>>> 2007年第1期

数字考古的理论与实践

作者:刘建国







  我国的文物考古工作经历数十年的发展,取得了丰硕的成果,积累了极为丰富的实物和资料,为了适应信息时代的要求,综合运用各种信息开展考古学研究和文物保护工作,必须充分发挥现代测绘技术、遥感(Remote Sensing)、地理信息系统(Geo- graphic Information System)技术、VR(Virtual Reality即虚拟现实)技术、数据库(Database)技术和网络(Internet/Intranet)技术等在考古学研究中的综合运用,这不仅是充分应用各种考古信息的重要手段,更是信息时代对考古学研究提出的要求。
  
  一. 现代测绘技术
  
  现代测绘技术是信息产业中的重要组成部分,在文物考古工作中同样具有重要的地位。测绘技术的分支学科很多,涉及面较为广泛,我们的工作中主要运用其中的数字摄影测量、电子全站仪测绘和卫星定位技术。
  卫星定位系统(Satellite Positioning System)是以人造卫星网为基础,以无线电为通讯手段,依据天文大地测量学的原理,实行全球连续导航和定位的高新技术系统,具有全球性、全天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能,以及良好的保密性和抗干扰性。一般包括空间卫星系统部分、地面控制部分和用户接收部分。卫星定位系统通过空间卫星向地面接受设备发送特殊定位信息的无线电信号来实现定位测量工作,地球上任何地点和任何时刻,能同时接收到至少4颗全球定位系统的卫星发出的信号,达到连续定位的要求。目前正在运行和建设的有美国、俄罗斯、欧盟和中国等的卫星定位系统。
  
  美国的全球定位系统(GPS-Global Positioning System)于1994年投入使用(图一),测量型GPS能够达到毫米级的平面精度,在田野考古测绘中具有很多优点:(1)高精度三维定位。GPS点是直接从GPS卫星信号中获取三维定位信息,因此各点之间不存在误差积累。(2)设计和布点方便灵活。GPS定位精度同GPS点的几何图形基本无关,不受地面点间必须相互通视的限制,从而使控制网图形设计和点间距离不受限制,选点比较方便灵活。(3)对地理条件和作业条件要求低。在沙漠、高山,在孤岛、礁滩等处都可以进行GPS定位观测。(4)工作效率高。导航型GPS的平面定位精度可以达到10米左右,可以在野外调查中确定遗址的位置和边界,但不能满足考古发掘中细部测绘工作的需要。
  卫星定位系统也存在一些缺陷,无法在沟槽、洞穴、地下墓葬中测量,而且测量型GPS的定位时间往往很长,在考古测绘中还受到很多的局限。实际工作中还需要使用电子全站仪、数字摄影测量等设备和技术才能完成考古测绘与成图方面的工作。
  电子全站仪是近年普遍使用的一种新型测量仪器,能够方便、快捷地进行高精度的角度、距离、高程、坐标等测量工作,能够满足各种文物考古测绘工作的需要,并可以与电子计算机联机作业,配合相应的测量软件,自动将电子全站仪测量数据传输到计算机中进行成图。测量的图形能够根据需要以多种形式和多种比例尺打印输出,还能够输入到地理信息系统中作为基本数据底图使用。有的电子全站仪还带有激光测距功能,不使用棱镜就可以测量出点的坐标,便于测绘石窟、古建筑等不便架设反射棱镜的场所。
  摄影测量技术是在文物上空或前面的两个已知位置(摄站)分别拍摄左影像和右影像,同时在测量区域内实地测量一定数目控制点的三维坐标,根据左右影像和控制点坐标,在室内利用摄影测量仪器或数字摄影测量软件量测左右影像上同名像点(空间同一个点在左右影像上的像点)的影像坐标,再运用测量学中的前方交会方法,计算出空间点的三维坐标。然后根据大量空间点的三维坐标,建立数字高程模型(DEM),并由DEM提取等高线和制作正射影像图,进而可以生成三维影像图,进行多图像的无缝拼接。这项技术能够对遗址、发掘区域、石刻、造像、古建筑乃至器物进行测绘,提供地面或石刻、造像、古建筑立面的各种线划图、高程模型、正射影像图和三维影像图(图二)等产品,满足各种文物考古工作的需要。
  
