沈姜威,楊 林,鄭方子豪,吳衛(wèi)紅

(1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實驗室,江蘇 南京 210023) (2.蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息有限公司,江蘇 蘇州 215027) (3.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210023) (4.安徽大學(xué)歷史系,安徽 合肥 230039)

恢復(fù)歷史地理場景是地理信息學(xué)關(guān)注的重要內(nèi)容,古地層是歷史地理場景的重要組成部分,是進(jìn)行各項考古研究的地理平臺. 可視化的三維原始地表模型,是其他地物模型定位的載體,是空間分析和交互操作的基礎(chǔ)[1],能有效輔助考古學(xué)家完成后續(xù)的定量決策分析[2-3]. 考古地層學(xué)最初來源于地質(zhì)地層學(xué),考古地層三維建模方法主要借鑒三維地質(zhì)建模技術(shù).

目前國內(nèi)外相關(guān)研究包括國外研究者開發(fā)的STRAT工具實現(xiàn)了考古地層的交互式可視化功能;Day等人通過整合層位關(guān)系圖(Harris Matrix)和STRAT工具來獲取考古地層二維和三維視圖的方法[4];闞璦珂利用剖面采樣數(shù)據(jù)插值擬合出考古地層面,以三棱柱為基本體元構(gòu)建了成都金沙江遺址考古地層三維模型[5];林冰仙等以探方為基本建模單元,利用手繪圖件構(gòu)建了湖南澧縣八十垱東區(qū)遺址的完整三維模型[6];張立瑩基于探孔數(shù)據(jù)選用體素模型構(gòu)模方式建立了秦始皇帝陵地區(qū)的考古地層模型等[7].

上述方法雖能有效地實現(xiàn)考古地層的三維重建,但生成的遺址地層模型范圍都比較小,停留在一個或多個探方的建模尺度上;數(shù)據(jù)來源比較單一,主要包括手繪平剖面圖和小范圍探孔;地層模型主要是深度模型,并未考量建模地層實際海拔高度,不利于構(gòu)建真實的遺址三維場景. 隨著各項新技術(shù)(激光雷達(dá)[8]、傾斜攝影測量[9]、探地雷達(dá)[10]、GPS[11]、聲納等)的引入,考古數(shù)據(jù)的采集與獲取更加便捷、高效和全面,田野考古數(shù)據(jù)源更加多樣和復(fù)雜[12-13]. 因此,本文試圖通過無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)和大范圍的鉆探點(diǎn)等數(shù)據(jù)重建遺址原始地層三維模型,研究多源數(shù)據(jù)的處理和融合方法,具體體現(xiàn)為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、空間基準(zhǔn)、時空尺度及數(shù)據(jù)內(nèi)容等方面的融合統(tǒng)一,為還原古人生活場景,推斷古地貌、古水文、古氣候等環(huán)境要素的演變提供科學(xué)的平臺[14],并在此基礎(chǔ)上展開初步的應(yīng)用研究.

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和預(yù)處理

數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和預(yù)處理是后續(xù)建模的基礎(chǔ),是地層模型的精度保證,只有確保了原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性,才能構(gòu)建出科學(xué)、精確、可靠的原始地層三維模型,才能正確地輔助后續(xù)的考古研究決策.

為了重建大范圍遺址的原始地表三維模型,以無人機(jī)航拍影像作為現(xiàn)勢數(shù)據(jù)獲取的主要來源,融合大面積的鉆探數(shù)據(jù),并以地形圖、遺跡手繪平剖面圖和發(fā)掘報告等資料作為輔助數(shù)據(jù)完善模型的構(gòu)建. 無人機(jī)傾斜攝影測量是當(dāng)前大面積空間數(shù)據(jù)采集的主要方法,也是研究熱點(diǎn),可以高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確地獲取遺址區(qū)域高分辨率正射影像和數(shù)字高程模型(DEM),為原始地層構(gòu)建提供現(xiàn)勢地表的海拔高度. 鉆探數(shù)據(jù)主要由探鏟獲取,考古人員根據(jù)遺址分布范圍確定布孔規(guī)則. 探孔提供的信息主要包括每個探孔的地理位置、地層分層情況、每一層的土質(zhì)土色及距離地表的深度.

