早期考古發(fā)掘遺址重定位方法研究*

耿同，楊瑞霞，楊樹剛

(1 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 中國科學(xué)院數(shù)字地球重點實驗室， 北京 100094； 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3 河南省文物考古研究院， 鄭州 450000； 4 城市考古與保護(hù)國家文物局重點科研基地， 鄭州 450000)

田野考古發(fā)掘是考古專家了解人類歷史的重要方法，也是相關(guān)考古研究工作展開的基礎(chǔ)[1]?？脊胚z址內(nèi)各種遺跡、現(xiàn)象、器物等空間位置及其分布狀況是模擬和重建歷史及其演變過程的重要材料[2]。以往的考古發(fā)掘是比較全面掌握遺址空間形態(tài)的重要手段，但部分考古遺址由于發(fā)掘時間早、歷時長、發(fā)掘次數(shù)多，所設(shè)的非永久基點設(shè)施如民房、線桿、道路等[3]缺失或改變(表1)，考古發(fā)掘地點缺乏空間絕對定位，使遺址在后續(xù)研究中常會出現(xiàn)歷年探方無法精確銜接、擴(kuò)方出現(xiàn)誤差、回填地表上探方準(zhǔn)確位置確定困難等問題[4]，為遺址后續(xù)研究和保護(hù)帶來極大不便。如藁城臺西遺址以“南臺”、“西臺”、“北臺”3個高大土丘為遺址位置參照，后期村民取土活動使南臺基本消失，導(dǎo)致遺址的南界無法確定。因此對早期考古發(fā)掘目標(biāo)進(jìn)行位置識別及重新定位，減少其位置和空間分布模糊度及不確定性，具有重要的現(xiàn)實意義。

表1 部分重要遺址考古發(fā)掘時間Table 1 Time of archaeological excavation of some important sites

近年來考古遺址重定位研究在聚落考古、遺址保護(hù)管理與規(guī)劃等領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注。目前主要的研究集中在以下幾個方面：1)遺址位置或布局粗略標(biāo)注，如王嘉琪[5]通過對比隋大興唐長安城格局與佛寺考古資料，采用里坊位置節(jié)點和方位標(biāo)識展示隋唐佛寺遺址歷史位置；鄭鑫[6]利用遺址空間方位信息將渤海遺址進(jìn)行粗略定位；樂玲和張萍[7]在北宋初期絲路要道靈州道復(fù)原研究中，利用城鎮(zhèn)政府駐地點確定地名精確的考古遺址，根據(jù)地形特征標(biāo)注地名非精確遺址。2)實地考察空間位置校正，即通過實地考察，對之前的發(fā)掘遺址位置和布局進(jìn)行校正。金秉駿[8]通過現(xiàn)場勘探測定墓葬經(jīng)緯度坐標(biāo)，校正山東漢代墓葬準(zhǔn)確位置；陳淳等[9]對小長梁遺址發(fā)掘點及過去歷次的探方作GPS定位，梳理與解決小長梁遺址以往發(fā)掘中的無序狀態(tài)。3)基于衛(wèi)星影像遺址定位，Thomas等[10]利用Google Earth對阿富汗進(jìn)行大范圍的虛擬田野調(diào)查，更新和核查已知遺址的平面圖，并通過圖像解析標(biāo)注可能存在的未知遺址；西村陽子和北本朝展[11]提出對比空間圖像史料的相似性復(fù)核絲綢之路遺址的地理位置等。上述研究在位置獲取的精度、效率和技術(shù)難度等方面各有優(yōu)劣：位置粗略標(biāo)注可以充分利用已有資料獲得大空間尺度的遺址分布特征，而遺址定位精度低；實地考察、GPS定位精度較高，但容易受到遺址賦存環(huán)境限制、費時費力，且難以準(zhǔn)確掌握遺址遺存分布情況；利用衛(wèi)星影像可以實現(xiàn)遺址較高精度定位，但僅對遺存可見于影像或埋藏較淺的遺址適用。此外，3類方法都難以實現(xiàn)對已經(jīng)發(fā)掘、而地表覆蓋變化較大尤其是回填后的發(fā)掘區(qū)位置準(zhǔn)確定位，難以對早期發(fā)掘的遺存位置及布方情況進(jìn)行空間復(fù)原。鑒于此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，綜合利用現(xiàn)有技術(shù)，提出一種對早期考古發(fā)掘遺址的基點、遺跡或探方等對象重定位的方法，以期為解決遺跡、探方等空間不確定性問題提供參考。

