魯 鵬，楊瑞霞

(1.河南省遙感與 GIS重點實驗室，鄭州450052;2.北京大學城市與環(huán)境學院，北京100871;3.中國科學院 對地觀測與數(shù)字地球科學中心，北京100094)

20世紀中葉以來，人類社會正在面臨著又一次的歷史變革，正在進入以信息技術(shù)為主導的新時代。信息時代的到來為各個領(lǐng)域帶來機遇的同時，也對它們提出了新的要求，迫切要求其迅速融入信息革命的浪潮之中。在此背景下，以古環(huán)境與古文化相互關(guān)系為研究對象的環(huán)境考古需要在研究方法與技術(shù)上進行改進，需要在研究過程中融入空間信息技術(shù)以提升相關(guān)研究的數(shù)字化、科學化、定量化與可視化，“數(shù)字環(huán)境考古”的概念應運而生。“數(shù)字環(huán)境考古”是指綜合利用各種空間信息技術(shù)(主要包括遙感、全球定位系統(tǒng)、數(shù)字測量、定量模型、數(shù)據(jù)庫、計算機網(wǎng)絡、地理信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實等技術(shù))，實現(xiàn)從古環(huán)境、古遺址到古文物等環(huán)境考古資料的全息數(shù)字化，在傳統(tǒng)環(huán)境考古的基礎(chǔ)上，對環(huán)境考古數(shù)據(jù)進行數(shù)字化管理、分析、過濾、計算、重組，并將人工智能引入其中，形成環(huán)境考古的知識庫、邏輯庫、方法庫和模型庫，構(gòu)建一個數(shù)字空間，拓展古遺址、古環(huán)境的時間和空間維度，最終實現(xiàn)環(huán)境考古過程的全面數(shù)字化和研究結(jié)果的可視化［1］。“數(shù)字環(huán)境考古”是信息時代對環(huán)境考古研究提出的要求，這一概念的提出與實施為古文化與古環(huán)境研究提供了新的機遇。

聚落是人類占據(jù)地表的一種具體表現(xiàn)，是形成地表形態(tài)的重要組成部分。作為一定時期人類占據(jù)地表的具體表現(xiàn)形式，聚落自產(chǎn)生起就被深深打上了人類文化的烙印，使其具有人類文化的具體特性。同時，聚落作為地表上的一種景觀形態(tài)，其與自然環(huán)境息息相關(guān)，無論是聚落選址還是聚落的空間分布及其演化特征無不與地形、地貌、水文、自然資源等自然環(huán)境因素關(guān)系密切，并不同程度上受到自然環(huán)境的影響，因此聚落同時具有自然屬性。正是聚落具有這種雙重特征，使其成為環(huán)境與文化關(guān)系研究最為理想的紐帶與橋梁，聚落尤其是史前聚落也成為包括數(shù)字環(huán)境考古在內(nèi)的環(huán)境考古最為理想的研究對象。通過史前聚落探索古文化與古環(huán)境相互關(guān)系，使得環(huán)境考古研究從直觀的環(huán)境與抽象的文化中尋求聯(lián)系轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵸|(zhì)的物物相關(guān)性，從而使得環(huán)境考古研究從研究方法到研究過程均具有了更強的目的性、有效性與實質(zhì)性。

1 研究現(xiàn)狀

聚落地理從19世紀以后逐漸形成科學體系，主要研究聚落分布、演變與環(huán)境的關(guān)系，并對其分布與發(fā)展進行預測［2］。1953年美國考古學家 G.R.Willey將聚落形態(tài)(settlement patterns)的概念運用于現(xiàn)代考古研究［3］，此后聚落考古作為一種基本方法迅速在考古研究中得到廣泛應用。中國的聚落考古研究起步于20世紀30年代，殷墟的發(fā)掘被視為中國聚落考古的萌芽。1954—1957年西安半坡遺址的發(fā)掘標志著中國聚落考古研究的展開。進入20世紀80年代，受西方考古學理論與方法的影響，中國的聚落考古研究逐步向深層次發(fā)展。考古學領(lǐng)域的聚落在繼承其地理學特征的同時，更融入了強烈的考古學科自身特有的內(nèi)涵［4］，研究內(nèi)容主要包括聚落布局、同時代諸聚落之間的聯(lián)系以及聚落形態(tài)的變遷等，其目的是依據(jù)考古學文化的聚落形態(tài)來揭示史前社會組織結(jié)構(gòu)與精神世界等方面的特征［5］。