無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要分為兩步,一是使用主流無人機(jī)后處理軟件Pix4D mapper從航拍圖片中利用攝影測量和多目重建的原理快速獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過給予的控制點(diǎn)生成真實坐標(biāo)及數(shù)字高程模型[15];二是對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,提高后續(xù)融合建模效率. 預(yù)處理后的無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)從航拍圖片轉(zhuǎn)變成了離散點(diǎn)云. 鉆探數(shù)據(jù)則需要進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,根據(jù)編號規(guī)則和布孔規(guī)律,提取出每一個探孔點(diǎn)的平面坐標(biāo)(x,y)及其距離地表的深度值z,對于極少部分缺失深度信息或編號記錄有誤的噪音點(diǎn)則直接刪除,通過可信的相鄰點(diǎn)插值獲取.

2 古地層三維重建方法

2.1 面向古地層重建的多源數(shù)據(jù)融合方法

無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)和考古鉆探數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理之后具有了相同的數(shù)據(jù)格式和大致相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)規(guī)模,但是它們所處坐標(biāo)系不同,并不能直接用于后續(xù)建模. 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)可以作為橋梁將這兩類數(shù)據(jù)連接起來,以實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一,從而完成包括遺址基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)和考古鉆探數(shù)據(jù)在內(nèi)的多源數(shù)據(jù)的初步融合.

遺址基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)主要包括各比例尺航空影像圖和遺址地形圖. 田野調(diào)查工作中通常會選取遺址地形圖中某一控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn),其坐標(biāo)主要由全站儀測取,精度較高. 因此以該控制點(diǎn)所在坐標(biāo)系(遺址地形圖所屬坐標(biāo)系)為基準(zhǔn),航拍數(shù)據(jù)坐標(biāo)系和鉆孔數(shù)據(jù)坐標(biāo)系均向其轉(zhuǎn)換,以實現(xiàn)坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一. 在鉆探數(shù)據(jù)的原始獨(dú)立坐標(biāo)系中,鉆探點(diǎn)的平面坐標(biāo)有其自定義規(guī)則(通常是與地形圖同軸向,基于相同采樣間隔的均勻鉆探),通過計算鉆探基準(zhǔn)點(diǎn)與遺址地形圖基準(zhǔn)點(diǎn)的平移量,對所有鉆孔點(diǎn)進(jìn)行相同的平移操作,即可將鉆探數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變成基準(zhǔn)坐標(biāo)系. 無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵在于對航攝影像進(jìn)行像控測量和空中三角測量后,通過與若干地面控制點(diǎn)的聯(lián)測實現(xiàn)坐標(biāo)配準(zhǔn).

在遺址地形圖中基準(zhǔn)點(diǎn)的控制下,航拍數(shù)據(jù)坐標(biāo)系、鉆探數(shù)據(jù)坐標(biāo)系和遺址地形圖坐標(biāo)系得到了統(tǒng)一,多源數(shù)據(jù)實現(xiàn)了初步融合,為后續(xù)的建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

2.2 古地層三維重建方法

確定空間構(gòu)模方法是建立古地層三維模型的第一步. 本文選取曲面建模方式[16],一是由于遺址范圍廣,其他構(gòu)模方法建立的模型過于復(fù)雜,存儲空間太大[17];二是進(jìn)行后續(xù)分析時目前僅僅需要遺址所在地層的三維界面模型,并不關(guān)注與其他地層的關(guān)系,曲面建模即可滿足要求.

基于面的空間構(gòu)模實際上是對樣點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插來建立地層面的數(shù)字高程模型. 因為地層是既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性的“區(qū)域化變量”,而Kriging法正是采用這一概念[18],所以選擇Kriging插值方法來構(gòu)建地層面.

