漢長城烽燧選址的地理因子探究：以玉門市為例*

孫瑞祺，駱磊，王心源，姚婭，黃文江，董瑩瑩，連懿

(1 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院， 北京 100094； 2 中國科學院大學，北京 100049； 3 聯(lián)合國教科文組織國際自然與文化遺產(chǎn)空間技術中心， 北京 100094； 4 天津師范大學地理與環(huán)境科學學院， 天津 300387)

考古遺址空間分布的成因分析對研究過去人地關系與人類活動的時空演化具有重要意義，一方面能夠豐富人地關系研究的時間尺度，提高對人地系統(tǒng)相互作用機制的認識；另一方面也為研究人類社會變遷與文化發(fā)展過程提供了新的思路和方法。

漢長城，又稱漢塞，是西漢時期為抵御西北匈奴侵擾、保障絲綢之路商貿文化交流暢通而修筑的防御工程，也是當今“一帶一路”沿線最重要的考古遺址之一。漢長城以墻體和烽燧為主體，通過聯(lián)結各等級城障及其他工事，構成了一個規(guī)模龐大、運行有序的防御系統(tǒng)。在古代，漢長城具有作戰(zhàn)、指揮、預警、通信、屯兵等多種功能[1]；在當代，作為寶貴的文化遺產(chǎn)資源，漢長城具有其獨特的歷史文化意義和社會經(jīng)濟價值。烽燧林立是漢長城的顯著特點[2]，在多地段落存在以烽燧排布組成鋒線，而不修筑墻體的情況。烽燧又稱烽火臺、亭燧，是利用聲、光等信號傳遞軍情的高臺建筑[2]。烽燧所采用的聲光系統(tǒng)的烽火信號，包括“烽”(薪草點燃后的火光)、“表”(將紅白二色的繒布懸掛在高處)、“煙”(薪草點燃后的狼煙)、“苣火”(將火把懸掛在高處)、“積薪”(點燃后既有光又有煙)5類[3-4]。在測繪和工程建設條件局限的漢代，烽燧的空間設置應當充分利用了區(qū)域自然人文環(huán)境要素，從而完成其戍守、通信、屯兵、屯田等多種歷史功能，其背后的地理因子和量化規(guī)律是還原漢代地理空間的認知及測繪工程技術水平的基礎。

考古遺址信息的空間性和復雜性使得地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術與方法被廣泛應用于考古遺址空間數(shù)據(jù)挖掘[5-8]，其中對考古遺址空間分布及其與賦存環(huán)境關系的研究起源于20世紀80年代，歐美學者首先將目光聚焦于地形與考古遺址的空間關聯(lián)性問題上，后擴展到其他地表構成要素對遺址空間分布模式的影響，并逐漸形成景觀考古學(landscape archaeology)，關注人類生活與生產(chǎn)活動對復雜的地表空間形態(tài)的依存關系，探討人類對復雜人地關系和文化結構的認知[8-9]。其主要研究內容有3個方面：基于空間統(tǒng)計的人類活動與地理要素或特征的相關性研究[10-14]、基于時空過程模擬的人類活動過程模擬預測[15-18]和視域分析[19]。

由于遺址資源的豐富性和語言文字的延續(xù)性，當前國內的空間信息技術考古應用研究多采用簡單統(tǒng)計模型或空間分析方法開展。高超等[20]、Yan等[21]和李政委[22]綜合運用密度分析、距離分析、緩沖區(qū)分析等方法，對巢湖西岸史前遺址、河南史前聚落和陜西石窟寺的空間分布規(guī)律及成因進行了研究。姜夢迪等[23]運用二元邏輯斯蒂回歸模型分析蘭州新石器遺址與地形等環(huán)境要素的關系。而針對漢長城或其他防御工事的研究仍多是基于簡帛學和文獻法的定性描述，無法肯定回答其空間分布背后的地理要素及量化規(guī)律。周楊[24]綜合運用表面分析、水文分析、視域分析、成本面與最佳路徑分析等方法研究北魏六鎮(zhèn)防御體系。劉建軍[25]、曹迎春等[26]通過剖面分析研究明長城及地形的關系，運用緩沖區(qū)分析研究明長城和水系的分布關系，基于視域分析評估防御工事之間的分布關系。賈翔等[27]運用基于GIS的距離分析和可視性分析的方法研究鄯善縣烽燧系統(tǒng)，分析地表最短路徑和烽燧間通視性，還原了烽燧可能傳播方向和路線。