20世紀50年代末，西方地理學進入計量革命時代，地理學家們試圖利用數(shù)學方法來揭示人文地理客體的物質(zhì)運動規(guī)律。人文地理學開始步入由定性研究走向定量分析的新階段。聚落研究也隨之走向定量化與模式化為主體的時代［6］。聚落模式引入考古學領(lǐng)域之后，一些學者認同了建立聚落模式的必要性與可能性，并發(fā)展出聚落級別模式(rank-sine rule)［7］、泰森多邊形(Thiessen dolygons)、XTENT 等多種模式體系［7-9］。1972年，英國考古學家David L.Clarke使用隨機游動模式對歐洲黃土地帶(班克拉美克地區(qū))新石器時代早期的聚落傳播情況進行模擬;同年，在蒂澤(Tisza)河附近的克羅斯(Koros)地區(qū)，用相似的手段對當?shù)匦率鲿r代早期的聚落發(fā)展情況進行了更為細致的模擬［10］。A.J.Ammerman等對同樣的史前現(xiàn)象進行模擬，研究早期新石器在整個歐洲大陸的傳播［11］。I.Hodder使用人口的邏輯增長和聚落的隨機游動模式，專門就德國安特門捷貝特(Untermaingebiet)地區(qū)新石器時代聚落的擴張問題進行了一項模擬，并根據(jù)聚落規(guī)模增長規(guī)律對遺址的規(guī)模-等級關(guān)系進行研究［12］。此外，也有學者對不同區(qū)域早期聚落所實行的經(jīng)濟策略進行模擬［13］。國內(nèi)相關(guān)研究起步于20世紀末，主要集中于3個方面:(1)聚落模式研究的理論探索，包括國外相關(guān)研究的介紹與國內(nèi)研究現(xiàn)狀與前景的綜述，以張光直，嚴文明，張忠培等諸多考古學家為代表［14-20］;(2)利用中國材料對國外聚落模式研究成果進行驗證，劉莉，張海等分別在黃河中下游與鄭州—洛陽地區(qū)進行了相關(guān)研究［21-22］;(3)構(gòu)建區(qū)域模式來說明聚落形態(tài)，如許順湛構(gòu)建了河南仰韶文化聚落等級模式，并通過這一模式將河南境內(nèi)仰韶文化聚落區(qū)分為4個等級［23］。此外，利用模式分析區(qū)域史前環(huán)境與聚落的關(guān)系也逐漸受到關(guān)注，崔之久等分別構(gòu)建了西拉沐淪河流域與汶泗流域考古文化之間的傳承模式，并通過對比說明不同地域、不同自然條件可以造成考古文化演替與傳承模式的區(qū)域分異［24］。

20世紀末，隨著以“3S”技術(shù)為核心的空間信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，其在空間數(shù)據(jù)獲取、管理、分析、可視化等方面的優(yōu)勢得到考古與環(huán)境考古研究的認可，并被廣泛地應用于各種相關(guān)研究，“數(shù)字環(huán)境考古”的概念隨之提出。史前聚落作為環(huán)境考古學重要研究對象，自然成為數(shù)字環(huán)境考古研究的重點，遙感、GIS、空間數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實等數(shù)字技術(shù)廣泛地應用于史前聚落分布、演化、復原等相關(guān)研究之中，空間信息技術(shù)逐漸成為史前聚落模式研究的重要手段。劉博等對西安浐河流域新石器聚落的考古數(shù)據(jù)進行分析、歸類和研究，確定了表述新石器人地關(guān)系的特征因素，并建立了新石器人地關(guān)系的計算機交互系統(tǒng)［25］。張海通過GIS模型分析對二里頭早期國家的疆域進行探討［26］。畢碩本等利用K-means聚類方法對鄭州—洛陽地區(qū)史前聚落進行數(shù)據(jù)挖掘研究［27］。劉建國等運用GIS空間分析技術(shù)中的緩沖區(qū)分析、坡度與坡向分析、可視域分析等手段，對山西省襄汾縣境內(nèi)的古代聚落進行考古學研究，探究古代聚落的分布與自然環(huán)境的密切關(guān)系，以及古人對自然環(huán)境的依賴與改造［28］。陳濟民等利用決策樹分類法以及聚類算法分別對姜寨一期聚落進行了相關(guān)研究［29］。楊瑞霞等通過河南裴李崗聚落空間分布模式分析，認為河南裴李崗聚落在空間分布上具有雙中心集聚型特征［30］。