  
  二. 遥感考古研究
  
  遥感考古技术是从航天飞机、卫星、飞机等不同空间位置上,运用摄影机、扫描仪、雷达等成像设备,获取考古遗址的影像资料,然后运用计算机图形图像处理技术,对影像数据进行增强和处理。同时,根据遗址范围内地表特征及其光谱成像规律等的相互关系,对影像的色调、纹理、图案及其时空分布规律进行研究,判定遗迹或现象的位置、形状、深度等特征,进行遗址探查、考古测量等工作,为考古勘探和研究提供重要线索,并开拓考古研究的新领域。
  考古遗址的遥感影像中包含有丰富的地面信息,通过对其中植被、水体、土壤、岩石等图案特征的分析,可判读出地面或浅表地层中的遗迹情况。这是因为遗迹与其周围环境的土壤等的结构方面的差异,导致土壤色泽与含水量的差异、植被生长分布异常、土壤侵蚀差异、特殊的微地貌特征等等,它们在遥感影像中都会以特定的图案显示出来,形成考古遗迹的影像标志,为遥感影像的解译工作提供了依据。遥感考古研究中,常见的影像标志有阴影标志、土壤标志、植被标志等(图三)。
  
  阴影标志常常出现于高台地域的遗址中,这类遗址受到地表水流的侵蚀较少,地面上往往会留下墙基、台基一类的夯土或石基残迹,构成考古遗址中特殊的微型地貌,这种微地貌在倾斜太阳光线的照射下,地形起伏就会产生明显的阴影,由此可以判断出遗迹的形状、范围、布局等属性。新疆高昌故城的航空影像上,城墙、马面等遗迹与其阴影并存,边缘清晰,易于辨认(封三,图一)。
  遗迹的土壤标志,出现于遗迹的埋藏深度较浅,而地面平坦且裸露,地表没有残存痕迹的遗址中。古代道路、夯土、淤土等遗迹的色泽、结构、湿度等与其周围环境有一定的差异,这些差异能够在某些遥感影像上显示出来,作为判读考古遗迹的重要标志。土壤标志在比较干燥的季节效果最好,所以这时的遥感影像能反映出地下稍深地层中的遗迹,探查出诸如墓葬、城墙、古河道、夯土台基等遗迹。安阳殷墟的TM影像上可以判读很多建筑基址、墓葬群等遗迹(封三,图二)。
  遗迹植被标志在遥感考古中的应用最为普遍。地下古代遗迹的土壤与其周围环境的土壤在含水量的多少、板结与疏松、贫瘠与肥沃等方面有着较大的差异,导致灌木丛等生长与分布出现特定的规律,或使农作物、野草的色泽、密度、高度产生异常,在遥感影像上形成特殊的图案。西安汉长安城5月底和6月初的航空影像上,很多夯土建筑位置的影像色调较浅,很容易从周围环境中分辨出来(封三,图三)。
  考古遗迹的影像标志很多,对不同的遗址的反映情况各有特色,在不同的遥感影像上形成的图案也有很大的差别。所以,在具体工作中,要收集与遗址有关的文史、考古、遥感、地理、地貌等资料,了解遗址的类型、范围、残存状况、埋藏深度以及遗址范围内地貌特征、土壤类型、植被覆盖与生长情况等等,然后才能对遥感影像进行综合解译,准确地判读遗迹的形状、位置等属性。最后再根据影像解译的结果,到实地进行必要的钻探等验证,解决一些模棱两可的问题,提高解译结果的准确性。
  遥感影像的视野开阔,信息丰富,资料规范,适合于计算机的分析和处理,从而使遥感考古工作具有速度快,周期短,方法灵活的特点,能够对考古遗迹进行无损勘探、测绘成图、动态分析、三维模拟等工作。同时,光谱特征丰富的卫星影像的分辨率正在不断提高,遥感考古技术的应用前景将更为乐观。
  

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