本文以甘肅省玉門市段漢長城作為案例，根據(jù)歷史文獻中對烽燧性質和功能的描述，以及野外調查獲得的經(jīng)驗性規(guī)律，提取自然環(huán)境和人類活動兩類可能影響烽燧空間選址的6種假設因子，引入空間點模式分析和假設檢驗的定量方法，試圖以地學視角探明：1)漢長城烽燧的空間選址綜合考慮的地理因子及其量化規(guī)律；2)漢長城烽燧的空間選址的量化規(guī)律如何承載其歷史功能。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為甘肅省酒泉市下屬的玉門市(如圖1所示)，位于河西走廊西端的疏勒河流域，地處西北干旱半干旱地區(qū)和青藏高寒地區(qū)的交界處，介于祁連山、阿爾金山東段與馬鬃山的山地之間，東部為黑山、寬灘山殘丘，西部為庫木塔格沙漠。漢武帝時始建玉門縣，隸屬酒泉郡西部都尉轄區(qū)[28]。氣候條件上，玉門市大風沙塵天氣多、降水量少、蒸發(fā)量大、日照時間長、植被稀疏，多為戈壁荒漠，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，氣候特征為典型的大陸性荒漠氣候。

研究對象為河西漢塞的玉門市段(圖1)，包括今玉門市飲馬農場、青山農場、花海鄉(xiāng)以北，漢代干齊縣花海綠洲以北一線的漢塞烽燧遺址[28-29]。漢武帝元鼎六年(公元前111年)至元封元年(公元前110年)，擊敗胡人，俘虜樓蘭王，遣人修筑酒泉至玉門關段的疏勒河長城[28]。部分漢塞屬于外有植物枝干框架、內填沙礫的結構，是河西漢塞遺址遺跡保存較好的一段[30]。其次，除東晉時期西涼割據(jù)政權曾短期利用和維修，各代均未重加利用，或可將年代區(qū)分開；故研究對象的年代較為統(tǒng)一，文化內涵較為單純，有利于統(tǒng)一時間尺度針對漢代研究[31]。

圖1 研究區(qū)與考古遺址分布Fig.1 Study area and spatial distribution of archaeological sites

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)為課題組于2018年4月在玉門市漢長城沿線實地考察采用GPS測得的烽燧遺址矢量數(shù)據(jù)集，包括玉門市境內漢長城墻體的線狀要素數(shù)據(jù)和烽燧、城障、墓葬、碑刻等12種不同類型遺址的點要素數(shù)據(jù)。由于玉門市境內的長城考古遺址年代久遠，主要受風蝕作用和人為取土、取薪破壞，遺址數(shù)量有限，實測烽燧41座、城址16座，其余遺址類型(包括墓葬、碑刻、寺廟遺址)26座。數(shù)據(jù)同時與吳祁驤《河西漢塞調查與研究》中實地調查并繪制的漢長城遺址地圖中的烽燧名稱、編號等信息進行對比、篩選和校驗。

此外，本文使用的基礎地理數(shù)據(jù)主要包括玉門市縣級行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)及美國地質調查局的空間分辨率30 m的ASTER-GDEM V2數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)(http:∥earthexplorer.usgs.gov)。數(shù)據(jù)預處理主要是基于ArcGIS 10.6對DEM分幅數(shù)據(jù)進行鑲嵌，并按照玉門市行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)進行裁剪，然后通過重分類和山體陰影分析進行彩色渲染。