2 研究內(nèi)容

與傳統(tǒng)聚落考古的研究內(nèi)容相比，數(shù)字環(huán)境考古中的史前聚落研究更多地將空間信息技術(shù)融入史前聚落研究，在追求空間信息技術(shù)應用合理化的同時，使得空間信息技術(shù)成為史前聚落研究的重要工具，以達到聚落考古研究的數(shù)字化、定量化、系統(tǒng)化與可視化(圖1)。

2.1 區(qū)域史前聚落空間數(shù)據(jù)庫建設

數(shù)據(jù)是史前聚落研究的基礎(chǔ)，對其進行科學的保存與管理是史前聚落研究的關(guān)鍵。因此，區(qū)域史前聚落空間數(shù)據(jù)庫建設是數(shù)字環(huán)境考古中的史前聚落研究的首要任務。區(qū)域史前聚落空間數(shù)據(jù)庫是基于GIS技術(shù)建立的數(shù)據(jù)庫，目的是為史前聚落研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與分析支持。其主要包括2個部分:(1)空間數(shù)據(jù)庫，主要對區(qū)域地形圖、遙感影像、DEM等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進行存儲與管理;(2)屬性數(shù)據(jù)庫，包括史前聚落的位置、時代、面積、堆積厚度、遺跡遺物、海拔高度、地形地貌、所屬水系、與河流的關(guān)系等相關(guān)考古信息與環(huán)境信息。空間數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫通過聚落的位置關(guān)系建立聯(lián)系，便于相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢與分析。

2.2 史前聚落選址模式

數(shù)字環(huán)境考古中的史前聚落選址模式研究具有2個特征:(1)遙感與數(shù)字測量技術(shù)成為相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的重要手段。通過遙感影像分析與數(shù)字測圖可以便易地獲取史前聚落相關(guān)的環(huán)境背景，分析聚落選址與區(qū)域地貌、水系等地理環(huán)境之間的相互關(guān)系，以此探索早期人類居址選擇理念，對比分析不同時期聚落選址環(huán)境背景及演化規(guī)律;(2)統(tǒng)計分析與模型分析的有效應用。通過統(tǒng)計分析可以確定影響史前聚落選址的環(huán)境因素指標與權(quán)重，建立史前聚落選址的定量模型，利用模型分析可以預測潛在聚落遺址的疑似位置。

2.3 史前聚落遷移模式與傳承模式

根據(jù)文化類型、分布區(qū)域、文化遺存在堆積形態(tài)上的主要表現(xiàn)(單一型、疊置型)、地理環(huán)境背景(水系、地貌、海拔高度)，以聚落時代之間的演替順序為主線，通過空間分析、統(tǒng)計分析、圖譜分析等技術(shù)手段理清區(qū)域史前聚落傳承的時間模式以及不同文化類型聚落的分布特征，分析區(qū)域史前聚落傳承、演替與遷移特征及其文化與環(huán)境背景，構(gòu)建區(qū)域聚落遷移模式與傳承模式。

2.4 史前聚落文化傳播與交流模式

根據(jù)區(qū)域相同時代的史前聚落不同類型文化遺存的空間分布特征，利用數(shù)據(jù)庫與GIS制圖功能制作區(qū)域各類文化遺存的空間分布圖，構(gòu)建區(qū)域史前文化演變系列圖譜，利用GIS空間分析功能分析區(qū)域不同類型與不同譜系文化之間相互交流與傳播的方式與規(guī)律，判斷文化傳播與交流的方向和路線，探索文化傳播和交流的環(huán)境和文化背景。

