0 引言

聚落，是人类活动的中心，广义上是指人们居住“生活”休息和进行各种社会活动的场所，也是人们进行劳动生产的场所^[1]。受人类活动与自然环境的共同作用与影响^[2~23]，聚落的时空分布格局往往具有一定的规律性。对于古老的史前时期来说，对聚落时空分布规律的认识是了解古代人类社会形态的有效方式，因此历来备受关注。

在国外，美国考古学家Willey^[6]，在《秘鲁维鲁河谷史前的聚落形态》一文中首次提出了“聚落考古”这一词，把聚落遗址空间关系的研究引入到考古领域研究中；考古学家Trigger^[7]对聚落考古的理论、方法和历史进行了详细的论述，并对影响聚落分布的地理环境因子进行了分析；Moyes^[8]将GIS与K-means聚类方法相结合，实现了洞穴遗址的空间聚类分析，利用GIS技术评估了洞穴遗址聚类的距离；Niknami等^[9]将最近邻距离分析方法用于伊朗西北部乌尔米耶湖考古遗址点的模式测定，将样方分析方法用于分析乌尔米耶湖东岸地区的古遗址聚落形态。国内相关研究也较多，如朱光耀等^[10]从人地关系的角度出发对安徽省新石器和夏商周时代的遗址时空分布进行了研究，对聚落遗址时空分布与海拔高度、地势、土壤等环境因素演变的关系做了分析；毕硕本等^[11]将K-means聚类方法引入到郑州-洛阳地区史前聚落群的划分研究，提取出了聚落群的聚类规则；胡珂等^[12]利用空间分析方法分析了全新世无定河流域龙山时期聚落选址与地貌类型、距河流距离、坡度、河流等级、地面朝向等地理环境之间的关系；张振等^[13]建立了冀中南地区新石器时代至春秋时期1023处聚落遗址分布特征的数据库，应用GIS空间分析方法，对聚落遗址的遗址域、海拔高程、密度、堆积特征进行了系统分析，揭示了研究区聚落遗址时空分布特征；李中轩等^[14]基于SRTM数据用GIS方法计算了颍河上游登封盆地和禹州平原两个地貌单元的山前曲折度、流域圆度、河流分支比、河流坡降、高程-面积曲线和Hack曲线等流域地貌参数，从而分析了地貌变迁对史前聚落分布的影响；杨瑞霞等^[15]利用G函数法对河南省裴李岗时期聚落的空间分布特征进行了分析，对聚落空间分布的方向性和中心数进行了分析与求取，并应用聚类分析和Voronoi图求取了集聚中心；鲁鹏等^[16~19]对环嵩山地区聚落时空分布模式及聚落与地形、区域构造等环境的关系进行了研究；闫丽洁等^[20~23]利用缓冲区分析、叠加分析、地形分析，对河南省及环嵩山地区史前时期聚落空间分布进行了研究，对聚落选址与区域海拔高度、地形坡度、水系等地理环境之间的相互关系进行了研究。

上述研究以较大区域的宏观研究为主。然而，聚落分布时空形态往往是由大区域的宏观特征与小区域的微观形态的共同表现。因此，对于聚落时空分布特征的研究需要以宏观与微观相结合的方式开展。近年来空间信息技术的快速发展，为从宏观与微观角度综合分析史前聚落分布格局与时空演化研究提供了有力的方法与技术支持。例如，标准差椭圆能从宏观角度研究史前聚落分布格局的整体特征，核密度方法从微观角度分析聚落集聚程度的变化特征。因此，标准差椭圆与核密度相结合的方法是从宏观与微观综合研究史前聚落时空格局的有效方法。本文以华夏文明起源核心区域——环嵩山地区为研究区域，按照裴李岗、仰韶、龙山、夏商4个时期，利用标准差椭圆、核密度相结合的GIS点模式分析方法，对比研究了史前聚落时空格局宏观变化及集聚程度的微观变化特征。研究结果对于华夏文明探源研究与区域聚落考古研究具有重要的意义。

1 数据与方法 1.1 区域概况

环嵩山地区(33°6′50″~35°3′30″N，111°8′20″~114°19′20″E)是指以嵩山为中心的郑州、洛阳、许昌、平顶山及其周边地区；东西长约294 km，南北长约214 km，总面积约3.6×10⁴ km²。这里地理位置优越适中，交通四通八达(图 1)。

