黄河中下游数字环境考古研究
【作者简介】杨瑞霞，河南省科学院地理研究所副研，在读博士。（郑州 450052）
【关 键 词】环境考古；数字技术；黄河中下游
“数字地球”战略的提出与实施，为环境考古研究提供了思路和机会，以多学科交叉为主要特征的环境考古研究越来越倚重数字信息的获取与应用，“数字环境考古”概念也顺应而出。黄河中下游作为中国新石器文化重要策源地，也是夏、商时期中国经济、政治与文化中心，长期以来受到考古与环境考古研究的高度重视。文章从黄河中下游数字环境考古的研究意义、研究方法以及需要关注的若干问题等方面进行讨论，试图叩响黄河中下游数字环境考古研究之大门，为今后数字环境考古研究的广泛与深度开展提供些许借鉴。
1 研究背景及其意义
1.1 背景
20世纪末，信息技术的发展深刻地影响着现代科技、教育、工农业生产，乃至经济建设的各个方面，甚至影响着人们的生活和思维方式。世纪之交，世界各国纷纷提出了“数字地球”的概念，并逐步实施着自己的“数字地球”战略[1]。“数字地球”战略的提出与实施，对环境考古研究提供了新的思路和机会。随着对环境考古研究工作的深入，不仅对如年代的精确测定、地层与文化层的准确划分以及遗址大比例尺平面、剖面图的精确测绘等各种时间、空间及特征高分辨率信息的获取技术的要求越来越高，而且对所获取信息的处理与分析技术要求也越来越高，现代数据库、地理信息系统、国际互联网、数字仿真与虚拟现实等信息科学技术的发展为环境考古信息的处理与综合分析创造了条件。
2002年10月，为纪念世界遗产公约签订30周年，在法国举办的“遗产保护的空间应用”大会，表明了联合国教科文组织对空间信息技术的高度重视。2003年5月，在美国华盛顿举行的第五届世界考古大会，将会议主题确定为“数字时代的考古学”（注：陈述彭，“数字考古”与古环境再现，香山科学会议“历史文化遗产信息的空间认识”学术讨论会会议交流材料，2003年11月。）。2004年10在北京召开的国际遥感考古大会上，关于数字测量、遥感、地理信息系统、虚拟现实等在考古、环境考古中的应用成为大会主要内容，部分与会代表在会议上提出了“Digital Archaeology（数字考古）”、“Digital Site（数字遗址）”的概念（注：Ronald Blom,Donglas Comer,Anthony Freeman,et al.,Application of remote sensing and GIS to archaeology:Examples from diverse environments,International Conference on Remote Sensing Archaeolgy,October,2004.）（注：Maurizio Forte,The reconstruction of the archaeological landsca pe:remote sensing,mindscapes and virtual reality,International Conference on Remote Sensing Archaeology,October 2004.）。国内关于信息技术在考古、环境考古中的应用，自20世纪90年代中期以来，以越来越高的频率出现在论文、论著及会议议题中[2～11]。为了适应信息时代的要求，我们有必要提出并实施“数字环境考古”计划，推动环境考古学研究向纵深发展。
“数字环境考古”是信息时代对环境考古研究提出的要求，是数字测量、遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、虚拟现实（VR）、数据库和网络等现代化技术手段在环境考古研究中的综合运用。数字环境考古的目标，是对遗址、遗址域以及区域的诸多环境考古要素和过程构建一体化的数字集成平台和虚拟环境。
黄河中下游是中华文明的摇篮，是我国新石器文化重要策源地之一，是夏、商、周至唐宋时期经济、政治与文化中心，中国文化在这里孕育、发展，连绵不断。众多的研究表明，中国新石器时代的裴李岗文化、仰韶文化、龙山文化的繁荣和早期的国家政权夏、商王朝等建都在黄河中下游地区，与这一地区适宜的地理环境有密切的关系[12,13]。长期以来，黄河中下游一直是考古和环境考古关注的重点地区[14～18]。
1.2 意义