圖1 數(shù)字環(huán)境考古中的史前聚落研究技術(shù)路線Fig.1 The technical route of prehistoric settlement in digital environment archaeology

2.5 史前聚落規(guī)模－等級模式

選擇遺址面積、文化層厚度、重要遺跡與遺物(城址、墓葬、器物等)規(guī)模等級、區(qū)位條件(交通條件、資源條件)等影響聚落規(guī)模等級的因素作為參評因子，根據(jù)專家打分確定各個因子的權(quán)重，利用加權(quán)求和的方式建立區(qū)域史前聚落規(guī)模-等級模型，計算不同時期聚落的規(guī)模等級指數(shù)，按照指數(shù)的分布特征確定區(qū)域史前聚落等級層次與劃分標準，確定史前聚落的級別。制作區(qū)域各時期聚落規(guī)模-等級分布圖，分析區(qū)域聚落規(guī)模-等級分布規(guī)律、演化規(guī)律及其環(huán)境與文化背景。

2.6 區(qū)域史前聚落空間分布模式

以區(qū)域史前聚落為地理對象，選擇適當?shù)臏y度方式分析史前聚落分布的空間模式(集聚、離散、隨機等)，通過聚落選址、遷移與傳承、文化交流與傳播、規(guī)模等級等其他相關(guān)研究結(jié)果綜合分析揭示區(qū)域史前聚落時空分布的規(guī)律性、聚落之間的聯(lián)系規(guī)則、聚落時空分布的演化特征及其文化與環(huán)境背景。

2.7 史前聚落分布時空模式的表達

在數(shù)據(jù)庫支持下，對史前聚落分布時空模式映射在分析空間中的像，應用圖形語言、圖譜、三維可視化等多種方式進行可視化綜合表達與分析。

2.8 區(qū)域史前聚落時空分布模式形成與演化機制

綜合分析影響區(qū)域史前聚落時空分布的文化因素與環(huán)境因素，確定指標和相關(guān)因子，分析其對模式形成的作用與機理，總結(jié)區(qū)域史前聚落時空分布模式的形成與演化機制。

3 研究方法

3.1 區(qū)域調(diào)查

主要包括區(qū)域聚落考古調(diào)查與地理環(huán)境調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括史前聚落的遺址面積、文化類型、文化層厚度、堆積形態(tài)、遺址域環(huán)境特征等基礎(chǔ)信息。此外，還應對區(qū)域地理環(huán)境及其演化進行調(diào)查分析，推導區(qū)域史前環(huán)境特征。

3.2 環(huán)境遙感考古

利用多期遙感影像分析區(qū)域環(huán)境特征，對一些景觀(水系、地貌等)的演化特征進行推導;解譯史前聚落周圍的環(huán)境特征;通過攝影測量等手段獲取相關(guān)因素(地貌單元面積、坡度等)的量化數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)字測量

利用GPS、全站儀等進行實地測量，獲取重要區(qū)域大比例尺地形圖等必需的空間數(shù)據(jù)。

3.4 空間分析與統(tǒng)計分析

利用聚類分析、疊置分析、判別分析、專家咨詢、模糊分析、數(shù)理統(tǒng)計等方法對聚落-聚落、聚落-環(huán)境、聚落-文化的相互關(guān)系進行分析。

3.5 模式識別

應用函數(shù)法、指標法、樣點法等對區(qū)域史前聚落分布時空特征進行分析，選擇空間模式算法對區(qū)域史前聚落分布時空模式進行判別提取。

3.6 對比分析與綜合分析

對比不同時空尺度下的聚落模式，綜合分析影響聚落時空分布的文化與自然因素，探索不同時空尺度下聚落分布的文化與環(huán)境背景。

3.7 空間模式可視化

通過虛擬現(xiàn)實與圖譜，對區(qū)域史前聚落分布時空模式進行直觀、形象、立體、動態(tài)的表達與展示。

4 存在的問題與發(fā)展前景

空間信息技術(shù)擴大了史前聚落研究的視野，為史前聚落研究的發(fā)展注入了新的活力，使得史前聚落研究不斷深入發(fā)展?？v觀國內(nèi)外相關(guān)研究進展，盡管已經(jīng)有許多成功的范例，但總體來說此類研究仍處于起步階段，有許多方面有待改進。