本文以早期考古發(fā)掘而目前地表不具明顯指示的重要遺址為對象，針對性地搜集、整理遺址相關(guān)資料，挖掘、梳理與遺址空間位置相關(guān)的信息，對相關(guān)位置描述信息進(jìn)行空間量化與轉(zhuǎn)換，借助GIS工具實現(xiàn)早期考古發(fā)掘遺址位置定標(biāo)并還原遺址遺存分布格局，為遺址保護(hù)規(guī)劃方案編制、環(huán)境影響評價以及遺址再研究等提供空間數(shù)據(jù)支持。

1 重定位技術(shù)方法

早期考古發(fā)掘遺址重定位旨在解決遺址位置參照物丟失、遺跡遺物坐標(biāo)不明、考古信息與現(xiàn)實地表位置剝離等問題。通過搜集、梳理與早期考古發(fā)掘遺址地理位置有關(guān)的資料，根據(jù)信息表達(dá)形式歸納為位置描述信息和多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)。位置描述信息是指文本形式的遺址位置的相關(guān)描述及說明，如考古記錄表中的描述。多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)是指以圖形、圖像形式表達(dá)的遺址空間位置信息，如衛(wèi)星影像、早期地形圖、考古繪圖等，多源異構(gòu)性體現(xiàn)在空間坐標(biāo)的多參考系、多尺度、多精度等級以及數(shù)據(jù)格式多樣性等方面[12]。

對早期考古發(fā)掘遺址重定位的技術(shù)方法：首先通過梳理并提煉位置描述信息中的空間關(guān)系特征，利用空間關(guān)系轉(zhuǎn)化方法，對遺址進(jìn)行初步定位與位置關(guān)系分析；然后整合多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)，使之轉(zhuǎn)化為有效的地理空間信息，結(jié)合二者定位結(jié)果，最終確定遺跡或探方位置坐標(biāo)及其與周邊地物的空間關(guān)系，并在大比例尺地圖或高分辨率影像圖上對目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)注，形成遺址(遺跡)位置圖，實現(xiàn)遺跡或探方布局的準(zhǔn)確再定位制圖，可供田野考古參照，考古資料整理和研究以及保護(hù)規(guī)劃方案編制等直接應(yīng)用。

遺址位置描述信息的空間轉(zhuǎn)化首先需要從考古發(fā)掘記錄、文獻(xiàn)資料等文本中提取出遺址地理位置相關(guān)的描述信息。位置描述信息通常應(yīng)包含3個要素：目標(biāo)對象、參照對象以及它們之間的空間關(guān)系。目標(biāo)對象可以是遺址區(qū)、發(fā)掘區(qū)、考古探方、遺跡等要素；參照對象通常是指村鎮(zhèn)、河流等地物要素；目標(biāo)對象與參照對象之間空間關(guān)系，包含方位關(guān)系、度量關(guān)系以及拓?fù)潢P(guān)系。為了充分利用文本資料進(jìn)行再定位參考，需要建立空間關(guān)系轉(zhuǎn)化規(guī)則，將基于文本描述的空間關(guān)系轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)。

早期考古發(fā)掘遺址資料中包括大量的考古繪圖、照片及影像數(shù)據(jù)，但空間參考不統(tǒng)一、參照物消失、控制點缺失等使得已有空間信息難以直接利用，不能成為有效的地理空間信息來源[13]。地理配準(zhǔn)可以利用已有地理空間信息數(shù)據(jù)，建立地理空間與圖像空間映射關(guān)系，使其具備統(tǒng)一空間參考下的絕對坐標(biāo)。地理配準(zhǔn)的精度主要由配準(zhǔn)使用的地理數(shù)據(jù)和配準(zhǔn)方法決定。最常用的地理配準(zhǔn)模型方法有多項式法、共線方程法、有理函數(shù)模型等。多項式法因其原理簡單直觀，計算速度快，尤其是對地形相對平坦的地區(qū)，具有足夠好的校正精度，在地理空間定位與精校正實踐中得到廣泛應(yīng)用[14]。通過采集若干控制點標(biāo)靶作為坐標(biāo)匹配的控制點，將控制點的坐標(biāo)信息導(dǎo)入地理配準(zhǔn)模型，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計算，完成待配準(zhǔn)圖形圖像坐標(biāo)匹配校正。配準(zhǔn)精度通過控制點均方根誤差(root mean square error，RMSE)約束。對于考古遺址的復(fù)查定位實際情況，通常均方根誤差控制在0.5 m以下，即可滿足基本田野考古復(fù)探、復(fù)查的需要。

