田野考古地理信息系统研究与建设_李安波

收稿日期:2003-08-20;　修订日期:2003-10-20 基金项目:国家“863”计划资助项目“虚拟地理环境系统的研究与开发”(2001AA135130);南京师范大学“211工程”二期重点建设学科“地理信息技术的开发与应用”和“田野考古地理信息系统”项目 作者简介:李安波(1974-),男,硕士研究生,研究方向为地理信息系统基础理论和相关应用开发。 ①　王继宁,张立莹.应用现代建模技术记录考古发掘资料的方法及其作用.秦文化研究第五届学术讨论会论文集,2000. ②　http : w ww .ccrnews .com .cn displ aynew s .asp ?id =1330.

田野考古地理信息系统研究与建设

李安波1

,毕硕本1

,裴安平2

,闾国年

1

(1.南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室,江苏南京210097;2.南京师范大学文物与博物馆系,江苏南京210097)

摘要:基于地理信息系统(G IS )技术建立“田野考古地理信息系统”(FA GIS ),为田野考古发掘、研究以及文化遗产保护提供了一种数字化的手段与方法。针对用户“个性化服务”的应用需求,进行了系统柔性平台的框架设计,并分别介绍了基于摄影测量技术的数据采集与处理、考古知识获取与管理、空间决策支持、体视化与虚拟考古环境构建四个主要功能及其研究与实现的途径。

关键词:田野考古;地理信息系统;柔性设计;空间决策支持系统

中图分类号:T P311;P208 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2004)01-0039-04

0　引言

田野考古的目的是为了揭露、观察、记录、发现与研究古代遗留下来的实物史料。科学的发掘过程、现场资料的完整准确记录、海量考古数据的科学分析与直观形象表达,是对发掘资料科学使用、正确解释考古遗存和现象性质的必要条件。为此,田野考古发掘与文化遗产保护部门迫切需要建立田野考古地理信息系统,一方面为田野考古提供一个实用的应用环境,提高田野资料记录的科学性与准确性;另一方面为田野考古提供一个高效的科研环境,使田野考古发掘现场、相关文物研究与保护单位共享信息、群体决策,从而提高田野考古的决策水平与研究深度。

将GIS 应用于考古学研究开始于20世纪80年代初,主要集中于欧洲和北美。欧美应用GIS 在考古学领域的研究和发展,可大致分为三个阶段:70年代末,计算机图形学、数据库和统计分析等技术开始应用于考古研究;80年代,遗址预测成为考古GIS 的主要研究方向;90年代,GIS 开始被欧洲考古界所

认识并接受,景观考古GIS 分析逐渐盛行①

。目前,国外应用GIS 技术考古主要有三个新的发展趋势:一是把虚拟现实、可视域分析等技术应用于考古研究;二是将三维可视化技术应用于考古研究;三是将遥感与GIS 相结合应用于考古研究,如美国利用卫星遥感影像发现了沉没海底数千年的古埃及名城亚历山大,欧洲发现了地下古罗马的建筑与著名的“罗马大道”,欧美联手发现了南美密林深处的十世纪玛

雅人的宫殿②

。

GIS 在国内田野考古领域内的应用已逐渐为人们

所重视。如1987年南京博物院与华东师范大学合作在中国首次利用遥感技术完成了江苏省镇江地区商周台型遗址和土墩墓的考古调查。1998年河南省在颍河上游的考古调查中利用GPS 与GIS 获得初步成功[1]

。2001年河南省地理研究所与开封市文物工作队利用遥感技术对七朝古都开封市的地下埋藏文物进行了考古调查应用试验[2]

。2002年华东师范大学城市与环境遥感考古开放研究实验室完成上海地区遥感考古调查,发现有古遗址特征的地点200余处

[3]

。

近年,我国还利用遥感技术进行了秦始皇陵、长城、内蒙古东部地区大型遗址等多处考古调查。

上述考古信息系统的研究重点放在地面和地下文物大范围普查(结合遥感技术)、文物与考古普查资料管理等方面,属于GIS 技术的较低应用层次,而GIS 本质上是一种决策支持型的信息系统,只有将GIS 技术应用于考古决策,才能充分发挥GIS 在考古领域的巨大效能。可见,国内考古GIS 的研究深

度与应用水平还需进一步加强与提高。1　当前田野考古工作中存在的问题

长期以来,我国田野考古发掘、保护与研究主要存在以下问题和不足:1)就考古发掘的实际操作过程而言,绝大多数发掘项目都是处在一种封闭状态下完成的,其发掘质量与进度因发掘领队和队员业务水准不同而有较大差别,对层位和遗迹现象相互

