楊瑞霞 陳盼盼 唐際根

（作者單位 1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球?qū)嶒?yàn)室；2.河南省科學(xué)院地理研究所；3.聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際自然與文化遺產(chǎn)空間技術(shù)中心鄭州分中心；4.南方科技大學(xué)；5.中國(guó)社會(huì)科學(xué)研究院考古研究所）

地形地貌是遺址環(huán)境的重要組成部分，地貌重建尤其是微地貌重建對(duì)于回溯遺址存在時(shí)期地理環(huán)境特征，探討古人類選址、遺址形態(tài)布局等問(wèn)題具有重要意義[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 越來(lái)越多的科技手段和設(shè)備被運(yùn)用到考古學(xué)上[2]。傳統(tǒng)考古學(xué)在宏觀尺度下的定性描述轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代數(shù)字考古中微觀尺度的定量描述成為遺址地貌重建研究的發(fā)展趨勢(shì)與需求[3]。 在此方面，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量[4]、三維激光掃描[5]、GPS 等技術(shù)被廣泛應(yīng)用。 這些技術(shù)對(duì)于正在進(jìn)行或即將進(jìn)行的考古發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)的記錄與三維重建富有成效，但很難應(yīng)用于那些已經(jīng)完成田野考古發(fā)掘、 無(wú)法恢復(fù)的遺址[6]。對(duì)于這些遺址， 已經(jīng)獲得的考古發(fā)掘資料是采集遺址早期地層信息的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，可以作為早期地表形態(tài)重建的重要依據(jù)。

考古發(fā)掘資料是考古發(fā)掘的過(guò)程記錄和重要成果，蘊(yùn)含著豐富的考古地層信息，但通常以文檔形式存在， 難以直觀反映歷史時(shí)期地貌形態(tài)特征以及地形地貌與遺跡的空間關(guān)系。 GIS（地理信息系統(tǒng)）具有數(shù)據(jù)整合與管理、地形模擬、分析與展示的功能，通過(guò)考古發(fā)掘資料中地層記錄信息的空間精細(xì)定位與地理編碼， 能夠?qū)崿F(xiàn)文檔記錄信息的空間化處理和信息再利用， 實(shí)現(xiàn)從零碎地層文本信息到區(qū)域空間三維模型表達(dá)的轉(zhuǎn)換。 本研究以文本信息空間化為基礎(chǔ)，利用GIS 工具，嘗試提出一種基于考古發(fā)掘資料的遺址尺度早期地表形態(tài)三維重建方法， 并以安陽(yáng)殷墟部分發(fā)掘區(qū)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 為考古遺址地形三維建模提供新的思路和借鑒。

一、遺址地形三維重建方法

本研究針對(duì)遺址早期地表形態(tài)重建困難的問(wèn)題，充分利用考古發(fā)掘資料，將文檔記錄的地層信息經(jīng)過(guò)篩選、整理，形成某時(shí)代遺跡的空間和屬性信息， 進(jìn)而計(jì)算遺跡單元距離發(fā)掘時(shí)地表的深度， 形成發(fā)掘區(qū)域某時(shí)代地表高程數(shù)據(jù)集， 在遺址區(qū)域級(jí)差網(wǎng)格系統(tǒng)框架下，對(duì)遺址區(qū)早期地形進(jìn)行三維重建，反演多種尺度下的遺址區(qū)地表形態(tài)。 技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 技術(shù)流程圖

1.遺址分區(qū)與網(wǎng)格編碼

為統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)與測(cè)量精度控制， 需要設(shè)置遺址區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)。 原點(diǎn)選取原則為地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，地點(diǎn)易于保存，位置明顯，能夠使得遺跡均勻分布在原點(diǎn)四周。 原點(diǎn)作為控制點(diǎn)，需要嚴(yán)格控制其測(cè)量誤差，精確測(cè)量平面坐標(biāo)及高程。 原點(diǎn)選取后，對(duì)遺址區(qū)域進(jìn)行分區(qū)編碼。 在對(duì)遺址分區(qū)圖進(jìn)行空間校正的基礎(chǔ)上， 使用GIS 軟件構(gòu)建遺址區(qū)域5000 米、1000 米、500 米、100 米的級(jí)差網(wǎng)格，對(duì)各級(jí)網(wǎng)格進(jìn)行編號(hào)與命名， 得到多等級(jí)基礎(chǔ)網(wǎng)格分布圖。（圖2）基礎(chǔ)網(wǎng)格的等級(jí)和大小要求根據(jù)實(shí)際情況確定，遵循遺跡分布均勻，不密集于單個(gè)單元格的原則， 同時(shí)也應(yīng)滿足多尺度三維模型的構(gòu)建需要。