在黄河中下游地区率先开展数字环境考古，将黄河中下游地区的古代璀璨文明及其与地理环境的密切关系通过数字测量、遥感、地理信息系统、全球定位系统、虚拟现实、数据库和互联网等现代化技术体现出来，有利于对人类进步以及该地区社会发展的系统规律进行综合研究，无论从环境考古信息的获取还是对这些信息的处理与综合分析过程都将得到很大程度的优化。黄河中下游数字环境考古研究的深入开展，将为数字技术应用于环境考古研究提供新的思路和新的方法，为跨学科的环境考古研究、人类发展过程中自然系统与社会系统关联分析与数据融合、信息挖掘与知识发现、模拟与预测等提供共享平台。同时作为突破学科边缘、建立交叉领域、产生新思想、开辟新方向的数字“孵化器”，将对黄河中下游地区古文明探源提供新的依据，为认识、协调现今该区域人地关系和预测未来环境发展提供定量、客观、直观的决策参考，也必将对弘扬中华民族五千年灿烂文化起到积极的推动作用。
2 研究方法与技术体系
2.1 研究方法
2.1.1 空间数据采集。环境考古研究的空间对象按照其规模和内涵分为遗址、遗址域和区域。遗址指的是考古遗物分布的范围，通常通过考古调查确定。遗址域指遗址及其周边密切相关的地域范围。区域指的是具有某种环境考古特征的包含多个遗址域的环境考古范围，如流域、中原地区、环嵩山文化圈等。
通过数字测量可以获得遗址、遗址域以及区域的数字空间信息。数字测量包括全球定位系统、电子全站仪以及遥感数字测量3种方式。（1）环境考古中使用GPS技术，侧重于方便快捷地进行控制测量、目标定位等工作。只有在规模很小的遗址，才利用GPS独立完成测量或测绘，获取空间数据。（2）电子全站仪可以实时计算、显示和输出所需要的点与点之间的方位角、水平距离、高差或点的三维坐标等测量成果[10]。（3）利用航空相片或高空间分辨率的卫星影像，通过全数字摄影测量软件或其它遥感与地理信息系统专用软件，可以获得遗址、遗址域以及区域的遥感影像（影像图）、矢量空间数据，以及由此派生的各类环境考古专题数据（数字高程模型、三维影像等）。对于百万平方米以下的单个遗址，通常不用这种方式，而对于遗址域以及区域的测量、测绘，利用航空摄影数据或卫星数据采集空间信息无疑是最佳的方式。
2.1.2 环境考古信息的数字化管理。环境考古信息包括时间、空间和属性特征信息，从文献、田野考古（调查、勘探与发掘）、地学调查（地形、地貌、地层、气候、水文、土壤等）以及环境分析（动物、植物、生态等）、年代测定等获取的复杂海量信息[19～22]，必须经过提炼、分类转换成能够为数据库接受的数字信息，才便于环境考古的分析与研究。
从环境考古的研究现状与发展趋势看，进行综合的、“缀合式”的研究已成为必然[23]，在这种“缀合式”的研究中，涉及众多的学科和技术，如考古学、历史学、地质学、地理学、第四纪科学、土壤学、埋藏学、气候学、生物学、生态学、人类学、民族学、民俗学、古病理学等学科[24]，以及与这些学科密不可分的测量、摄影、遥感、地理信息系统、理化分析与鉴定技术、分子技术、数理统计等可用于环境考古研究的技术方法。从众多学科与技术方法中获得的纷繁复杂的环境考古信息需要利用计算机技术、数据库技术、网络技术以及地理信息系统集成技术“缀合”在一起，并最终为环境考古研究人员所用。
因此，环境考古信息的数字化与管理应包括以下几项内容：（1）环境考古信息规范化整理；（2）设计环境考古数据库结构；（3）利用计算机、扫描仪等将文字信息、测量数据、图像、图形、摄影、表格等信息数字录入数据库；（4）对数据库进行维护与管理。
2.1.3 环境考古定量模型建立与应用。模型是将环境考古信息转化为知识与规律发现的关键，环境考古研究中涉及的各个专业学科与技术都有相关模型的支持。在数字环境考古中，需要在数据集成平台支持下，将考古学、环境学、体质考古学、遥感考古学、动物考古学、植物考古学等学科相关的模型整理建库，对各定量模型的边界条件、模型因子及适用对象给以说明，建立适用于环境考古分析的模型库。如在遗址环境考古中常用的回归分析、聚类分析、判别分析和趋势面分析等，在遗址域和区域研究中用到的空间分布模型、区位模型、时空预测模型等，都需要经过整理，作为环境考古集成系统中可供调用的模拟分析工具。