本地区总地势为西高东低，以嵩山为中心，西部为山地，东、南部为山前侵蚀剥蚀丘陵和黄土丘陵地貌，北部为凹陷盆地^[24]。本文选取环嵩山地区为史前聚落选址的研究区域，因为这里是中华文明的发源地，黄河中下游文化遗址密集程度和重要程度都很高的一个区域，仅已发现的史前时期聚落遗址数量就达到1930处，聚落遗址密度达到542处/(10⁴ km²)^{[16~22, 25~27]}，是考古学、文明起源、数字环境考古研究的热点区域。

1.2 数据来源

本研究所需数据包括基础底图数据与史前聚落专题数据。基础底图数据包括数字高程模型数据与行政区划数据：数字高程模型(DEM)数据来源于SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)4.1，分辨率为90 m；行政区划数据来源于国家基础地理信息中心比例尺为1：1000000，包括省、市、县数据。史前聚落专题数据来源于第三次全国文物普查、《中国文物图集》(河南分册)^[28]、《河南省文物志》^[29]。通过整理，环嵩山地区史前时期聚落遗址共计1930处，其中裴李岗时期聚落遗址有73处，仰韶时期563处，龙山时期660处，夏商时期634处。

1.3 研究方法 1.3.1 标准差椭圆分析

标准差椭圆是用来显示点集空间分散情况的一种非常有效的直观工具，能够识别聚落遗址点的空间分布趋势，描述聚落遗址点的方向偏离；长轴为空间分布最多的方向，短轴为空间分布最少的方向；标准差椭圆面积大小比较可以判断聚落遗址点的离散程度，面积越小，意味着聚落遗址点的分布越接近于重心附近^[30]。

标准差椭圆由3要素构成：转角θ、沿主轴(长轴)的标准差和沿辅轴(短轴)的标准差。从理论上讲，如果事件的分布是各向异性的，那么就必然有一个最大离散度的方向，将其定义为长轴，而与其垂直的通常是最小离散度的方向，定义为短轴，转角θ可以看作是笛卡尔坐标系下x轴和y轴按照点集分布的地理方位沿一定角度旋转后，正北方向与顺时针旋转的主轴之间的夹角^[31]。偏转角度表示标准方差椭圆长轴与垂直向上方向顺时针所成的角度，其中，0°与180°表示南北为主导方向，90°表示东西为主导方向。

标准差椭圆的计算公式如下^[32]：

(1)

(2)

(3)

公式(1)、(2)和(3)中，(x_i，y_i)为提及点坐标，(x_wmc，y_wmc)为平均中心点坐标，(x′_i，y′_i)表示提及点到平均中心的坐标偏差。w_i为提及次数。n为提及点的个数。θ为转角。

根据tanθ可以得到点分布格局的转角。tanθ可以是正值，也可以是负值，正值表示从正北方向顺时针旋转与其重合的轴是长轴，负值说明从正北方向顺时针旋转θ与其重合的轴是短轴。根据转角θ定义，如果tanθ为正，那么取arctan就得到旋转角θ的值，如果tanθ为负，θ为90-arctan。δx和δy分别为沿X轴的标准差和沿Y轴的标准差。

1.3.2 核密度分析

核密度估计方法(kernel density estimation，简称KDE)主要是借助一个移动的单元格对点格局的密度进行估计^[33]。其认为地理事件可以发生在空间的任何位置上，但是在不同的位置上事件发生的概率不一样，点密集的区域事件发生的概率高，点稀疏的地方事件发生的概率低^[34]。核密度估计的定义为：设x₁，x₂…，x_n是从分布密度函数为f的总体中抽取的独立同分布样本，估计f在某点X处的值f(X)，通常用Rosenblatt-Parzen核估计^[34]。

(4)

公式(4)中，k()称为核对函数；h＞0为带宽；n为点数；(x-X_i)表示估值点到事件X_i处的距离。KDE估计中，带宽h的确定或选择是关键，对于计算结果影响很大，随着h的增加，空间上点密度的变化更为光滑，但会掩盖密度的结构；h减小时，估计点密度变化比较尖锐。所以带宽的选择需要经过多次试验才能最终确定。