本文研究對象的賦存環(huán)境，并非現(xiàn)今甘肅省玉門市境內的自然環(huán)境，而是兩漢時期(公元前202年—公元220年)酒泉郡下屬玉門縣區(qū)域內的古環(huán)境。相關研究[32-35]表明，因地處內陸的空間位置、第四紀沉積物質廣泛分布的地質條件、氣候干冷化趨勢及過去軍事和農業(yè)活動影響，自秦漢以來疏勒河下游地區(qū)沙漠化持續(xù)加劇，使綠洲退化、湖泊干涸、河道退縮。故漢代玉門縣區(qū)域的自然環(huán)境同當代相比，地形地貌相對穩(wěn)定，但地表植被和河流水系有較大差異。因此，河網(wǎng)水系的提取主要以DEM數(shù)據(jù)的水文分析為基礎，同時結合高分辨率遙感影像目視解譯及漢代河西地區(qū)水系地圖等資料進行輔助驗證，調整水道的提取閾值，使其不局限于今疏勒河中下游支系的昌馬河、石油河、白楊河等河流，同時包含了古水道和暴發(fā)季節(jié)性洪水時作為潛在水道的溝谷，能夠基本反映漢代該地區(qū)河網(wǎng)水系的分布情況。此外，通過對DEM數(shù)據(jù)的表面分析，計算并提取其他地表構成特征要素，如坡度、坡向。

1.3 研究方法

本文試圖探究的烽燧空間選址的影響因子，實際上是通過研究烽燧遺址的空間分布實現(xiàn)的。經(jīng)過統(tǒng)計假設檢驗的影響因子(數(shù)值或空間位置)和烽燧遺址點空間分布的相關性，即可表明烽燧選址對該影響因子存在敏感性。依據(jù)前期漢長城歷史文獻調研歸納所得的烽燧在防御體系中的性質與功能，將基于玉門市DEM數(shù)據(jù)提取的7種可能影響烽燧選址的影響因子，分為自然環(huán)境(高程、坡度、坡向以及與最近水系距離)和人類活動(城障遺址位置、其他類型例如墓葬和碑刻遺址的位置)2大類?；谧匀画h(huán)境和人類活動2類因子不同的數(shù)據(jù)類型及其對烽燧遺址點空間分布的不同影響機制，運用R語言，分別采用核密度估計法(kernel density estimation, KDE)和基于距離的點模式分析(point pattern analysis, PPA)方法，量化烽燧遺址點的空間分布與自然環(huán)境因子的數(shù)值分布和人類活動因子的空間位置之間的相關性，并結合假設檢驗的思想和蒙特卡洛模擬(Monte Carlo simulation)的方法對相關性進行統(tǒng)計顯著性檢驗，從而判斷各因子對烽燧空間選址的敏感性。最后結合文獻資料，分析烽燧遺址空間分布的定量規(guī)律，以及烽燧空間選址對地理空間構成要素的利用如何達成其多種歷史功能，同時試圖探討烽燧建造選址反映出的漢代地理空間認知與技術水平。研究技術路線如圖2所示。

圖2 本文技術路線與工作流程Fig.2 The technical route and workflow of this study

針對自然環(huán)境因子，通過核密度估計法分別模擬烽燧遺址處的高程、坡度、坡向以及與最近鄰水系距離4種因子數(shù)值的分布，作為觀測分布。同時借鑒蒙特卡洛模擬的思想，在玉門市內取500個空間隨機分布點，采用相同方法分別統(tǒng)計隨機點處的高程、坡度、坡向和最近鄰水系的距離的數(shù)值，模擬隨機分布模式下各自然環(huán)境因子的數(shù)值分布。最后將遺址點的隨機分布模式和觀測分布模式下各自然環(huán)境因子的數(shù)值分布進行比較，判斷各因子對烽燧空間選址的敏感性并確定敏感區(qū)間。