2 應(yīng)用案例

2.1 遺址概況及數(shù)據(jù)源

孟莊遺址位于河南省輝縣市孟莊鎮(zhèn)東側(cè)(圖1)，為新石器時代至春秋戰(zhàn)國時期遺址。考古調(diào)查與勘探表明，遺址近似橢圓形，總面積約30萬m2。1992—1995年期間曾進(jìn)行多次考古發(fā)掘，揭露面積達(dá)4 600 m2，發(fā)掘出屬于多個文化時期的城墻、水井、墓葬、居址等遺存。由于遺址考古發(fā)掘時間較早且進(jìn)行了回填保護(hù)，之后經(jīng)過土地平整、農(nóng)田水利基本建設(shè)活動等對地表的多次改造，目前遺址區(qū)地勢平坦，地表被農(nóng)作物覆蓋，從現(xiàn)狀地表難以找到歷次發(fā)掘的位置，遺址范圍、整體布局以及遺存分布等信息難以在現(xiàn)狀大比例尺地圖或高分辨率圖像上定位。研究中以孟莊遺址為例，基于GIS技術(shù)利用多元數(shù)據(jù)綜合定位方法對該遺址進(jìn)行重新定位。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area

研究中搜集的輝縣孟莊遺址相關(guān)資料來源于學(xué)術(shù)期刊、互聯(lián)網(wǎng)資源等，其中文獻(xiàn)資料包括河南文物考古研究所編著的《輝縣孟莊》[15]，考古發(fā)掘簡報及相關(guān)研究文獻(xiàn)；數(shù)據(jù)資料包括2009年12月—2017年12月多期孟莊鎮(zhèn)Google高分辨率遙感衛(wèi)星影像圖，2010年由中國建筑設(shè)計研究院設(shè)計并公開的孟莊遺址規(guī)劃圖等。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 位置描述信息的空間轉(zhuǎn)化

篩選并整理出隱含遺址地理位置的描述信息，然后確定信息中參照對象與目標(biāo)對象之間的空間關(guān)系特征，利用空間關(guān)系轉(zhuǎn)化規(guī)則實現(xiàn)描述信息空間化。

1)位置描述信息及其空間關(guān)系分析

《輝縣孟莊》一文中提到，“孟莊遺址位于河南省輝縣市孟莊鎮(zhèn)東側(cè)的臺地之上，遺址近似橢圓形，總面積約30萬平方米”；“1992年以興華中學(xué)圍墻東北角為基點，向東520 m，向南560 m，為重點保護(hù)區(qū)。自重點區(qū)向西向東各100 m，向南80 m，向北120 m為一般保護(hù)范圍”；“遺址分區(qū)總基點設(shè)在遺址的東南部，以一電纜標(biāo)桿為標(biāo)志”；“1992年12月～1993年4月，為配合新輝鄉(xiāng)到輝縣公路的基本建設(shè)，對孟莊遺址中東部進(jìn)行了考古發(fā)掘”。

《中共輝縣黨史》[16]記錄，“百泉東一支渠，原為孟莊渠，也稱普濟(jì)第一渠。1928年馮玉祥從百泉引水到孟莊。1934年續(xù)建，延伸到澗頭村南。1970年用石料將百泉東一支渠從梅溪以下修成暗渠”。文中所提到的孟莊渠與暗渠，與《輝縣孟莊》對應(yīng)：“20世紀(jì)30年代在遺址北部修建一條水渠，使遺址中北部遭受嚴(yán)重破壞。20世紀(jì)60年代在遺址西部修建孟莊渠，龍山文化及商代的西城墻的西半部基本全部被破壞”。

此外，利用網(wǎng)絡(luò)資源得知，在孟莊東1 km，輝縣至新鄉(xiāng)的公路上立有輝縣孟莊遺址的重點文物保護(hù)碑，地理坐標(biāo)113°57′E，35°26′N[17]。標(biāo)識碑一般設(shè)在文物保護(hù)單位出入口。

綜合以上信息，結(jié)合遺址區(qū)現(xiàn)狀，篩選出有效的文本信息并分析其包含的空間關(guān)系，如表2所示。

表2 位置描述信息空間關(guān)系分析Table 2 Spatial relationship analysis of location description information