运用ArcGIS空间分析模块中的Density-kernel density工具，运用多尺度分析功能，选择5 km、10 km、20 km、30 km等4个搜索半径(核密度函数中的带宽)进行试验，发现半径为20 km时，模拟的环嵩山地区史前聚落密度分布更符合真实情况，因此，本文选择对半径为20 km的核密度分析结果进行研究。

2 研究结果 2.1 标准差椭圆分析结果

利用标准差分布椭圆方法对环嵩山地区史前聚落分布的方向性及分布中心进行判断。从而得出史前聚落从裴李岗时期到夏商时期的分布特征变化。在ArcGIS 10.2软件分析环境下，得到结果如图 2与表 1所示。

由表 1可知：1)从分布中心来看，裴李岗分布中心最靠东南，到仰韶时期，分布中心向西北移动，越过嵩山并到了山的北边，位移为46.9 km。龙山时期相对仰韶时期分布中心向东南移动，位移变动不大，只移动了9.7 km。夏商时期相对龙山时期，分布中心向东北方向移动，位移为18 km。2)从转角θ的变化来看，由裴李岗时期到仰韶时期，到龙山时期，再到夏商时期，转角呈现“减小—增大—增大”的过程，由裴李岗时期的96.44°减小到仰韶时期的80.59°。表明史前聚落空间分布由西北-东南格局向东北-西南方向转变。由仰韶时期到龙山时期转角又增大，由龙山时期到夏商时期转角继续增大，而且分布由东北-西南格局向近东西向格局转变。3)从主轴与辅轴变化来看，在主轴方向上，由裴李岗时期-仰韶时期-龙山时期前3个时期的主轴不断延伸，主半轴长由68335.57 m延长到75626.35 m，表明史前聚落分布在主要方向上越来越分散；由龙山时期-夏商时期主轴开始缩短，主半轴减少至69603.79 m，表明史前聚落分布在主要方向上又向集中趋势发展；辅轴经历了先减小后增大再减小的过程，即辅轴方向的史前聚落分布表现为先集中后分散再集中的演变。

由图 2可以看出，从椭圆包括的范围来看，从裴李岗时期到仰韶时期，再到龙山时期，标准差椭圆范围一直变大，说明史前聚落空间分布从裴李岗时期到龙山时期是趋于分散的，由龙山时期到夏商时期，标准差椭圆范围变小，说明史前聚落空间分布又趋于集中。具体来看，裴李岗时期的椭圆位于嵩山东部，现代的巩义、新密、登封、新郑、禹州、长葛的全部或者大部分均包含在椭圆范围内。仰韶时期的椭圆范围向西移动，现代的洛阳市辖区、偃师、伊川、登封、巩义、新密、荥阳、孟津的全部或者大部分包含在椭圆范围内。龙山时期的椭圆相对于仰韶时期，北部与西部的边界基本重合，只是向南、向东进行了延伸，范围有所变大。夏商时期，椭圆位置向西发生偏移，北部边界与仰韶时期及龙山时期大体相似，范围有所变小。四个椭圆相重叠的区域为巩义、新密、登封三市。

2.2 核密度分析结果

利用核密度分析方法，得到环嵩山地区史前聚落核密度分布图(图 3)，反映本区域聚落密度的连续性变化。可以直观了解区域内史前聚落密度的空间分布差异。

由图 3可知：1)环嵩山地区聚落遗址点空间分布核密度存在明显的空间差异；2)聚落遗址点分布的密集地带在空间上明显出现转移，裴李岗时期最密集地带在新密地区，而仰韶时期、龙山时期、夏商时期最密集的地带在偃师地区。密集地带由东北地区向中北部地区拓展明显；3)裴李岗时期聚落遗址点分布核密度最小，最大核密度值仅为19个/(10⁴ km²)，密度最大的核位于现在的新密市，次极核为汝州、巩义和鄢陵。仰韶时期聚落密度比裴李岗时期，大大增加，最大核密度值达到206个/(10⁴ km²)，有3个典型的密度集聚中心，密度最大的中心位于嵩山西北地区的偃师市；其次为嵩山东北部的荥阳地区，再次为嵩山东部的郑州地区。在新密和新郑也有两个密度集聚中心分布，但是密度相对较小，中心特征不明显。龙山时期，聚落密度相对仰韶时期稍微减小，最大核密度值为181个/(10⁴ km²)，密度最大的集聚中心仍在偃师地区，次级核分布转移到郑州地区。夏商时期核密度在4个时期中是最大的，最大核密度值达到240个/(10⁴ km²)，与龙山时期具有共同的两个典型的密度集聚分布中心，密度最大的中心仍在偃师地区，其次为郑州地区。