針對人類活動因子，采用空間點模式分析量化烽燧遺址點與包括城障等其他類型遺址點的空間分布關系。由于遺址點樣本容量較小，基于空間密度的點模式分析的統(tǒng)計學意義有限，故采用基于空間距離的分析模型。首先采用K函數(shù)(Ripley’sKfunction)分別對烽燧和城障遺址的空間聚集分布模式進行分析，再運用K-Cross函數(shù)(K-Cross function,Kfold cross validation)和對相關g函數(shù)(gfunction, pair correlation function, PCF)定量刻畫烽燧和城障及其他遺址點空間分布之間的相關性。最后運用蒙特卡洛模擬的方法，通過對玉門市內99組隨機分布點分布的模擬，得到隨機分布模式下的置信區(qū)間(confidence interval, CI)，判斷烽燧與城障的空間相關性是否具有統(tǒng)計顯著性，從而確定人類活動遺址對烽燧選址的敏感性及敏感區(qū)間。

(1)

K函數(shù)在平均最近鄰法的基礎上統(tǒng)計所有距離半徑內點與點之間的距離，從而評估點的空間離散和聚集程度。設A為研究區(qū)總面積；n為烽燧遺址點數(shù)量；dij是第i個烽燧點與第j個烽燧點之間的距離；Ih為指標函數(shù)，指帶寬h內烽燧點個數(shù)；wij是權重函數(shù)，用于邊緣效應校正；則單位半徑h處的函數(shù)值如下所示：

(2)

K函數(shù)的期望函數(shù)由單位半徑h獨立決定。設以λ表示單位面積內事件點的平均密度，可以通過計算單位圓面積的方式計算在隨機分布模式下數(shù)學期望E(h)，如下所示：

(3)

(4)

對相關g函數(shù)則在K函數(shù)的基礎上，統(tǒng)計單位距離半徑不斷增加的圓環(huán)內的點的空間關聯(lián)，以消除累積效應。設A為研究區(qū)總面積；n1和xi是烽燧遺址點數(shù)量和位置；n2和yj是其他類型(如城障)遺址點數(shù)量和位置；wij是權重函數(shù)，用于邊緣效應校正；而kh為核函數(shù)，對距離越近的點賦予越大的權重，其中h為帶寬，則指定半徑r處的函數(shù)值如下所示：

(5)

2 結果與討論

根據(jù)多次野外考察工作經(jīng)驗和大量文獻調研，玉門市境內漢烽燧遺址空間分布的定性規(guī)律較為明確。一部分烽燧是位于玉門市中北部走廊平原，沿長城墻體呈東西向線性分布的塞烽，通視性是確定烽燧間距離的充要條件；另一部分烽燧則是長城以南的分布于玉門市南部的丘陵、山地區(qū)域的警烽，兼有線性和非線性分布模式[36]。但烽燧建址選擇的自然環(huán)境條件及其與其他類型的建筑工事分布的定量規(guī)律尚不明確，以下將分別討論。

2.1 自然環(huán)境影響因子敏感性分析

結果顯示，烽燧遺址的空間分布均在4種自然環(huán)境因子的不同數(shù)值范圍內表現(xiàn)出顯著的空間聚集，即4種自然環(huán)境因子均在不同數(shù)值范圍內對烽燧的空間選址具有敏感性(如圖3所示)。烽燧遺址的高程分布與漢以后朝代的長城略有差異，少建于高山、丘陵等崎嶇地形，多分布于中低海拔地區(qū)，同時在約1 200～1 600 m范圍內的山麓平原區(qū)表現(xiàn)出了集中性。其背后原因主要是該區(qū)域地勢低平，處疏勒河干流及其支流昌馬河、石油河、白楊河等流域，多綠洲分布，相比于周圍流動性沙丘更易于修筑較穩(wěn)固的漢長城防御工事[28]，同時降低了建造難度和成本。

烽燧遺址在坡度上的分布顯示了與模擬隨機分布模式基本相同的趨勢。研究區(qū)整體地勢平緩，坡度在約0°～16°，但仍可見烽燧點集中分布于坡度值為2.5°～8°的區(qū)域內，主要是由于昌馬河以東廣闊的崗狀平原，地形有凹凸起伏但坡度不大，同時風力剝蝕作用強烈，野外考察工作中多見漢烽燧遺址分布于戈壁區(qū)域的風蝕臺地，充分利用了微地形條件。

