基于ArcGIS的虛擬布方技術(shù)在大遺址考古中的應(yīng)用
——以哈薩克斯坦拉哈特遺址、陜西澄城劉家洼遺址為例

□趙汗青

ArcGIS是美國(guó)ESRI公司研發(fā)的地理信息系統(tǒng) （GIS）產(chǎn)品，主要包含 ArcMap、ArcCatalog和ArcToolbox三大應(yīng)用程序，通過(guò)這三個(gè)程序的協(xié)調(diào)工作，用戶(hù)可完成包括制圖、數(shù)據(jù)管理、空間分析、數(shù)據(jù)編輯和地理處理等多種GIS任務(wù)[1]。

在以往的田野工作中，考古工作者通常使用羅盤(pán)、皮尺，針對(duì)所需要的發(fā)掘區(qū)域布設(shè)探方，這樣難以建立大范圍統(tǒng)一、精確的控制系統(tǒng)。如果兩片發(fā)掘區(qū)域距離較遠(yuǎn)、發(fā)掘時(shí)間相隔較長(zhǎng)的話，想在一張底圖上記錄長(zhǎng)期以來(lái)的發(fā)掘成果就很困難。隨著專(zhuān)業(yè)測(cè)繪儀器及地理信息軟件的普及，在更大范圍內(nèi)進(jìn)行整體虛擬布方，跨時(shí)空收集整合考古資料成為可能。

2017—2018年，陜西省考古研究院和哈薩克斯坦伊塞克國(guó)家歷史文化博物館聯(lián)合組隊(duì)，對(duì)位于阿拉木圖（哈薩克斯坦最大的城市）市區(qū)以東50千米、阿拉套山北麓的拉哈特遺址開(kāi)展了考古調(diào)查及發(fā)掘工作。拉哈特遺址中心是一座近長(zhǎng)方形的高臺(tái)，頂部小、底部大，高約18米，頂端面積約1萬(wàn)平方米，周?chē)袃傻篮緶蠂@。據(jù)當(dāng)?shù)乜脊湃藛T的說(shuō)法，該高臺(tái)遺跡很可能是公元前7世紀(jì)—公元前3世紀(jì)的塞人王族生前的居住處所，也就是塞人王族的宮殿所在。1969年在伊塞克鎮(zhèn)發(fā)掘過(guò)塞人王族的墓葬，由于墓葬中出土了黃金制作的完整衣服，故被命名“金人”墓葬，該發(fā)現(xiàn)對(duì)中亞古代考古研究有著很大影響。

哈薩克斯坦伊塞克國(guó)家歷史文化博物館和陜西省考古研究院就拉哈特遺址、周邊遺存的考古工作簽訂了為期5年的合作協(xié)議。為了科學(xué)規(guī)劃這5年的考古工作，統(tǒng)一收集工作成果，在地面踏查、考古鉆探的基礎(chǔ)上，使用ArcGIS對(duì)遺址周邊1平方千米范圍進(jìn)行了虛擬布方，共布設(shè)10米×10米探方1萬(wàn)個(gè)。

一、布方前準(zhǔn)備

（一）坐標(biāo)系的選擇

為了保證虛擬布方尺寸在ArcMap中的準(zhǔn)確性，坐標(biāo)系應(yīng)選用投影坐標(biāo)系，忌用地理坐標(biāo)系。因?yàn)榈乩碜鴺?biāo)系是基于球體的坐標(biāo)系，而非平面坐標(biāo)系，它使用基于經(jīng)緯度坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái)描述地球上某個(gè)點(diǎn)所處的位置[2]。隨著經(jīng)緯度的變化，在ArcMap中布設(shè)的探方尺寸會(huì)有不同，在實(shí)際放樣過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生較大誤差。同時(shí)，由于域外考古的特殊性，無(wú)法采用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有成熟坐標(biāo)系，因此筆者采用WGS84坐標(biāo)系，UTM投影 （通用橫軸墨卡托投影）對(duì)拉哈特遺址進(jìn)行控制測(cè)量。

（二）底圖的選擇

隨著無(wú)人機(jī)、RTK等設(shè)備的普及，獲取遺址大范圍正射影像已經(jīng)不是一件難事?？紤]到便于領(lǐng)隊(duì)規(guī)劃田野工作、后期探方放樣等因素，使用ArcGIS布方時(shí)，應(yīng)盡量采用比例為1：2000或以上的正射影像。不便獲取遺址正射影像的，也可使用谷歌地球中提供的衛(wèi)星影像。