3 讨论

分析结果表明，环嵩山地区裴李岗时期聚落呈现出西北-东南向集聚型分布形态，聚落分布空间聚集程度在本次研究的4个时期中，仅次于夏商时期，具有新密一个一级核心和汝州、巩义、鄢陵3个次级核心。考古学研究显示，裴李岗时期农业已经出现，但是并没有成为当时的主要生业模式^[35]，先民仍以狩猎采集或渔猎采集为主要生产方式。因此，野生可利用资源的空间配置对聚落空间形态特征产生重要影响。这一时期聚落具有的山前台地和邻水台地两种选址模式，就是对采集狩猎和采集渔猎两种生产方式的具体表现。

仰韶时期，农业生产已经成为先民的主要生产方式，但同时狩(渔)猎采集仍然存在。环嵩山地区自然条件与环境特征的多样性使得仰韶先民既可以耕作，又可以采集渔猎；既可以开展旱作农业，又可以从事稻作农业^[36]。这一时期聚落数量较裴李岗时期大大增加。多样性的生存策略和急剧增长的聚落数量使得环嵩山地区仰韶聚落尽管仍然具有集聚型分布特征，但聚落分布空间集聚程度已不如裴李岗时期。农业生产在经济生活中的比重增大使得适合开展农业活动的平坦区域成为聚落集聚分布的主要区域，这也是密度集聚中心由裴李岗时期的新密地区向仰韶时期偃师地区的转变原因。进而也对区域仰韶聚落东北-西南向集聚型分布模式的形成产生重要影响。

EPS形成时四周选0，不再旋转环嵩山地区龙山时期聚落分布空间形态具有明显的过渡性质，其一方面表现出对仰韶时期聚落空间分布格局的继承，也具有东北-西南向集聚型分布特征。同时，龙山时代是一个典型的文化整合时期^[37]，环嵩山地区军事功能明显的龙山城址大量出现就是这一特征的具体表现^[38]，因此，区域龙山时期聚落分布形态具有向夏商时期过渡的特征，具体表现在聚落整体分布形态有向近东-西向转变的特征和偃师、郑州双核心逐渐形成的趋势。

夏商时期区域早期聚落空间分布呈近东-西向特征，其空间分布聚集程度为4个时期最大，具有偃师、郑州两个核心。这种聚落分布空间形态的形成与社会组织形态具有密切联系。这一时期具有出现两个都邑性聚落，二里头遗址和郑州商城遗址。同时，夏商时期低等级聚落具有围绕高等级聚落分布的特征^[39]。这种聚落选址模式使得夏商聚落集中分布于伊洛平原和索须河平原两个区域，从而影响了环嵩山地区夏商聚落近东-西向集聚型分布的形态特征。

4 结论

本文基于研究区基础底图数据与史前聚落专题数据，采用标准差椭圆、核密度(Kernel)相结合的GIS点模式分析方法，对比研究了华夏文明起源核心区域——环嵩山地区裴李岗、仰韶、龙山、夏商4个时期聚落分布时空格局和密度集聚程度的变化特征。结果如下：

(1) 环嵩山地区史前聚落空间分布形态具有明显的演化特征，裴李岗时期聚落分布呈西北-东南向；仰韶时期转变为东北-西南向；龙山时期尽管仍为东北-西南向，但已经具有向近东-西向转变的特征；夏商时期聚落呈现近东-西向分布特征。

(2) 区域4个时期史前聚落均具有集聚型分布特征，聚集程度夏商时期最大，裴李岗时期次之，仰韶、龙山时期最小。同时，裴李岗聚落具有新密-新郑一个一级核心和汝州、巩义、鄢陵3个次级核心。仰韶时期具有偃师、荥阳、郑州3个分布核心。龙山时期与夏商时期均具有偃师、郑州近东西向双核心特征，由此可推知，在现代的偃师，郑州，新郑及其周边地区，分布史前聚落密度较大，这里的地理环境在古代应该是最适宜居住及发展农业的地区。

(3) 标准差椭圆、核密度相结合的方式，有助于从宏观和微观两个空间尺度综合分析史前聚落空间分布形态，在早期聚落研究具有很好的适用性和可行性。