2.1.4 虚拟现实技术应用。虚拟现实（virtual reality）技术集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络、并行处理等技术的最新发展成果，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，可以生成一个逼真的视觉、听觉、触觉及味觉等三维感观世界，用户可以直接用人的技能和智慧对这个生成的虚拟实体进行考察和操纵。虚拟现实技术在环境考古研究中的应用就是使用计算机技术生成逼真的三维古代环境、古遗址及其所处环境以及遗址与环境的变化过程等等，并配以相关的声音等信息。如同数字城市、数字流域中制作的城市模型、河流的沙盘一样，虚拟环境考古可以根据环境考古获得的数据对当时情况进行虚拟，通过计算机动态地重现当时的历史片段或环境演变、人类生活现场等等场景；也能够根据环境考古学家的假设或推断进行虚拟，检验假设或推断的可靠性。
2.1.5 以GIS为核心的数字环境考古系统集成。庞杂的环境考古信息，经过数字化建库，为系统管理提供了基础，将时间、空间以及属性特征数据和模型结合形成有用的信息并进行知识和规律的发现，需要以地理信息系统为核心，运用系统集成技术，建立完整的数字环境考古系统。
以环境考古综合研究为基础，在3S的支持下，对古遗址进行三维数字仿真和虚拟，以考古为主线，进行以GIS为核心的考古、自然环境等多源资料的综合、定量分析，进行人地关系及其演变的数字仿真与虚拟，从而建立遗址、遗址域或区域环境考古集成系统。
2.2 技术体系
数字环境考古研究从技术层面看是一个资料获取、数字化、模型分析、信息提取、知识与规律发现以及辅助决策的过程。从科学技术发展的角度来看，可以认为“数字环境考古”是3S功能的延伸。具体地说：（1）“数字化”，从多种渠道获取的考古数据、地理数据、环境数据，以文本、表格、数字化的图像、图形等方式进入计算机，经过快速传输，几何纠正，海量存储，建成数据库，提供查询、检索服务。（2）“信息化”，通过数理统计分析、图形图像识别、时空转换动态变化研究，从海量数据中提取有效信息。（3）“知识化”，通过各种专业应用模型，从有效的时间数据、属性数据以及图形图像或数据中凝练、发现客观规律。（4）“再现”，根据客观规律，参照边界条件，通过虚拟仿真，重建环境考古自然或社会的历史过程，延伸和预测未来的发展趋势，对环境变化、文物资源保护等问题建议几种可能的解决方案。（5）“决策”，由决策部门的领导，审时度势，对多种解决方案做出优选或取舍。
因此，数字环境考古集成系统包括数据采集系统、数据存储及处理系统、模型分析与模拟系统、知识发现与辅助决策系统4个部分。
图1 黄河中下游数字环境考古研究体系
Fig.1 Research system of digital environmental archaeological in the mid-and-down Yellow river
黄河中下游数字环境考古研究属于区域数字环境考古范畴，也包括了对遗址、遗址域的部分研究，但不是遗址、遗址域研究内容的简单累加。从区域角度，将黄河中下游河道变迁、自然环境演变、文化遗址的时空分布以及人类活动与环境的关系等进行以数字信息技术为依托的研究，是环境考古研究的创新和突破，也是多学科与现代信息技术充分融合的尝试（图1）。
3 若干问题探讨
3.1 嵩山文化圈有关数字环境考古
周昆叔先生等在“论嵩山文化圈”一文中谈到“嵩山的山、水、土、生（生物）、气（气候）和位（地理位置）诸环境因素综合作用下促使形成中原古文化，嵩山在中原古文化形成中起到发动机与孵化器的作用，故提出嵩山文化圈的概念。嵩山文化圈是全国古文化的核心，也是嵩山地区与周边地区文化不断交流的结果。”（注：周昆叔，张松林，张震宇等，论嵩山文化圈，2004年。）从空间看，嵩山文化圈面临的是一个区域尺度的数字环境考古问题。该地区包括黄河中游的伊洛河盆地，黄河中游的黄河南岸以及嵩山东部、南部的双洎河、颍河中上游地区，是黄河中下游文化遗址密集程度和重要程度都很高的一个区域。这里的文化遗址时空分布、文化与环境关系等多年来一直是环境考古、遥感考古研究关注的重点（图2），在这里积累了大量的田野考古数据、环境考古成果、遥感考古资料与成果。以往的研究多是针对某一遗址、遗址域或小区域的一个或几个专题的研究，如《洛阳皂角树》一书“把皂角树遗址置于整个洛阳盆地先秦文化与古环境来报告发掘成果”[25]，运用遥感影像对洛河古河道的解译[6]，从历史文献和考古发掘资料对环境考古的诠释[13]，从遗址的时空分布研究文化与环境关系并利用GIS进行遗址预测等等[3]。
图2 嵩山东南部双洎河流域地势与遗址分布图
Fig.2 The hypsography and distribution map of sites in Shuangjihe valley at the southeast Songshan Mountain