第20卷　第1期2004年1月 地理与地理信息科学G eog raphy and Geo -Info rmatio n Science

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January 2004

关系、遗迹现象原貌与性质容易误判和错判。2)田野考古发掘是一定意义上的文物破坏,一个考古工地一旦发掘,便破坏了其原始场景。而目前数据采集与记录手段均不完善,仍停留在手工测量数据、手工绘制线图阶段,不仅工作效率极低,而且数据精度、绘图质量因人而异。3)世界的本原是处在三维空间中的,而目前所有发掘现场绘制的线图都只是二维平面图,这种将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力

[4]

,无法对整个发掘区所有发掘单位各种线

图、文字记录、影像资料按要求进行系统性整合,实

现考古现场环境的模拟与再现;更无法通过互联网对发掘现场进行远程监控、专家会诊和相关研究资料的共享。为克服这些缺陷,迫切需要基于三维的分布式考古信息系统的问世。4)面对数量与种类繁多的发掘文物,文物保护部门难于进行有效管理。

文物与地下埋藏的古代文化遗存都是不可再生资源,一旦出现失误就不可挽回。目前田野考古发掘过程中存在的上述问题和缺陷,严重制约了田野考古发掘质量的提高,影响了考古学本身的发展和深入研究,并给重要文化遗产的保护带来种种不良影响。

2　系统建设目标及主要研究内容

正在研发的田野考古地理信息系统(Geographi -cal Information Sy stem for Field Archaeology ,简称

FAGIS ),其建设目标是在建立田野考古应用与科研平台的基础上,实现考古资料的多源获取与管理、数据处理、信息检索、考古环境模拟与再现、远程监控、协同工作、专家会诊、空间分析与决策、预警提示等功能的全数字化的田野考古地理信息系统,并能针对发掘与研究过程中遇到的问题提供智能决策支持,为考古工作者制定发掘方案等决策工作,快速提供参考方案和借鉴案例。

本项目主要在以下四个方面进行研究,以提供方便、实用、科学的问题解决方案,使GIS 真正成为田野考古发掘工作中一种不可缺少的工具。1)运用遥感与近景摄影测量技术,进行基于数码相机拍摄图像以及遥感图像的考古数据采集与处理研究。2)建立田野考古数据规范,运用GIS 技术研究考古资料采集、管理与应用中存在问题的解决方法。3)基于体视化和三维GIS 的考古空间模拟与再现技术研究,实现多方位、多层面直观、形象的三维剖面模型构建及任意剖分。4)运用GIS 空间分析技术,进行

考古决策支持功能以及考古知识发现技术研究。

GIS 的空间分析与决策支持功能及基于数据仓库的知识发现技术为解决考古学空间性和多变量问题提供了一种有效的方法和手段。运用GIS 的空间分析功能对遗迹遗物进行空间统计分析、对比综合分析、缓冲区分析、遗址空间分布模式分析、可视域分析等,揭示遗迹遗物的区位特征与组合特征。在此基础上,结合知识库,可实现田野考古发掘过程中实时远程监控与专家会诊、遗迹现象全貌推测,层位关系比较和错误预警,并提供手动或自动的修改方法。

3　系统设计

3.1　系统框架设计

由于田野考古地理信息系统用户既有发掘单位,又有考古研究与文物保护单位,并且没有完全统一的数据规范,即使同种性质的单位,也因其工作方式不同而有不同的需求。此外,一旦软件进入使用期,新的需求会时常浮现,已有的需求也会随着考古发掘技术的发展而发生改变[5]

。因此,无论软件的规模怎样,制作一个不需要改变的田野考古地理信息系统或为各种用户进行定制开发都是不可能的。基于这种认识,借鉴MVC (Model View Controller )模式、层模式、

策略模式等多种成熟模式[6,7]

,并运用工作流技术进行了田野考古地理信息系统柔性设计(图1),使之具有一定的结构柔性、运行柔性及界面柔性

[8]

,以满足

不同类型用户的个性定制和业务变更需要。

图1　FA GIS 系统柔性设计流程

Fig .1　Flexible design flow of FAG IS

该系统框架分数据层、数据服务层、业务逻辑层、模块集成层、界面层(图2)。其实质是建立一个集管理信息系统(M IS )、地理信息系统(GIS )、空间

决策支持系统(SDSS )等功能于一体,并能够基于脚本支持数字摄影测量、信息管理、可视化、空间分析与空间决策支持、虚拟现实等多种模块的动态集成与替换的田野考古应用与科研柔性平台。

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