2.考古發(fā)掘資料處理

整理遺址區(qū)某時(shí)代遺跡的相關(guān)考古發(fā)掘資料，資料包括探方分布、層位信息、遺跡類型、出土遺物等。 記錄遺址相關(guān)的要素信息，包括探方號(hào)、位置文字描述、開口層位、開口距地表深度、空間位置等。 考古發(fā)掘資料處理流程主要分為兩個(gè)步驟： 一是遺跡位置的空間定標(biāo)；二是單元網(wǎng)格內(nèi)遺跡信息統(tǒng)計(jì)。

（1）遺跡位置空間標(biāo)定

按照發(fā)掘資料提供的位置描述和記錄信息， 對(duì)某時(shí)代遺跡進(jìn)行分類空間標(biāo)定和地理編碼匹配。 為將整理的遺跡信息精確到每一個(gè)最小分區(qū)單元格內(nèi)， 采用圖上標(biāo)注法將每一個(gè)能提取空間位置信息的發(fā)掘記錄在現(xiàn)狀高分辨率遙感影像圖疊加網(wǎng)格圖的底圖上進(jìn)行大致位置標(biāo)示。 先判斷其位于哪個(gè)單元網(wǎng)格，再判斷其在該網(wǎng)格的具體方位或位置，然后在矢量網(wǎng)格圖上利用增加點(diǎn)的編輯方法標(biāo)記該遺跡的空間位置。 在處理中需逐條進(jìn)行處理， 盡可能將每一個(gè)有空間信息的遺跡發(fā)掘記錄都能較準(zhǔn)確地配置在網(wǎng)格影像圖上。（圖3）由于有些遺跡發(fā)掘年代較早，記錄不規(guī)范， 位置信息描述不準(zhǔn)確， 常常會(huì)出現(xiàn)諸如“位于北村村東的塬地和坡地上” 之類的描述，或記錄的地名已經(jīng)發(fā)生多次變更的現(xiàn)象，因此需要盡可能收集不同時(shí)期的遺址區(qū)域地圖數(shù)據(jù)、 遙感數(shù)據(jù)， 找到當(dāng)時(shí)描述的參照地物， 必要時(shí)還需要實(shí)地走訪調(diào)查并測(cè)量其空間坐標(biāo)方位，以提高數(shù)據(jù)的精度。

圖2 多等級(jí)基礎(chǔ)網(wǎng)格分布圖

圖3 遺跡位置及空間標(biāo)定（殷墟實(shí)驗(yàn)區(qū)）

（2）單元網(wǎng)格遺跡信息統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)每個(gè)單元格內(nèi)的遺跡發(fā)掘記錄，以網(wǎng)格序號(hào)、網(wǎng)格編號(hào)、遺址點(diǎn)數(shù)、探方數(shù)等生成遺址分區(qū)統(tǒng)計(jì)表。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，檢驗(yàn)基礎(chǔ)網(wǎng)格系統(tǒng)的格網(wǎng)大小和等級(jí)是否滿足工程需要，是否符合其布設(shè)原則。 如果不合適需再次調(diào)整。

3.建立遺跡單元高程量算模型

為了計(jì)算遺跡時(shí)代 （如商代） 的地表高程， 需要依據(jù)發(fā)掘時(shí)現(xiàn)狀地表高程和遺跡距離地表的深度數(shù)據(jù)， 用遺跡時(shí)代的高程采用發(fā)掘起始面高程減去發(fā)掘資料中記錄的某時(shí)代遺跡距地面的高度獲得， 即以發(fā)掘時(shí)期t的現(xiàn)狀地表起始高程計(jì)算遺址早期某時(shí)代T的地表高程，具體公式如下：

式中，T 表示早期某個(gè)時(shí)代 （遺跡形成的時(shí)代）， 一個(gè)遺址區(qū)域可能包含多個(gè)時(shí)代（i=1，2，3， …，m）的遺跡；t 為某時(shí)代遺跡的發(fā)掘時(shí)間（j=1，2，3， …，n），H 是地表高程值，那么Ht 則表示發(fā)掘時(shí)期的某遺跡點(diǎn)位置的現(xiàn)狀地表高程；HT 表示該遺跡形成時(shí)代的計(jì)算地表高程，表示發(fā)掘資料中遺跡單元或記錄單元距發(fā)掘時(shí)地面的高度。對(duì)于墓葬，為墓口距發(fā)掘時(shí)現(xiàn)狀地表的深度；針對(duì)房址，為開口距地表的深度；對(duì)于發(fā)掘探方，為該時(shí)代最晚期文化層開口深度。 （圖4）