烽燧遺址在坡向上的分布與隨機分布模式差異較大，觀測分布聚集在坡向值在約110°～240°，即南偏東70°～南偏西60°的半陽坡。懸泉漢簡解譯研究表明漢代敦煌酒泉地區(qū)氣候干冷，自然條件較差，災害常發(fā)，如西北方向風暴(沙塵暴)[31]；而陽坡光照條件好，較溫暖、避風沙，植被類型較多。對玉門市北部祁連山前山及山麓地帶的警烽，烽燧選址盡可能保證了燧卒擁有相對良好的生活條件。但對玉門市北部塞烽，由于地處平原地區(qū)，且DEM數(shù)據(jù)存在一定誤差，坡向結果不具備參考意義。

烽燧選址與水系分布具有顯著的相關性，且烽燧選址集中分布于距最近鄰水系0～1 535 m范圍內的區(qū)域，說明距最近鄰水系距離在該范圍內是烽燧空間選址的敏感因子。主要原因包括：其一，烽燧沿水系分布能夠控制塞外水源，利用玉門境內干旱氣候特征對塞外勢力形成牽制，同時以水代兵達到防御目的；其二，駐扎烽燧的固定性和流動性人口數(shù)量較大[31]，僅居延、肩水二都尉所轄的常駐燧卒的數(shù)量就有1 044～2 610人[1]，相對漢代人口數(shù)量已相當可觀，需要在選址時靠近水源以便補充；其三，漢代在河西地區(qū)加強軍事防御的同時，利用水系和沙漠綠洲發(fā)展灌溉農業(yè)，實行“寓兵于農”的屯戍政策，開墾荒地、興修水利、大規(guī)模屯田，以保障軍隊和其他邊塞戍卒食物補給[31-37]，而烽燧設置在邊塞屯田周圍，以起防御警戒作用，故距離水系較近。

橫坐標表示4種因子的值，縱坐標表示核密度估計值；粗線代表烽燧遺址點處各因子的核密度估計曲線；細線代表空間隨機點處各因子的核密度估計曲線圖3 4種自然環(huán)境因子核密度估計曲線圖Fig.3 Kernel density diagrams of four kinds of natural environmental factors

2.2 人類活動影響因子敏感性分析

由烽燧和城障遺址各自的空間分布聚集性檢驗結果(圖4)可知，烽燧遺址的觀測曲線遠高于期望曲線及置信區(qū)間，說明烽燧遺址的聚集分布具有統(tǒng)計顯著性，而城障遺址則趨于隨機分布。該結果印證了烽燧以塞烽和警烽2種方式在結構與功能上的空間聚集性共同構成了漢長城防御系統(tǒng)的烽傳子系統(tǒng)。長城沿線的塞烽以較短間距沿東西向線性聚集排布，以起到監(jiān)控和防御作用；警烽則或以郡城為中心向四周輻射狀延伸，或沿古道分布，負責塞內通訊、警備職能，將情報傳回內地，再將內地指令傳遞給長城沿線[36-38]。

由烽燧和城障遺址空間分布的互相關檢驗結果的分析可知，烽燧和城障遺址點的K-Cross函數(shù)觀測值曲線遠遠高于期望值曲線及置信區(qū)間(圖5)，說明2種遺址點的空間分布呈顯著的正相關，即烽燧選址對城障位置敏感。同時g函數(shù)結果(圖6)顯示，兩者互相關顯著的范圍在大約2～20 km的距離內，說明漢代長城防御系統(tǒng)中形成了由不同級別城市(一般自上而下包括邊郡郡城、都尉縣城、一般縣城、障城、塞城等)構成的城障子系統(tǒng)，且單個子系統(tǒng)的結構和功能輻射范圍在以最高級別的郡城為中心的2～20 km以內。

縱坐標K(r)為K函數(shù)值，橫坐標r為以每個烽燧遺址點為圓心的圓的半徑，單位為km；實線Kobs(r)指K函數(shù)觀測曲線，虛線Ktheo(r)指空間隨機模式下K函數(shù)的期望曲線，灰色條帶CI指空間隨機模式下99組蒙特卡洛模擬的置信區(qū)間圖4 烽燧遺址和城障遺址的K函數(shù)曲線圖Fig.4 The result of K function on beacon sites and on city sites

