可以及时提供兵力与物资支援[6]。

2.可达域范围覆盖整个防区

通过对可达域覆盖范围的分析，紫荆关防区内分别以乌龙沟堡、浮图峪堡、宁静安堡、白石口堡、盘石口堡为中心，以满足防御最大限度的20里为半径画圆（图16），可以明显看出，军事聚落基本都位于可达域的范围内，可以在规定的时间内救援。可以得出各级别军事聚落之间距离分布合理，可以在最短的时间内进行相互救援。

图16 紫荆关防区军事聚落可达域范围

五、结语

综上所述，对于紫荆关防区军事聚落进行空间分析，可以得出以下结论：

1.紫荆关防区军事聚落呈现“多级节点，辐射布局”的放射结构，“横向分段，纵向分层”的线性结构以及“烽驿串联，面状防御”的面状结构空间结构特征。

2.紫荆关防区军事聚落受地形地貌影响，在冲要之地与防区交界之地设置较多数量的隘口；受河流水系影响，聚落近水，但不邻水，同时山谷之地的聚落与高级别的聚落与水源关系更近。

3.紫荆关防区军事聚落密度分布呈现纵向——沿线聚落密度高于腹内，横向——西南地区聚落密集；聚落交通联系层级之间呈放射状，内外之间依靠战略性节点联系防区，区域之间以紫荆关为核心，灵活组织交通；军事聚落空间分布合理，满足兵马可达性的需求。

运用GIS空间分析技术对紫荆关防区军事聚落的空间特征进行研究，揭示了其防区聚落地理选址与空间分布的特征，挖掘其防御性空间结构的内涵：为日后更广泛的紫荆关长城聚落研究提供全新的视野与工具。