在使用正射影像時(shí)，要保證像控點(diǎn)、ArcGIS、放樣RTK等處于統(tǒng)一坐標(biāo)系內(nèi)。使用谷歌地球衛(wèi)星影像時(shí)，要對(duì)所下載的衛(wèi)星圖像進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換或圖像校準(zhǔn)，亦保證其處于統(tǒng)一坐標(biāo)系。

（三）基點(diǎn)的選擇

虛擬布方的基點(diǎn)可以采用實(shí)地控制點(diǎn)，也可以采用虛擬基點(diǎn)。使用實(shí)地點(diǎn)時(shí)，需測(cè)量該點(diǎn)準(zhǔn)確坐標(biāo)，在ArcGIS中標(biāo)注，結(jié)合底圖開(kāi)展布方工作。使用虛擬基點(diǎn)時(shí)，可在ArcGIS中加載底圖，選擇合適位置標(biāo)點(diǎn)。虛擬基點(diǎn)應(yīng)在重要遺跡的整數(shù)距離處布設(shè)，避免遺跡跨探方，給資料記錄帶來(lái)不便。

二、具體步驟

（一）加載底圖

打開(kāi)ArcMap，點(diǎn)擊添加數(shù)據(jù)，建立文件夾鏈接。選擇底圖存放文件夾后，添加底圖（圖1）。

（二）建立基點(diǎn)

在拉哈特遺址高臺(tái)上，有一蘇聯(lián)時(shí)期的大地測(cè)量標(biāo)志，筆者原擬以該點(diǎn)為整個(gè)發(fā)掘區(qū)域的基點(diǎn)進(jìn)行探方布設(shè)，但以該點(diǎn)為基點(diǎn)，無(wú)法完全將拉哈特高臺(tái)置于同一象限分區(qū)內(nèi)。遂以該點(diǎn)為基礎(chǔ)，向西460米，向南200米設(shè)置虛擬基點(diǎn)，布設(shè)10米×10米探方1萬(wàn)個(gè)。

首先，打開(kāi)ArcCatalog，右鍵選擇新建Shapefile文件，要素類(lèi)型選擇“點(diǎn)”。為了便于調(diào)取數(shù)據(jù)，在使用ArcCatalog時(shí)，建立的文件夾鏈接宜與底圖等數(shù)據(jù)文件夾一致。同時(shí)，通過(guò)實(shí)測(cè)的蘇聯(lián)基點(diǎn)坐標(biāo)推算虛擬基點(diǎn)坐標(biāo)并記錄（圖2）。

其次，在ArcMap中，添加虛擬基點(diǎn)（操作同添加底圖）。添加完畢后，啟用編輯器工具，輸入推算出該點(diǎn)坐標(biāo)（圖3）。

圖1 加載底圖

圖2 新建Shapefile

圖3 添加虛擬基點(diǎn)并推算出該點(diǎn)坐標(biāo)

（三）使用漁網(wǎng)（Fishnet）工具創(chuàng)建網(wǎng)格

在虛擬基點(diǎn)添加完成后，我們打開(kāi)ArcMap中的ArcToolBox工具，展開(kāi)左側(cè)樹(shù)狀菜單，在“數(shù)據(jù)管理工具”的“要素類(lèi)”中調(diào)取“創(chuàng)建漁網(wǎng)”功能?！皠?chuàng)建漁網(wǎng)”功能打開(kāi)后，首先，在“輸出要素類(lèi)”選項(xiàng)中確定網(wǎng)格保存位置及名稱(chēng)；其次，在“漁網(wǎng)原點(diǎn)坐標(biāo)”選項(xiàng)中輸入“虛擬基點(diǎn)坐標(biāo)（也可在模板范圍選項(xiàng)內(nèi)，下拉菜單，選擇與虛擬基點(diǎn)圖層相同選項(xiàng)進(jìn)行）”，在Y軸坐標(biāo)選項(xiàng)中，為了確保網(wǎng)格方向?yàn)檎?，則保持X坐標(biāo)不變，Y坐標(biāo)增加100；再次，將像元寬度和高度設(shè)置為10，保證每個(gè)探方的尺寸為10米×10米，行數(shù)和列數(shù)設(shè)置為100，保證探方個(gè)數(shù)為100×100個(gè)；最后，不要勾選創(chuàng)建標(biāo)注點(diǎn)選項(xiàng)（圖4）。