2)位置描述信息空間轉(zhuǎn)化

根據(jù)參照對象類型和位置描述精確度的不同，選取的空間轉(zhuǎn)化方法以及參數(shù)有所差異。重點保護(hù)區(qū)劃定的文本中提到的“興華中學(xué)圍墻東北角”現(xiàn)存完好，且與目標(biāo)物方位關(guān)系和度量關(guān)系明確，因此遺址重點保護(hù)區(qū)和一般保護(hù)區(qū)范圍可直接空間量化(圖2(a))。孟莊鎮(zhèn)與遺址區(qū)均為面數(shù)據(jù)，且僅能確定其方位關(guān)系，因此可以將參照對象簡化為面中心點，利用方位關(guān)系進(jìn)行定位，以孟莊鎮(zhèn)中心為圓心，孟莊鎮(zhèn)中心至澗頭村西南角的距離為半徑，繪制圓心角45°的扇形區(qū)域表示“孟莊東”(圖2(b))。公路相交于遺址中部，遺址形狀近似橢圓形，總面積約30萬m2，那么遺址區(qū)半徑約為310 m。公路若以孟莊鎮(zhèn)中心為起點，以澗頭村西南角為終點，根據(jù)度量及拓?fù)潢P(guān)系，則遺址區(qū)域定位在公路的310 m緩沖區(qū)范圍(圖2(c))。將各圖疊加分析，結(jié)果如圖3所示。遺址位置描述信息空間轉(zhuǎn)化后所覆蓋的空間范圍均有可能為遺址所在區(qū)域，重疊度越大的區(qū)域為遺址區(qū)的概率越高，條紋符號區(qū)域即為遺址可能存在的最高概率范圍。

2.2.2 多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)整合及遺址重定位

通過梳理遺址文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)資料，整理相關(guān)空間數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析評價(表3)，形成可用于遺址圖上定位的數(shù)據(jù)集。研究中以孟莊鎮(zhèn)2017年高分辨率遙感影像作為具有大地坐標(biāo)的參考數(shù)據(jù)，坐標(biāo)范圍為113.814°～113.843°E，35.442°～35.412°N，中央經(jīng)線114°E，利用ArcGIS10.2將遙感影像投影變換為高斯克呂格投影。

孟莊遺址規(guī)劃圖有較清晰的地理背景底圖和遺址邊界(城墻、護(hù)城河等)[18]，參照2017年遙感影像數(shù)據(jù)，在規(guī)劃圖底圖上選取相應(yīng)可識別地物，形成多對控制點，進(jìn)行地理配準(zhǔn)和校正。校正模型采用二階多項式模型。經(jīng)過反復(fù)多次實驗，選取用于坐標(biāo)匹配的控制點8對，校正RMSE=0.5 m，實現(xiàn)對遺址邊界的空間位置定位。

圖2 位置描述信息空間轉(zhuǎn)化圖Fig.2 Transformation map of location description information

圖3 基于位置描述信息的遺址空間定位圖Fig.3 Site space location based on location description information

名稱時間分辨率/比例尺坐標(biāo)投影數(shù)據(jù)質(zhì)量遙感影像2009—2017年0.27mWGS1984坐標(biāo)準(zhǔn)確,空間分辨率高,地理信息豐富2008—2025孟莊遺址保護(hù)總體規(guī)劃2010年1∶10000無無坐標(biāo),有遺址和地理背景信息,圖像分辨率低孟莊古城發(fā)掘分區(qū)和古城址平面圖1992—1995年1∶4000無比例尺較大,無坐標(biāo),有遺址分區(qū)和發(fā)掘探方的空間位置信息,圖像清晰探方遺跡平面圖1992—1995年1∶100無大比例尺測圖,無坐標(biāo),有遺跡和分區(qū)探方位置信息

遺址發(fā)掘分區(qū)圖有較清晰遺址邊界和發(fā)掘探方信息，空間地理坐標(biāo)未知。因此將分區(qū)圖與規(guī)劃圖進(jìn)一步空間配準(zhǔn)和校正，以獲取更詳細(xì)的遺址空間分布信息。將校正后的遺址規(guī)劃圖作為參考圖像，選取遺址發(fā)掘分區(qū)圖標(biāo)識的城墻或護(hù)城河拐點、探方角點等8個特征點作為控制點與遺址規(guī)劃圖對應(yīng)位置進(jìn)行匹配校正，校正后RMSE=0.4 m。根據(jù)校正后遺址發(fā)掘分區(qū)圖，矢量化遺址相關(guān)要素信息，獲得孟莊遺址分布圖(圖4)，基于位置描述信息的遺址定位圖與空間數(shù)據(jù)定位結(jié)果疊加效果圖(圖5)。