確定好構(gòu)模方式和插值方法后,再進(jìn)行古地層的三維重建. 使用Kriging插值方法分別對無人機(jī)航測數(shù)據(jù)和鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計算,得到無人機(jī)航測數(shù)據(jù)插值曲面(即現(xiàn)勢地表柵格曲面)和鉆探數(shù)據(jù)插值曲面(即鉆孔深度柵格曲面). 由于航拍范圍和鉆探范圍可能并不完全一致,因此要對兩個曲面進(jìn)行掩膜提取,使其大小一致. 最后進(jìn)行柵格計算,保持x、y值不變,只對z值進(jìn)行差運(yùn)算,用現(xiàn)勢地表柵格曲面的高程值減去鉆孔數(shù)據(jù)插值所得曲面的深度值(每一個鉆孔點(diǎn)鉆至遺跡所在地層時距離地表的深度),即可得到原始地層模型的高程值,從而獲得具有真實海拔高度的原始地層?xùn)鸥袂? 得到地層分界面處的高程柵格數(shù)據(jù)集后,創(chuàng)建TIN[19]. 最后在ArcScene中實現(xiàn)地層模型的三維可視化并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)的空間分析. 考古發(fā)掘數(shù)據(jù)與地層的整合是為了細(xì)化地層局部建模層次和精度,方法過程與鉆探數(shù)據(jù)類似. 具體技術(shù)路線見圖1.

2.3 實驗結(jié)果

本文以凌家灘遺址為實驗區(qū),該遺址距今已有約6 000年歷史,是長江下游巢湖流域發(fā)現(xiàn)的面積最大(約160萬m2)、保存最完整的新石器時代聚落遺址. 凌家灘遺址所表現(xiàn)出的文化證明它具有深厚的城市內(nèi)涵,是中國第一個以地勢分層次建筑的聚落遺址[20].

凌家灘遺址鉆探數(shù)據(jù)是以該遺址的某一基準(zhǔn)點(diǎn)為原點(diǎn),東西方向為x軸,南北方向為y軸布設(shè)起來的. 共分為SE、SW、NE、NW 4個區(qū)域. 遺址本體按5 m×5 m加中孔鉆探,并且記錄了所有鉆孔點(diǎn)的總鉆探深度及鉆探到每一層不同土質(zhì)時距離地表的深度,完整的地層分8層. 共記錄數(shù)據(jù)10 501個.

根據(jù)鉆孔規(guī)則和記錄規(guī)則,對鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取出每一個鉆孔點(diǎn)的x、y、z值,其中z表示鉆孔點(diǎn)鉆至生土層時距離地表的深度. 統(tǒng)一單位與格式后,進(jìn)行Kriging插值,擬合得到鉆孔深度柵格曲面. 此外,基于無人機(jī)航拍技術(shù)獲取了凌家灘遺址的航拍影像,使用Pix4D mapper軟件生成遺址點(diǎn)云. 采樣后同樣進(jìn)行Kriging插值,得到現(xiàn)勢地表柵格曲面. 疊加顯示現(xiàn)勢地表插值曲面和鉆孔深度插值曲面,可以發(fā)現(xiàn)由于航拍范圍更廣,現(xiàn)勢地表數(shù)據(jù)比鉆探數(shù)據(jù)覆蓋范圍更大,因此需要做掩膜提取使兩者范圍一致. 最后使用柵格計算器,保持x、y值不變,只對z值進(jìn)行差運(yùn)算,用凌家灘現(xiàn)勢地表的高程值減去鉆孔數(shù)據(jù)插值所得曲面的深度值,即可得到原始地層模型的高程值,從而獲得原始地表的柵格曲面(如圖2). 圖3對比展示了凌家灘現(xiàn)勢地表模型和原始地表三維模型.

需要說明的是,本文選取的插值方法在一定程度上能夠內(nèi)插生成可信的高程點(diǎn),提高建模精度,但是在大范圍的遺址地層構(gòu)建中,鉆探數(shù)據(jù)偏少這一事實普遍存在. 改進(jìn)的方法,除了在鉆探時統(tǒng)籌規(guī)劃,排除困難,鉆取更多的特征點(diǎn),同時需要因地制宜改進(jìn)建模方法,提高其普適性和建模精度.