（四）要素轉(zhuǎn)面及自動(dòng)生成探方編號(hào)

由于創(chuàng)建的漁網(wǎng)本身不具有要素類(lèi)屬性，無(wú)法生成、顯示編號(hào)，為了能夠自動(dòng)生成探方編號(hào)，需要先將漁網(wǎng)轉(zhuǎn)換為面要素，進(jìn)而自動(dòng)編號(hào)。

首先，打開(kāi)ArcMap中的ArcToolBox工具，展開(kāi)左側(cè)樹(shù)狀菜單，在數(shù)據(jù)管理工具的要素中調(diào)取“要素轉(zhuǎn)面”功能。“要素轉(zhuǎn)面”功能打開(kāi)后，在輸入要素選項(xiàng)中選擇剛創(chuàng)建好的漁網(wǎng)文件，在輸出要素類(lèi)選項(xiàng)中確定轉(zhuǎn)換后面要素的儲(chǔ)存位置及名稱(chēng)，將創(chuàng)建的漁網(wǎng)轉(zhuǎn)為面要素。（圖5）。

其次，對(duì)完成轉(zhuǎn)換的面要素進(jìn)行設(shè)置，使其透明（圖6）。右鍵點(diǎn)該圖層，在屬性菜單中，選擇“標(biāo)注”，進(jìn)入后點(diǎn)擊“表達(dá)式(E)”，書(shū)寫(xiě)表達(dá)式“T”+[FID](圖7)。特別需要注意的是，字母T所用雙引號(hào)應(yīng)為英文輸入法下輸入的半角符號(hào)。結(jié)果如圖8。

圖4 創(chuàng)建漁網(wǎng)參數(shù)設(shè)置

需要指出的是，此種表達(dá)式是依從左到右的順序，順序?yàn)槊總€(gè)探方編號(hào)，若要采用象限法編號(hào)，需要采用相應(yīng)的表達(dá)式。

圖5 要素轉(zhuǎn)面參數(shù)設(shè)置

（五）象限分區(qū)

從理論上來(lái)說(shuō)，上述操作可以布設(shè)無(wú)限多的探方，覆蓋無(wú)限大的區(qū)域。但在實(shí)踐中，考古工作者們通常需要將探方號(hào)控制在四位數(shù)（含）以?xún)?nèi)，所以使用以上方法布設(shè)10米×10米探方時(shí)，至多控制1平方千米的范圍，即100行×100列探方。

當(dāng)需要在更大范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)控布方時(shí)，就需要對(duì)控制區(qū)域進(jìn)行象限分區(qū)，避免出現(xiàn)探方編號(hào)過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)象。結(jié)合陜西省考古研究院在陜西澄城劉家洼遺址的工作經(jīng)驗(yàn)，將工作思路和方法介紹如下：

圖6 設(shè)置面填充為無(wú)顏色

劉家洼遺址在發(fā)掘之初，本著“站在墓地的角度挖墓葬，站在聚落的角度挖墓地，站在區(qū)域背景下看聚落”的思想進(jìn)行了較為全面的規(guī)劃，對(duì)大墓周邊100平方千米的范圍進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查和整體布方。

在大墓東北約1千米的地方設(shè)立虛擬基點(diǎn)，以該點(diǎn)為原點(diǎn)，將100平方千米的區(qū)域劃分為四個(gè)象限（圖9），每個(gè)象限覆蓋5千米×5千米的范圍。每個(gè)象限內(nèi)，又在200米×200米的范圍內(nèi)劃分單元格（25行×25列），在單元格內(nèi)進(jìn)行5米×5米探方布設(shè)。編號(hào)時(shí)，將通過(guò)原點(diǎn)的兩條軸線按照方向，劃分為N、E、S、W軸。N軸自南向北以數(shù)字1~25編號(hào)，S軸自西向東以字母A~Z編號(hào)（需要注意的是字母I與象限編號(hào)所用羅馬數(shù)字重復(fù)，所以不用），S軸自北向南以數(shù)字1~25編號(hào)，W軸自東向西以字母A~Z編號(hào)（圖10）。這樣，每個(gè)單元格的編號(hào)就可以通過(guò)各軸線上的編號(hào)讀出。比如，大墓所在區(qū)域編號(hào)就是ⅢE6，該單元格內(nèi)的探方編號(hào)表達(dá)式可表達(dá)為“ⅢE6T”+[FID]，其他單元格內(nèi)探方編號(hào)如此即可自動(dòng)生成。

