基于GIS的村庄地理空间景观格局分析研究

白晶

（地理信息工程国家重点实验室 北京 100088）

原始定居点是古代人类社会的基本地理单位，是根据特定的社会经济条件建立的。景观的空间格局被视为原始定居点的结构，它的形成与意识形态、精神信仰及人与自然的关系密不可分，正确地保护和研究遗产景观很重要［1］。

分析原始定居点的空间格局，有助于揭示幕后信息。现有研究主要基于风水学理论和地理环境要素，分析传统村庄的空间形态，这些特征将是定性的，并且会简化景观的空间关系。而详细的勘测和GPS测量虽能获取详细的空间信息，但对景观的其他信息无法获取。近年来，城市化正在以越来越高的速度侵蚀和重塑传统环境，破坏并改变了传统村庄的结构，迫切需要一种实时、客观、有效的数据采集及可以扩展信息量的分析方法［2］。

本文提出将无人机获取的多光谱图像与分层景观识别方法相结合，用于原始村庄的空间格局分析。

1 研究区域概述

独特的自然和平民条件最终导致了区域上独特的景观。他们的古老建筑最初是为军事目的而建造的，这些建筑物遵循“内部八字形”布局，该布局以祖堂为中心，并形成一个近似圆的闭合环。该村四面环山。其中一座山位于村庄的北部，其余的位于村庄的南部。此外，他们古老的灌溉系统发达［3］，他们在包括水坝和运河在内的古代建筑中采用了一种分水机制，从而通过重力灌溉为大量农田施肥，整个灌溉系统完好无损，得到了良好的保护。

然而，在城市化的推动下，该村的状况近年来变得越来越糟。自然和人为因素造成大部分景观遭受侵蚀和破坏，村庄北部的演习场已被完全摧毁，更多的景观，尤其是古代建筑，已被现代人工建筑所取代。在较短的时间内，景观要素发生了巨大变化，因此，迫切需要用于遗产保护的实时、准确和量化的数据［4］。

在研究中，对基于村庄的扩展区域进行了调查，以完整记录与该古老村庄相关的目标景观。正如图1所显示，该研究站点占地面积4.02km2，地形条件很复杂。在村庄内部，古建筑和新建建筑是交叉分布的，这导致某些地方的建筑间隔很小。古代建筑形状各异，而新建建筑的颜色和质地则各不相同。

图1 研究地点的地理位置

2 景观结构规则与提取方案

2.1 定义景观结构规则

在研究中，分类规则是提取感兴趣的对象（受保护的遗产景观或对遗产遗址有潜在影响的景观）的标准，并且还有助于景观分类［5］。图2给出了三级分类规则，其分为自然景观和人工景观。根据父类，区分第二级的6 个子类：自然景观包括河流、山脉和植被，人工景观则包括农田、建筑和道路。第三级中的两个子类都在建筑范围内进一步分类（父类），包括古建筑和现代建筑。

图2 研究中使用的景观分类规则

2.2 有针对性的景观提取结果

图3显示了整个测量区域的提取结果，其中包含4个目标景观元素和新建建筑物。将评估的模型应用于预处理的多功能数据来生成结果，在此过程中，由于庞大的数据量，根据空间X、Y坐标，将整个区域平均分为6 个子集（每个子集0.72km2）。通过训练的模型，对所有6 个区域进行了分析，并将分析的区域缝合在一起以形成显示的结果。

图3 目标景观元素的提取结果

由于准确的建筑物提取将直接影响进一步的空间分析，因此，通过计算模型提取结果和人工解释结果中拟合的像素数来定量研究提取精度。评估结果是通过随机采样20 个目标景观检查对象获得的。古建筑和道路的精确度分别达到0.792 和0.803，河流和植被的精确度分别为0.852和0.904。

3 基于GIS的景观格局分析

进行了空间分析，以调查自然景观要素（河流和山脉）与人工景观要素（古建筑和新建建筑）之间的关系［6］。这些自然因素是古村落的基本框架，在村落的形成和发展中起着关键作用，同时，它们也与人类活动直接相关。

区域统计数据描述了目标景观的数量，该数量是通过使用空间X、Y坐标计算得出的，主要景观要素包括建筑物、植被、河流、道路和山脉。建筑面积包括古代建筑和现代建筑的总面积。此外，还根据建筑物与行政区划之间的空间位置关系对这两种建筑物类型进行了进一步分类。

利用欧几里得距离定量，描述了景观之间的相对空间分布，该距离是根据空间坐标计算得出的。表1所示为主要河流与建筑物（古代建筑物和新建建筑物）之间的相对空间关系。如图4所示，通过计算从房屋中心到主要河流边界的距离获得数据，房屋的中心是房屋的几何中心，它是根据现场调查提取的。

图4 建筑物到主要河流的距离

表1 古代建筑与现代建筑到主要水道的距离（单位：m）

表2描述了古建筑到宝氏宗祠堂之间的距离。数据基于房屋的几何中心。表3中显示了古村落与周围6 座山脉之间的距离。通过计算，从位于村庄最外部的古代建筑的边界到山脉边界之间的最近距离来获得数据。表4展示了通过K-means聚类算法获取的统计数据，该数据表示不同类型房屋的聚类程度及其聚类中心的空间位置。根据提取的房屋几何中心进行统计，这些房屋位于宝家屯村的行政区划范围内。使用平均距离、极值距离（最大和最小）和距离的中位数，定量地证明聚类程度，并记录聚类中心及其空间坐标。

表2 古建筑与祠堂之间的距离（单位：m）

表3 古村落与周围6 山之间的距离（单位：m）

表4 距离统计数据（单位：m）

城堡村及其古建筑遵循一定的分布模式［7］，古村落分布不均匀，主要分布在沿河，五面山环抱。为了更准确、更定量地描述这种模式，基于分类输出进行了统计。超过50%的古建筑（70.8%）分布在距河149～236m的距离内，而距离河不到93m的建筑很少，此外，大多数古代建筑距离5座山至少有100m的距离（见图5）。在村子里，古建筑和祠堂的空间布局遵循一定的规则，如图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处。

图5 古建筑到6 座山脉的距离

图6 从建筑物（古老和现代建筑物）到聚类中心的距离

4 结语

本文利用地理空间数据对景观空间格局进行的定量分析，发现了村庄与山脉、河流之间的空间关系，在小范围内，古老建筑和祖先祠堂之间的空间格局也被揭示出来，这两个都有助于解释村庄的选址和建筑功能的变化。尽管古建筑的集聚中心和祖先的集会中心之间有微小的偏差，但这可能是由于村庄整体布局受到破坏而造成的。