中國(guó)在過(guò)去的近百年考古發(fā)掘研究中，部分遺址經(jīng)歷了多個(gè)時(shí)期跨度數(shù)十年的多次發(fā)掘過(guò)程， 考慮到過(guò)去的幾十年間地表形態(tài)的巨大變化，在計(jì)算遺跡時(shí)代的地層高程時(shí)，參照的現(xiàn)狀地表起始面應(yīng)以接近發(fā)掘時(shí)期的地表高程為基準(zhǔn)， 數(shù)據(jù)源可以為發(fā)掘時(shí)期地形圖、 實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)或數(shù)字高程模型DEM（Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)等，選擇最接近當(dāng)時(shí)狀態(tài)的地圖，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和空間校正，定位遺跡位置， 提取現(xiàn)狀高程數(shù)據(jù)作為公式中的Ht 值。

圖4 遺跡深度示意圖

4.構(gòu)建遺址地形三維模型

DEM 是用于表示地表高程起伏特征形態(tài)的有序數(shù)值陣列[7]。常用的表示方法有規(guī)則格網(wǎng)模型DEM 和不規(guī)則格網(wǎng)模型TIN（Triangled Irregular Network）。 TIN 可以根據(jù)區(qū)域的有限個(gè)點(diǎn)集將區(qū)域劃分為相等的三角面網(wǎng)絡(luò)。 相比規(guī)則格網(wǎng)模型，TIN 能夠避免地形平坦時(shí)的數(shù)據(jù)冗余， 又能按地形特征點(diǎn)表示數(shù)字高程特征[8]。因此本研究選用TIN 模型構(gòu)建遺址地表形態(tài)。

先建立高程點(diǎn)圖層， 將最小分區(qū)單元的中心點(diǎn)作為高程記錄點(diǎn)。 利用整理好的遺址發(fā)掘信息按照空間位置與分區(qū)網(wǎng)格單元掛接， 遺跡單元的高程值作為最小分區(qū)單元的高程值存放在高程圖層的屬性表中。 利用最小分區(qū)單元的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)， 選擇合適的空間內(nèi)插方法， 將高程數(shù)據(jù)模擬到整個(gè)遺址區(qū)域后，創(chuàng)建TIN 模型，生成遺址早期三維地形模型，模擬遺跡古地表形態(tài)。

二、實(shí)驗(yàn)與分析

基于上述遺址早期地形重建方法， 本研究以安陽(yáng)殷墟遺址為案例， 進(jìn)行商代地形三維重建實(shí)驗(yàn)。安陽(yáng)殷墟遺址規(guī)模大，發(fā)掘持續(xù)時(shí)間有90 余年， 保存了海量的考古發(fā)掘資料。長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的遺址區(qū)域發(fā)掘，獲得了安陽(yáng)遺址區(qū)大部分地區(qū)的考古發(fā)掘資料， 為區(qū)域商代地形的研究提供了理論可行性， 對(duì)于國(guó)內(nèi)大遺址的多尺度早期地形重建具有重要的借鑒和示范價(jià)值。

1.遺址概況

殷墟位于河南省安陽(yáng)市西北郊小屯村一帶，地理坐標(biāo)為114°18′E，36°07′N，是商代后期的都城遺址。作為世界文化遺產(chǎn)，目前遺產(chǎn)地保護(hù)區(qū)核心面積414 公頃， 緩沖區(qū)面積為720 公頃。 （圖5）殷墟總體布局嚴(yán)整，以小屯村殷墟宮殿宗廟遺址為中心， 散布在洹河南北兩岸[9]。自20 世紀(jì)20 年代開始的殷墟發(fā)掘工作， 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的主要遺跡包括小屯宮殿宗廟遺址、王陵遺址、洹北商城、后岡遺址以及族邑聚落遺址、手工業(yè)作坊遺址、墓葬遺址等。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