圖4 孟莊遺址分布圖Fig.4 The distribution map of Mengzhuang Site

圖5 基于位置描述信息和空間數(shù)據(jù)定位結(jié)果疊加Fig.5 Superposition of location results based on location description information and spatial data

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 遺址重定位結(jié)果分析

通過對孟莊遺址空間位置重定位，獲得遺址分區(qū)、考古發(fā)掘探方、相關(guān)遺跡以及現(xiàn)狀地物等空間位置信息?；贕IS工具拾取遺址特征點的空間坐標(biāo)，遺址分區(qū)總基點位于113.834°E，35.422 7° N，距S229省道85.42 m；龍山文化早期遺存主要分布在第8區(qū)，中心坐標(biāo)113.831° E，35.423 7° N；龍山文化晚期遺存在8區(qū)及20區(qū)最多，20區(qū)探方中心坐標(biāo)113.833° E，35.425 4° N；二里崗時期廣場位于13區(qū)，中心坐標(biāo)113.831° E，35.424 5° N。

2.3.2 遺址重定位精度分析及驗證

孟莊遺址共分為21個考古發(fā)掘區(qū)，每個分區(qū)大小為100 m×100 m，其中2～21區(qū)緊密排列，一區(qū)獨立于城址東側(cè)。測量2～20區(qū)外輪廓邊界總長度為1 799.674 m，與理論值1 800 m相差0.326 m，誤差約為0.02%，精度較高。誤差可能來源包括兩類：一是圖像信息載體介質(zhì)產(chǎn)生的誤差[19]，遺址發(fā)掘分區(qū)圖是利用紙質(zhì)出版物進(jìn)行圖像掃描獲取，紙張變形以及掃描精度導(dǎo)致校正誤差；二是部分?jǐn)?shù)據(jù)源精度不高，如遺址規(guī)劃圖為互聯(lián)網(wǎng)公開資源，圖像分辨率有限，具有明顯馬賽克效應(yīng)，校正后空間分辨率為2.8 m，嚴(yán)重影響控制點的精準(zhǔn)定位。為減少誤差對結(jié)果的影響，首先確?？脊虐l(fā)掘分區(qū)總基點位置的準(zhǔn)確性。孟莊遺址分區(qū)總基點位于5區(qū)東南角(即6區(qū)西南角)，因此本文以5區(qū)和6區(qū)為基準(zhǔn)進(jìn)行空間校正，嚴(yán)格控制該分區(qū)的控制點殘差，校正結(jié)果滿足田野考古野外作業(yè)技術(shù)要求?；谥囟ㄎ唤Y(jié)果，選取若干點進(jìn)行實地考古勘測，驗證了該結(jié)果的可靠性。

2.3.3 遺址核心區(qū)地表覆被現(xiàn)狀分析

基于定位配準(zhǔn)后的孟莊遺址分布圖(圖4)進(jìn)行圖測，孟莊遺址城墻總長為1 282.29 m，護(hù)城河總長為1 497.97 m，考古探方總面積約為5 392.1 m2?？脊虐l(fā)掘探方主要集中分布于遺址區(qū)東北部與中西部。整個遺址從發(fā)掘至今，受人類活動尤其是城鎮(zhèn)化影響顯著，遺址西側(cè)的城墻、護(hù)城河以及2、3、8、13、6分區(qū)的考古探方已位于孟莊鎮(zhèn)建設(shè)范圍內(nèi)，13、9區(qū)的探方為道路覆蓋，其他探方的地表覆被以農(nóng)田為主。

3 結(jié)論

本文從早期考古發(fā)掘遺址的資料特征分析入手，通過構(gòu)建位置描述信息空間轉(zhuǎn)化規(guī)則，利用多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集成方法，提出遺址多元地理信息綜合再定位方法，并以輝縣孟莊遺址為案例，實現(xiàn)早期考古發(fā)掘遺址的空間重定位?？臻g信息挖掘和空間特征量化相結(jié)合，是對遺址重定位方法研究的一次有益嘗試。但是鑒于遺址之間的差異性，針對不同類型的遺址，在模型方法上還需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。