3 基于古地層的考古應(yīng)用分析

凌家灘遺址北枕太湖山,南鄰裕溪河,東、西、南三面環(huán)水[21],地理位置優(yōu)越,主要功能區(qū)由生活區(qū)(大型紅燒土區(qū))、祭祀?yún)^(qū)、環(huán)壕三部分組成. 各類功能區(qū)數(shù)據(jù)以及水系在經(jīng)過數(shù)字化、配準(zhǔn)和三維處理后可以疊加顯示到古地層上(如圖1所示,考古發(fā)掘數(shù)據(jù)與地層三維模型的融合過程),從而還原出古凌家灘人的生活環(huán)境,在此基礎(chǔ)上能夠更加直觀地分析古凌家灘各功能區(qū)之間的空間關(guān)系及它的分布范圍、形態(tài)(如圖4,其中J1～J6分別代表6個主要居住區(qū)). 由于涉及到其他類型的數(shù)據(jù)源,古地層和各功能區(qū)之間的詳細(xì)融合方法另撰文論述.

基于以上構(gòu)建的遺址三維地理場景圖,可以對各類遺跡進(jìn)行初步的空間分析. 本文擬從壕溝規(guī)模統(tǒng)計、重要遺跡空間關(guān)系、最優(yōu)路徑預(yù)測等幾個方面展開初步應(yīng)用分析.

3.1 壕溝規(guī)模統(tǒng)計

在考古學(xué)界,凌家灘遺址被認(rèn)為具備了最初的城市雛形,素有“中華遠(yuǎn)古文明曙光”之稱[22]. 其中最重要的一個指標(biāo)來自于遺址由南至北類似壕溝遺跡三處,暫且命名為內(nèi)壕、中壕和外壕. 以往的考古研究由于缺乏直觀且準(zhǔn)確的分析平臺,只能根據(jù)發(fā)掘鉆探數(shù)據(jù)大致推斷壕溝規(guī)模,精度較低,而基于遺址三維場景模型,則可以對壕溝規(guī)模進(jìn)行定量評價. 結(jié)合鉆探與發(fā)掘資料及已有考古成果,可以確定壕溝平均寬約30 m,局部深淺不同,崗地最深可達(dá)10 m,兩側(cè)圩區(qū)深約2.5 m[23]. 因此,對土方量的計算主要分為兩個部分:一是兩側(cè)圩區(qū),取其高為2.5 m;二是中間崗地,取其平均高度為6.25 m. 壕溝長度可以在古地表三維模型上量測獲取. 用微分的思想將壕溝看成數(shù)個長方體連接而成,計算每一個長方體的體積,累加后即可大致估算得到壕溝的規(guī)模. 表1是對壕溝的基本地學(xué)統(tǒng)計,可以發(fā)現(xiàn)挖壕土方量極大,如果當(dāng)時沒有掌握神權(quán)、軍權(quán)的聚落首領(lǐng)及巫師在背后把控壕溝的發(fā)掘[23],如此大規(guī)模的防御設(shè)施幾乎不可能有條不紊地修建完成. 從側(cè)面也體現(xiàn)了凌家灘的繁盛及對防御設(shè)施、對領(lǐng)地的重視,說明凌家灘先民的社會財富十分可觀,并且可能經(jīng)常受到外族或是野獸的侵?jǐn)_. 基于遺址地層三維模型,考古學(xué)家可以更加科學(xué)高效地統(tǒng)計遺址內(nèi)重要遺跡規(guī)模,為后續(xù)的決策分析提供可靠的數(shù)據(jù)支撐.