嵩山文化圈的重要性会随着该地区数字环境考古研究的深入开展而更加为世人所知，目前，嵩山文化圈的数字环境考古急需从以下几个方面入手：（1）高精度的数字测量，获取重要遗址及区域的精确空间数据。到目前为止，在二里头遗址区、王城岗遗址区等世人瞩目的重要遗址尚没有精确测量的地图数据，嵩山文化圈内缺乏基础空间数据资料的遗址至少占到全部遗址的90%，而整个嵩山文化圈，不仅需要大尺度的空间数据资料（如1:10万、1:5万比例尺地图数据），更需要遗址或遗址域的高精度基础空间数据和专题空间数据（如1:1万比例尺以及更高精度的地图数据）。（2）嵩山文化圈环境演变研究与数字模拟。（3）区域遗址时空分布模型研究。（4）数字环境考古集成系统实验与实践。
3.2 数字遗址建设
在黄河中下游地区分布着我国数量最多、意义重大的大型文化遗址，尤其是史前重要的城址，如二里头遗址、安阳殷墟、郑韩故城以及刚刚被确认为中国第八大古都的郑州商城等，这些大型遗址及其周边环境的管理与文物保护迫切需要现代信息技术的支持。因此，大型遗址及其保护的数字化建设是黄河中下游数字环境考古近期关注的内容之一。
以我们正在建设的数字郑韩故城为例，其目标是利用遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、虚拟现实技术（VR）等现代化手段，对大型遗址构建一体化的数字集成平台和虚拟环境。在整理遗址数十年来的考古调查、发掘与研究资料基础上，建立包括文字、图形图像（矢量、光栅）、影像、声音等形式的遗址基础信息数据库，实现遗址信息的输入、编辑、浏览、查询、输出以及网络发布、网上浏览等功能，并结合考古模型，建立遗址考古分析与研究模型系统，辅助完成考古学对比分析、分类、标定等专业研究与分析工作。利用数字仿真与虚拟现实技术，从宏观与微观不同尺度上虚拟再现遗址原状、遗址周围环境、田野发掘过程（探方地层、出土器物等）以及遗址保护状况的动态模拟，为遗址研究提供完整、直观的研究参考，为文物保护的决策提供科学的依据，上述目标通过相应的功能实现（图3）。
3.3 黄河下游冲积平原地下遗址数字调查
黄河以“善淤、善决、善徙”而著称，历史上黄河曾北达海河，南至淮河，所以历史时期的黄河流域包括了淮河和海河之间的广大区域[26]。尤其是在黄河下游，不同时期的黄河故道及其支流古河道在华北大平原密集分布，淹埋于黄河冲、淤层下的文化遗存难计其数，遗迹的淹埋深度从几米到20余m不等，因此黄河下游冲积平原地下遗址数字调查是一项艰巨而困难的数字环境考古任务。
图3 数字郑韩故城功能模块
Fig.3 Function modules of digital Zhenghan old city
黄河下游冲积平原地下遗址数字调查应包括以下内容：（1）黄河及其支流古河道的数字调查与数据建库。（2）黄河下游遗存的文献资料收集、整理与数字化。（3）环境考古数字调查方法的选择与实验。在黄河下游淤积区进行的环境考古调查手段包括遥感（航天、航空、物探）、洛阳铲、工程钻机等，需要了解各地区的地层特征、不同技术手段的实验参数与适应条件，建立相应的分析模型。张光直先生曾在商丘进行考古、遥感、环境相结合的调查，取得了重要的成果（如发现了商丘宋城），河南省科学院地理研究所在商丘、开封等地进行的环境遥感调查与实验，也取得了一些重要线索和成果（发现了大型沟渠遗迹、古运河码头疑似遗迹等）。（4）地下多层遗存的虚拟建模与再现。黄河下游遗址区的地表下，在不同深度分布着不同时期的文化遗存，如著名的开封从地表到地下的“城摞城”现象[27]，按照传统的方法，这些遗址的研究和保护非常困难，在发掘研究下层的文化遗存时，已经破坏了叠压在其上的遗存，虚拟现实技术为此提供了一个弥补的机会，即将其做成一个虚拟遗址，然后继续进行考古发掘，无论发掘出多少有意义的历史遗存，我们都将其记录成虚拟现实的资料，直到最下层的遗址发掘出来为止。这应该是有效、科学、经济的方法（注：林果，关于航空遥感考古学科的理论架构思考，香山科学会议“历史文化遗产信息的空间认识”学术讨论会会议交流材料，2003年11月。）。
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来源：《地域研究与开发》2005年02期第106～111页，转自中国社会科学网（2011-7-14）