縱坐標為K-Cross函數(shù)值，橫坐標r為以每個烽燧遺址點為圓心的圓的不同半徑，單位為km；實線Kobs(r)指K-Cross函數(shù)觀測曲線，虛線Ktheo(r)指K-Cross函數(shù)的期望曲線，灰色條帶CI指空間隨機模式下99組蒙特卡洛模擬的置信區(qū)間圖5 烽燧-城障遺址和烽燧-墓碑遺址的K-Cross函數(shù)曲線圖Fig.5 The result of K-Cross function on beacon-city sites and on beacon-gravestone sites

縱坐標為g函數(shù)值，橫坐標r為以每個烽燧遺址點為圓心的圓的不同半徑，單位為km；gobs(r)指g函數(shù)觀測曲線，gtheo(r)指g函數(shù)的期望曲線，灰色條帶CI指空間隨機模式下99組蒙特卡洛模擬的置信區(qū)間圖6 烽燧-城障遺址和烽燧-墓碑遺址的g函數(shù)曲線圖Fig.6 The result of g function on beacon-city sites and on beacon-gravestone sites

結合歷史文獻進行估算發(fā)現(xiàn)，在交通工具和驛道路網(wǎng)非常有限的漢代，行書速度約為2.2 km/h[30]；一方面當城障和烽燧相距過小(小于2 km)時，烽燧設置沒有充分發(fā)揮視聽信號可到達的最大距離，使信息傳遞效率下降，防御輻射范圍縮小，代替人工車馬進行長距離、低成本情報傳遞的目的就失去了意義。另一方面，當城障和烽燧相距過大(大于20 km)時，由于人的視線雖然在理論上是無限延伸的，但人眼的分辨能力卻是有限的，因而容易與周圍自然景觀元素混淆，從而無法保證順利傳遞軍事消息。

烽燧與城障間的配置距離是古人通過目視原則并結合實際測繪、建造和規(guī)劃的經(jīng)驗，所得出的清晰辨認烽燧預警信號和成本最小化和效用最大化的平衡。與之相對照不難發(fā)現(xiàn)，烽燧遺址與墓葬和碑刻遺址的空間分布就完全不具有相關性，說明烽燧與城障的空間關聯(lián)性并非出于人類活動的偶然性，而是通過二者的空間配置共同實現(xiàn)漢長城防御系統(tǒng)中前后方軍情通信和戰(zhàn)略指揮功能。

3 結論

本文基于GIS空間分析方法對漢長城(玉門市段)烽燧的空間選址影響因子的敏感性程度及其顯著范圍進行定量刻畫，解讀影響烽燧選址的自然環(huán)境和人類活動2類因子的關系，從而探究過去人類對空間的理解和利用。

1)從自然環(huán)境角度出發(fā)，漢長城烽燧的空間選址充分利用了高程、坡度、坡向、距水系最近鄰距離以及基于景觀的通視和視域等自然環(huán)境構成要素，各單一要素不僅滿足防御和預警要求，而且兼顧了戍卒的生存居住環(huán)境，盡可能保障軍備的當?shù)匮a充。其建址綜合考慮了其防御、屯墾和通信3大功能所需的地理環(huán)境，在公元前202年—公元220年的漢代，建造方案充分運用了古人的實踐經(jīng)驗，側面體現(xiàn)了漢代對地理環(huán)境空間認知和技術利用已具有較高水平。

2)從人類活動角度出發(fā)，漢長城烽燧的空間選址在圍繞城址2～20 km的范圍內表現(xiàn)出強相關性，而與其他人類活動遺址類型無關。研究從空間配置的角度論證了烽燧和城障在漢長城防御系統(tǒng)中的聯(lián)防機制，以及長城防御系統(tǒng)和郵驛系統(tǒng)間的相互配合，即從視覺與聽覺間接傳遞前線的敵情到采用單匹馬或馬車的形式達成成本和效用的平衡和優(yōu)化，其空間配置在古代具有很高的創(chuàng)新性。