(1)數(shù)字環(huán)境考古中的史前聚落研究以聚落的空間關(guān)系為研究重點。影響聚落時空分布的因素多種多樣，總體來說可以劃分為2類:文化因素與環(huán)境因素。其中文化因素包括史前先民的生產(chǎn)方式、文化傳播與交流、戰(zhàn)略防御、聚落規(guī)模等級及其分布、聚落功能、文化傳承、聚落遷移、經(jīng)濟貿(mào)易、人口規(guī)模、社會組織形態(tài)、選址傳統(tǒng)等，主要表現(xiàn)為聚落面積、文化層厚度、遺跡遺物及其形態(tài)等考古學材料。環(huán)境因素涉及聚落遺址域的地形地貌、水系特征、區(qū)位條件、氣候特征、土壤植被、動植物分布、資源狀況等。這些文化因素與環(huán)境因素共同構(gòu)成了史前先民聚落選址的思想觀念與心理傳統(tǒng)，各個因素緊密聯(lián)系并相互作用，共同影響史前聚落時空分布特征，從而形成影響史前聚落時空分布的作用系統(tǒng)，并構(gòu)成了史前聚落時空分布的理論基礎(chǔ)。因此，史前聚落時空分布研究必須依據(jù)系統(tǒng)論的觀點，全面考慮各種相關(guān)因素。但是當前大部分相關(guān)研究多根據(jù)某種因素或某一方面的因素進行分析，難以說明史前聚落時空分布模式形成的真正原因與根本機制。

(2)從技術(shù)支撐上看，當前數(shù)字環(huán)境考古中的史前聚落研究多為利用某一區(qū)域的相關(guān)材料對原有模型或模式的驗證，構(gòu)建具有區(qū)域特征的史前聚落分布時空模式對特定區(qū)域的史前聚落分布特征進行闡釋說明較為少見，這一現(xiàn)象在國內(nèi)相關(guān)研究中尤為突出。然而，史前聚落分布具有明顯的地域特征，這在史前聚落數(shù)量眾多、文化類型豐富多樣的中國尤為顯著，許多已在特定區(qū)域得到公認的模式在其他區(qū)域的普適性并不明顯。因此，針對特定區(qū)域構(gòu)建恰當?shù)哪Ｊ絹斫忉屨f明史前聚落時空分布特征在數(shù)字環(huán)境考古中的史前聚落研究顯得十分必要。

(3)史前聚落時空分布特征在不同的時間尺度與空間尺度下不盡相同。更為重要的是，不同時空尺度下的史前聚落分布特征從不同層次說明史前先民的聚落選址觀念與傳統(tǒng)，從而構(gòu)成了區(qū)域史前聚落分布的總體規(guī)則。時空尺度的劃分是深度挖掘區(qū)域史前聚落分布規(guī)律的必要途徑，從而也形成數(shù)字環(huán)境考古中的史前聚落研究的方法論基礎(chǔ)。當前，相關(guān)研究多為特定時空尺度下的聚落分布研究，在劃分細致的文化分期(時間坐標)基礎(chǔ)上，按照一定的規(guī)則劃分恰當?shù)目臻g坐標，分別對特定區(qū)域的史前聚落分布特征從宏觀、中觀、微觀等不同空間尺度下進行探索分析并進行對比較為少見。

作為一種先進的研究方式，數(shù)字環(huán)境考古中的史前聚落研究的深入開展是信息時代對史前聚落形態(tài)研究提出的必然要求。雖然許多研究還處于起步階段，但毫無疑問這種研究方式必將在史前聚落形態(tài)研究中發(fā)揮越來越重要的作用并不斷得到充分的發(fā)展，從而為聚落考古研究的發(fā)展做出應有的貢獻。

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