圖7 修改圖層標(biāo)注表達(dá)式

圖8 自動(dòng)生成探方編號(hào)

圖9 劉家洼遺址象限分區(qū)

（六）現(xiàn)場(chǎng)放樣

在電腦中布設(shè)好虛擬探方后，需要在實(shí)際發(fā)掘中，實(shí)地放出這些探方。因?yàn)锳rcMap是一款矢量軟件，所以其中進(jìn)行的操作都為矢量操作，圖形中的每個(gè)點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)且唯一的坐標(biāo)?？梢酝ㄟ^(guò)ArcMap中的識(shí)別功能，獲取在發(fā)掘范圍內(nèi)每個(gè)方格（探方）的四角坐標(biāo)或者西南角坐標(biāo)，導(dǎo)入RTK后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)放樣。

隨著測(cè)控設(shè)備的進(jìn)步，現(xiàn)在多數(shù)RTK支持 CAD 格式（.dxf）或者 GIS 格式（.shp）文件整體導(dǎo)入，方便在手簿上進(jìn)行圖形放樣。可以將在ArcMap中做好的漁網(wǎng)方格導(dǎo)出為CAD格式（.dxf）或者 GIS 格式（.shp）文件，保存在RTK手簿中，進(jìn)行放樣。

需要注意的是，在進(jìn)行放樣作業(yè)時(shí)，RTK中新建的工程文件須與布設(shè)虛擬探方時(shí)所使用坐標(biāo)系保持一致，否則無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放樣。

（七）圖形輸出

完成上述操作后，可以將ArcMap切換至布局視圖。在該視圖下，插入風(fēng)玫瑰、指北針、比例尺等制圖要素，完成后進(jìn)行頁(yè)面和打印設(shè)置，生成便于打印的圖形文件。在導(dǎo)出地圖時(shí)，注意設(shè)置圖像分辨率，一般以600dpi為宜（圖11）。

三、余論

1.GIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該盡快統(tǒng)一。在信息技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，越來(lái)越多的數(shù)字化手段被應(yīng)用到考古當(dāng)中。但目前常用的三維掃描、傾斜攝影測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)并無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家（行業(yè)）標(biāo)準(zhǔn)，這給跨區(qū)域進(jìn)行的一些課題或長(zhǎng)期進(jìn)行的大遺址考古帶來(lái)了諸如勘探成果難以統(tǒng)一、基礎(chǔ)資料難以共享等問(wèn)題。各級(jí)文物部門(mén)應(yīng)當(dāng)將GIS系統(tǒng)建設(shè)納入考古項(xiàng)目，特別是大遺址考古之中。逐步建立針對(duì)各類(lèi)遺址的技術(shù)規(guī)范，以便于未來(lái)數(shù)字化的遺產(chǎn)整合。

2.GIS是一種技術(shù)，更應(yīng)是一種思維。GIS的強(qiáng)大在于其多樣的數(shù)據(jù)整合能力、豐富的數(shù)據(jù)分析能力、全面的表達(dá)能力。在運(yùn)用GIS技術(shù)時(shí)，必須根據(jù)具體對(duì)象特點(diǎn)，堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向的原則，緊緊圍繞考古課題目標(biāo)進(jìn)行，避免為了GIS而GIS?？脊殴ぷ髡咴诠ぷ鏖_(kāi)始之前，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，合理設(shè)計(jì)可行的GIS架構(gòu)。

圖10 各軸線編號(hào)示意

圖11 導(dǎo)出地圖及分辨率設(shè)置

3.GIS與考古可以更加緊密地結(jié)合。由于目前考古工作者普遍不了解GIS強(qiáng)大的功能，其在考古工作中還無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有作用。但是，筆者始終堅(jiān)信，GIS與考古結(jié)合的推動(dòng)者必然是考古工作者。因?yàn)榭脊判枨蟛攀前l(fā)展進(jìn)步的內(nèi)在動(dòng)力。多聽(tīng)、多看，及時(shí)了解GIS等技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)和應(yīng)用案例，注重培養(yǎng)既懂考古又懂GIS的復(fù)合型人才，考古學(xué)必將在信息化時(shí)代得到新的發(fā)展。