圖5 殷墟保護(hù)區(qū)主要遺址分布

實(shí)驗(yàn)中涉及的安陽(yáng)殷墟發(fā)掘資料主要包括商代墓葬、房址、道路、探方等508 條遺址發(fā)掘信息，以及殷墟分區(qū)示意圖等資料。 資料范圍包括小屯、孝民屯南區(qū)、大司空、劉家莊北地、人民醫(yī)院新址、二中、徐家橋、郭家莊、辛店集等14 個(gè)發(fā)掘區(qū)。 遺址發(fā)掘資料以未被盜掘的墓葬為主， 以商代層下直接疊壓生土的探方為主。 遺址分區(qū)坐標(biāo)原點(diǎn)位于中國(guó)社會(huì)科學(xué)院考古研究所安陽(yáng)工作站內(nèi)， 在對(duì)遺址分區(qū)圖進(jìn)行空間校正的基礎(chǔ)上， 在ArcGIS軟件中構(gòu)建了遺址區(qū)域5000 米、1000 米、500米、100 米的級(jí)差網(wǎng)絡(luò)。 （圖2）

在具體實(shí)驗(yàn)中， 因數(shù)據(jù)不能均勻覆蓋遺址區(qū)所有單元網(wǎng)格， 為了提高精度和充分利用數(shù)據(jù)，突破了原來(lái)設(shè)定的最小網(wǎng)格尺度，改為直接以每條記錄的實(shí)際位置進(jìn)行水平空間定位，并基于上述早期地形重建方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)點(diǎn)殷墟商代地表形態(tài)復(fù)原， 局部復(fù)原6處發(fā)掘區(qū)，部分復(fù)原結(jié)果如圖6 所示。 為了進(jìn)一步分析現(xiàn)代地表形態(tài)與商代模擬地表的形態(tài)特征，將制作的現(xiàn)代地表DEM 與模擬的商代地表模型疊加顯示（圖7），可以看出區(qū)域地形在過(guò)去的3000 多年整體趨勢(shì)一致。

圖6 殷墟遺址局部商代地表復(fù)原

研究中模擬復(fù)原了6 處發(fā)掘區(qū)的商代地表模型， 結(jié)果比較直觀顯示出商代晚期安陽(yáng)殷墟地區(qū)地表高低起伏的形態(tài)特征。 商代地形與現(xiàn)代整體特征相似， 均為西北高東南低呈階梯狀展布。 從局部地貌看，孝民屯發(fā)掘區(qū)商代地表高程在80.8～85.3 米， 整體地勢(shì)較高，局部呈現(xiàn)自西北向東南的“凹弧形”相對(duì)降低，發(fā)掘區(qū)內(nèi)主要遺跡如墓葬、居址等，密集分布在該區(qū)域地勢(shì)相對(duì)較高的西部及北部， 表明商代古人類在墓葬埋藏位置選擇以及房屋選址上對(duì)微地貌環(huán)境條件有一定的選擇傾向。 此外，通過(guò)對(duì)比現(xiàn)代地表，孝民屯東部為洹河， 該遺址區(qū)處于河流凹岸相對(duì)較高的地貌單元，但從現(xiàn)代地表“凹弧形”地貌的走勢(shì)看， 商代或之前的洹河該段可能與當(dāng)今河流情況有所差別。 今后如果能夠擴(kuò)大商代地表重建范圍， 可能比較完整地復(fù)原殷墟區(qū)域商代的地表形態(tài)， 進(jìn)一步了解當(dāng)時(shí)人類的生活方式和環(huán)境理念。

三、結(jié)論

本文提出了一種基于考古發(fā)掘資料的遺址地形三維重建方法，并通過(guò)殷墟局地發(fā)掘區(qū)的實(shí)驗(yàn)， 實(shí)現(xiàn)早期地表形態(tài)的模擬逼近。 模型結(jié)果不僅具有直觀的地形可視化效果，而且空間精度較高，便于對(duì)不同時(shí)期地形變化進(jìn)行對(duì)比分析。 早期地形重建方法基于遺址發(fā)掘檔案，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘和地理信息系統(tǒng)工具，可解決一直困擾業(yè)界的早期地表形態(tài)重建問(wèn)題，對(duì)于大遺址的區(qū)域多尺度早期地表形態(tài)復(fù)原提供了經(jīng)濟(jì)、 高效的途徑。本研究有助于考古發(fā)掘資料的規(guī)范化、數(shù)字化、可視化與深度挖掘，在考古遺址大數(shù)據(jù)支持下實(shí)現(xiàn)對(duì)遺址的再認(rèn)知，促進(jìn)考古遺址的環(huán)境與布局研究。

致謝：研究生耿同、盧一祎等協(xié)助整理數(shù)據(jù)。 鄭州市文物考古研究院“中原地區(qū)商代墓葬三維建模研究”課題的資助。