表1 壕溝規(guī)模統(tǒng)計表Table 1 Trench scale statistics

3.2 重要遺跡空間關(guān)系分析

基于遺址三維場景圖,可以看到凌家灘遺址最重要的遺跡祭祀?yún)^(qū)位于遺址的高處,海拔在12～16 m之間,南可俯視生活區(qū)和裕溪河,視野開闊. 生活區(qū)主要集中在裕溪河北岸,內(nèi)壕南側(cè),呈東西條帶狀分布. 此區(qū)域地勢平坦,海拔在4～5 m之間,與祭祀?yún)^(qū)高差約10 m. 環(huán)壕呈不規(guī)則形,其中內(nèi)壕規(guī)模最大,中段穿過高崗,兩端對接裕溪河,將生活區(qū)包圍在內(nèi),同時也分割開了生活區(qū)和祭祀?yún)^(qū). 外壕規(guī)模較小,將祭祀?yún)^(qū)保護(hù)在內(nèi),兩壕溝中間居住遺跡比較零散且規(guī)模不大. 根據(jù)各功能區(qū)之間的空間關(guān)系,可以推斷凌家灘人首先在裕溪河北岸定居,隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展,聚落規(guī)模不斷加大、人口增多,為了保護(hù)財富并且抵御外族和野獸襲擾,凌家灘人首先修建了內(nèi)壕. 之后聚落繼續(xù)向北擴(kuò)張,內(nèi)壕反而限制了聚落的發(fā)展,因此凌家灘人開始在內(nèi)壕北側(cè)建立居住區(qū),并且在內(nèi)壕外專門修建了祭祀?yún)^(qū)來祭拜先祖,最后為了保護(hù)祭祀?yún)^(qū)和內(nèi)壕北側(cè)居民的財產(chǎn)又修建了外壕加強(qiáng)防御,兩條壕溝將整個凌家灘保護(hù)在內(nèi),佐證了考古學(xué)家“雙重壕溝”的推論[23]. 此外,壕溝的修建有規(guī)律可循,都穿過了崗地兩高坡間的低洼處,并在其中設(shè)立了出入口(由考古發(fā)掘資料確定),因地制宜,符合實際. 表2是壕溝出入口與南北兩側(cè)分別距壕溝10 m的崗地高程對比,可以明顯地看到壕溝出入口的高程最低,南北兩側(cè)地勢較高. 遺址地層三維模型的建立不僅使得考古學(xué)家可以更為直觀準(zhǔn)確地分析遺跡內(nèi)重要遺存的空間關(guān)系,還能在此基礎(chǔ)上輔助學(xué)者推斷遺址的發(fā)展演變.

表2 壕溝出入口與南北兩側(cè)崗地高程對比表Table 2 Elevation comparison between the north-south downland and the entrance of the trench

3.3 最優(yōu)路徑分析

路徑分析是推演古人行為模式的重要方法之一. 融合古地表及遺跡(各功能區(qū))數(shù)據(jù),為最優(yōu)路徑解算提供了可能. 本文選取幾個重要的起止點(diǎn)進(jìn)行分析,包括核心生活區(qū)J6中心點(diǎn)到內(nèi)壕溝的出入口、裕溪河及內(nèi)壕溝出入口到祭祀?yún)^(qū)、外壕溝出入口. 使用常規(guī)的成本計算公式,基于坡度和地形起伏因子,最后計算得到各功能區(qū)之間的理論最優(yōu)路徑[24](如圖5). 該研究一方面可以模擬古人日常生活的主要活動路線,推演他們的行為模式;另一方面也為遺址考古調(diào)查、發(fā)掘提供線索和判斷的依據(jù),驗證考古學(xué)家的猜想與推測.

以上融合遺址古地層三維模型和考古發(fā)掘數(shù)據(jù)進(jìn)行的基礎(chǔ)空間分析,由于數(shù)據(jù)有限并且缺乏與考古研究人員的深入溝通,應(yīng)用研究還處于比較淺顯的層次. 但是可以預(yù)見隨著地理信息技術(shù)與考古學(xué)的不斷碰撞交融,遺址場景三維模型的應(yīng)用會更加廣泛深入.

4 結(jié)論

本文提出的建模方法,融合了無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)、大范圍鉆探數(shù)據(jù)、遺址基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和發(fā)掘數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù),最終構(gòu)建得到了古遺址三維場景模型. 并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了初步的空間統(tǒng)計、空間關(guān)系和最優(yōu)路徑分析,滿足考古人員對三維模擬效果和空間分析復(fù)雜度的要求,驗證了研究成果的有效性與實用性. 有助于人類從更高的視角直觀地了解古人生活的自然場景和古人行為模式的發(fā)展過程,對深化空間信息技術(shù)、地理學(xué)與考古學(xué)間的交叉應(yīng)用研究具有重要意義.